输电线路保护装置优化

2.6.1.1 PSL 601U/602U系列线路保护装置（智能站）

PSL 601U、PSL 602U系列继电保护装置是适用于智能数字化变电站的继电保护装置。该保护装置的设计引用了国网公司Q/GDW 161—2007《线路保护及辅助装置标准化设计规范》标准，并全面支持Q/GDW 441—2010《智能变电站继电保护技术规范》等规范。

1）保护适用范围

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置（智能站）可用作智能化变电站220 kV及以上电压等级输电线路的主、后备保护。该装置支持电子式互感器IEC 61850-9-2和常规互感器电气量的接入方式，支持GOOSE跳闸方式；装置满足电力行业通信标准DL/T 667—1999（IEC 60870-5-103）和新一代变电站通信标准IEC 61850。

2）保护功能配置

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置根据具体型号的不同，其保护功能配置也是不同的。本教程所涉及的装置型号为PSL602UM-I，其主保护为纵联距离保护，其他保护功能包括快速距离、三段式相间距离、三段式接地距离、两段定时限零序、反时限零序、自动重合闸等；纵联保护通道采用专用光纤通道，支持电子式互感器采样及GOOSE跳闸功能。

3）保护原理说明

（1）保护启动和整组复归

一般保护启动元件是用于启动故障处理功能和开放保护出口继电器的，要求启动元件在任何运行工况下发生故障都能够可靠启动。PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置的启动元件一旦动作后，必须在故障平息或切除后，保护整组复归时才能返回。

（2）启动元件

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置以电流突变量启动元件为主，同时有零序电流启动元件、静稳破坏检测启动元件。

①电流突变量启动元件

电流突变量启动元件的判据为：

或者其中：φφ为AB、BC、CA三种相别，T为20 ms（50 Hz系统，一个周期）；

Δiφφ=|iφφ（t）-2×iφφ（t-T）+iφφ（t-2T）|，为相间电流瞬时值的突变量；

Δ3i0=|3i0（t）-2×3i0（t-T）+3i0（t-2T）|，为零序电流瞬时值的突变量；

IQD为电流突变量启动定值。

ΔIφφT、Δ3I0T分别为相间电流、零序电流突变量浮动门槛，Kdz为相间电流、零序电流浮动门槛整定系数，取Kdz=1.25。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置电流突变量启动元件能够自适应于正常运行和振荡期间的不平衡分量，因此，既有很高的灵敏度而又不会频繁误启动。当任一电流突变量连续三次大于启动门槛时，则保护启动。

②故障选相元件

PSL 601 U、PSL 602 U系列线路保护装置采用的是突变量选相元件和序分量选相元件相结合的选相方案。为保证弱电源侧选相的灵敏度，突变量选相元件采用电流电压复合选相的原理。在故障初始阶段投入突变量选相元件，之后采用稳态的电流序分量选相元件。

PSL 601 U、PSL 602 U系列线路保护装置选相元件的原理为：

A.电压电流复合突变量选相元件

令，φφ为相别，φφ=AB、BC、CA。

其中为相间回路电压、电流的突变量；Z为阻抗系数，其数值根据距离保护或者纵联方向（距离）保护中的阻抗元件的整定值自动调整。

假设Δmax、Δmin分别为ΔAB、ΔBC、ΔCA中的最大值和最小值。

其选相方法如下：

当Δmin＜0.25Δmax时判定为单相故障，否则为多相故障。

单相故障时，若Δmin=ΔBC，判定为A相故障；若Δmin=ΔCA，判定为B相故障；若Δmin=ΔAB，判定为C相故障。

多相故障时，若0.25Δmax＜Δmin＜0.9Δmax时，判定为相间故障，其中突变量最大的一个相间回路即为故障回路，如Δmax=ΔBC选中BC相间故障；若Δmin＞0.9Δmax，判定为三相故障。

B.电流序分量选相元件

输电线路发生故障时，对故障电流应用对称分量法进行分析，可知，只有在单相接地短路和两相接地短路时才同时存在零序电流分量和负序电流分量，而三相短路和两相相间短路均不出现零序电流，因此，可以根据有无零序电流来区分是三相短路或两相相间短路，还是单相接地短路或两相接地短路，然后再由零序电流与负序电流的相位关系确定具体的故障相别。

电流序分量选相元件是根据零序电流和负序电流之间不同的相位关系确定了三个选相区的，如图2.37所示，即：

图2.37　PSL 601U/602U序分量分区选相特性

a.若零序与负序故障电流相角差落入A区则可以确定为A相接地故障，或者B、C相接地故障。

b.若零序与负序故障电流相角差落入B区则可以确定为B相接地故障，或者C、A相接地故障。

c.若零序与负序故障电流相角差落入C区则可以确定为C相接地故障，或者A、B相接地故障。

确定故障选相分区后，利用对应回路的阻抗比较来区分单相故障和相间接地故障。以分区落入A区为例，若ZBC落入辅助段阻抗范围且满足ZBC＜1.25ZA时判断为B、C相间接地故障，否则判断为A相接地故障。

③零序电流启动元件

为了防止远距离故障或经大电阻故障时电流突变量启动元件灵敏度不够的状况，PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置设置了零序电流启动元件。零序电流启动元件在零序电流有效值大于零序电流启动定值并持续30ms后动作。

④静稳破坏检测元件

为了检测系统正常运行状态下发生静态稳定破坏而引起的系统振荡状况，PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置设置了静稳破坏检测元件，其判据为：B、C相间阻抗在具有全阻抗特性的阻抗辅助元件内持续30ms或IA＞1.2In，并且U1cosφ小于0.5倍的额定电压时动作。当PT断线或者振荡闭锁功能退出时，该检测元件自动退出。

（3）整组复归

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置在保护启动后，如果所有的故障测量元件都已返回，则延时5s后整组复归。此种情况一般用于区内或区外故障时，保护启动后，故障被成功切除后保护的迅速复归。

