基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法

金恩淑，汪有成，王紅艷，陳喜峰，王星棋

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.河南省電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000；4.吉林省延邊朝鮮族自治州廣播電視臺(tái)，吉林 延邊 133000）

0 引言

繼電保護(hù)作為電網(wǎng)安全的重要防線，其動(dòng)作的可靠性和速動(dòng)性直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。近幾年，國(guó)內(nèi)外一系列的大停電事故均在不同程度表明，由于某一元件的故障或電力系統(tǒng)檢修中的誤操作導(dǎo)致電力系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移，進(jìn)而造成后備保護(hù)的誤動(dòng)作，是導(dǎo)致電網(wǎng)大面積崩潰的主要原因。隨著國(guó)家電網(wǎng)提出的建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的要求，互聯(lián)電網(wǎng)的擴(kuò)大化和復(fù)雜化也在一定程度上增加了大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)，給繼電保護(hù)提出了更高的要求[1]。

近年來(lái)，隨著廣域測(cè)量技術(shù)（Wide Area Measurement System，WAMS）和通信技術(shù)的發(fā)展，一種基于電力系統(tǒng)多點(diǎn)信息、可對(duì)故障進(jìn)行快速識(shí)別的廣域保護(hù)系統(tǒng)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，給解決上述問題提供了新的思路和方法[2-6]。

根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的闡述，廣域保護(hù)系統(tǒng)既能夠利用廣域信息對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，又能夠利用所得到的信息進(jìn)行故障定位和切除，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能[7]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種廣域信息下的繼電保護(hù)新算法：J.C.Tan提出了一種通過收集多個(gè)距離元件的判別結(jié)果，運(yùn)用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障定位的廣域后備保護(hù)[8]；文獻(xiàn)[9]提出了一種基于多Agent系統(tǒng)的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)，并制定了一套反應(yīng)后備保護(hù)系統(tǒng)的行為準(zhǔn)則；有學(xué)者將廣域信息與傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)相結(jié)合，提出了一種基于電流差動(dòng)原理的廣域繼電保護(hù)算法[10]；文獻(xiàn)[11-12]則利用廣域系統(tǒng)內(nèi)方向元件的故障信息，提出了一種基于縱聯(lián)（方向）比較原理的廣域繼電保護(hù)算法，對(duì)故障進(jìn)行定位和切除，但文中所提的IED關(guān)聯(lián)域的劃分方法過于復(fù)雜，且關(guān)聯(lián)域不能隨著系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而調(diào)整，有效性仍有待驗(yàn)證。

本文提出了一種新的基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。該算法根據(jù)IED的安裝位置，形成包含有母線及線路在內(nèi)的IED關(guān)聯(lián)域；故障發(fā)生后，關(guān)聯(lián)域內(nèi)的IED根據(jù)其獲得的故障信息和故障時(shí)規(guī)定的動(dòng)作策略，可快速確定故障位置并切除故障。該算法既能夠做系統(tǒng)故障后母線和線路的主保護(hù)，又可以在主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，兼顧后備保護(hù)的功能。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 負(fù)序功率方向判別元件

負(fù)序功率方向判別元件是指利用測(cè)定的負(fù)序電壓和負(fù)序電流之間的相位夾角來(lái)判別負(fù)序功率方向的元件。與傳統(tǒng)方向元件不同的是，這里定義的負(fù)序功率方向判別元件僅用于判別負(fù)序功率的方向，并不動(dòng)作于發(fā)出動(dòng)作信號(hào)[13-14]。規(guī)定流過保護(hù)的負(fù)序電流正方向是從母線指向線路。

如圖1所示為雙電源網(wǎng)絡(luò)K點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)裝置安裝在M側(cè)。當(dāng)保護(hù)正方向發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，如圖1(a)所示，則有

其所對(duì)應(yīng)的向量圖如圖2(a)所示，此時(shí)φk為保護(hù)背后系統(tǒng)負(fù)序阻抗Z2m的阻抗角，且有

當(dāng)保護(hù)反方向發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，如圖1(b)所示，則有

