基于智能變電站的站域保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)

蔡小玲， 王禮偉， 林傳偉， 張繼芬， 黃衛(wèi)平

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 福州 350003)

基于智能變電站的站域保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)

蔡小玲， 王禮偉， 林傳偉， 張繼芬， 黃衛(wèi)平

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 福州 350003)

為了克服現(xiàn)有繼電保護(hù)系統(tǒng)配置無(wú)法發(fā)揮智能變電站本身優(yōu)勢(shì)的缺點(diǎn)，該文針對(duì)三層式的繼電保護(hù)體系架構(gòu)，分析了智能變電站站域保護(hù)的功能、實(shí)現(xiàn)方式、算法及原理?；诜葱蚓W(wǎng)絡(luò)中母線電壓為零的特點(diǎn)，提出了并聯(lián)電抗電流的出線故障性質(zhì)判別新方法和基于反序網(wǎng)的雙回線路故障測(cè)距方法。將高壓線路并聯(lián)電抗器電流引入線路保護(hù)，形成了智能變電站帶并聯(lián)電抗器線路保護(hù)的新方案。該保護(hù)方案具有通過(guò)所獲取的信息彌補(bǔ)該間隔缺失的保護(hù)功能，從而能夠快速切除故障。

保護(hù)配置方案； 站域保護(hù)； 智能變電站； 電力系統(tǒng)

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)智能變電站應(yīng)用逐漸增多，但保護(hù)的配置還是繼承了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)，對(duì)各一次設(shè)備配置快速跳閘的主保護(hù)和多階段配合的后備保護(hù)，保護(hù)及其相關(guān)回路雙套配置且完全獨(dú)立[1]。從目前狀況看來(lái)，當(dāng)前智能變電站的保護(hù)配置并沒(méi)有利用智能變電站的一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)后備保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，仍然存在傳統(tǒng)的后備保護(hù)所固有的缺陷[2～6]：通過(guò)定值和時(shí)間的配合來(lái)保證選擇性，動(dòng)作速度慢；每一元件均配置多種后備保護(hù)，保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資高。

展望未來(lái)智能變電站的發(fā)展，為了提高繼電保護(hù)的自動(dòng)化水平、提高繼電保護(hù)的可靠性，有必要提出新一代智能變電站繼電保護(hù)的配置方案，打造全新的繼電保護(hù)系統(tǒng)，構(gòu)筑堅(jiān)強(qiáng)的繼電保護(hù)防線。

1 新一代智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的架構(gòu)和配置

新一代智能變電站繼電保護(hù)配置方案中，將變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)分成三層：就地保護(hù)層、站域保護(hù)層和廣域保護(hù)層。

就地保護(hù)層針對(duì)一次設(shè)備獨(dú)立配置主保護(hù)，這里需要分為兩種情況：對(duì)于一次設(shè)備本身即為智能設(shè)備，保護(hù)設(shè)備可以集成安裝在智能設(shè)備內(nèi)部；如果一次設(shè)備的智能化程度不高或者仍為常規(guī)的一次設(shè)備，可將保護(hù)、合并器、測(cè)控等功能就近安裝在一次設(shè)備附近的匯控柜或者保護(hù)小室中，以達(dá)到運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)化的目的。制造報(bào)文規(guī)范MMS(manufacturing message specification)報(bào)文、采樣值SV(sampled value)報(bào)文和GOOSE(generic object oriented substation event)報(bào)文均通過(guò)同一以太網(wǎng)傳輸，全站統(tǒng)一采用IEEE 1588對(duì)時(shí)，但是分布式保護(hù)間的數(shù)據(jù)同步可不依賴(lài)于全站統(tǒng)一對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

站域保護(hù)層收集全站內(nèi)所有間隔的電壓、電流及斷路器、刀閘位置實(shí)時(shí)信息，針對(duì)變電站內(nèi)一次設(shè)備配置集中的近后備保護(hù)，保護(hù)范圍包括全站所有母線和直接出線。由于能夠共享全站信息，可更好地改進(jìn)繼電保護(hù)現(xiàn)有原理算法，對(duì)后備保護(hù)功能進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，也可集成變電站內(nèi)所有的低頻/低壓減載、備用自投裝置、過(guò)負(fù)荷聯(lián)切等自動(dòng)裝置功能，避免重復(fù)投資。

