基于區(qū)域電網(wǎng)信息的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)

戴光武，謝 華，徐曉春，李園園，陳宏君，劉革明，趙青春，朱曉彤

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基于區(qū)域電網(wǎng)信息的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)

戴光武，謝 華，徐曉春，李園園，陳宏君，劉革明，趙青春，朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

提出了一種基于區(qū)域電網(wǎng)信息的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)，以解決變電站保護(hù)系統(tǒng)二次直流電源消失后站內(nèi)或其出線發(fā)生系統(tǒng)故障時無法快速切除故障的問題。以變電站為對象，提出了區(qū)域保護(hù)主站-子站保護(hù)系統(tǒng)的概念及其構(gòu)建方式，并據(jù)此描述了變電站二次直流電源消失的判別方法以及直流失電保護(hù)的整體方案。RTDS試驗結(jié)果表明，所提出的變電站二次直流失電判別方法以及保護(hù)方案，可以準(zhǔn)確地識別變電站二次直流失電狀態(tài)并快速隔離其失電區(qū)域內(nèi)的故障。

二次直流電源消失；故障隔離；區(qū)域電網(wǎng)信息；主站-子站保護(hù)系統(tǒng)；直流失電保護(hù)

0 引言

電力系統(tǒng)變電站保護(hù)系統(tǒng)二次直流電源消失(指保護(hù)裝置電源和操作電源均消失)是變電站運(yùn)行中的一種嚴(yán)重事故，當(dāng)二次直流電源消失后，該變電站的所有保護(hù)裝置均無法正常工作，因此站內(nèi)的主變、母線以及輸電線路等設(shè)備均將失去保護(hù)，一旦發(fā)生故障，本站將無任何保護(hù)可以動作，必須要等其他相鄰變電站的遠(yuǎn)后備保護(hù)延時動作來隔離故障。由于遠(yuǎn)后備保護(hù)需要考慮段間配合關(guān)系，特別是采用輻射狀或多級線路級聯(lián)方式供電的電網(wǎng)，不可避免地存在階段式保護(hù)的整定配合問題[1-3]，因此其動作速度比較慢，在嚴(yán)重情況下，其動作速度可能無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，對系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。若能在線識別出變電站二次直流電源消失的狀態(tài)，可采取相應(yīng)的保護(hù)和控制策略來加快相鄰變電站保護(hù)的動作速度，快速將故障隔離，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前為止，國內(nèi)外尚沒有在線識別變電站二次直流電源消失的方法見諸報道。

隨著通信以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進(jìn)，新一代智能化變電站得到了大量發(fā)展和應(yīng)用，各種信息能夠安全、實時地互聯(lián)互通[4-7]，且交互的空間也從變電站層面擴(kuò)展到區(qū)域電網(wǎng)層面[8-12]，這些技術(shù)給變電站直流失電保護(hù)系統(tǒng)的研究帶來了新的契機(jī)。

1 ?變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)

1.1 區(qū)域電網(wǎng)的主站-子站保護(hù)系統(tǒng)

基于區(qū)域電網(wǎng)信息的變電站二次直流失電保護(hù)需要在區(qū)域電網(wǎng)中以變電站為對象構(gòu)建一主多子的主站－子站保護(hù)系統(tǒng)，具體實施方法為：選擇區(qū)域電網(wǎng)中的一個變電站為主站，設(shè)置一臺面向多個變電站的主站裝置，利用各站的綜合信息，實現(xiàn)變電站二次直流失電的判別；在區(qū)域電網(wǎng)的所有變電站內(nèi)各設(shè)置一套子站裝置，子站為面向變電站的集中式保護(hù)，其保護(hù)功能包含全線速動的線路縱聯(lián)保護(hù)、主變差動保護(hù)及母線差動保護(hù)，實現(xiàn)保護(hù)的冗余和優(yōu)化，完成并提升變電站層面的保護(hù)功能。針對智能化變電站，可以將主站、子站裝置直接接入過程層網(wǎng)絡(luò)，直接得到各變電站各個主變、各條線路的電壓、電流及開關(guān)量等信息，并輸出跳閘及相關(guān)信號；針對常規(guī)變電站，可以使用合智一體采集裝置將模擬量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過IEC?61850-9-2和GOOSE方式傳輸給子站裝置，并接受子站裝置發(fā)出的GOOSE命令進(jìn)行控制。

主站裝置和各子站裝置間按照星形方式構(gòu)建通信網(wǎng)，有輸電線路連接的子站間按照點對點方式構(gòu)建通信連接，通信協(xié)議可以采用自定義的通信協(xié)議，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE通信協(xié)議。

