區(qū)域輸變電網(wǎng)故障防范措施

李 東 王友深

（大唐興安盟新能源有限公司，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

傳統(tǒng)的輸變電網(wǎng)的線路主保護(hù)設(shè)備以及電網(wǎng)的后備保護(hù)方面存在著一些不足，諸如主保護(hù)設(shè)備的通道設(shè)備可用性、可靠性以及保護(hù)設(shè)備的靈敏度亟待加強(qiáng)。而后備保護(hù)的不足主要表現(xiàn)在單端信息測(cè)量導(dǎo)致的電網(wǎng)故障定位精度低方面。同時(shí)，隨著環(huán)網(wǎng)光纖已經(jīng)接入大部分的變電站，雖然不能完全確保任意兩個(gè)變電站之間實(shí)現(xiàn)直接通信，但是可以建立起下層所有變電站與電力調(diào)度部門之間的直接通信網(wǎng)絡(luò)，形成通信信息集成體系，且能夠使得通信速度達(dá)到2MB/S以上，基本實(shí)現(xiàn)了所有保護(hù)設(shè)備與裝置之間的信息共享，給電網(wǎng)故障的定位提供了對(duì)應(yīng)的通信信息技術(shù)基礎(chǔ)[1]。由此看來，當(dāng)前電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)原理以及實(shí)現(xiàn)手段方面都有了較大的發(fā)展和技術(shù)上的創(chuàng)新。在保證傳統(tǒng)的主保護(hù)與后備保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的前提之下，在兩者之間加設(shè)一道防線 (區(qū)域保護(hù)系統(tǒng))。

利用該區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)，將緊密關(guān)聯(lián)的若干條線路作為一個(gè)整體的被保護(hù)區(qū)域，區(qū)域之中的各個(gè)保護(hù)裝置通過通信光纖進(jìn)行信息通信，協(xié)助傳統(tǒng)的主保護(hù)以及后備保護(hù)設(shè)備工作，最終形成一個(gè)安全動(dòng)作可靠的繼電保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義下的繼電保護(hù)系統(tǒng)存在的一個(gè)最大差別就是該系統(tǒng)的動(dòng)作速度，本系統(tǒng)屬于防護(hù)級(jí)別的動(dòng)作速度，其反應(yīng)速度比后備保護(hù)系統(tǒng)的速度響應(yīng)快，能夠在擾動(dòng)發(fā)生之后的電磁暫態(tài)階段進(jìn)行迅速抑制。這與其他的必須等到擾動(dòng)發(fā)展到機(jī)電暫態(tài)階段才能動(dòng)作存在著明顯的速度差別，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的故障保護(hù)具有積極意義。

圖1 分層式區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1 分層式區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理

從信息論的角度來看，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)從外界獲得信息越多、信息的內(nèi)容越詳細(xì)時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行再加工，諸如綜合利用、采納等行為的冗余程度、對(duì)外界信息的容錯(cuò)能力也就變得更強(qiáng)。而對(duì)于一個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電力調(diào)度中心從所有的變電站獲得對(duì)應(yīng)的測(cè)量信息之后，更多、更詳細(xì)的信息將使得其具有更加強(qiáng)大的能力對(duì)電網(wǎng)的故障部位進(jìn)行定位。但是，這同時(shí)也容易給系統(tǒng)帶來延遲、動(dòng)作延緩等問題，尤其是對(duì)系統(tǒng)速動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，當(dāng)大量的信息積聚到一個(gè)決策點(diǎn)時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)的中央信息決策單元受到“維數(shù)災(zāi)”的問題[2]，導(dǎo)致其求解決策不能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，通常區(qū)域電網(wǎng)的發(fā)生一條故障線路時(shí)，與其緊密相關(guān)的線路只在那么一個(gè)小的區(qū)域當(dāng)中，與整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)之間的耦合關(guān)系并不太強(qiáng)，所以對(duì)局域電網(wǎng)故障線路的定位不需要對(duì)整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的信息進(jìn)行分析處理。而是將整個(gè)電網(wǎng)劃分成為幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，區(qū)域當(dāng)中的保護(hù)裝置與設(shè)備僅對(duì)本區(qū)域當(dāng)中的設(shè)備負(fù)責(zé)，形成區(qū)域電網(wǎng)的故障防范與保護(hù)體系，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

