L90线路光纤电流差动原理剖析

L90线路光纤电流差动原理剖析
作者：张艳
来源：《科技传播》2014年第06期
哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司，黑龙江哈尔滨150302
摘要和传统的比例差动原理的光纤电流差动保护不同，GE公司L90光纤电流差动继电器电流差动方案是基于一种GE开发并取得专利的创新的方法。

此功能是使用一种先进的自适应制动特性完成一种双斜率差动功能的分相保护，以取得高度的安全性，并可以在系统异常条件下防止误动作。

L90采用小矢量算法，用平方和的方法计算差动电流、制动电流。

该算法能准确的检测故障电流，制动电流，区分区内区外故障，保证了继电器的的高可靠性、高灵敏性。

关键词 L90；电流差动；自适应；小矢量；平方和
中图分类号TM77 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0057-02
0 引言
利用光纤通道传送电流采样值的光纤电流差动保护在继电保护中占有重要的地位，保护原理的先进性直接影响电力系统的安全，在传统的比率差动方案中，动作参数是基于保护区的电流向量和，制动参数是基于保护区的电流标量和（或平均标量），当动作参数除以制动参数大于斜率的整定值，该继电器将动作。

在外部故障时，动作参数与制动参数相比，相对较小，增大误动的可能性。

L90继电器使用一种先进的自适应制动特性完成双斜率差动功能的分相保护，以取得高度的安全性，为电力系统的安全运行提供可靠的保障。

下面我们具体分析L90的电流差动原理如何实现的，首先我们探讨小矢量算法。

1 小矢量算法
小矢量本身不同于矢量，但可对任何时间窗口排列整数个小矢量加以组合而构成矢量，每相每周波传输的矢量数为每周的采样数除以每个小失量的采样数。

L90 每周波采样数为 64，每个小矢量采样数为 16，这样可得到每周波 4 个小矢量。

小矢量是在计算采样值拟合成正弦函数的局部和，小矢量使得采样窗口并不局限于0.5倍工频的整数倍而仍可保证矢量计算的有效性，通过减小误差的平方和来确定电流采样数据的基频分量得到离散富氏变换的第一频率分量。

当数据窗口为 0.5 工频的倍数时，计算为数据采样值简单的正、余弦加权和。

当数据窗不为 0.5 工频的倍数时，由于对应该数据窗正、余弦函数不为正交关系，有一个附加的校正过程。

但计算可表示为2乘2阶正和余弦加权和的矩阵倍数。

每端每相的小失量与平方和计算如下。

实部：
虚部：
其中： K是当前的小矢量序数、N是每周波采样率、P是当前的采样序数。

小矢量与平方和的计算基本上是一个整合过程。

将小矢量和通过乘以一预先计算好的矩阵将其转化为固定矢量。

2 保护原理分析
2.1差动电流计算
L90能实现两端和三端线路差动保护，正常时线路各端保护每相的电流矢量和为 0。

当有一相每端的电流矢量和根据统计分析落于该相动态椭圆制动边界外时（见图1），检测出该相发生故障。

用就地和远方的电流和计算差动电流，按相计算，实部计算如下：
;
虚部计算如下：
则差动电流平方公式如下：，从公式可以看出，差动电流的平方等于差动电流实部的平方与虚部平方的和。

2.2 制动电流计算
制动电流由两部分组成：传统意义上的（常规的）和自适应的。

每只继电器计算传统的就地部分和用于就地及发送到远方用于差动计算制动电流，如果多于 1 个 CT 被连接到继电器上（如一个半断路器的应用），那么所有电流的最大值被选择处理作为传统制动特性的制动电流。

传统制动电流选择如下：
这个电流被处理成带有斜率（S1 和S2）及断点(BP)整定形式，对于就地电流的制动条件，显示如下。

针对于两端系统，我们有：
如果，那么
否则
在差动计算中，最终与发送到远方同等的，并且用于就地的制动电流显示如下：
在这里: MULTA是一个系数，如果检测到 CT饱和，用于增加制动，ILOC_ADA_A 是一个自适应的制动条件。