其所對(duì)應(yīng)的向量圖如圖2(b)所示，此時(shí)φk為保護(hù)對(duì)側(cè)系統(tǒng)負(fù)序阻抗角，且有

為了提高負(fù)序功率方向元件的靈敏性，這里取負(fù)序功率方向元件的靈敏角φsen=φk，則K點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)負(fù)序功率表達(dá)式為

綜上分析，基于負(fù)序功率方向的方向元件故障方向判別的依據(jù)為

系統(tǒng)發(fā)生故障后，當(dāng)負(fù)序功率方向判別元件測(cè)得的負(fù)序功率滿足式(6)時(shí)，判斷其負(fù)序功率方向?yàn)樨?fù)；滿足式(7)時(shí)，判斷其負(fù)序功率方向?yàn)檎?/p>

圖1 負(fù)序等效網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Equivalent network of negative sequence

圖2 負(fù)序電壓電流向量圖Fig.2 Negative sequence voltage and current vector diagram

2 基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法

廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)一般采用兩種結(jié)構(gòu)形式，即集中式和分布式[15]。根據(jù)算法的需要，本文采用的是分布式的決策形式。在分布式結(jié)構(gòu)中，沒有控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，而是在每一個(gè)斷路器處都裝設(shè)有一個(gè)包含有負(fù)序功率方向元件的方向IED。IED負(fù)責(zé)采集安裝點(diǎn)處的電氣信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和必要的運(yùn)算，同時(shí)每個(gè)IED還需要將信息通過廣域網(wǎng)共享給關(guān)聯(lián)域內(nèi)的其他IED。當(dāng)故障發(fā)生后，各個(gè)IED根據(jù)其在關(guān)聯(lián)域內(nèi)獲得的故障信息，按照預(yù)先規(guī)定的故障判別原則和動(dòng)作策略，判斷出故障的位置并切除故障。

2.1 關(guān)聯(lián)域的劃分

考慮到每個(gè)IED的關(guān)聯(lián)域既要能夠感知其所在線路的故障，又可以反應(yīng)其背后母線的故障，因此關(guān)聯(lián)域的劃分原則分為如下三部分：

（1）每個(gè)IED與其所在線路對(duì)端的IED相關(guān)聯(lián)；

（2）每個(gè)IED與其相連母線上直接連接的其他IED相關(guān)聯(lián)；

（3）某個(gè)IED故障時(shí)，其相連母線上其他IED與其線路對(duì)端的IED相關(guān)聯(lián)。

各個(gè)IED按照上述的關(guān)聯(lián)原則與相關(guān)聯(lián)的IED形成關(guān)聯(lián)域。IED將只與其關(guān)聯(lián)域內(nèi)的其他IED進(jìn)行信息的交換，這樣大大降低了盲目的大范圍信息交換給通信系統(tǒng)帶來(lái)的壓力。

以圖3所示的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明IED的關(guān)聯(lián)原則。圖中的數(shù)字1，2，…，8為IED的編號(hào)，IED所在的位置亦為斷路器所在的位置。以IED3為研究對(duì)象，其不僅與同線路末端的IED4相關(guān)聯(lián)，同時(shí)又與B母線上相連的IED2、IED5相關(guān)聯(lián)，形成自身的關(guān)聯(lián)域，如圖3(a)所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure

若IED3故障，IED3關(guān)聯(lián)域內(nèi)的其他IED感受不到IED3的存在，則將與其關(guān)聯(lián)域內(nèi)除自身外的其他IED組成新的關(guān)聯(lián)域，如圖1(b)所示。