該系統(tǒng)主要3個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，將若干條密切相關(guān)的線路構(gòu)成一個(gè)整體的區(qū)域，在系統(tǒng)最底層的屬于本地測(cè)量層LMU（Local Measure Unit），主要設(shè)置在該區(qū)域當(dāng)中的相關(guān)變電站當(dāng)中，其牽引出來的端口數(shù)根據(jù)被保護(hù)線路的具體情況決定。例如，LMU1包括LMU1-L1和LMU-L2兩個(gè)端口，在圖1中用小方塊加以表示。LMU主要負(fù)責(zé)對(duì)變電站的信息進(jìn)行實(shí)施才進(jìn)，并確保對(duì)應(yīng)的算法擁有對(duì)應(yīng)的執(zhí)行單元來保證其得到運(yùn)輸，并最終獲得精確的故障測(cè)量信息，包括多條線路的具體故障方向、位置等信息。同時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)還能夠負(fù)責(zé)將從下層變電站獲得的測(cè)量信息經(jīng)過初步處理之后上傳到?jīng)Q策網(wǎng)絡(luò)層，并將網(wǎng)絡(luò)決策層反饋的信息予以執(zhí)行。

而中間層則是系統(tǒng)的區(qū)域決策層，主要包括RDU（Region Decision Unit）。通常，一個(gè)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)配備有一臺(tái) RDU，利用它來與本區(qū)域當(dāng)中的LMU進(jìn)行光纖通信。在正常的保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)本區(qū)域當(dāng)中的LMU實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。一旦檢測(cè)到擾動(dòng)，將對(duì)LMU上傳的信息進(jìn)行綜合分析與處理，并及時(shí)的作出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)決策。之后，在將決策信息下傳到LMU，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，諸如閉鎖、切斷斷路器等的同時(shí)，將決策結(jié)果上傳到系統(tǒng)的最頂層決策中心 SMC（System M onitor Center），該中心是調(diào)度通信中心，主要的工作是對(duì)各個(gè)區(qū)域的所有保護(hù)系統(tǒng)、電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并加以顯示，在這個(gè)基礎(chǔ)上將對(duì)應(yīng)的估值記錄加以分析并進(jìn)行保護(hù)定值的精確修改等工作。整個(gè)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)采用的是樹形結(jié)構(gòu)，通過明確的分工、分明的層次以及靈活的工作方式，使得各個(gè)區(qū)域的工作在獨(dú)立、不相互干擾的前提下，與終端配合、協(xié)調(diào)工作。

在這里，需要注意的一點(diǎn)就是不能被系統(tǒng)所覆蓋的地方都有可能存在著誤動(dòng)作或者是拒動(dòng)作的問題，因此最好的方式就是要使得RDU能夠完全覆蓋整個(gè)系統(tǒng)。但是，由于受到硬件條件的限制，尤其是在通信量以及數(shù)據(jù)處理能力方面的制約，一般只能夠在能量交匯處的關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置RDU。加之整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際大小并不能確定，因此不可能通過固定的判據(jù)來來對(duì)能量交匯處的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行判斷，通常是通過調(diào)度人員依靠經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)自主的運(yùn)行方式。所以，整個(gè)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)一般是由包括系統(tǒng)規(guī)劃人員、運(yùn)行人員以及保護(hù)整定人員在內(nèi)的三方進(jìn)行確定。

2 LMU中各個(gè)部件的具體功能

2.1 起動(dòng)部件

可以將整個(gè)系統(tǒng)的起動(dòng)部件分為突變量起動(dòng)部件零序電流起動(dòng)部件兩種。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到其中一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)故障，與故障點(diǎn)最近的那個(gè) LMU將會(huì)及時(shí)的檢測(cè)到故障并馬上自主起動(dòng)，而其他與故障點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的 LMU則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的整體靈敏度達(dá)不到檢測(cè)范圍而不能起動(dòng)。因此，一旦某一個(gè) LMU起動(dòng)，應(yīng)該將起動(dòng)信息上傳到 RDU，并通過 RDU將信息通知到該區(qū)域電網(wǎng)的其他LMU，開始進(jìn)行故障處理。這種起動(dòng)方式必將導(dǎo)致通信速度的降低，導(dǎo)致動(dòng)作的延遲[3]。而導(dǎo)致動(dòng)作延緩時(shí)間的長(zhǎng)短則主要是與系統(tǒng)所采用的硬件條件、通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)際通信協(xié)議等直接相關(guān)。因此，這時(shí)控制系統(tǒng)中的LMU對(duì)電網(wǎng)當(dāng)中突變量的提取工作就會(huì)變得不那么穩(wěn)定。此時(shí)的部件測(cè)量工作將會(huì)采用基于穩(wěn)態(tài)量的方向測(cè)量方式來進(jìn)行、判斷。

