Power supply arm protection scheme of high-speed railway based on wide-area current differential

When fault occurs on cross-coupling autotransformer(AT)power supply traction network,the up-line and down-line feeder circuit breakers in the traction substation trip at the same time without selectivity,which leads to an extended power failure.Based on equivalent circuit and Kirchhoff’s current law,the feeder current characteristic in the substation,AT station and sectioning post when T-R fault,F-R fault,and T-F fault occur are analyzed and their expressions are obtained.When the traction power supply system is equipped with wide-area protection measurement and control system,the feeder protection device in each station collects the feeder currents in other two stations through the wide-area protection channel and a wide-area current differential protection scheme based on the feeder current characteristic is proposed.When a short-circuit fault occurs in the power supply arm,all the feeder protection devices in each station receive the feeder currents with time stamp in other two stations.After data synchronous processing and logic judgment,the fault line of the power supply arm can be identified and isolated quickly.The simulation result based on MATLAB/Simulink shows that the power supply arm protection scheme based on wide-area current differential has good fault discrimination ability under different fault positions,transition resistances,and fault types.The verification of measured data shows that the novel protection scheme will not be affected by the special working conditions of the electrical multiple unit(EMU),and reliability,selectivity,and rapidity of relay protection are all improved.

Study on the Effect of Multi-Type Current Transformers Hybrid Operation on Differential Protection of the Bus Based on Dynamic Simulation

This paper analyzes characteristics of multi type current transformers hybrid operation for each branch of the bus and their effects on differential protection of the bus. By theoretically analyzing transmission characteristics of multi type current transformers and their influence factors, we study the dynamic model testing method of multi type current transformers for the bus, and design 3 kinds of testing schemes by making the equivalent model based on the field of P-level current transformer, TPY-level current transformer and electronic current transformer, and build the hybrid operation testing platform of multi type current transformers. Finally, we compare and analyze the transmission characteristics difference of multi type current transformers on the same branch and the characteristics difference of hybrid operation in two successive external faults, analyze the cause behind the differences, and put forward the corresponding improvement measures.

基于正弦同源-概率空间协同互补的涌流闭锁方案

为了取消正弦相似性原理中的最小二乘法等中间环节,获得直接固定标准正弦波形所需要的能量信息。借鉴时域概率分布的方法论,从优势互补的角度出发,设计了一种基于Wasserstein距离算法的变压器励磁涌流闭锁方案。该方案采用特征离散化的方式,提取目标对象和模板信号并转化为状态向量作为样本标签,以此来判别两者之间的能量分布差异,从而达到正弦场景同源识别的效果。理论分析与仿真结果表明,该方法实现简便,不需要频域计算。相比于现有正弦相似性原理,降低了保护流程的复杂程度,具有更强的实际应用价值和速动性能。通过PSCAD/MATLAB平台对现场合闸的录波数据进行测试分析,验证了所提方案对促进变压器保护性能的积极意义。

通信限制下多DG接入配网的新型电流差动保护

差动保护是解决分布式电源(distributed generation, DG)接入下配电网保护难题的有效手段,然而配网现有通信建设水平很大程度上制约了差动保护的构建。首先,融合电流相位与相量差动保护思想,同时将电流相位信息进行变换,实现通信信息降容。应用递推最小二乘法实现短路电流相位参数的快速估计,提出了短路电流相位修正策略,以应对CT饱和与直流分量对保护的干扰。最后,提出适用于含多DG配网的新型电流差动保护构建原则与保护判据。基于PSACD/EMTDC平台搭建仿真模型,验证了所提出的电流相位参数预测方法的精度与新型差动保护的性能。算例结果表明:所提电流相位参数预测方法速度快、精度高,具有良好的抗CT饱和能力;所提新型差动保护原理具有良好的性能。