当区内故障保护跳闸后，若故障电流长期存在而无法消失，则保护装置在永久跳闸（简称永跳）后延时5s报告永跳失败事件，并强制装置整组复归。

当保护装置启动后，如果故障测量元件一直不返回，则满足以下任一条件后，保护强制整组复归：

①若零序电流大于零序电流启动值超过10s，报告CT不平衡事件，并强制整组复归，闭锁零序电流启动。

②若相电流大于静稳破坏电流值超过10s，报告过负荷告警事件，并强制整组复归。

③若任一回路的测量阻抗落在最末一段阻抗的全阻抗范围内超过30 s，报告过负荷告警事件，若测量阻抗元件长期不返回，保护装置在运行1 min后强行整组复归。

（4）纵联保护

纵联保护作为全线速动保护，一般按保护原理可分为纵联方向保护（PSL 601U）、纵联距离保护（PSL 602U）。

PSL 601U纵联方向保护的方向元件由能量积分方向元件和阻抗方向、零序方向共同构成。

PSL 602U纵联距离保护的方向元件由阻抗方向、零序方向共同构成。

各方向元件均分为正方向元件和反方向元件两类，各方向元件之间以反方向优先的原则进行配合。

阻抗方向元件：

PSL 601 U、PSL 602 U系列线路保护装置距离方向元件按回路分为ZAB、ZBC、ZCA三个相间阻抗和ZA、ZB、ZC三个接地阻抗。每个回路的阻抗又分为正向元件和反向元件。阻抗特性如图2.38所示。由全阻抗四边形与方向元件组成。当选相元件选中回路的测量阻抗在四边形范围内，而方向元件为正向时，判定正向故障；若方向元件为反向时，判定反向故障。方向元件采用正序方向元件。反方向阻抗特性的动作值自动取为ZZD的1.25倍，保证反方向元件比正方向元件灵敏。

图2.38　PSL601/602纵联距离阻抗方向元件特性

零序方向元件：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置距离保护零序方向元件设正、反两个方向元件。其中正方向元件动作范围为：

零序方向元件的电压门槛取为固定门槛（0.5 V）加浮动门槛，且具有零序电压补偿功能，在系统零序阻抗很小，零序电压小于0.5 V时也可以正确动作。

零序方向元件在合闸加速脉冲期间延时100 ms动作，在非全相运行时退出。

纵联保护通道：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置的纵联保护可以与载波通道（专用或复用）、光纤通道、微波通道等各种通信设备连接，包括各种继电保护专用收发信机和复用载波机接口设备。常见的纵联保护通道有：与专用收发信机配合的高频通道、与复用载波机配合的载波通道、与光纤复接接口配合的光纤通道等。PSL 601U、PSL 602U纵联保护可根据控制字选择允许式或闭锁式以用于合适的通道。

（5）距离保护

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置的距离保护按回路配置，设有ZBC、ZCA、ZAB三个相间距离继电器和ZA、ZB、ZC三个接地距离继电器。每个回路除了三段式距离外，还设有辅助阻抗元件，因此，共有24个距离继电器。在全相运行时24个继电器同时投入；非全相运行时则只投入健全相的距离继电器，例如：A相断开时，只投入ZBC和ZB、ZC回路的各段保护。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置的相间、接地距离继电器主要由偏移阻抗元件、全阻抗辅助元件、正序方向元件构成，其中，接地距离继电器还有零序电抗器元件。

偏移阻抗元件ZPYφ：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置距离保护的偏移阻抗元件是一种四边形（多边形）特性的阻抗继电器，如图2.39，由距离阻抗定值ZZD、电阻定值RZD（接地距离RZD取为负荷限制电阻定值，而相间距离RZD取负荷限制电阻定值的一半）、线路正序阻抗角φZD等三个定值即可确定其动作范围。电阻偏移门槛和电抗偏移门槛由保护自动生成。

图2.39　偏移阻抗元件特性

R分量的偏移门槛取：

式中含义：即取0.5RZD，0.5ZZD的较小值。

X分量的偏移门槛取值与额定电流In有关：

即额定电流（二次电流）5 A时，取1Ω、0.25倍距离阻抗定值的较大值。

即额定电流（二次电流）1 A时，取5Ω、0.25倍距离阻抗定值的较大值。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置距离保护偏移阻抗元件按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分别动作，是距离继电器的主要动作元件。偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段元件在动作特性平面第一象限右上角有下倾，是为了避免区外故障时可能的超越，接地距离的下倾角为12°（即虚线下倾角为12°），相间距离的下倾角为24°。为了使各段的电阻分量便于配合，本特性电阻侧的边界线的倾角与线路阻抗角φ相同，这样，在保护各段范围内，具有相同的耐故障电阻能力。

全阻抗辅助元件：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置距离保护的全阻抗辅助元件是全阻抗性质的辅助阻抗元件，如图2.40所示，由距离Ⅲ段阻抗定值、距离电阻定值RZD、线路正序阻抗角φZD三个定值确定其动作范围。全阻抗辅助元件不作为故障范围判别动作的主要元件，是距离保护的辅助元件，应用于静稳破坏检测、故障选相、整组复归判断等功能。

图2.40　全阻抗辅助元件特性

正序方向元件F1φ：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置距离保护的正序方向元件采用正序电压和回路电流进行比相。以A相正序方向元件F1A为例，令，式中：α为算子，α=ej2π/3，正序方向元件F1A的动作判据为：

式中——流过保护的A相电流、零序电流；

K——零序电流补偿系数。

正序方向的特点是引入了健全相的电压，因此，在输电线路出口处发生不对称故障时能够保证正确的方向性，但如果发生三相出口故障时，正序电压为零，则不能正确反映故障方向。为此，当三相电压都低时，采用记忆电压进行比相，并将方向固定。电压恢复后重新采用正序电压进行比相。

