输电线路的差动保护

技术领域

在此呈现的实施例涉及用于输电系统的输电线路的差动保护的方法、装置、计算机程序和计算机程序产品。

背景技术

在输电系统中，长输电线路可能具有相当高的电容充电电流。因此，可能需要对电容电流进行实时补偿，以提高超高压(UHV)线路差动保护的可靠性，尤其是在具有高故障阻抗的内部故障期间提高超高压(UHV)线路差动保护的可靠性。

现有的用于线路差动保护机制通常基于在正常运行状态下减去测量或计算的差动电流并且即使在内部故障期间也继续补偿差动电流，这对高阻抗接地故障不太敏感。这对于短输电线路应用条件是可以接受的，原因在于在短输电线路条件下针对低阻抗内部故障电容充电电流不是那么高。当输电线路变长时，尤其是UHV线路，在正常运行状态下相应的电容充电电流会相当高。

现有的电容充电电流连续补偿机制即使在内部故障期间不仅会降低线路差动保护的依赖性，而且在内部故障状态下经补偿的充电电流可能不正确。其原因之一是内部故障期间沿输电线路的实际电压可能与正常运行状态下沿输电线路的电压不同。

因此，仍然需要改进的线路差动保护机制。

发明内容

本文实施例的一个目的是为输电系统的输电线路提供有效的线路差动保护，其不受上述问题影响，或者至少在减少或减轻这些问题的情况下不受上述问题影响。

根据第一方面，提出了一种用于输电系统的输电线路的差动保护的方法。该方法包括从输电线路获取制动电流和差动电流。该方法包括确定差动电流的补偿电流。该方法包括将被补偿电流补偿的差动电流和制动电流提供给差动保护装置以用于做出跳闸决定。该方法包括检测输电系统的内部故障。作为其结果，该方法包括向差动保护装置提供未被补偿电流补偿的差动电流和制动电流以用于做出跳闸决定。

根据第二方面，提出了一种用于输电系统的输电线路的差动保护的装置。该装置包括处理电路。处理电路被配置为使装置从输电线路获取制动电流和差动电流。处理电路被配置为使装置确定差动电流的补偿电流。处理电路被配置为使装置将被补偿电流补偿的差动电流和制动电流提供给差动保护装置以用于做出跳闸决定。处理电路被配置为使装置检测输电系统的内部故障。处理电路被配置为使得该装置作为其结果向差动保护装置提供未被补偿电流补偿的差动电流和制动电流以用于做出跳闸决定。

有利地，这提供了不受上述问题影响的输电线路的有效差动保护。

有利地，通过使用自适应补偿，在正常运行状态(和外部故障状态)下将差动电流补偿到非常低的水平，与此同时在内部故障状态下保持原始差动电流以获取线路差动保护的最佳依赖性和安全性.

根据第三方面，提供了一种用于输电系统的输电线路的差动保护的计算机程序，该计算机程序包括计算机程序代码，当在装置上运行时，该计算机程序代码使装置执行根据第一方面的方法。

根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据第三方面的计算机程序和在其上存储该计算机程序的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是非暂时性计算机可读存储介质。

从以下详细公开、从属权利要求以及附图，所附实施例的其他目的、特征和优点将变得明显。

一般而言，权利要求中使用的所有术语均应根据其在技术领域中的一般含义来解释，除非本文另有明确定义。除非另有明确说明，否则所有对“一/一个/元件、设备、部件、装置、模块、步骤等”的引用均将被公开解释为指元件、设备、部件、装置、模块、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行。

附图说明

现在参考附图以示例的方式描述本发明构思，其中：

图1、2、3是根据实施例的输电系统的示意图；

图4、5、6、7、8、10示出了根据实施例的电流值；

图9、11、12是说明根据实施例的差动保护装置或其部分的示意图；

图13是根据实施例的方法的流程图；

图14是示出根据实施例的装置的功能单元的示意图；

图15是示出根据实施例的装置的功能模块的示意图；和

图16示出了根据实施例的包括计算机可读存储介质的计算机程序产品的一个示例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，其中示出了本发明构思的某些实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式体现并且不应被解释局限为本文阐述的实施例；相反，通过示例的方式提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元件。虚线所示的任何步骤或特征都应视为可选。