廣域保護(hù)層同時(shí)利用全站和相鄰變電站的信息，為變電站提供遠(yuǎn)后備保護(hù)，保護(hù)范圍包括直接出線的對(duì)端母線及對(duì)端母線所連的所有線路。廣域保護(hù)可以改善現(xiàn)有后備保護(hù)的性能，減小故障切除范圍，甚至在就地主保護(hù)故障時(shí)可以對(duì)線路的就地主保護(hù)進(jìn)行替代。

三層繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三層式繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

受到篇幅的限制，本文著重論述站域保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理。

2 站域保護(hù)的功能及實(shí)現(xiàn)方式

2.1 站域保護(hù)功能

由于智能變電站采用IEC61850規(guī)約通信，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)全站信息共享。智能變電站內(nèi)站域保護(hù)收集全站內(nèi)所有間隔的電壓、電流及斷路器、刀閘位置實(shí)時(shí)信息，可為變電站內(nèi)所有一次設(shè)備提供集中的近后備保護(hù)，即具備線路近后備、母聯(lián)后備、母線后備、斷路器失靈后備和主變后備等保護(hù)功能。

這些保護(hù)功能的體現(xiàn)是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的功能模塊，模塊之間通過(guò)站域保護(hù)的整體邏輯來(lái)相互配合，配合關(guān)系與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)類(lèi)似，但站域保護(hù)不與就地保護(hù)有功能和定值上的配合關(guān)系。

2.2 站域保護(hù)硬件配置方案

每套站域保護(hù)由數(shù)據(jù)采集及計(jì)算模塊、故障位置判別模塊、保護(hù)跳閘決策模塊等3個(gè)功能模塊組成，站域保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 站域保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

各個(gè)模塊的功能簡(jiǎn)單描述如下。

1)數(shù)據(jù)采集模塊：通過(guò)IEC61850規(guī)約從智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)上采集保護(hù)所需的電壓、電流電氣量，采集站內(nèi)各斷路器狀態(tài)信息。

2)故障判別模塊：利用本變電站元件的故障方向信息和故障距離信息，計(jì)算各元件的故障方向信息和故障距離信息，執(zhí)行故障判別算法，確定故障位置。

3)跳閘決策模塊：站域保護(hù)集成母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和低頻低壓減載等功能于一體，根據(jù)就地電氣量完成相關(guān)的保護(hù)邏輯判斷，并將判斷結(jié)果以GOOSE方式通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)將跳閘策略發(fā)送到相應(yīng)間隔的智能終端。

由于站域保護(hù)采用集中式結(jié)構(gòu)，為了保證站域保護(hù)動(dòng)作的可靠性，建議在220 kV及以上的變電站中站域保護(hù)采用冗余配置。

2.3 站域保護(hù)的優(yōu)勢(shì)

由于智能變電站能夠共享全站信息，站域保護(hù)可方便地通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)收集全站內(nèi)所有間隔的電壓、電流、斷路器和刀閘位置的實(shí)時(shí)信息，可更好地改進(jìn)繼電保護(hù)現(xiàn)有原理算法，對(duì)現(xiàn)有后備保護(hù)功能進(jìn)行補(bǔ)充，可解決同桿雙回線保護(hù)所存在的各類(lèi)難題，并可對(duì)帶并聯(lián)電抗器線路故障進(jìn)行判別。

3 站域保護(hù)的方案研究

3.1 改進(jìn)的雙回線線路保護(hù)方案

智能變電站的信息共享性為雙回線保護(hù)原理的優(yōu)化提供了最有利的支持。共享兩回線信息的雙回線路保護(hù)可解決傳統(tǒng)保護(hù)中所存在的難題，具體方法如下。

(1)跨線故障保護(hù)選相，由于共享了兩回線的交流信息，保護(hù)可采用六序分量原理實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選相，也可以共享雙回線的差動(dòng)繼電器動(dòng)作信息實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)的輔助選相；

(2)雙回線路縱聯(lián)零序保護(hù)易受零序互感影響而誤動(dòng)，在共享雙回線信息后可綜合兩回線信息進(jìn)行故障判別，可采用鄰線故障信息閉鎖本線縱聯(lián)零序的方案防止其誤動(dòng)；

(3)阻抗繼電器動(dòng)作范圍受鄰線運(yùn)行方式影響大，容易超越或拒動(dòng)，此處可采用鄰線零序電流補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn)阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)保護(hù)還可收集兩回線開(kāi)關(guān)位置、接地刀閘等信息，實(shí)時(shí)判別鄰線運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)距離I段定值的自適應(yīng)調(diào)整；