基于差动电流与分布电容电流比值的直流线路纵联保护方案

分布电容电流会对直流线路纵联保护性能造成影响。文中以三端混合高压直流输电线路为对象,讨论分析了差动电流与分布电容电流比值的故障特征。由于差动电流和分布电容电流都会随着过渡电阻的增大而减小,采用差动电流与分布电容电流的比值作为判据,可以削弱过渡电阻对判据的影响,提高保护的灵敏性。基于此,提出了一种基于差动电流与分布电容电流比值的纵联保护方法。基于PSCAD/EMTDC的仿真验证表明,所提保护判据整定简单且天然具有故障选极功能,能可靠识别区内外故障,耐过渡电阻能力强且具有较高的灵敏性和可靠性。

A d-axis based current differential protection scheme for an active distribution network

The emergence of distributed generators has changed the operational mode and fault characteristics of the distribu-tion network,in a way which can severely influence protection.This paper proposes a d-axis-based current differential protection scheme.The d-axis current characteristics of inverter-interfaced distributed generators and synchronous generators are analyzed.The differential protection criterion using sampling values of the d-axis current component is then constructed.Compared to conventional phase-based current differential protection,the proposed protection reduces the number of required communication channels,and is suitable for distribution networks with inverter-interfaced distributed generators with complex fault characteristics.Finally,a 10 kV active distribution network model is built in the PSCAD platform and protection prototypes are developed in RTDS.Superior sensitivity and fast speed are verified by simulation and RTDS-based tests.

电流差动保护在海上风电低频送出线路中的适应性分析

低频输电技术在中远距离海上风电领域应用潜力巨大。电流差动保护是广泛应用的传统交流保护,面对电力电子型电源时其性能可能受到影响,故有必要研究其在海上风电低频输电系统中的适应性。文中基于故障复合序网推导了直驱风机和模块化多电平矩阵换流器的电源特性对故障电流的影响,理论分析了电流差动保护的适应性。为定量分析保护适应性,提出了基于改进节点方程的故障电气量计算方法,计算给定故障条件下的故障电流和保护判据取值,判断保护动作情况。研究表明,单相接地和两相短路时保护灵敏度降低,甚至可能拒动;两相接地和三相短路时,保护能正常动作。最后,建立PSCAD/EMTDC仿真模型验证了理论分析和计算方法的正确性。

基于正序电流故障分量的有源配电网线路差动保护

传统配电网在大量分布式电源接入后变为有源配电网,拓扑结构与故障特征发生改变,现有电流差动保护无法同时满足可靠性与灵敏性要求。为此分析了逆变型分布式电源故障输出特性,建立有源配电网正序电流故障分量网络,在此基础上提出一种基于正序电流故障分量的电流差动保护方案。该方案以线路两侧正序电流故障分量为特征量对常规电流差动保护进行改造,解决了在分布式电源接入后线路发生区内高过渡电阻故障引起的电流差动保护无法准确识别故障的问题。最后使用PSCAD/EMTDC对该方案在不同工况下的动作情况进行仿真,仿真结果表明该方案能够适应有源配电网保护需求。

大容量冲击短路试验发电机组继电保护方案

随着实验室容量不断提高,大容量冲击短路试验发电机组应用日益增加,其继电保护配置对机组与电网安全十分重要。以冲击短路试验发电机组继电保护为研究对象,描述了冲击短路试验发电机的主要故障类型,介绍了故障的继电保护原理,对比了电磁式电流互感器和全光纤电流互感器特点。同时以额定容量100 MVA冲击短路试验发电机为例,设计了适用于冲击短路试验发电机的继电保护方案,并详细分析了发电机差动保护、定子过负荷保护、转子接地保护参数整定方式,可为冲击短路发电机组继电保护配置提供参考。

35 kV不接地系统开关柜内故障TA饱和波形分析

电流互感器饱和引起的区内故障拒动、区外故障误动在电网运行中是存在的,发生此类故障对电网和用户的影响比较严重,特别是66 kV及以下电压等级电流互感器,由于制造、成本等原因,TA饱和现象比110 kV以上电压等级普遍。本案例是一110 kV用户35 kV开关柜故障两组35 kV电流互感器先后饱和造成区内故障拒动,区外故障误动,使工厂停产,直到恢复正常供电。