各個(gè)IED具體的關(guān)聯(lián)IED如表1所示。

表1 各個(gè)IED所關(guān)聯(lián)的IEDTable 1Associated IED for each IED

2.2 故障的判別原則

基于負(fù)序方向元件的負(fù)序方向縱聯(lián)保護(hù)由于其具有不受系統(tǒng)振蕩的影響、且無(wú)電壓死區(qū)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于線路及母線保護(hù)中。然而以負(fù)序功率方向?yàn)樵淼腎ED在通過廣域系統(tǒng)進(jìn)行故障方向的判別時(shí)，也必然會(huì)遇到常規(guī)負(fù)序方向元件所遇到的問題，例如不能有效地反應(yīng)對(duì)稱故障。對(duì)于上述問題，在廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)中可以利用正序方向元件或其他輔助判據(jù)來(lái)解決。而且在220 kV及以上系統(tǒng)中，發(fā)生對(duì)稱故障的幾率非常小，即使發(fā)生了對(duì)稱故障，大多也是由不對(duì)稱故障轉(zhuǎn)變而來(lái)。因此對(duì)稱故障的情況就不予討論，本文所提到的故障均認(rèn)為是不對(duì)稱故障。

為了能夠更清晰地闡釋故障判別原則，這里有必要對(duì)各個(gè)IED的位置關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的定義。如圖3所示，對(duì)于IED3而言，IED2、IED4、IED5(IED6)分別為其相鄰IED、相連IED及平行IED，且這里規(guī)定每個(gè)IED與其相連IED具有相同的ID。

根據(jù)IED關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，可以分為主保護(hù)和后備保護(hù)兩種情況對(duì)故障進(jìn)行判別。

2.2.1 主保護(hù)故障判別原則

（1）線路故障

其中：j≠i，j=1,2,…,n，n為 IEDi關(guān)聯(lián)域內(nèi) IED 的數(shù)量；DIEDi為IEDi的負(fù)序功率方向。

因此，當(dāng)某一IED在其關(guān)聯(lián)域內(nèi)滿足式(8)時(shí)，判斷為線路故障，且故障的位置位于IEDi與IEDj之間。

（2）母線故障

其中，j≠i，j≠k(其中IDIEDk=IDIEDi)，j=1,2,…,n；n為IEDi關(guān)聯(lián)域內(nèi)IED的數(shù)量，DIEDi為IEDi的負(fù)序功率方向。

因此，當(dāng)某一IED在其關(guān)聯(lián)域內(nèi)滿足式(9)時(shí)，判斷為母線故障，且故障位置位于上述IED相連接的公共母線上。

2.2.2 后備保護(hù)故障判別原則

（1）某IED拒動(dòng)

此情況為保護(hù)未動(dòng)作，但通信功能正常。此時(shí)，拒動(dòng)IED向關(guān)聯(lián)域內(nèi)其他IED發(fā)動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其后備保護(hù)功能。

（2）某IED故障

此情況為保護(hù)未動(dòng)作，且通信中斷。此時(shí)，根據(jù)關(guān)聯(lián)域劃分原則(3)形成新的IED關(guān)聯(lián)域。

其中：adjIED、conIED分別為故障IED的相鄰IED及相連IED；par1IED，par2IED為故障IED平行線路兩端IED。

因此，若在新形成的關(guān)聯(lián)域中IED滿足式(10)，判斷為有故障發(fā)生，且故障位置位于adjIED與conIED之間。

2.3 IED的動(dòng)作策略

故障判別原則是本文內(nèi)容的核心，為了更好地加以闡釋，下面將以圖3系統(tǒng)為例，分析在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，各個(gè)IED的動(dòng)作情況，以及主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，后備保護(hù)的實(shí)現(xiàn)過程。

2.3.1 線路故障

如圖3所示，當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)中各個(gè)IED的負(fù)序功率方向如表2所示，“+”代表負(fù)序功率方向?yàn)檎?，?”代表負(fù)序功率方向?yàn)樨?fù)。

表2 IED負(fù)序功率方向Table 2 IED negative sequence power direction

由表2可知，IED5與IED6具有相同的ID且負(fù)序功率方向相同，滿足式(8)的判別條件，判斷為線路故障，故障位置位于IED5和IED6之間。則IED5，IED6動(dòng)作，并向其所對(duì)應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)；而其他IED不滿足故障判別條件，均不動(dòng)作。