2.2 測(cè)量部件

系統(tǒng)的序分量保護(hù)是故障分量中穩(wěn)態(tài)分量的保護(hù)部分，具體包括這樣兩個(gè)基本特點(diǎn)：

1) 只有當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，而正常時(shí)則為零。在振蕩的過程中，由于三相電氣量同時(shí)發(fā)生變化，這時(shí)測(cè)量部件也不會(huì)對(duì)振蕩發(fā)生反應(yīng)。

2) 只會(huì)從施加在一個(gè)故障點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，所以其動(dòng)作行為不會(huì)受到來自過渡電阻的影響與控制。

正是基于零負(fù)序方向元件具有這方面的優(yōu)越性，其得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)使用零序方向元件時(shí)，在故障出現(xiàn)在保護(hù)的正方向時(shí)：

而線路的末端發(fā)生故障時(shí)，故障的分量電流通常比較小，且不夠靈敏，這時(shí)將單一的U0補(bǔ)償成為U0-I0ZY，將有利于故障靈敏度不足問題的消除。當(dāng)在反方向發(fā)生故障時(shí)，加入的不錯(cuò)可能導(dǎo)致極化電壓下降，這時(shí)就不需要對(duì)之進(jìn)行補(bǔ)償，直接利用下面的式子：

負(fù)序方向元件的工作原理與零序元件的工作原理類似，在這里不再贅述。

2.3 選相部件

由于序分量的方向部件所獲得的測(cè)量信息并不能完全指示出對(duì)應(yīng)的估值部位，尤其是在要求達(dá)到分相跳閘、分相重合的目的時(shí)，需要與選相部件配合使用才能達(dá)到目的。當(dāng)前，廣泛使用的選相部件主要包括：兩相電流差突變量選相部件、阻抗選相部件以及序分量選相部件。從上文的分析來看，在分層區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的整體模式之下，由于靈敏度的問題，系統(tǒng)的突變量可能不能持續(xù)而穩(wěn)定的得到，所以這里只采用考慮序分量和阻抗即能夠達(dá)到選相的目的[4-5]。但是，在系統(tǒng)進(jìn)行選相的過程中，序分量的選相部件工作過程中容易發(fā)生一些問題，尤其是在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多點(diǎn)故障問題時(shí)，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的序分量選相部件所獲得的比相結(jié)果將變得不可靠，選相將變得不正確。

所以，分層區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的選相部件采用的是阻抗選相方式，使得距離繼電器的測(cè)量方式得到了可靠保證。只需要故障線路中的各個(gè)故障點(diǎn)與被保護(hù)處之間沒有存在其他的分支線路即可，這樣就可以完全保證所測(cè)量得到的方向結(jié)果是完全正確的。但是，阻抗選相元件在采用單項(xiàng)高阻抗接地方式時(shí)，對(duì)應(yīng)的靈敏度將不足，而高阻故障通常是區(qū)域電網(wǎng)故障處理中必須進(jìn)行的反應(yīng)。由此看來，兩種選相部件都有其對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，系統(tǒng)在采用的過程中可以考慮采用邏輯組合額的方式實(shí)現(xiàn)特性互補(bǔ)，最終得到一個(gè)適合分層區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的選相組合部件。

當(dāng)將系統(tǒng)的保護(hù)功能起動(dòng)完成之后，各個(gè)LMU都應(yīng)該及時(shí)的顯示出序分量的實(shí)時(shí)選相和阻抗選相過程中存在的故障相別，并立即將這些信息上傳到RDU中。在RDU中對(duì)比線路兩側(cè)的阻抗選相結(jié)果，當(dāng)結(jié)果相同時(shí)則判斷該點(diǎn)為故障相。

3 RDU的決策原理

3.1 決策的基本程序

保護(hù)系統(tǒng)的兩個(gè)測(cè)量指標(biāo)就是動(dòng)作的響應(yīng)快慢以及可靠程度，所以在分層區(qū)域電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中，尤其是系統(tǒng)的指令決策過程中，應(yīng)該盡可能的避免使用復(fù)雜而繁瑣的邏輯判斷指令。其具體的實(shí)現(xiàn)程序包括如下兩步：