基于上下行差流比原理的故障方向识别及广域保护方案

全并联AT供电方式下,智能牵引变电所的广域保护在牵引网故障时仅切除故障侧,非故障侧牵引网不断电。本文通过分析全并联AT供电方式下故障时变电所、AT所和分区所电流特征,提出了基于上下行差流比原理的广域保护故障方向识别判据,在发生PT断线时可缩小广域保护无法识别故障方向的范围,提高了广域保护的选择性。

Waveform feature monitoring scheme for transformer differential protection

We propose a new scheme for transformer differential protection. This scheme uses different characteristics of the differential currents waveforms (DCWs) under internal fault and magnetizing inrush current conditions. The scheme is based on choosing an appropriate feature of the waveform and monitoring it during the post-disturbance instants. For this purpose, the signal feature is quantified by a discrimination function (DF). Discrimination between internal faults and magnetizing inrush currents is carried out by tracking the signs of three decision-making functions (DMFs) computed from the DFs for three phases. We also present a new algorithm related to the general scheme. The algorithm is based on monitoring the second derivative sign of DCW. The results show that all types of internal faults, even those accompanied by the magnetizing inrush, can be correctly identified from the inrush conditions about half a cycle after the occurrence of a disturbance. Another advantage of the proposed method is that the fault detection algorithm does not depend on the selection of thresholds. Furthermore, the proposed algorithm does not require burdensome computations.

新型电力系统全息电流采样值差动保护仿真研究

传统电力系统故障电流的谐波含量较低,继电保护主要考虑50 Hz的故障电流,一般忽略谐波故障电流对动作特性的影响。新型电力系统中,大量电力电子器件的应用,谐波故障电流含量大幅增加,与频率无关的包含谐波电流的保护原理更能反映故障的特性。柔性低频输电系统在发生故障时,换流器的短路电流承受能力有限,保护对速动性的要求较高,谐波较传统系统复杂,传统基于工频量的交流保护原理不再适用。采样值差动原理保护基于基尔霍夫定律,在50 Hz电力系统的变压器、母线和线路保护得到广泛应用,具有动作速度快、抗干扰能力强、无惧谐波等特点,因此,开展采样值差动保护的适应性研究,具有较强的现实意义。根据新型电力系统和柔性低频输电系统故障电流的特点,分析了全息电流采样值差动应用在变压器、母线和线路保护的可行性,提出了基于制动系数可变动作区间的采样值差动方案,为新型电力系统差动保护选用提供了一种可行性方案。

母线差动保护电流互感器断线处理逻辑

根据电流互感器(CT)断线对于母线差动保护的影响程度,分为支路CT断线和母联CT断线。首先,介绍了当前母线差动保护对于CT断线的处理逻辑,指出了当前逻辑存在的准确性不高、快速性不足的问题。然后,分析了母线接地故障与CT断线特征的差异,提出了包含故障识别逻辑、CT断线支路选线逻辑和故障后跳闸逻辑3个部分的支路CT断线改进处理逻辑,并引入母联双CT电流构建母联死区差动元件,提出了综合利用大差差动电流、小差差动电流和母联死区差动电流的母联CT断线的改进处理逻辑。最后,基于实时数字仿真系统试验结果,证明了改进后的逻辑能够快速准确地选择断线CT,避免差动保护在重负荷支路CT断线时误动和母线区内高阻接地故障时拒动,在发生母联CT断线时最大限度地维持了差动保护的速动性。

逆变型分布式电源接入配电网的电流纵联保护研究

针对逆变型分布式电源(IIDG)接入的配电网,首先在新的并网规程下,分析了IIDG的故障特性,提出了故障等值模型;然后根据IIDG接入配电网故障时,线路两端故障电流的比值分布情况,指出现有电流纵联保护方案不能准确区分区内外故障与高投资的缺陷,提出一种主保护结合辅助保护的电流纵联保护新方案,辅助保护只需要在主保护不能正确区分区内外故障的情况下进行配置,减少了投资。最后,通过标准的IEEE 33节点线路进行仿真,验证了该方案的可行性,为大量IIDG接入配电网后的保护提供可靠的保障。