图1示意性地示出了应用本文公开的实施例的配电系统的输电系统25。输电系统25包括用于输电系统25的输电线路20的差动保护的至少一个装置10a，10b。两个或更多个装置10a，10b可以经由通信链路23可操作地连接。此外，两个或更多个装置10a，10b可以是用于输电线路20的差动保护的公共装置10c的一部分。装置10a，10b可以是作为继电器操作的智能电子设备(IED)的一部分或包括智能电子设备(IED)。输电系统25还包括电源21a，21b、电流和电压互感器22a，22b以及断路器23a，23b。F1和F2分别表示沿输电线路20的外部故障和内部故障。输电线路20可以是超高压(UHV)输电线路20。输电线路20可以是配电系统的一部分。

本文公开的实施例涉及用于输电系统25的输电线路20的差动保护的机制。为了获取这种机制，提供了装置10a，10b，10c、由装置10a，10b，10c执行的方法、例如为计算机程序的形式的包括代码的计算机程序产品，当该计算机程序在装置10a，10b，10c上运行时，使得装置10a，10b，10c执行该方法。

本文公开的机制通过为输电线路差动保护提供自适应电容充电电流补偿来克服用于差动线路保护的电流机制的上述问题。在检测到内部故障时，电容电流的补偿被禁用，使得最终差动电流等于最初确定的差动电流。

现在将公开两端输电线路的方面。

图2图示了图1的输电系统的简化，其中输电线路被表示为典型的两端输电系统。

图2中的相关向量分别表示沿输电线路的相关正序向量：V

在正常运行状态下，每相中的电容充电电流可以根据图2底部给出的正序网络计算，其中通过将A相视为三相系统中的起始相C

I

I

I

这里，a＝﹣0.5+j0.866，其是三相输电系统的旋转系数。

在相量域中，中点电压V

Vm1(t)＝Vs1(t)-Is1(t)×0.5Z1 (2)

对于三相输电线路，每相电容充电电流可以基于等式(1)、(2)计算，或者替代地首先计算A相电容电流，然后通过基于等式(1)中给出的三相系统信号关系乘以旋转系数“a”将A相电容电流旋转+120度获取相C并且通过根据等式(1)中给出的三相系统信号关系乘以“a2”将A相电容电流旋转﹣120度计算获取相B。

基于等式(1)、(2)计算出的每相的电容电流(

I

I

I

I

I

I

I

这里k1是约束系数，该约束系数在1以下并且一般取值在0.2到0.6之间。Threshold1是通常约为标称负载电流的20％的正值。I

现在将公开多端输电线路的方面。

在多端输电线路的情况下，可以应用相同的原理。然后正序电容C

总充电电流(以A相为例)可以按照下面的等式(11)计算。

I

此处，Vm1(t)是多端输电线路系统中在分离开最远距离的两个终端之间沿输电线路的正序网络中的中点电压。B相和C相的电容电流也可以通过使用与等式(1)中所示相同的旋转因子来获取。

三端连接网络的示例如图3所示。三个源连接为三端系统。这里两个终端之间的最长线路是源S和源R之间的输电线路。中间点是这条最长输电线路中的250公里处。V

基于正序网络，中点电压V

Vm1(t)＝Vs1(t)-Is1(t)×0.2Z1-(Is1(t)+It1(t))×0.3Z1 (12)

现在将通过以A相回路作为示例来公开用于线路差动保护应用的实时电容电流补偿的方面。

实时电容电流计算和补偿可用于线路差动保护，这可以提高线路差动保护的安全性，这是因为补偿可以在正常负载状态下将差动电流补偿到几乎为零的水平。可以通过对每相分别使用下面的等式(13)来获取补偿：

I

I

I

另一方面，补偿可以在内部故障造成干扰的情况下关闭，使得差动电流将等于实际差动电流或者在外部故障状态的情况下对补偿进行控制。

图4以A相回路为例显示了A相接地故障(固体接地故障)的内部故障状态。这里信号final_ID为A相中经补偿的差动电流。Ida1(Ida1＝Ida(t))为A相的原始差动电流(未补偿的差动电流)。可见正常状态期间经补偿的差动电流final_ID几乎为零，并且一旦检测到内部故障，它就会切换回原始差动电流Ida1。Ida1rms(Ida1rms＝Id_a_rms(t))为A相中差动电流的均方根值(RMS)。Iresrms(Iresrms＝Ires_a_rms(t))为A相制动电流的RMS值。Final_IDrms为A相经补偿的差动电流的RMS值。信号Diff_Trip是内部故障状态的最终跳闸信号。在这种情况下，基于一般差动保护抑制特性，跳闸信号在5ms后设置为值1。可见该补偿对正常状态期间线路差动保护的安全性产生了积极的影响，并且不影响内部固体故障状态期间保护的依赖性。