零序电抗器：

在两相短路经过渡电阻接地、双端电源线路单相经过渡电阻接地时，接地距离阻抗继电器可能会产生保护动作超越问题。所谓保护动作超越是指在线路发生短路故障时，由于各种原因，使得保护感受到的阻抗值比实际线路的短路阻抗值小，从而使得下一条线路出口短路（即区外故障）时，保护出现非选择性动作的现象，即所谓超越。为防止这种超越，可以采用零序电抗元件。因此，PSL 601U/602U系列线路保护装置的接地距离还设有零序电抗继电器X0。X0的动作方程为（以A相零序电抗继电器X0A为例，则动作方程中的φ=A）：

式中：φ——相别，φ=A、B、C；

——流过保护的该相电流及零序电流；

ZZD——阻抗整定值；

K——零序电流补偿系数；

———该相电压；

δ——该相电压、电流夹角。

零序电抗器只用于接地距离Ⅰ、Ⅱ段。

接地距离：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置接地距离保护的接地阻抗算法为：

式中：φ——相别，φ=A、B、C；

——流过保护的该相电流、电压及零序电流；

KZ——零序电流补偿系数。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置的三段式接地距离保护动作特性由偏移阻抗元件ZPYφ、零序电抗元件X0φ和正序方向元件F1φ组成（φ=A，B，C），接地全阻抗辅助元件只是用于接地距离选相等功能。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置接地距离保护的接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.41所示，接地距离偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）和零序电抗继电器X0（图中X0虚线以下区域，两条水平右下倾的虚线分别对应于接地距离Ⅰ、Ⅱ段的零序电抗器特性）共同组成接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作区。接地距离Ⅲ段动作特性如图2.43的黑实线所示，接地距离偏移阻抗Ⅲ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成接地距离Ⅲ段动作区。其中，阻抗定值ZZD按段分别整定，电阻分量定值RZD三段均取负荷限制电阻定值，灵敏角φZD三段公用一个定值。偏移门槛根据RZD和ZZD自动调整。

相间距离：

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置相间距离保护的相间阻抗算法为：

式中：φφ——相别，φφ=AB、BC、CA；

——相间电压；

——相间回路电流。

图2.41　接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

图2.42　相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

2.43 接地距离Ⅲ段、相间距离Ⅲ段动作特性

三段式的相间距离由偏移阻抗元件ZPYφφ和正序方向元件F1φφ组成（φφ=BC、CA、AB），相间全阻抗辅助元件只是用于相间距离选相等功能。

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置相间距离保护的相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.42的粗实线所示，由相间偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作区。相间距离Ⅲ段动作特性与接地距离Ⅲ段相似，如图2.43。阻抗定值ZZD按段分别整定，电阻分量定值RZD三段均取负荷限制电阻定值的一半，灵敏角φZD三段共用一个定值，偏移门槛根据RZD和ZZD的取值自动调整。

（6）零序保护

PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置设有两段定时限（零序Ⅱ段和Ⅲ段）和一段反时限零序电流保护。

两段定时限功能的投退受“零序电流保护”控制字的控制，零序反时限功能受“零序反时限”控制字的控制。

零序Ⅱ段保护和零序反时限保护固定带方向，零序Ⅲ段可以通过控制字选择是否带方向。

输电线路非全相运行期间零序Ⅱ段和零序反时限均退出，仅保留零序Ⅲ段作为非全相运行期间发生不对称故障的总后备保护。非全相运行期间零序Ⅲ段的动作时间比整定定值缩短0.5s，若整定值小于0.5s，则动作时间按整定值选取，非全相期间零序Ⅲ段自动不带方向。在合闸加速期间，零序Ⅱ段、Ⅲ段和零序反时限均退出，仅投入零序加速段保护。

零序反时限保护采用IEC标准反时限特性：

式中：Tp——零序反时限时间；

Ip——零序反时限电流定值；

I0——零序故障电流；

t——跳闸时间。

4）保护动作逻辑

（1）零序保护动作逻辑

图2.44　PSL 601U/602U零序保护逻辑框图

（2）距离保护动作逻辑

图2.45　PSL 601U/602U距离保护动作逻辑图

2.6.1.2 PSL 603U系列线路保护装置（智能站）

PSL 603U系列线路保护装置为适用于智能数字化变电站的继电保护装置。保护的设计标准引用了国网公司Q/GDW 161—2007《线路保护及辅助装置标准化设计规范》，并全面支持Q/GDW 441—2010《智能变电站继电保护技术规范》等规范。

1）保护适用范围

PSL 603U系列线路保护装置（智能站）可用作智能化变电站220 kV及以上电压等级输电线路的主、后备保护。装置支持电子式互感器IEC 61850-9-2和常规互感器接入方式，支持GOOSE跳闸方式；装置满足电力行业通信标准DL/T 667—1999（IEC 60870-5-103）和新一代变电站通信标准IEC 61850。

2）保护功能配置

PSL 603U系列线路保护装置根据具体型号的不同，其保护功能配置也是不同的。本教程所涉及的装置型号为PSL603U-I，其保护功能包括纵联电流差动、快速距离、三段式相间距离、三段式接地距离、零序方向过流、零序反时限过流、三相不一致及自动重合闸等保护。纵联保护通道采用专用光纤通道，支持电子式互感器采样及GOOSE跳闸功能。

3）保护原理说明

（1）保护启动和整组复归

PSL 603U系列线路保护装置的保护启动元件特性与PSL 601U、PSL 602U系列线路保护装置一样，即启动元件一旦动作后，须在故障平息后，保护整组复归时才能返回。

（2）启动元件

PSL 603U系列线路保护装置保护启动元件以电流突变量启动元件为主，同时具有零序电流启动元件、静稳破坏检测启动元件等。对于PSL 603U纵联电流差动保护，还增加有弱馈启动元件、TWJ辅助启动元件（TWJ为跳闸位置继电器）。