制动电流的平方是就地和所有远方制动量的平方和：
s下列公式决定了每相故障的严重程度:
其中： P是启动整定值
该等式根据适应原则，而得到的一个椭圆型制动特性，如图 1。

椭圆区域为制动区域。

当制动电流中的自适应比较小时，制动区域相应缩小。

当制动电流的自适应部分增加时，制动区增大以反映测量的不正确性。

“自适应制动”指一个制动的系数，类似于传统差动保护的斜率，用于调节继电器的灵敏度。

提高制动系数，相当于过分要求一个大的可靠区间，当降低制动倍率时，等效于减少了可靠区间而增大了灵敏度。

因此，制动系数用于为达到所需灵敏度与安全性的平衡所提供的调节手段。

当动作矢量在椭圆的边界上，故障严重度估算是 0，在边界内部，故障严重度是负的，在边界外，故障严重度是正的。

在制动边界的外边，故障严重度的估算的增长是随着故障电流的平方的增长而增长。

制动区随测量误差的平方增加而增加。

图1L90动作特性图
差动元件的特性能显示在复平面上，L90的动作特性基本可以根据就地和远方电流的相对矢量比例显示在制动特性图1上.
2.3 CT饱和检测
L90 采用一种专用的原理处理 CT 饱和，该继电器在外部故障时动态的增加误差平方和部分在总制动量中的分量，采用如下的逻辑：
• 第一步，线路各端的电流，与一个门槛值3pu（额定电流）进行比较，来检测电流状态，它可能是由故障引起的，并可能导致CT饱和。

• 第二步，对于3pu 水平的线路各端电流，计算相互的相角差。

如果所有三端都看到显著的电流，那么所有三对（1，2），（2，3），（1，3）都要考虑，而且在进一步的计算中采用最大的相角差。

图2 CT饱和时自适应制动系数图
• 第三步，根据各端电流的相角差，计算自适应制动电流的MULTA 值，图2所示，MULTA 值按乘数 1，5或 2.5的倍数增加。

如从图中看到的，对内部故障，采用乘数 1，但对外部故障，采用乘数 2.5 到 5。

这使继电器对内部故障是灵敏的，而对可能有的CT饱和的外部故障，继电器是不动作。

2.4 自适应制动电流的计算
L90自适应椭圆制动特性是确定矢量各种误差源累积效应的一个较好的近似。

误差源包括系统噪音、暂态、线路充电、电流互感器增益、相位误差及饱和误差、时钟误差、及非同步采样。

可控误差可通过测量误差在线估测系统降为 0，对不可控误差，所有的继电器计算和总结
每一相的每种误差源的平方和矩阵，再将每一种误差源的平方和矩阵每一相相加，得到总的平方和矩阵。

首先从当前小矢量平方和信息计算采样数据误差的平方和：
然后基本量相同的小矢量算法计算如下：
最后，对每一个就地电流，就地自适应制动条件计算如下：
就地平方自适应制动的估算来自于所有的就地电源，源（1 至 2）而且是可以按如下公式获得：
为就地时钟误差
3 结论
通过上面的分析我们可以看到L90 采用了一种基于传统的比率差动原理的自适应差动原理，该原理通过小矢量和平方和的算法实现。

由于传统的方案不是自适应的，元件的整定必须允许保护区外故障时，预期的误差最大值。

这时，CT的误差可能很大，或CT可能经历饱和。

L90 差动方案与比率差动方案之间的主要区别是，在输入电流中误差估算的使用，以增加在故障时的制动参数，并允许采用比在传统方案中更为灵敏的整定值。

从而保证了L90的高可靠性、高灵敏性。

参考文献
[1]L90线路差动系统说明书.P/N:1601-0081-Z1(GEK-119522).
[2]贺家李，宋从矩主编.增定版，电力系统继电保护原理.北京：中国电力出版社，2004.。