廣域后備保護(hù)故障識別方案

王 艷，金 晶，焦彥軍

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引言

繼電保護(hù)系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線[1-3]。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行方式多變給傳統(tǒng)后備保護(hù)的整定和配合帶來了很多不便，導(dǎo)致后備保護(hù)動作時(shí)限不斷延長，不利于故障的快速切除。隨著廣域測量系統(tǒng)（WAMS）、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于廣域信息的后備保護(hù)研究得到了廣泛的關(guān)注[4-9]，大量學(xué)者提出了多種廣域信息下的后備保護(hù)理論[10-14]?；趶V域測量信息的廣域后備保護(hù)有利于解決復(fù)雜電網(wǎng)中現(xiàn)有后備保護(hù)配合關(guān)系難以整定、動作時(shí)間長的難題，與基于本地量的傳統(tǒng)主保護(hù)協(xié)同工作、相得益彰，從系統(tǒng)全局的高度實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

本文基于廣域信息提出了一種集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的后備保護(hù)算法。該算法在系統(tǒng)故障情況下能夠靈敏啟動，快速劃分故障區(qū)域，準(zhǔn)確識別出線路及母線的簡單、復(fù)合故障，算法原理簡單可靠，制定的策略在斷路器拒動、信息丟失的情況下具有很好的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。

1 集中式廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在通信滿足要求的前提下，能做到全局最優(yōu)控制，體現(xiàn)廣域保護(hù)的優(yōu)勢。

以廣域信息的采集、傳送、分析和使用為主線，系統(tǒng)主要分為廣域保護(hù)中心、廣域通信網(wǎng)、廣域保護(hù)子站3個(gè)部分，如圖1所示。主站系統(tǒng)位于區(qū)域調(diào)度中心，負(fù)責(zé)與各個(gè)子站通信，獲取測量點(diǎn)的廣域數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測和分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，制定廣域保護(hù)與控制決策，并將決策命令下發(fā)到子站執(zhí)行，同時(shí)與SCADA系統(tǒng)及其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。子站系統(tǒng)設(shè)置于各變電站及發(fā)電廠中，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行。

圖1 集中式廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of centralized wide-area protection system

主站與子站以同步數(shù)字體系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）光纖雙環(huán)網(wǎng)為媒介進(jìn)行通信，采用IP Over SDH的組網(wǎng)技術(shù)，主站采用1000 M以太網(wǎng)，子站采用100 M以太網(wǎng)。子站相量測量單元（PMU）裝置采集的數(shù)據(jù)經(jīng)集中處理后經(jīng)交換機(jī)、路由器、SDH設(shè)備接入SDH傳輸網(wǎng)（電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)）。主站的決策命令通過SDH傳輸網(wǎng)下達(dá)到子站，經(jīng)過通信控制機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)將命令下達(dá)到位于間隔層的測控單元，完成相應(yīng)的跳閘或閉鎖命令。為了保證信息的實(shí)時(shí)性，子站內(nèi)部、子站與主站之間均可采用IEC61850通信規(guī)約。

2 廣域保護(hù)故障識別方案

2.1 保護(hù)啟動

2.1.1 三序電壓式啟動元件

WAMS將采集的數(shù)據(jù)上傳至保護(hù)中心，存入數(shù)據(jù)庫。保護(hù)中心讀取全網(wǎng)母線電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷搜索，當(dāng)有母線任一序電壓滿足啟動判據(jù)時(shí)，啟動故障定位算法，并將此母線歸入啟動母線集中。啟動判據(jù)為：

其中，Ui（1）、Ui（2）、Ui（0）分別為母線 i的正、負(fù)、零序電壓幅值；UN為母線的額定相電壓；ki（1）、ki（2）、ki（0）分別為母線 i的正、負(fù)、零序電壓比例系數(shù)；kset（1）、kset（2）、kset（0）分別為母線i的正、負(fù)、零序電壓啟動門檻值，啟動門檻值可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和大小進(jìn)行整定。

2.1.2 負(fù)序電流式啟動元件

在電網(wǎng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路故障時(shí)，三序電壓啟動判據(jù)可能均不滿足要求。相間短路故障時(shí)，零序電流接近為0，而負(fù)序分量存在于不對稱故障的全過程，且不受對地分布電容電流和雙回線零序互感的影響，故障特征明顯，靈敏度高。因此，增加一個(gè)負(fù)序電流輔助啟動判據(jù)：