①电流突变量启动元件

PSL 603U系列线路保护装置的电流突变量启动判据为：

或者

其中：φφ为AB、BC、CA三种相别，T为20 ms（50 Hz系统，一个周期）；

Δiφφ=|iφφ（t）-2×iφφ（t-T）+iφφ（t-2T）|，为相间电流瞬时值的突变量；

Δ3i0=|3i0（t）-2×3i0（t-T）+3i0（t-2T）|，为零序电流瞬时值的突变量；

IQD为电流突变量启动定值。ΔIφφT、Δ3I0T分别为相间电流、零序电流突变量浮动门槛。

电流突变量启动元件能够自适应于正常运行和振荡期间的不平衡分量，因此既有很高的灵敏度而又不会频繁误启动。当任一电流突变量连续三次大于启动门槛时，则保护启动。

②零序电流启动元件

PSL 603U系列线路保护装置的零序电流启动元件是为了防止远距离故障或经大电阻故障时电流突变量启动元件灵敏度不够而设置的。该元件在零序电流有效值大于零序电流启动定值并持续30ms后动作。

③静稳破坏检测元件

PSL 603U系列线路保护装置的静稳破坏检测元件是为了检测系统正常运行状态下发生静态稳定破坏而引起的系统振荡而设置的。该元件判据为：B、C相间阻抗在具有全阻抗特性的阻抗辅助元件内持续30ms或Ia＞1.2In，并且U1cosφ小于0.5倍的额定电压。当PT断线或者振荡闭锁功能退出时，该检测元件自动退出。

④弱馈启动元件

PSL 603U系列线路保护装置的弱馈启动元件在纵联电流差动保护中，用于弱馈侧和高阻故障的辅助启动元件，其中，增加了电压突变量动作判据，是为了可靠地区分故障和CT断线。同时满足以下三个条件时保护动作：

第一，相差动电流或零序差动电流大于差动电流门槛（定义见后述）；

第二，相电压或相间电压小于90%额定电压或零序电压突变量；

第三，对侧保护装置启动。

⑤TWJ启动元件

PSL 603U系列线路保护装置的TWJ（跳闸位置继电器）启动元件在纵联电流差动保护中，作为手动合于故障或空充线路，且一侧启动另一侧不启动时，则未合侧保护装置的启动元件同时满足以下三个条件时保护动作：

第一，相差动电流或零序差动电流大于差动电流门槛（定义见后述）；

第二，有三相TWJ；

第三，对侧保护装置启动。

（3）整组复归

在PSL 603U系列线路保护装置中，当保护启动后，如果所有的故障测量元件都已返回，则延时5s后装置整组复归。此种情况一般用于区内或区外故障时，保护启动后，故障被成功切除后的保护迅速复归。

当区内故障保护跳闸后，若故障电流长期存在无法消失，则保护装置在永跳后延时5s报告永跳失败事件，并强制整组复归。

当保护装置启动后，如果故障测量元件一直不返回，则满足以下任一条件后，保护强制整组复归：

①零序电流大于零序电流启动值超过10s，报告CT不平衡事件，并强制整组复归，闭锁零序电流启动；

②相电流大于静稳破坏电流值超过10s，报告过负荷告警事件，并强制整组复归；

③任一回路的测量阻抗落在最末一段阻抗的全阻抗范围内超过30s，报告过负荷告警事件，若测量阻抗元件长期不返回，保护装置在运行1min后强行整组复归。

（4）故障选相元件

PSL 603U系列线路保护装置采用突变量选相元件和序分量选相元件相结合的选相方案。其选相的主要原理如下：

①电压电流复合突变量选相元件

令，φφ为相别，φφ=AB、BC、CA。

其中：为相间回路电压、电流的突变量；Z为阻抗系数，其值根据距离保护或者纵联方向（距离）保护中的阻抗元件的整定值自动调整。

PSL 603U系列线路保护装置电压电流复合突变量选相元件选相方法与PSL601U/602U保护装置的电压电流复合突变量选相元件选相方法一样，参见PSL601U/602U相关部分。

②电流序分量选相元件

PSL 603U系列线路保护装置的电流序分量选相原理与PSL 601/602U保护装置的选相原理相同。

图2.46　序分量分区选相图

PSL 603U系列线路保护装置的电流序分量选相元件根据零序电流和负序电流之间不同的相位关系确定了三个选相区，如图2.46所示，即：

a.若零序与负序故障电流相角差落入A区则可以确定为A相接地故障，或者B、C相接地故障；

b.若零序与负序故障电流相角差落入B区则可以确定为B相接地故障，或者C、A相接地故障；

c.若零序与负序故障电流相角差落入C区则可以确定为C相接地故障，或者A、B相接地故障。

确定故障选相的分区后，就可以利用对应回路的阻抗比较来区分单相故障和相间接地故障。以分区落入A区为例，若ZBC落入辅助段阻抗范围且满足ZBC＜1.25ZA时判断为B、C相间接地故障，否则判断为A相接地故障。

（5）振荡闭锁开放元件

PSL 603U系列线路保护装置在电流突变量启动元件启动150ms内，距离保护短时开放。在突变量启动150ms后或者零序电流辅助启动、静稳破坏启动后，保护程序进入振荡闭锁。在振荡闭锁期间，距离Ⅰ、Ⅱ段要在振荡闭锁开放元件动作后才投入。

（6）纵联电流差动保护

PSL 603U系列线路保护装置的纵联电流差动保护中设有“纵联差动保护”压板及“纵联差动保护”控制字，只有在两侧“纵联差动保护”屏上硬压板及软压板定值都投入且“纵联差动保护”控制字置“1”时，纵联差动继电器才投入。