其一，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障之后，RDU應(yīng)該迅速的通知各個(gè) LMU立即進(jìn)入估值計(jì)算狀態(tài)，而各個(gè)LMU則將方向部件檢測(cè)得到的結(jié)果上傳到 RDU中，然后RDU對(duì)這些上傳的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某條線路的兩端方向部件檢測(cè)值都是正方向，則立即判斷該線路即為故障線路，然后進(jìn)入下一步的操作程序；而該條線路兩端的方向部件檢測(cè)值所

3.2 退出重構(gòu)設(shè)置

圖2 保護(hù)區(qū)域重構(gòu)基本程序

獲得的方向是一正一反時(shí)，則判斷該線路并不存在故障，系統(tǒng)的RDU也會(huì)命令LMU跳出故障處理流程，不會(huì)進(jìn)入第二步的決策過程。

其二，RDU將故障線路中獲得的綜合信息為基礎(chǔ)，從選相元件中獲取故障相的具體值。之后，RDU將決策信息下傳到LMU，之后利用LMU閉鎖以及對(duì)應(yīng)的斷路操作?？紤]到重合閘操作以及線路可能存在的故障問題，這個(gè)時(shí)候的 RDU將不會(huì)繼續(xù)決策，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入第一步，直到確定該區(qū)域當(dāng)中的所有線路不再出現(xiàn)故障為止。

當(dāng) RDU對(duì)被保護(hù)電網(wǎng)區(qū)域中的所有線路進(jìn)行決策分析是，需要將該區(qū)域電網(wǎng)當(dāng)中的所有 LMU測(cè)量部件的信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行匯總。但是，由于各個(gè)LMU以及RDU之間的傳輸距離并不相同，加之信息的傳輸距離、通信數(shù)據(jù)多少以及 LMU自身的工作狀態(tài)不同，導(dǎo)致 LMU傳輸數(shù)據(jù)通信中存在著一定的延遲。所以，當(dāng)某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，RDU不能將區(qū)域電網(wǎng)中所有的 LMU測(cè)量部件信息獲得時(shí)，就需要考慮到區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的退出與重構(gòu)，這時(shí)就需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的重構(gòu)設(shè)置程序。

該系統(tǒng)的退出重構(gòu)設(shè)置程序步驟如下圖2所示。在故障系統(tǒng)檢測(cè)功能起動(dòng)之后，RDU將會(huì)提前辟出專門用于存放從測(cè)量部件中所獲得的信息區(qū)域，其大小根據(jù)區(qū)域當(dāng)中的 LMU測(cè)量部件信息量來決定。同時(shí)，還將起動(dòng)一個(gè)對(duì)應(yīng)的延時(shí)部件，將所有從 LMU上傳過來的數(shù)據(jù)按照預(yù)先編制好的順序來存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域當(dāng)中。當(dāng)延時(shí)部件到達(dá)之后，RDU將在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域當(dāng)中的所有信息結(jié)構(gòu)中對(duì)這部分信息進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)，按照對(duì)應(yīng)的順序?qū)⒕€路中兩端的部件結(jié)果進(jìn)行一一的對(duì)比。當(dāng)線路兩端的所有信息都準(zhǔn)時(shí)到達(dá)RDU之后，這時(shí)線路的狀態(tài)將得到確認(rèn)；而單端或者是雙端信息都沒有得到及時(shí)確認(rèn)時(shí)，將重新形成對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，并將之從該結(jié)構(gòu)中剔除，不參與對(duì)應(yīng)的RDU決策[6]。

值得注意的一點(diǎn)是，在該系統(tǒng)中對(duì)于任何依賴通道的保護(hù)系統(tǒng)而言，通道的失靈是必然存在的。因此，當(dāng)通信通道中斷之后，就應(yīng)該考慮進(jìn)行適時(shí)的保護(hù)機(jī)制退出。通過實(shí)時(shí)的拓樸分析之后，對(duì)沒有故障點(diǎn)的區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行重組，保證重組之后的區(qū)域電網(wǎng)能夠正常的工作。這樣，才可以保證該保護(hù)系統(tǒng)在正確決策的同時(shí)敖征其有足夠多的保護(hù)區(qū)域。

4 結(jié)論

本文針對(duì)區(qū)域輸變電網(wǎng)的故障處理問題，從繼電保護(hù)措施的角度對(duì)如何利用分層區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)故障處理進(jìn)行了論述。重點(diǎn)對(duì)分層區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，形成了區(qū)域輸變電網(wǎng)繼電保護(hù)的基本途徑。

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