对于具有高阻抗故障状态的内部故障，由于高阻抗故障不会对电压和电流产生明显的变化，因此经补偿的差动电流会降低很多。因此，每相中的差动电流和制动电流的变化有限。图5示出了A相的高阻抗故障，其中故障阻抗为1000欧姆。跳闸信号Diff_Trip在10ms后设置为值1。如图5所示，在高阻抗接地故障的内部故障期间，A相中的原始差动电流Ida1(Ida1＝Ida(t))变化不大。另一方面，给定输电线路的电容泄漏电流几乎接近1000安培峰值。如果保持对差动电流的补偿Id_comp(Id_comp＝Id_comp_a(t))，将降低故障期间差动保护的依赖性。相关的RMS值为Id_com_rms。差动保护的依赖性会受到影响。在这种情况下，一旦检测到内部故障，如图5所示，则通过信号final_ID和final_IDrms切换回原始差动电流是有利的。这样，获取了更好的依赖性。

参照图6进一步说明A相内部故障期间的这种高阻抗故障状态。图6﹣(a)中的矢量图表示故障期间的差动电流(IA_diff)和相关的电容充电电流(IA_diff_C)和故障阻抗电流(IA_diff_R)。图6﹣(b)显示了这些信号的瞬时信号和RMS值。从图6﹣(b)的中间窗口可以看出经补偿的差动电流RMS值(Id_comp_rms)远低于未补偿的差动电流RMS值ida1rms(ida1rms＝Id_a_rms(t))。在图6的说明性示例中，Ia_diff_R＝425A、Ia_diff_C＝900A、Ia_diff＝995A并且Id_comp_rms＝425A。还可以看出，未补偿的差动电流角比中点正序电压矢量角超前90度并且在故障期间比中点正序电压超前61度，这符合图6﹣(a)。图6﹣(c)给出了具有高阻抗Rf的A相接地故障的等效电路。这里Ceq是A相中的等效正序电容。Vaf是A相对地电压，其接近高阻抗故障的测量值Vm1。

对于外部故障，理论上，基于发送端和接收端的电流方向性，差动电流为零。在实践中，特别是对于长输电线路条件下，由于电流互感器饱和、测量误差等可能产生的误差，在具有固定接地故障的外部故障期间，如图7Ida1所示最终差动电流不为零。从安全角度来看，保持差动电流为零是有利的。因此，一旦检测到外部故障，便可以使用外部故障检测开关将差动电流切换为零。另一种方法是，如果检测到外部故障，则将差动电流保持为原始差动电流Ida1。

现在将公开内部故障和外部故障检测的方面。

对于内部故障检测，以A相为例，可以使用如下面等式(14)、(15)、(16)中给出的以下标准。这里，t是时刻，T是相关电力系统的一个基本周期时间。

ΔI

ΔI

其中，等式(14)为针对A相差动电流变化的计算，等式(15)为针对A相制动电流变化的计算，等式(16)为针对A相差动电流角度变化的计算。

内部故障可能会在相关故障阶段产生差动电流或制动电流的突然增加。并行地，差动电流角将从总电容电流状态减小到电容电流与电阻电流的组合，如图6﹣(a)所示。差动电流角的减小将取决于故障电阻水平。等式(14)﹣(16)是以A相为例的一般表达式，其可用于差动电流、制动电流和差动电流角突变的各相计算，也可使用诸如利用两个周期数据代替一个周期数据来获取上述突变值的替代方法。

图8和图9表明内部故障检测开关可以成功用于内部故障情况，并表明该逻辑适用于固定故障和高阻抗故障。关于将在下面描述的图12，图9以A相为例示出了内部故障检测开关的方案900。在内部故障的情况下，内部故障开关将被设置为1，使得补偿将被禁用，实际差动电流将用于差动保护。以这种方式，提高了差动保护的灵敏度。