常规电流差动继电器包括三种电流差动继电器：变化量相差动继电器、稳态相差动继电器和分相零序差动继电器。PSL 603U系列线路保护装置的电流差动继电器特性如下：

①变化量相差动继电器

A.动作方程

B.参数说明

a.ΔIop·φ为变化量相差动电流，取值为两侧相电流变化量矢量和的幅值

b.ΔIre·φ为变化量相制动电流，取值为两侧相电流变化量矢量差的幅值

c.为变化量差动继电器的动作门槛：

ⅰ）当“电流补偿”控制字置“1”，取值为

ⅱ）当“电流补偿”控制字置“0”，取值为2.5max（Icp，Idz）；

d.Un为二次额定电压（57.7 V）In为二次额定电流值（1 A或5 A）；

e.Icp为线路实测电容电流，由正常运行时未经补偿的稳态差流获得；

f.XC为线路正序容抗，XL为线路并联电抗，Idz为差动动作电流定值。

②稳态相差动继电器

A.动作方程

a.稳态Ⅰ段相差动继电器

b.稳态Ⅱ段相差动继电器（经40 ms延时动作）

B.参数说明(https://www.xing528.com)

a.Iop·φ为稳态差动电流，取值为两侧稳态相电流矢量和的幅值：

b.Ire·φ为稳态制动电流，取值为两侧稳态相电流矢量差的幅值

c.为稳态相差动继电器Ⅱ段动作门槛：

ⅰ）当“电流补偿”控制字置“1”，取值为：

ⅱ）当“电流补偿”控制字置“0”，取值为1.5max（Icp，Idz）；

d.上述式中参数定义同上。

③分相零序差动继电器

A.动作方程

B.参数说明

a.Iop·0为零序差动电流，取值为两侧自产零序电流矢量和的幅值

b.Ire·0为零序制动电流，取值为两侧自产零序电流矢量差的幅值：

c.为零序差动继电器动作门槛，取值为max（Icp，Idz）；

d.上述式中参数Icp，Idz、Iop·φ、Ire·φ定义同上。

C.其他说明

a.分相零序差动继电器只在单相接地故障时投入，动作延时为100ms；

b.当差流选相元件拒动时，延时250ms三相跳闸。

（7）快速距离保护

PSL 603U保护装置设有两种不同原理的快速距离继电器，即波形比较法和突变量距离法，任何一个继电器动作后快速距离保护动作。快速距离保护可快速切除长线近端发生的故障。

①波形比较法距离继电器原理

PSL 603U系列线路保护装置的快速距离保护，采用了基于波形识别原理的快速算法，能够通过故障电流的波形实时估计噪声的水平，并据此自动调整动作门槛，提高了保护的动作速度。其原理如下：

由故障电流的采样值组成的矩阵为：

设f为系统额定频率，θ=2πf，根据最小二乘滤波算法，组成滤波系数矩阵A：

假设待计算的电流向量的实部和虚部所组成的矩阵为I，I=[IS，-IC]T，其中：IS为电流向量虚部，IC为电流向量实部。由最小二乘滤波算法可以得出在短数据窗算法下电流向量的计算公式为：I=（AT·A）-1·AT·X，即可计算得到I，实际也就得到了电流向量；同理，可以获得电压的向量。据此，可以得到短数据窗算法下保护测量阻抗为

当时，保护装置动作（Zset为快速距离的阻抗定值）。理论上该算法在故障起始时刻的三个采样点之后就能够计算出故障阻抗，从而构成快速距离保护。但算法的精度与数据窗的长度以及故障后系统暂态谐波的大小有关。在谐波比较小的情况下，很短的数据窗就能精确地测量出故障阻抗；谐波比较大时，则需较长的数据窗才能精确测量出故障阻抗。

②突变量距离继电器原理

根据电路理论中的叠加原理，短路故障状态可分解为故障前负荷状态和故障附加状态。突变量距离继电器直接反映了补偿电压的幅值变化。对于PSL 603U系列线路保护装置，其突变量距离继电器的动作方程为：

相间故障时：

接地故障时：

其中为补偿电压的故障分量分别为相间电压、电流的故障分量；分别为相电压、线电流的故障分量；KZ为零序补偿系数；Zset的取值同波形比较法快速距离；Uset为装置内部固定的动作门槛电压值，由于突变量距离功能在该装置中仅保护线路出口严重故障的情况，因此该门槛的值较高。

（8）距离保护

PSL 603U系列线路保护装置的距离保护按回路配置，设有ZBC、ZCA、ZAB三个相间距离继电器和ZA、ZB、ZC三个接地距离继电器。每个回路除了三段式距离外，还设有辅助阻抗元件，因此，共有24个距离继电器。在全相运行时24个继电器同时投入；非全相运行时则只投入健全相的距离继电器，例如A相断开时只投入ZBC和ZB、ZC回路的各段保护。

①距离保护主要元件

PSL 603U系列线路保护装置的相间、接地距离继电器主要由偏移阻抗元件、全阻抗辅助元件、正序方向元件构成，其中接地距离继电器含有零序电抗器元件。

图2.47　偏移阻抗元件特性

偏移阻抗元件ZPYφ：

PSL 603U系列线路保护装置的偏移阻抗元件是一种四边形（多边形）特性的阻抗继电器，如图2.47，由距离阻抗定值ZZD、电阻定值RZD（接地距离RZD取为负荷限制电阻定值，而相间距离RZD取负荷限制电阻定值的一半）、线路正序阻抗角φZD三个定值即可确定其动作范围。电阻偏移门槛和电抗偏移门槛由保护自动生成。

R分量的偏移门槛取值如下：

式中含义：即取0.5RZD，0.5ZZD的较小值。

X分量的偏移门槛取值与额定电流In有关：

即额定电流5 A时（互感器二次侧电流），取1Ω、0.25倍距离阻抗定值的较大值。

即额定电流1 A时（互感器二次侧电流），取5Ω、0.25倍距离阻抗定值的较大值。

图2.48　全阻抗辅助元件特性

PSL 603U系列线路保护装置的偏移阻抗元件按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段分别动作，是距离继电器的主要动作元件。偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段元件在动作特性平面第一象限右上角有下倾，是为了避免区外故障时可能的超越，接地距离的下倾角为12°，相间距离的下倾角为24°。为了使各段的电阻分量便于配合，本特性电阻侧的边界线的倾角与线路阻抗角φ相同，这样，在保护各段范围内，具有相同的耐故障电阻能力。