其中，Ix（2）為線路x一側(cè)的負(fù)序電流幅值；IN為線路x的額定相電流；fx（2）為線路x的負(fù)序電流比例系數(shù)；fset（2）為線路x的負(fù)序電流啟動門檻值。根據(jù)文獻(xiàn)［15］可知，當(dāng)線路MN末端N側(cè)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時(shí)，流過M側(cè)負(fù)序電流最小，根據(jù)線路耐過渡電阻能力、網(wǎng)路結(jié)構(gòu)及參數(shù)，可求得該負(fù)序電流。綜合各線路負(fù)序電流值，將最小負(fù)序電流乘以靈敏度系數(shù)0.8后即為負(fù)序電流啟動門檻值的整定值。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大小進(jìn)行整定。

2.2 故障區(qū)域的劃分

當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，故障母線電壓變化最大，其次是相鄰母線電壓。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障線路兩側(cè)母線以及相鄰母線電壓變化較大。考慮復(fù)故障情況，將啟動母線集中的母線按照序電壓比例系數(shù)進(jìn)行排序（正序按比例系數(shù)從小到大的順序排序，負(fù)序和零序按比例系數(shù)從大到小的順序排序），將排序結(jié)果的前6條母線劃入故障區(qū)域。由于發(fā)生不同故障時(shí)，各序電壓對各種故障的靈敏度不同，排序結(jié)果也不同，因此將各序電壓系數(shù)排序分別得到的前6條母線構(gòu)成一個(gè)并集，將這個(gè)并集里的母線以及相連的線路構(gòu)成故障區(qū)域。

當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻短路故障時(shí)，由于過渡電阻的存在，滿足負(fù)序電流啟動判據(jù)的線路不會太多，啟動線路集不會太大，可將啟動線路集中的所有線路及其連接的母線共同構(gòu)成故障區(qū)域。

故障區(qū)域的劃分方法能夠準(zhǔn)確涵蓋故障元件，避免對全網(wǎng)所有元件進(jìn)行故障判別，加快故障定位速度。

2.3 故障判別算法

負(fù)序分量存在于不對稱故障的全過程，且不易受系統(tǒng)振蕩、雙回線零序互感、線路分布電容電流的影響，故障特征明顯。正序分量在故障過程中始終存在，且正序分量在故障前后有過渡時(shí)間短、暫態(tài)響應(yīng)速度快、故障過程輸出近似恒定的優(yōu)良特性。故本文將基于正、負(fù)序分量的廣域縱聯(lián)方向保護(hù)算法［16］及廣域電流差動保護(hù)算法［17］相結(jié)合，根據(jù)各判據(jù)的特點(diǎn)，從實(shí)用化角度考慮，提出了一種利用廣域信息的綜合故障定位法。

2.3.1 母線短路故障判別

當(dāng)母線i發(fā)生故障時(shí)，與其相連的所有線路的負(fù)序方向元件全部為反向，故判定該母線故障。

根據(jù)比較相位式方向元件動作判據(jù)，負(fù)序方向元件的輸出值定義為：

其中，U2為母線i的負(fù)序電壓相量；I2為線路x位于母線i側(cè)的負(fù)序電流相量；Dx（2）為線路x位于母線i側(cè)的負(fù)序方向元件的輸出值。

綜合方向元件輸出值，定義母線動作系數(shù)為：

其中，m 為母線 i連接的線路數(shù)；Fi（2）為母線 i的負(fù)序動作系數(shù)。 當(dāng) Fi（2）=1時(shí)，判定母線 i發(fā)生了短路故障。

當(dāng)母線發(fā)生三相對稱故障時(shí)，故障點(diǎn)不存在負(fù)序分量，此時(shí)可利用正序電流差動原理來識別故障母線。當(dāng)母線未發(fā)生故障時(shí)，流向母線的正序電流滿足基爾霍夫電流定律，正序電流相量之和接近0；當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，母線連接的所有線路的正序電流均流向母線，正序電流相量之和大于相連的任意一條線路電流，由此可判定為母線發(fā)生故障，因此母線正序電流差動判據(jù)為：

其中，Ix（1）為線路x位于母線 i側(cè)的正序電流相量；考慮測量誤差及一定裕度，可靠系數(shù)K′取0.9。

綜上所述，當(dāng)滿足判據(jù) Fi（2）=1 或判據(jù)式（5）時(shí)，判定該母線發(fā)生了短路故障。

2.3.2 線路短路故障判別

判別線路故障時(shí)，采用正、負(fù)序縱聯(lián)電流相位差動保護(hù)原理，可靠區(qū)分線路內(nèi)、外部故障。規(guī)定電流正方向由母線指向線路，線路兩側(cè)電流互感器均采用正極性接法，其一次回路的極性端均置于靠近母線的一側(cè)。

