分區(qū)域廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)及故障識(shí)別方法分析

李　鵬楊岳霖（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 1006；．北京電力工程公司，北京 100070）

分區(qū)域廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)及故障識(shí)別方法分析

李鵬1， 2楊岳霖2
（1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2．北京電力工程公司，北京 100070）

摘要：本文首先分析了廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)分區(qū)域廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的故障識(shí)別方法進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣邚V域繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能有所幫助。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)系統(tǒng)；故障識(shí)別；判斷

一、廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

（一）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

按照廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能的不同以及相關(guān)功能對(duì)動(dòng)作延時(shí)、范圍和可靠性要求的差別，可將廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)分為以下三種結(jié)構(gòu)。

1 集成式結(jié)構(gòu)

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體是指在一個(gè)變電站當(dāng)中只設(shè)置一臺(tái)IED（數(shù)字保護(hù)繼電器），其主要負(fù)責(zé)站內(nèi)相關(guān)信息的采集、與其它IED進(jìn)行信息交互、保護(hù)算法執(zhí)行、控制策略生成、跳閘命令執(zhí)行等功能。具體而言，就是將站內(nèi)所有的保護(hù)及控制功能全部集中至一臺(tái)IED上，由其負(fù)責(zé)變電站運(yùn)行的保護(hù)與控制。雖然這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低前期投資成本，并且還能使站內(nèi)接線得以簡(jiǎn)化，但必須確保IED的運(yùn)行穩(wěn)定可靠且具備足夠快的運(yùn)算速度。

2 集中式結(jié)構(gòu)

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在變電站的每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處安裝一臺(tái)終端，并在區(qū)域主站內(nèi)設(shè)置中央控制單元，終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以下功能：信息采集和簡(jiǎn)單處理；與中央控制單元通信，并按照指令完成跳合閘操作。該結(jié)構(gòu)形式僅在決策環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)集中，如果從信息采集的角度上看，可將其歸入分層分布式結(jié)構(gòu)的范疇。

3 IED全部設(shè)置在站內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置處，在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，所有IED的地位是平等的，每個(gè)IED所需實(shí)現(xiàn)的基本功能為：安裝點(diǎn)信息的采集；與其它IED通信；依據(jù)相關(guān)信息執(zhí)行跳合閘操作。在該結(jié)構(gòu)當(dāng)中，IED是保護(hù)與控制的核心，若是有特殊需要的話，也可設(shè)置上位PC機(jī)，它的作用是對(duì)分布在系統(tǒng)中IED進(jìn)行監(jiān)管，但卻并不參與保護(hù)控制策略的形成。

（二）結(jié)構(gòu)比較

在上述三種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，集成式的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約投資成本、簡(jiǎn)化線路布局，但由于系統(tǒng)對(duì)IED的依賴程度過高，若是IED出現(xiàn)故障問題，則會(huì)導(dǎo)致變電站處于無保護(hù)狀態(tài)，由此會(huì)造成十分嚴(yán)重的后果。故此，當(dāng)采用集成式結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)IED實(shí)行雙機(jī)或是多機(jī)備用；集中式結(jié)構(gòu)對(duì)中央控制單元具有較高的依賴性，所以必須對(duì)中央控制單元進(jìn)行雙機(jī)或是多機(jī)備用。由于該結(jié)構(gòu)中，中央控制單元是憑借通信系統(tǒng)來獲取終端設(shè)備的信息，為了保證信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，必須采取有效的措施解決信息交互過程中的延遲問題，否則可能會(huì)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的性能造成影響；分布式結(jié)構(gòu)的保護(hù)與控制功能是由分布于變電站內(nèi)的各個(gè)IED來實(shí)現(xiàn)的，由于結(jié)構(gòu)中的IED較多，即便某個(gè)出現(xiàn)故障，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來太大的影響，在這一前提下，無需對(duì)IED進(jìn)行雙機(jī)或是多機(jī)備用配置。該結(jié)構(gòu)中，只需要合理確定信息交互范圍，基本不會(huì)發(fā)生信息多次往返與IED之間的情況，所以通信延時(shí)不會(huì)很長(zhǎng)。由此可見，分布式結(jié)構(gòu)是最為適合廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式。