全阻抗辅助元件：

PSL 603U系列线路保护装置全阻抗辅助元件是全阻抗性质的辅助阻抗元件，如图2.48，由距离Ⅲ段阻抗定值、距离电阻定值RZD、线路正序阻抗角φZD三个定值确定其动作范围。全阻抗辅助元件不作为故障范围判别动作的主要元件，是距离保护的辅助元件，应用于静稳破坏检测、故障选相、整组复归判断等。

正序方向元件F1φ：

PSL 603U系列线路保护装置距离保护的正序方向元件采用正序电压和回路电流进行比相。以A相正序方向元件F1A为例，令，式中：α为算子，α=ej2π/3。正序方向元件F1A的动作判据为：

式中符号含义与式（2.85）相同。

PSL 603U系列线路保护装置距离保护的正序方向元件与PSL601U/602U保护装置距离保护的正序方向元件的特性一致。

零序电抗器X0φ：

在两相短路经过渡电阻接地、双端电源线路单相经过渡电阻接地时，接地距离阻抗继电器可能会产生超越。为防止这种超越，PSL 603U系列线路保护装置的接地距离还设有零序电抗继电器X0。X0的动作方程为（以A相零序电抗继电器X0A为例，则动作方程中的φ=A）：

式中符号含义与式（2.86）相同。

零序电抗器只用于接地距离Ⅰ、Ⅱ段。

②接地距离

PSL 603U系列线路保护装置采用三段式的接地距离保护特性，其接地阻抗算法为：

其中：KZ为零序电流补偿系数，其他符号含义同上。

三段式的接地距离保护动作特性由偏移阻抗元件ZPYφ、零序电抗元件X0φ和正序方向元件F1φ组成（φ为相别，φ=A，B，C），接地全阻抗辅助元件只是用于接地距离选相等功能。

PSL 603U系列线路保护装置的接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.49所示，由接地距离偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）和零序电抗继电器X0（图中X0虚线以下区域）共同组成接地距离Ⅰ、Ⅱ段的动作区。接地距离Ⅲ段动作特性如图2.51的黑实线所示，接地距离偏移阻抗Ⅲ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成接地距离Ⅲ段的动作区。其中，阻抗定值ZZD按段分别整定，电阻分量定值RZD三段均取负荷限制电阻定值，灵敏角φZD三段公用一个定值。偏移门槛是根据RZD和ZZD自动调整的。

图2.49　PSL 603U接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

图2.50　PSL 603U相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

2.51　PSL 603U接地距离Ⅲ段、相间距离Ⅲ段动作特性

③相间距离

PSL 603U系列线路保护装置采用三段式的相间距离保护特性，其相间阻抗算法为：

其中：φφ为相别，φφ=AB、BC、CA为相间电压为相间回路电流。

三段式的相间距离由偏移阻抗元件ZPYφφ和正序方向元件F1φφ组成（φφ为相别，φφ=BC、CA、AB），相间全阻抗辅助元件只是用于相间距离选相等功能。

PSL 603U系列线路保护装置的相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.50的粗实线所示，相间偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成相间距离Ⅰ、Ⅱ段的动作区。相间距离Ⅲ段动作特性与接地距离Ⅲ段相似，如图2.51。阻抗定值ZZD按段分别整定，电阻分量定值RZD三段均取负荷限制电阻定值的一半，灵敏角φZD三段公用一个定值，偏移门槛根据RZD和ZZD自动调整。

（9）零序保护

PSL 603U系列线路保护装置设有两段定时限（零序Ⅱ段和Ⅲ段）和一段反时限零序电流保护。

两段定时限功能投退受“零序电流保护”控制字的控制，零序反时限功能受“零序反时限”控制字的控制。

零序Ⅱ段保护和零序反时限保护固定带方向，零序Ⅲ段可以通过控制字选择是否带方向。

在线路非全相运行期间，零序Ⅱ段和零序反时限均退出，仅保留零序Ⅲ段作为非全相运行期间发生不对称故障的总后备保护。非全相运行期间，零序Ⅲ段的动作时间比整定定值缩短0.5s，若整定值小于0.5s，则动作时间按整定值选取，非全相期间零序Ⅲ段自动不带方向。在合闸加速期间，零序Ⅱ段、Ⅲ段和零序反时限均退出，仅投入零序加速段保护。

PSL 603U系列线路保护装置零序反时限保护采用IEC标准反时限特性：

其中：Tp为零序反时限时间，Ip为零序反时限电流定值，I0为零序故障电流，t为跳闸时间。

零序Ⅲ段和反时限零序保护动作后均三相跳闸（简称“三跳”），并闭锁重合闸，零序Ⅱ段可以通过控制字“Ⅱ段保护闭锁重合闸”的设定来选择是否闭锁重合闸。零序反时限最长开放时间为50s，反时限计时满50s后直接跳闸出口。

零序电压采用自产零序，即零序电压的门槛采用固定门槛加浮动门槛的方式，固定门槛最小值为0.5 V。零序功率方向元件动作范围为：

4）保护动作逻辑

（1）零序保护动作逻辑

图2.52　PSL 603U保护装置零序保护逻辑框图

（2）距离保护动作逻辑

图2.53　PSL 603U装置距离保护动作逻辑框图

（3）纵联电流差动保护逻辑

图2.54　PSL 603U装置纵联电流差动启动元件逻辑框图

图2.55　PSL 603U装置纵联电流差动继电器逻辑框图

图2.56　PSL 603U装置纵联电流差动跳闸逻辑框图

（4）PSL 603U保护跳闸逻辑

图2.57　PSL 603U装置保护跳闸逻辑框图

2.6.1.3 PSL 621U系列线路保护装置（智能站）

1）保护适用范围

PSL 621U系列线路保护装置（智能站）为适用于110 kV中性点直接接地系统输电线路保护装置，集成了主、后备保护及重合闸功能，可用作智能化变电站110 kV及以下电压等级输电线路的主、后备保护。该装置支持电子式互感器IEC 61850-9-2和常规互感器接入方式，支持GOOSE跳闸方式；装置满足电力行业通信标准DL/T 667—1999（IEC 60870-5-103）和新一代变电站通信标准IEC 61850。