如果IED5拒動(dòng)，根據(jù)后備保護(hù)故障判別原則中IED拒動(dòng)的情況，IED5將會(huì)把拒動(dòng)信息發(fā)送給關(guān)聯(lián)域內(nèi)的其他IED，即IED2、IED3和IED6。IED2和IED3將向相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IED5拒動(dòng)時(shí)的后備保護(hù)功能。

如果IED5故障，結(jié)合表2中各個(gè)IED負(fù)序功率方向及式(10)的判別條件，可以判斷故障位置位于IED2和IED6之間，則IED2、IED3和IED6將向相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IED5故障時(shí)的后備保護(hù)功能。

2.3.2 母線故障

當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)中各個(gè)IED的負(fù)序功率方向如表3所示。

表3 IED負(fù)序功率方向Table 3 IED negative sequence power direction

由表3可知，IED2、IED3和IED5的負(fù)序功率方向相同，且三者的ID互不相同，滿足式(9)的判別條件，判斷為母線故障，故障的位置位于IED2、IED3、IED5相連接的公共母線上。則IED2，IED3，IED5動(dòng)作，向其所對(duì)應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)；其他IED不滿足故障判別條件，故均不動(dòng)作。如果上述某一IED拒動(dòng)或故障，其后備保護(hù)的動(dòng)作情況與線路故障時(shí)后備保護(hù)的原理相同，這里就不再贅述。

3 仿真驗(yàn)證

圖4所示為利用PSCAD搭建的500 kV仿真示意圖。

圖4 仿真示意圖Fig.4 Diagram of simulation

算例1：線路K1點(diǎn)發(fā)生A相接地故障

圖5所示為IED5、IED6負(fù)序功率及其動(dòng)作情況。由圖5可知，IED5和IED6在故障發(fā)生后，其負(fù)序功率方向相同，且兩者具有相同的ID，滿足式(8)的判別條件，因此IED5、IED6動(dòng)作于發(fā)出跳閘信號(hào)。

圖5 IED5,IED6負(fù)序功率及動(dòng)作情況Fig.5 IED5,IED6 negative sequence power and trip

算例2：母線K2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障

圖6所示為IED2、IED3、IED5負(fù)序功率及動(dòng)作情況。由圖6可知，IED2、IED3、IED5在故障發(fā)生后，其負(fù)序功率方向全部相同，且三者間的ID互不相同，滿足式(9)的判別條件，因此IED2、IED3、IED5動(dòng)作于發(fā)出跳閘信號(hào)。

表4總結(jié)了各種不對(duì)稱母線及線路故障時(shí)各個(gè)IED的動(dòng)作情況，“1”代表動(dòng)作，“0”代表不動(dòng)作。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)母線或線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，IED均能正確發(fā)出跳閘信號(hào)。

圖6 IED2、IED3、IED5負(fù)序功率及動(dòng)作情況Fig.6 IED2,IED3,IED5 negative sequence power and trip

表4 不同故障類型下各個(gè)IED動(dòng)作情況Table 4 IED action situation under different fault types

4 結(jié)論

提出一種基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。該算法根據(jù)IED關(guān)聯(lián)域的劃分和故障的判別原則，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，能快速地確定故障的位置，并結(jié)合IED預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作策略，有效地切除故障。由于關(guān)聯(lián)域劃分的特點(diǎn)，IED信息的采集和交換只在自身的關(guān)聯(lián)域內(nèi)進(jìn)行，減少了對(duì)通信系統(tǒng)的壓力；且當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)某條線路退出運(yùn)行或系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)對(duì)其他IED的可靠動(dòng)作造成影響。

通過大量仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法不僅能夠做線路或母線的主保護(hù)，同時(shí)又兼顧后備保護(hù)的功能。在母線及線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，能夠很好地判斷出故障的位置并切除故障；且其后備保護(hù)時(shí)的工作原理簡(jiǎn)單，躲過了傳統(tǒng)后備保護(hù)復(fù)雜的整定問題。

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