适用于半桥型MMC附加限流控制的直流线路纵联保护方案

半桥型模块化多电平换流器的附加限流控制能有效降低对线路保护速动性的要求、增强实体限流装置的限流效果,降低了故障暂态电流的上升梯度及其幅值,因此,基于故障暂态电流信息的直流线路保护会受到限流控制器影响。提出了计及附加限流控制器影响的直流线路自适应纵联保护方案:利用极线电压及其零模电压变化率构成或逻辑来启动限流控制器;推导了限流控制器作用下的直流侧故障电流解析关系,并根据限流控制器对故障电流抑制程度和换流阀两侧的故障电流信息,建立了一种基于换流阀两侧差流的纵联保护方案。该方案仅用到各站端的本地量,通过与其对端换流站交换判别结果,其不受线路分布电容影响、无需多端数据同步,具有自适应性。大量仿真实验验证了利用限流控策略的有效性和保护方案的可靠性。

基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护

低频变压器是低频输电系统的核心器件之一。实验表明低频系统的故障暂态过程多变,低频变压器的短路电气量特征与常规变压器有较大差异。由于励磁涌流判据开放速度缓慢,低频变压器发生区内故障时常规纵差保护的速动性受到影响。文中提出了基于故障负序分量方向原理的低频变压器快速差动保护。首先,分析了模块化多电平矩阵变换器(M3C)低频输电系统的变压器区内故障特性以及M3C换频器响应情况;其次,分析了负序计算的数值方法对负序差动影响,并通过分析低频系统故障初期的窗口时间内的负序特征,提出了故障负序分量方向的判别方法;进一步,讨论了该方法在变压器非正常工况下对励磁涌流如何区分判别。最后,以实际工程为例建立仿真模型,针对典型区内故障对所提方法进行了仿真验证。

基于微分域电流过零点偏移特征的电抗器匝间保护新方法

以中性点不带小电抗的高压并联电抗器为研究对象,在分析电抗器空投励磁涌流特征的基础上,指出了并联电抗器不带中性点小电抗时涌流会更加严重,是引起匝间保护误动的主要原因。分析了并联电抗器空投饱和的机理,指出了电抗器绕组磁通饱和后微分域相电流过零点前后采样峰值间距会发生偏移,在此基础上提出一种基于微分域电流过零点偏移特征的电抗器匝间保护新方法。利用工频特征下相电流过零点前后峰值间距与微分域相电流过零点前后采样峰值间距的偏移程度,结合相电流线性区内各时刻电感的均方根值与额定电感之间的特征关系来识别电抗器空投饱和与匝间故障,若识别为电抗器空投饱和则闭锁匝间保护,若识别为匝间故障则经短延时开放匝间保护。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

基于去趋势分析的大规模双馈风电场送出变压器差动保护

由于双馈风电场输出的故障电流具有频偏特性且含有较大的谐波分量,当双馈风电场送出变压器发生内部故障时,变压器差动电流中二次谐波与基波的比值增大,使得变压器差动保护面临延时动作的风险;且系统发生故障时,双馈风电场输出的故障电流中存在大量非周期分量,会使得送出变压器中的电流互感器更易发生饱和现象,致使传统变压器差动保护的可靠性降低。提出了基于去趋势分析的大规模风电场送出变压器的差动保护方案。首先,将采样电流通过滑动数据窗进行去趋势分析得到去趋势残差函数,然后,结合电流波形斜率特征完成对变压器励磁涌流及故障差流(包含电流互感器饱和状态下)的有效区分。最后,在PSCAD中搭建了双馈风电场送出系统,在不同工况下验证且分析了所提保护方案的适用性。