2）保护功能配置

PSL 621U系列线路保护装置根据具体型号的不同，其保护功能配置也是不同的。本教程所涉及的装置型号为PSL 621U-I，其保护功能包括三段式相间距离、三段式接地距离、四段式零序电流、两段式相过流、邻线允许加速及不对称故障加速等保护，支持电子式互感器采样及GOOSE跳闸功能。

3）保护原理说明

（1）保护启动和整组复归

PSL 621U系列线路保护装置的保护启动元件用于启动故障处理功能和开放保护出口继电器的负电源，因此要求启动元件在任何运行工况下发生故障都能可靠启动。启动元件动作后，系统恢复正常运行后才返回。当采用电子式互感器接入，合并器采用双采样方式时，两路采样数据中一路用于启动，另一路用于保护，并且装置具备双A/D采样不一致性校验机制，能够避免A/D采样异常导致的保护误动的情况发生。

（2）启动元件

PSL 621U系列线路保护装置的保护以相间电流突变量启动元件为主，同时有零序电流启动元件、静稳破坏检测启动元件。对于电流差动保护元件，还增加有弱馈启动元件、TWJ启动元件。

①电流突变量启动元件

PSL 621U系列线路保护装置的电流突变量启动的判据为：

或者

其中：φφ为AB、BC、CA三种相别，T为电网工频周期20ms（50 Hz系统）；

Δiφφ=|iφφ（t）-2×iφφ（t-T）+iφφ（t-2T）|，为相间电流瞬时值的突变量；

Δ3i0=|3i0（t）-2×3i0（t-T）+3i0（t-2T）|，为零序电流瞬时值的突变量；

IQD为电流突变量启动定值。ΔIφφT、Δ3I0T分别为相间电流、零序电流突变量浮动门槛。

PSL 621U系列线路保护装置的电流突变量启动元件与PSL 603U一样，能够自适应于正常运行和振荡期间的不平衡分量，因此，既有很高的灵敏度而又不会频繁误启动。

②零序电流启动元件

PSL 621U系列线路保护装置的零序电流启动元件是为了防止远距离故障或经大电阻故障时电流突变量启动元件灵敏度不够而设置的。该元件在零序电流有效值大于零序电流启动定值并持续30ms后动作。

③静稳破坏检测元件

PSL 621U系列线路保护装置的静稳破坏检测元件是为了检测系统正常运行状态下发生静态稳定破坏而引起的系统振荡而设置的。该元件判据为：B、C相间阻抗在具有全阻抗特性的阻抗辅助元件内持续30ms或IA＞1.2In，并且U1cosφ小于0.5倍的额定电压。当PT断线或者振荡闭锁功能退出时，该检测元件自动退出。

（3）整组复归

PSL 621U系列线路保护装置的整组复归功能与PSL 601U/602U系列线路保护装置相同，在此不赘述。

（4）纵差保护

PSL 621U系列线路保护装置采用光纤通道实现电力线路两端或三端纵联差动保护。使用了软、硬件相结合的同步采样方式。

电流差动元件：

PSL 621U系列线路保护装置的电流差动保护包括三种电流差动继电器：变化量相差动继电器、稳态相差动继电器和零序差动继电器。

①变化量相差动继电器

PSL 621U系列线路保护装置变化量相差动继电器的动作方程为：

动作方程中各个参数为：

（三端时为变化量相差动继电器的差动电流；为变化量相差动继电器的制动电流；三端时

ImkΔ=max（4Icp，Idz）为变化量相差动继电器的最小动作电流，按躲过线路最大暂态不平衡差流取值；

K为比例制动系数取0.8。

Icp为线路实测电容电流（通过线路正常运行时的不平衡差流获得），Idz为分相差动动作电流定值，Idz按照分相差动保护的灵敏度要求整定，建议取Idz≥0.1In，其中：In为CT二次额定电流。

②稳态相差动继电器

PSL 621U系列线路保护装置稳态相差动继电器的动作方程为：

动作方程中各个参数为：

（三端时，，为稳态相差动继电器的差动电流；为稳态相差动继电器的制动电流；三端时，

Imk按照躲过线路最大稳态不平衡差流自适应取值为max（1.5Icp，Idz），Icp为线路实测电容电流，Idz为分相差动动作电流定值；

K为比例制动系数取0.6。

③零序差动继电器

PSL 621U系列线路保护装置零序差动继电器的动作方程为：

动作方程中各个参数为：

（三端时，为零序差动继电器的差动电流；

[三端时为零序差动继电器的制动电流；

Idz0为零序差动动作电流定值；

K为比例制动系数，取值0.8。

PSL 621U线路保护装置设定的零序差动动作延时为100ms。零序差动只反映单相接地故障；对于多相接地故障，由于灵敏度满足了分相差动动作要求，零序差动不做处理，零序差动不受分相差动动作闭锁的影响。

（5）距离保护

PSL 621U系列线路保护装置的距离保护按相计算，设有ZBC、ZCA、ZAB三个相间距离继电器和ZA、ZB、ZC三个接地距离继电器。每个回路除了三段式距离外，还设有辅助阻抗元件。

①距离元件

PSL 621U线路保护装置的距离继电器主要由偏移阻抗元件、全阻抗辅助元件、正序方向元件、零序电抗器构成。与接地距离继电器相比，相间距离继电器无零序电抗器元件。

A.偏移阻抗元件ZPYφ

PSL 621U系列线路保护装置的距离保护偏移阻抗元件特性与PSL 601U/602U保护装置的距离保护偏移阻抗元件的特性相同，在此不赘述。

B.全阻抗辅助元件

PSL 621U系列线路保护装置的距离保护全阻抗辅助元件特性与PSL 601U/602U保护装置的距离保护全阻抗辅助元件特性相同，不再赘述。

C.正序方向元件F1φ

PSL 621U系列线路保护装置的正序方向元件采用正序电压和回路电流进行比相。以A相正序方向元件F1A为例，令式中：α为算子，α=ej2π/3。正序方向元件F1A的动作判据为：