二、分區(qū)域廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)的故障識(shí)別方法

對(duì)分區(qū)域的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)而言，想要實(shí)現(xiàn)快速的繼電保護(hù)功能，就必須對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行快速判斷。下面本文基于故障方向信息比較的方法對(duì)廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)中的故障進(jìn)行識(shí)別。

（一）識(shí)別方法的設(shè)計(jì)思想

將可以測(cè)量故障方向的IED分別裝設(shè)在被保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)斷路器或是電流互感器的位置處；確定各個(gè)IED的保護(hù)區(qū)域，以此來確保故障發(fā)生后，IED之間能夠有目的進(jìn)行信息交換；列出各個(gè)IED最大保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)設(shè)備與IED之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表；將IED回傳的故障方向信息與表中的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行比較計(jì)算，最終確定故障區(qū)段。

（二）IED動(dòng)作系數(shù)

在對(duì)故障識(shí)別算法進(jìn)行研究前，應(yīng)當(dāng)先對(duì)IED的動(dòng)作系數(shù)AF進(jìn)行定義：AF表征了IED中故障方向元器件的判斷輸出情況，其取值如下：

上式當(dāng)中，1為方向元件i為正向故障；-1為反向故障；0為無輸出。具體而言，當(dāng)故障出現(xiàn)之后，若是系統(tǒng)中某個(gè)IED判斷為正向故障，則AF取值為1，如果判斷為反向故障，則AF取值為-1，當(dāng)認(rèn)為無故障或是未能得出故障判斷結(jié)果時(shí)AF取值為0。對(duì)AF進(jìn)行定義之后，便可對(duì)故障識(shí)別進(jìn)行計(jì)算。

（三）故障識(shí)別的計(jì)算方法

本文所提出的計(jì)算方法歸屬于面向?qū)ο蟮姆懂?，具體而言，就是以保護(hù)元件作為對(duì)象，如電力線路、母線、電氣設(shè)備等等，收集這些對(duì)象側(cè)IED的AF，通過運(yùn)算獲得判斷結(jié)果，在利用對(duì)結(jié)果大小的比較確定故障位置。故障判斷結(jié)果可用下式進(jìn)行計(jì)算：

在上式當(dāng)中，F(xiàn)outi代表與被保護(hù)對(duì)象i相對(duì)應(yīng)的故障判斷結(jié)果；N為保護(hù)對(duì)象i各側(cè)的IED實(shí)際數(shù)量。故障的判斷依據(jù)為：

在上式當(dāng)中，｜Fouti｜代表故障判斷結(jié)果的絕對(duì)值；Fthi代表故障判斷的門檻值。當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)線路故障時(shí)，故障線路各側(cè)的IED全都判斷為正向故障，依據(jù)式（1），AF值應(yīng)當(dāng)取1，再根據(jù)式（2）進(jìn)行運(yùn)算，可得Fouti應(yīng)為正值；若是系統(tǒng)中的母線發(fā)生故障，且故障母線各側(cè)IED全部判斷為反向故障時(shí)，AF值應(yīng)當(dāng)取-1，通過式（2）的計(jì)算，F(xiàn)outi應(yīng)為負(fù)值。為了達(dá)到統(tǒng)一性的目的，本文以Fouti的絕對(duì)值作為最終的故障判斷結(jié)果。由于Fthi并非唯一，所以可按實(shí)際需要提供保護(hù)的范圍大小對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，本文中的門檻值可用下式表示：

在上式當(dāng)中，F(xiàn)outiˊ代表被保護(hù)對(duì)象i出現(xiàn)了內(nèi)部故障且各側(cè)IED均為正確判斷后得出的故障判斷結(jié)果。

（四）結(jié)果與討論

由上述分析可得如下結(jié)論：

（1）當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)部故障、IED全都判斷正確時(shí)，｜Fouti｜值必然會(huì)大于Fthi，由此可判斷為被保護(hù)對(duì)象出現(xiàn)內(nèi)部故障。

（2）當(dāng)i的外部出現(xiàn)故障、IED均判斷正確，計(jì)算結(jié)果勢(shì)必對(duì)小于Fthi，由此可判斷故障發(fā)生在i的外部。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TM77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A