(4)兩回線的保護(hù)獨(dú)立完成自適應(yīng)重合閘功能相當(dāng)困難，在獲得鄰線的電氣量和保護(hù)跳閘信息后能采用更多的新方法實(shí)現(xiàn)故障性質(zhì)準(zhǔn)確判別。

3.2基于并聯(lián)電抗電流的出線故障性質(zhì)判別新方法

高壓線路并聯(lián)電抗器電流在常規(guī)變電站中是不引入線路保護(hù)的，但是站域保護(hù)可以很容易地獲取這些信息，從而為自適應(yīng)重合閘的使用提供了途徑?？梢岳迷诰€路瞬時(shí)性故障和永久性故障情況下電抗器電流的不同特征來(lái)識(shí)別線路故障的性質(zhì)。

3.2.1 一端帶并聯(lián)電抗器的線路

圖3 瞬時(shí)性故障電流示意圖

圖4 永久性故障電流示意圖

(1)

當(dāng)實(shí)測(cè)電抗器電流滿足式(2)時(shí)判為瞬時(shí)性故障，允許重合。

(2)

3.2.2 雙端帶并聯(lián)電抗器的線路

對(duì)于兩端帶并聯(lián)電抗器的線路而言，其故障識(shí)別方案類(lèi)似于單端并聯(lián)電抗器線路。其區(qū)別就在于對(duì)端不但有接地電容，而且有電感支路。該支路的存在只是增加了判據(jù)定值設(shè)置的難度，不存在原理問(wèn)題。

3.3 基于反序網(wǎng)的雙回線路故障測(cè)距方法

任何基于阻抗原理的單端量或者雙端量故障測(cè)距原理都受雙回線間零序互感的影響，原理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距?？缇€故障情況下，傳統(tǒng)的測(cè)距原理更是無(wú)能為力。

同桿雙回線內(nèi)部故障時(shí)的電流可以分為同序電流和反序電流兩個(gè)部分[7～10]。其中反序電流的存在是雙回線的顯著特點(diǎn)，對(duì)反序電流的研究有利于深入了解同桿雙回線的特點(diǎn)。利用反序網(wǎng)絡(luò)中母線電壓為零的特點(diǎn)，從線路兩側(cè)往故障點(diǎn)計(jì)算沿線電壓，利用由兩側(cè)計(jì)算所得故障點(diǎn)電壓必須相等的特點(diǎn)建立測(cè)距方程。以IAIIB故障為例，此處選擇B相或者A相反序網(wǎng)建立的測(cè)距方程如下：

(3)

或者

(4)

其中：p為M端到故障點(diǎn)之間的距離(占線路全長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù))；IMIB，IMIIB，INIB，INIIB分別為本側(cè)(M側(cè))和對(duì)側(cè)(N側(cè))的Ⅰ線、Ⅱ線的B相電流值；IMIA，IMIIA，INIA，INIIA分別為本側(cè)(M側(cè))和對(duì)側(cè)(N側(cè))的Ⅰ線、Ⅱ線的A相電流值。

4 站域保護(hù)的功能遷移實(shí)現(xiàn)原理

在智能變電站中，如果遵循傳統(tǒng)變電站的保護(hù)配置原則，一旦某一間隔的電子式互感器等一次設(shè)備出現(xiàn)異常，就會(huì)造成該間隔的繼電保護(hù)功能缺失。出現(xiàn)這種情況只能通過(guò)相鄰變電站的遠(yuǎn)后備保護(hù)來(lái)跳開(kāi)相關(guān)的線路，達(dá)到切除故障的目的。但是這樣造成的延時(shí)較長(zhǎng)，該間隔可能會(huì)需要停電檢修，從而影響系統(tǒng)的供電可靠性。若該站配置有站域保護(hù)，則可通過(guò)站域保護(hù)所獲取的大量信息來(lái)彌補(bǔ)該間隔缺失的保護(hù)功能，下面通過(guò)線路間隔與變壓器間隔來(lái)說(shuō)明站域保護(hù)在電子式互感器異常時(shí)繼電保護(hù)不間斷運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。