式中符号含义与式（2.85）相同。

PSL 621U系列线路保护装置距离保护的正序方向元件的特点是引入了健全相的电压，因此，在线路出口处发生不对称故障时，能保证正确的方向性，但发生三相出口故障时，正序电压为零，不能正确反映故障方向。为此，当三相电压都低时，采用记忆电压进行比相，并将方向固定。电压恢复后重新用正序电压进行比相。

D.零序电抗器Xφ

在两相短路经过渡电阻接地、双端电源线路单相经过渡电阻接地时，接地距离阻抗继电器可能会产生超越。由于零序电抗元件能够防止这种超越，因此PSL 621U系列线路保护装置的接地距离还设有零序电抗继电器X0。X0的动作方程为（以A相零序电抗继电器X0A为例，则动作方程中的φ=A）：

式中符号含义与式（2.86）相同。

PSL 621U系列线路保护装置的零序电抗器只用于接地距离Ⅰ、Ⅱ段。

②接地距离

PSL 621U系列线路保护装置采用三段式接地距离保护特性，其接地阻抗算法为：

其中：Kz=（Z0-Z1）/3Z1，Z2和Z1为线路零序阻抗和正序阻抗，φ为相别，φ=A、B、C。

PSL 621U系列线路保护装置的三段式接地距离保护动作特性由偏移阻抗元件ZPYφ、零序电抗元件X0φ和正序方向元件F1φ组成（相别，φ=A，B，C），接地全阻抗辅助元件只是用于接地距离选相等功能。

PSL 621U系列线路保护装置的接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.58所示，接地距离偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）和零序电抗继电器X0（图中X0虚线以下区域）共同组成接地距离Ⅰ、Ⅱ段的动作区。接地距离Ⅲ段动作特性如图2.60的黑实线所示，接地距离偏移阻抗Ⅲ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成接地距离Ⅲ段的动作区。其中，阻抗定值ZZD按段分别整定，而电阻分量定值RZD和灵敏角φZD三段公用一个定值。偏移门槛根据RZD和ZZD自动调整。

图2.58　接地距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

图2.59　相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性

图2.60　接地距离Ⅲ段、相间距离Ⅲ段动作特性

③相间距离

PSL 621U系列线路保护装置相间距离保护的相间阻抗算法为：

其中：φφ为相别为相间电压为相间回路电流。

PSL 621U系列线路保护装置的三段式相间距离由偏移阻抗元件ZPYφφ和正序方向元件F1φφ组成（φφ=BC，CA，AB），相间全阻抗辅助元件只是用于相间距离选相等功能。

PSL 621U系列线路保护装置的相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作特性如图2.59的粗实线所示，相间偏移阻抗Ⅰ、Ⅱ段，与正序方向元件F1（图中F1虚线以上区域）共同组成相间距离Ⅰ、Ⅱ段动作区。相间距离Ⅲ段动作特性与接地距离Ⅲ段相似，如图2.60。阻抗定值ZZD按段分别整定，而电阻分量定值RZD和灵敏角φZD三段公用一个定值。偏移门槛根据RZD和ZZD自动调整。

④纵联距离

A.阻抗方向元件

PSL 621U系列线路保护装置的纵联距离保护的阻抗方向元件按回路分为ZAB、ZBC、ZCA三个相间阻抗和ZA、ZB、ZC三个接地阻抗。每个回路的阻抗又分为正向元件和反向元件。阻抗特性如图2.61所示，由全阻抗四边形与方向元件组成。当选相元件选中回路的测量阻抗在四边形范围内，而方向元件为正向时，判为正向故障；若方向元件为反向时，判为反向故障。方向元件采用正序方向元件。反方向阻抗特性的动作值自动取为ZZD的1.25倍，保证反方向元件比正方向元件灵敏。在振荡闭锁期间，需方向元件为正和振荡闭锁的开放条件同时满足，才能判出正向故障。

图2.61　PSL 621U纵联距离阻抗方向元件

B.零序方向元件

PSL 621U系列线路保护装置纵联距离保护的零序方向元件设正、反两个方向元件。

零序方向元件的电压门槛取为固定门槛（0.5 V）加浮动门槛，且具有零序电压补偿功能。在系统零序阻抗很小，零序电压小于0.5 V时也可以正确动作。零序方向元件动作范围为：

零序方向元件在合闸加速脉冲期间延时100 ms动作。

（6）零序保护

PSL 621U系列线路保护装置的零序保护设有常规的四段式、加速段零序电流保护。

零序电压由保护装置自动求和完成，即零序电压的门槛按浮动门槛计算，再固定增加0.5 V，所以，零序电压的门槛最小值为0.5 V。零序功率方向元件的动作范围为：

PSL 621U系列线路保护装置的零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段可选择是否带方向；零序加速段自动不带方向，固定延时100ms。

当PT断线后，零序电流保护的方向元件将不能正常工作。零序各段保护若选择带方向，则在PT断线后，不再受零序方向制约。此外，PT断线时，装置可以通过控制字选择PT断线零序Ⅰ段是否在零序Ⅰ段时间定值上再增加200ms。

（7）相过流保护

PSL 621U系列线路保护装置配置两段式相过流保护。“相过流保护压板”退出时，相过流保护功能退出；投入时，相过流保护功能需结合相过流保护相关控制字投入。

当“相过流保护”控制字选择“投入”时，相过流保护投入。当控制字选择“PT断线时投入”，相过流保护仅在PT断线时，自动投入；PT断线返回后，自动退出。

4）保护动作逻辑

（1）阻抗方向和零序方向元件配置

图2.62　PSL 621U保护装置阻抗方向和零序方向元件配置逻辑框图

（2）允许式纵联保护逻辑

图2.63　PSL 621U保护装置允许式纵联保护逻辑框图