序電流相位差動保護(hù)原理的判據(jù)為：

其中，θi（1）、θk（1）分別為線路兩側(cè)的正序電流相角；θi（2）、θk（2）分別為線路兩側(cè)的負(fù)序電流相角；θset（1）、θset（2）分別為正、負(fù)序動作角。根據(jù)相差縱聯(lián)保護(hù)閉鎖角整定原則，考慮電流互感器相角誤差為7°、保護(hù)裝置相角誤差為15°及裕度角15°因素影響，閉鎖角最小為37°，θset（1）、θset（2）的整定值最大可取 143°。 動作角的整定應(yīng)考慮線路靈敏角等因素的影響，可根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行整定。

當(dāng)某線路滿足判據(jù)式（6）或式（7）時(shí)，判定該線路發(fā)生了短路故障。

圖2 一點(diǎn)信息丟失情況下故障識別策略Fig.2 Fault identification strategy for information loss of one line

2.4 信息丟失情況下故障識別策略

系統(tǒng)投入運(yùn)行前期應(yīng)先進(jìn)行采集系統(tǒng)及通信設(shè)備的檢測，保證所有設(shè)備都處于正確工作狀態(tài)。若系統(tǒng)投入運(yùn)行期間由于子站信息采集系統(tǒng)異?；蛘邤?shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生信息丟失，則按照以下特定措施進(jìn)行處理。

（1）一點(diǎn)信息丟失，即某子站監(jiān)測的一條線路電流信息丟失。

a.若信息丟失子站啟動元件未動作，該子站未被劃入故障區(qū)域，則該點(diǎn)信息丟失不影響故障的判別，不進(jìn)行處理。

b.若該子站被劃入故障區(qū)域，則將信息丟失線路及該站母線確定為疑似故障線路和疑似故障母線。先對故障區(qū)域的其他線路和母線進(jìn)行故障判別，若故障區(qū)域內(nèi)的其他線路和母線未檢測出故障，則先切除疑似故障線路，切除后再次收集電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)啟動判別，若保護(hù)仍啟動，則切除疑似故障母線。

故障識別流程圖如圖2所示。

（2）一個(gè)站信息丟失，即一個(gè)站的母線電壓、線路電流信息均丟失。

a.若與該站相鄰的母線均不在故障區(qū)域內(nèi)，則該站未被劃入故障區(qū)域，該站信息丟失不影響故障的判別，不進(jìn)行處理。

b.若該站母線被劃入故障區(qū)域，則將該站母線及其相連的所有線路確定為疑似故障母線和疑似故障線路。先對故障區(qū)域內(nèi)其他母線和線路進(jìn)行故障判別，若未檢測出故障，則確定故障發(fā)生在疑似故障區(qū)，轉(zhuǎn)步驟c。

c.利用疑似故障線路對側(cè)站距離保護(hù)I段信息，依次判斷各線路是否發(fā)生故障，若各線路距離保護(hù)I段均未動作，則采用輪切策略：利用疑似故障線路對側(cè)站電流信息，切除電流量最大線路（跳本線路兩端斷路器）；根據(jù)再次收集的電網(wǎng)信息，判斷故障是否消失，若故障仍存在，切除剩余線路中的電流量最大線路（跳本線路兩端斷路器，同時(shí)合上條線路兩端斷路器），依次進(jìn)行，直至故障消失。故障線路電流較大，則故障可一次或經(jīng)較少次動作后切除。若輪切結(jié)束后故障仍存在，則判為母線故障，切除與該母線相連的所有線路。由于母線故障概率遠(yuǎn)低于線路故障概率，在整個(gè)站信息全部丟失的極端惡劣情況下，為防止停電范圍擴(kuò)大，該策略是可行的。

故障識別流程圖如圖3所示。

2.5 廣域后備保護(hù)策略

廣域保護(hù)中心的故障識別方案流程如圖4所示。對WAMS采集并上傳存入保護(hù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行啟動判別，以搜索電網(wǎng)是否發(fā)生故障；若啟動元件動作，則劃分故障區(qū)域；如發(fā)生信息丟失，則按信息丟失流程處理；若無信息丟失，則對故障區(qū)域內(nèi)的各母線和線路進(jìn)行故障判別，定位故障元件，且向子站發(fā)送跳閘命令切除故障元件；子站收到跳閘命令后，跳開相應(yīng)的斷路器，并將斷路器動作后的狀態(tài)信息上傳至保護(hù)中心；若發(fā)生母線故障且斷路器拒動情況，則向該拒動斷路器所在線路的對側(cè)斷路器發(fā)送跳閘命令；若發(fā)生線路故障且斷路器拒動，則向拒動斷路器所在側(cè)母線相連的所有斷路器發(fā)送跳閘命令，以確保故障元件的隔離。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真算例