4.1 線路間隔

以圖5中間隔2為例。當(dāng)間隔2的電子式互感器失效，間隔2的電流無(wú)效，但是間隔1、間隔3、間隔Q的電流有效，且滿足基爾霍夫定律。將間隔1、間隔3電流合成，形成一個(gè)新的虛擬間隔P，如圖6所示。

令I(lǐng)P=-(I1+I3)，那么母線和線路無(wú)故障，則IP+IQ=0，否則不為零。從圖中可看出通過(guò)虛擬間隔P與間隔Q保護(hù)動(dòng)作邏輯的配合方式來(lái)保護(hù)線路和母線。為縮小保護(hù)切除范圍，此站域保護(hù)中的縱聯(lián)保護(hù)判出故障后可先切除間隔2的開(kāi)關(guān)，此后的保護(hù)邏輯即退化成正常的母線保護(hù)和線路保護(hù)邏輯。

圖6 線路虛擬間隔示意圖

4.2 變壓器間隔

以圖7中變壓器高壓側(cè)M為例，當(dāng)電子式互感器失效，變壓器高壓側(cè)M的電流無(wú)效，但是間隔1、間隔2、低壓側(cè)Q的電流有效，同樣滿足基爾霍夫定律。將間隔1、間隔3電流合成，形成一個(gè)新的虛擬間隔P，如圖8。

圖7 變壓器間隔示意圖

圖8 變壓器虛擬間隔示意圖

令I(lǐng)P=-(I1+I3)，那么母線和變壓器無(wú)故障，則IP+IQ=0，否則不為零。從圖中可看出通過(guò)虛擬間隔P與間隔Q的差動(dòng)保護(hù)的方式來(lái)保護(hù)變壓器和母線。為保護(hù)變壓器此時(shí)首先切除變壓器高低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，此后的保護(hù)邏輯即退化成正常的母線保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于智能變電站的站域保護(hù)架構(gòu)和算法，用于智能變電站集中式的近后備保護(hù)，具有以下特點(diǎn)。

(1)站域保護(hù)通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)同時(shí)引入兩回線路的電流、電壓量，結(jié)合就地線路的主保護(hù)功能，可解決現(xiàn)有變電站中雙回線保護(hù)所存在的各類(lèi)困難和問(wèn)題。若同時(shí)引入線路高抗電流，既可以為線路故障性質(zhì)判別提供方便，也為差動(dòng)保護(hù)電容電流補(bǔ)償問(wèn)題提供新的解決方案。

(2)站域保護(hù)利用反序網(wǎng)絡(luò)中母線電壓為零的特點(diǎn)，從線路兩側(cè)往故障點(diǎn)計(jì)算沿線電壓，利用由兩側(cè)計(jì)算所得故障點(diǎn)電壓必須相等的特點(diǎn)建立測(cè)距方程，可以解決單端量或雙端量故障測(cè)距原理都受雙回線間零序互感的影響而無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距的缺陷。

(3)通過(guò)站域保護(hù)所獲取的信息量，可彌補(bǔ)電子式互感器等一次設(shè)備異常時(shí)造成的該間隔保護(hù)功能的缺失，達(dá)到快速切除故障的目的。

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蔡小玲(1977-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)及安全自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及研究。Email:caixiaoling@126.com

王禮偉(1981-)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。Email:wlw6@sina.com

林傳偉(1977-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)及安全自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及研究。Email:lincw2000@163.com

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摘編于《中國(guó)高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)編排規(guī)范》(修訂版)

PrincipleandRealizationofSubstation-areaProtectionBasedonSmartSubstation

CAI Xiao-ling， WANG Li-wei， LIN Chuan-wei， ZHANG Ji-fen， HUANG Wei-ping

(Fujian Electric Power Survey amp; Design Institute, Fuzhou 350003, China)

According to the characteristics of smart substation, a three layer type relay protection system was introduced, and the function, realization way, arithmetic and principle of substation-area protection were discussed. Based on the fact that bus voltage of the inverted sequence is zero, a failure discrimination method for shunt reactor current and a fault location method for reverse order double circuit line were proposed. Importing the current of shunt reactor to line protection, a new line protection scheme on the line with shunt reactor for smart substation was put forward. The proposed protection scheme makes up lack protection with the acquired information, and has the ability to rapid removal of faults.

protection configuration scheme； substation-area protection； smart substation； power system

TM771； TM773

A

1003-8930(2012)06-0128-06

2012-05-09；

2012-08-20