对于外部故障，由于外部故障的电流方向变化，因此相应故障相的差动电流会立即减小。由于馈入故障点的高故障电流，因此制动电流将在故障开始后立即增加。故障相中差动电流和制动电流的变化可用于检测外部故障。基本概念是检测差动电流的减少和制动电流的突然增加，可以提供有效的外部故障识别。对于电流互感器(CT)饱和条件，如果CT在每个过零点后在1﹣2ms内未饱和，则仍然可以检测到外部故障。因为线路CT没有大的比率差异，所以大多数线路保护方案的这个状态将得到满足。图10和图11示出了图2所示接收端变电站的母线中的外部故障的示例。关于下面将进行描述的图12，图11示出了以A相为例的外部故障检测开关的方案1100。当检测到外部故障时，外部故障开关将设置为1，使得将差动电流设置为零。

图12中以A相为例示出了在装置10a中具有自适应电容电流补偿的整体差动保护方案1200。在图12中，Set1是如在差动保护装置1210中执行的瞬时差动保护标准的阈值，Set2是基于RMS的差动保护标准的阈值。K1是一个比率值，其通常设置为0.5。装置10a包括外部故障检测开关(更详细地如图11所示)和内部故障检测开关(更详细地如图9所示)。当外部故障检测开关Ctrl＝1时，其置于A位置，否则置于B位置。当内部故障检测开关Ctrl＝1时，其置于A位置，否则置于位置B。因此，可以使用两个信号Ctrl来控制外部故障检测开关的位置和内部故障检测开关的位置。

I

此外，Final_Ida(t)是A相的实时差动电流，Final_Ida(t)的RMS值表示为Final_Ida_rms(t)并基于以下等式(17)中给出的基本电源频率周期时间T连续计算。

图13是示出用于输电系统25的输电线路20的差动保护的方法的实施例的流程图。这些方法由装置10a，10b，10c执行。该方法有利地作为计算机程序1620提供。

S102：从输电线路20获取制动电流I

各相A、B、C的制动电流I

S104：确定差动电流的补偿电流。根据一实施例，补偿电流是电容补偿电流。

S106：将经补偿电流补偿的差动电流和制动电流提供给差动保护装置1210，用于做出跳闸决定。参照图12，内部故障检测开关因此设置在位置A，外部故障检测开关设置在位置B。

S108：对于输电系统25检测到内部故障F2。

S110：作为已经检测到内部故障的结果(如在步骤S108中)，未经补偿电流补偿的差动电流和制动电流被提供给差动保护装置1210以用于做出跳闸决定。参考图12，内部故障检测开关因此设置在位置B，外部故障检测开关设置在位置B。

在这方面，在三相AC输电系统中，差动电流和制动电流是分相的，即存在三个差动电流和三个制动电流。每相将有一个差动电流和一个制动电流，因此每相有一个差动保护方案。这三种差动保护方案(每相一个)并行运行以定义整体差动保护方案。例如，如果A相发生故障，则A相差动保护功能将检测到故障，并跳闸A相。再例如，如果A相和B相发生故障，则A相和B相的差动保护方案将检测故障并向A相和B相的断路器发送跳闸以隔离故障，等等。

现在将公开与由装置10a，10b，10c执行的输电系统25的输电线路200的差动保护的进一步细节有关的实施例。

可以确定补偿电流，使得在正常操作期间经补偿的差动电流为零。参考图12，外部故障检测开关因此设置在位置A。

如上所述，例如参考图2，输电系统25可表示为正序网络。然后可以通过从正序网络的参数计算得到制动电流I

在某些方面，检测到外部故障F1，因此执行步骤S112和S114：

S112：检测到输电系统25的外部故障F1。

S114：作为已经检测到外部故障的结果，差动保护装置1210被禁止做出跳闸决定。在一些实施例中，通过提供设置为零的差动电流和被提供给差动保护装置1210的制动电流用于做出跳闸决定而禁止差动保护装置1210做出任何跳闸决定。参考图12，外部故障检测开关因此设置在位置A。

此处可以假设，如果发生故障，则故障是内部故障F2或外部故障F1。这并不排除两个或更多个故障可能会在时间上接连发生，其中在时间上第一次发生的故障是内部故障F2或外部故障F1，而在时间上第二次发生的故障是内部故障F2或外部故障F1，等等。因此，要执行的措施或步骤取决于检测到什么类型的故障。