在自主研發(fā)的河北南網(wǎng)廣域保護(hù)智能應(yīng)用系統(tǒng)平臺，利用河北南網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)及運(yùn)行斷面對提出的廣域保護(hù)故障識別方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。測試計(jì)算機(jī)配置：CPU 為 Core2（2.53 G）；內(nèi)存為 2 G；硬盤容量為320 G。

圖3 一個(gè)站信息丟失情況下故障識別策略Fig.3 Fault identification strategy for information loss of one station

圖4 廣域后備保護(hù)策略Fig.4 Wide-area backup protection strategy

圖5為河北南網(wǎng)系統(tǒng)局部接線圖。

根據(jù)河北南網(wǎng)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況，各參數(shù)的整定情況為：kset（1）=0.7，kset（2）=0.12，kset（0）=0.05；fset（2）=0.04；θset（1）=100°，θset（2）=100°。

圖5 河北南網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.5 Hebei Southern Electric Power Network

3.2 仿真分析

在景雙縣距離景縣站80%線路長度處設(shè)置ABC三相短路故障。從仿真結(jié)果報(bào)告中提取出所得仿真結(jié)果信息如表1所示。從表中可以看出，識別結(jié)果與故障設(shè)置一致，說明了故障識別算法的正確性。

表1 仿真結(jié)果Table 1 Simulative reseults

跳閘情況如圖6所示，跳閘斷路器為景縣站231開關(guān)和雙樓站242開關(guān)，故障被切除。

此次廣域后備保護(hù)算法及跳閘策略的出口程序總耗時(shí)5.721 ms，算法時(shí)間很短，能滿足后備保護(hù)的要求。

本文對經(jīng)過渡電阻、斷路器拒動、信息丟失情況下，線路、母線發(fā)生的各種故障進(jìn)行了仿真測試，測試情況如表2所示。由表2可見，各次故障均能正確識別并隔離。其中，220 kV電壓等級的耐過渡電阻能力可達(dá)300 Ω，500 kV電壓等級的耐過渡電阻可達(dá)500 Ω，滿足故障識別的要求。

復(fù)合故障仿真測試情況如表3所示。從表3中可知，雙回線復(fù)合故障、不同電壓等級的線路或母線復(fù)合故障、經(jīng)過渡電阻復(fù)合故障均可檢測出來。

各次仿真結(jié)果報(bào)告與仿真設(shè)置一致，且斷路器正確動作跳開故障元件，說明提出的廣域后備保護(hù)策略能夠準(zhǔn)確、有效地識別出故障并快速隔離。

圖6 景雙線故障時(shí)跳閘情況Fig.6 Trips for Jing-Shuang line fault

表2 簡單故障仿真Table 2 Simulation of simple fault

表3 復(fù)合故障仿真Table 3 Simulation of complex fault

4 結(jié)論

本文基于廣域信息提出了一種集中式結(jié)構(gòu)的廣域后備保護(hù)故障識別方案，在河北南網(wǎng)廣域保護(hù)智能應(yīng)用系統(tǒng)平臺上開發(fā)了廣域后備保護(hù)與控制系統(tǒng)軟件，基于河北南網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)和運(yùn)行斷面對該方案的合理性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。對經(jīng)過渡電阻、斷路器拒動、信息丟失情況下，線路、母線發(fā)生的各種故障分別進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明該方案能快速、正確識別各種故障。河北南網(wǎng)共43個(gè)子站已配有PMU裝置，通過在調(diào)度中心實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主站端設(shè)置廠站端傳送數(shù)據(jù)包來模擬WAMS的PMU數(shù)據(jù)到主站端的通信時(shí)延，包括傳感器（電流/電壓互感器）、同步采樣、相量計(jì)算和數(shù)據(jù)封裝、子站通信模塊、通信鏈路、主站通信前置機(jī)等每一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時(shí)延，對43個(gè)站點(diǎn)分別測試5次，其往返最大時(shí)延為19.1 ms。可以看到河北南網(wǎng)單程通信總延時(shí)小于20 ms，故從數(shù)據(jù)的上傳、保護(hù)中心策略的制定，到命令下達(dá)至子站總耗時(shí)不超過50 ms，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)后備保護(hù)的動作延時(shí)。

本文提出的廣域后備保護(hù)故障識別方案算法簡單、策略可靠，能避免傳統(tǒng)后備保護(hù)整定、配合困難等問題，在信息缺失情況下仍能正確工作，可極大提高后備保護(hù)的性能。