因此，制定本发明的替代方式是在获取制动电流I

因此，根据本发明的替代公式，获取制动电流I

M终端输电系统25在时间t的制动电流表示为I

其中I

图14根据多个功能单元示意性地示出了根据一个实施例的用于输电系统25的输电线路20的差动保护的装置10a，10b，10c的部件。使用能够执行存储在计算机程序产品1610(例如以存储介质1430的形式，如图16所示)中的软件指令的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中的一个或多个的任意组合来提供处理电路1410。处理电路1410还可以被提供为至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。

特别地，处理电路1410被配置为使装置10a，10b，10c执行如上文公开的一组操作或步骤。例如，存储介质1430可以存储该组操作，并且处理电路1410可以被配置为从存储介质1430获取该组操作以使得装置10a，10b，10c执行该组操作。该组操作可以作为一组可执行指令提供。

因此，处理电路1410由此被布置为执行如本文所公开的方法。存储介质1430还可以包括永久存储器，例如，可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或远程安装的存储器中的任何一个或组合。装置10a，10b，10c还可以包括通信接口1420，其至少被配置用于从输电系统25获取电流值，以向差动保护装置1210提供电流值，并且用于与另一装置10a，10b，10c通信。因此，通信接口1420可以包括一个或多个发射器和接收器，所述发射器和接收器包括模拟部件和数字部件。处理电路1410控制装置10a，10b，10c的总体操作，例如通过向通信接口1420和存储介质1430发送数据和控制信号，通过从通信接口1420接收数据和报告，以及通过从存储介质1430检索数据和指令。省略了装置10a，10b，10c的其他部件以及相关功能，以免混淆本文提出的概念。

图15示意性地图示了根据实施例的关于多个功能模块用于输电系统25的输电线路20的差动保护的装置10a，10b，10c的部件。图15的装置10a，10b，10c包括多个功能模块；获取模块1510a配置成用于执行步骤S102；确定模块1510b配置成用于执行步骤S104；提供模块1510c配置成用于执行步骤S106；检测模块1510d配置成用于执行步骤S108；提供模块1510e配置成用于执行步骤S110。

图15的装置10a，10b，10c还可包括多个可选功能模块，例如被配置为执行步骤S112的检测模块1510f和被配置为执行步骤S114的禁用模块1510g中的任一个。一般而言，每个功能模块1510a﹣1510g在一个实施例中可以仅以硬件来实现，而在另一实施例中借助软件来实现，即，后一实施例具有存储在存储介质1430上的计算机程序指令，当在处理电路上运行该计算机程序时使装置10a，10b，10c执行上文结合图15提到的相应步骤。还应该提到的是，即使模块对应于计算机程序的一部分，它们也不需要是其中的单独模块，而且它们在软件中的实现方式取决于所使用的编程语言。优选地，一个或多个或所有功能模块1510a﹣1510g可以由处理电路1410实现，所述处理电路可能与通信接口1420和/或存储介质1430并用。处理电路1410因此可以被配置为从存储介质1430获取由功能模块1510a﹣1510g提供的指令并执行这些指令，从而执行如本文公开的任何步骤。

图16示出了包括计算机可读存储介质1630的计算机程序产品1610的一个示例。在该计算机可读存储介质1630上可以存储计算机程序1620，该计算机程序1620可以使处理电路1410及其可操作地耦合的实体和设备(例如通信接口1420和存储介质1430)执行根据本文描述的实施例的方法。计算机程序1620和/或计算机程序产品1610因此可以提供用于执行本文公开的任何步骤的手段。

在图16的示例中，计算机程序产品1610被示为光盘，例如CD(压缩盘)或DVD(数字通用盘)或蓝光盘。计算机程序产品1610还可以体现为存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器和更具体地作为外部存储器中的设备的非易失性存储介质，例如USB(通用串行总线)存储器或闪存，例如紧凑型闪存。因此，虽然这里将计算机程序1620示意性地示为所描绘的光盘上的磁道，但计算机程序1620可以以适合于计算机程序产品1610的任何方式存储。

上文已经主要参考几个实施例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在如所附专利权利要求所限定的本发明构思的范围内，除了以上公开的实施例之外的其他实施例同样是可行的。