以圖1所示系統(tǒng)接線為例，將主站設(shè)置在A站，其他各站均設(shè)置一個子站，主站和子站之間的通信聯(lián)系圖如圖2所示。

圖1 變電站系統(tǒng)接線示意圖

圖2 主站及子站之間的聯(lián)系圖

1.2 變電站二次直流電源消失判別

實際工程應(yīng)用中，一般變電站內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)電源和通信電源是相互獨(dú)立的，與傳統(tǒng)保護(hù)供電方式不同的是，變電站新增的保護(hù)主站、子站裝置及其采集裝置的電源均由通信小室的通信電源供電。因此，即使變電站保護(hù)系統(tǒng)二次直流電源消失(以下均簡稱為變電站二次直流失電)，主站及子站裝置仍可正常運(yùn)行。同時，隨著光纖通道技術(shù)的飛速發(fā)展以及繼電保護(hù)要求的不斷提高，一般高壓線路保護(hù)均會配置光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置(縱聯(lián)差動或者縱聯(lián)距離)?；诖嗽O(shè)計原則，可以進(jìn)行各變電站直流失電的判別，具體判別方法為：當(dāng)變電站二次直流失電時，預(yù)設(shè)的二次直流失電接點動作，將此接點直接接到該變電站的子站裝置并上送給主站裝置；所有與失電變電站有輸電線路相連的相鄰變電站，其既有的線路光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置均將因?qū)?cè)直流電源的丟失而出現(xiàn)光纖通道中斷，輸出通道異常接點，將這些通道異常接點分別接到各自的子站裝置并上送給主站裝置。主站裝置收到某變電站的二次直流失電接點，且收到所有相鄰變電站與之相連輸電線路的既有光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置的通道異常信號，采用與邏輯，經(jīng)延時確認(rèn)后判別為該變電站二次直流電源丟失。

以圖1所示的C站二次直流失電為例進(jìn)行說明：當(dāng)變電站C全站二次直流失電時，將直流失電接點接至C站子站裝置并上送給主站裝置；同時，與之相鄰的A站、B站、D站對應(yīng)的CB1、CB3、CB5既有線路光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置將因光纖通道中斷而輸出通道異常接點，分別接入A站、B站、D站子站保護(hù)裝置并上送給主站裝置。當(dāng)主站裝置收到C站發(fā)來的直流失電信號，同時收到A站、B站、D站發(fā)來的光纖縱聯(lián)保護(hù)通道異常信號，經(jīng)延時確認(rèn)后判別C站二次直流失電，具體判別邏輯如圖3。

圖3 變電站直流失電的判別邏輯圖

主站裝置進(jìn)行各變電站二次直流失電的判別，采用直流失電接點動作結(jié)合全站通信異常的雙重化把關(guān)判據(jù)，可以提高判別結(jié)果的可靠性。若原系統(tǒng)中不具備全站通信異常的判別，亦可直接采用直流失電接點動作的方式進(jìn)行判別。主站判別出某變電站二次直流失電狀態(tài)后，下發(fā)給對應(yīng)變電站的子站裝置，從而進(jìn)行后續(xù)保護(hù)和控制策略的處理。

1.3 變電站直流二次失電保護(hù)方案

當(dāng)變電站二次直流失電時，由于二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的子站裝置及其合智一體采集裝置由通信電源供電，故模擬量、開關(guān)量的采集和保護(hù)功能的判斷邏輯不受影響，可正常運(yùn)行。因此當(dāng)子站裝置收到主站裝置下發(fā)的全站直流失電信號后，若變電站內(nèi)主變、母線或者其出線發(fā)生系統(tǒng)故障，子站裝置對應(yīng)的主變差動元件、母線差動元件、線路縱聯(lián)保護(hù)元件能夠正確識別出故障，則發(fā)遠(yuǎn)跳命令給所有相鄰變電站子站裝置，其具體邏輯如圖4。

圖4 失電子站發(fā)失電遠(yuǎn)跳邏輯圖

從圖4可以看出，當(dāng)發(fā)生失電變電站區(qū)外的故障(如相鄰變電站的母線、相鄰變電站與失電變電站的連接線除外的其他出線等)，失電子站不會發(fā)送失電遠(yuǎn)跳命令給任何相鄰變電站，因此不存在誤動的風(fēng)險。

與二次直流失電變電站相鄰的變電站收到失電子站發(fā)來的失電遠(yuǎn)跳信號后，從可靠性原則考慮，需要結(jié)合本側(cè)電流量啟動元件以及距離III段阻抗元件進(jìn)行相關(guān)故障的判別，滿足條件后直流失電保護(hù)動作，跳開與失電子站相聯(lián)系的開關(guān)，以快速隔離故障。圖5為直流失電保護(hù)邏輯圖。

注：距離III段阻抗按照包含下一級線路全長，或包含對側(cè)變電站主變低壓側(cè)原則整定。

仍然以圖1所示的C站二次直流失電為例，此時C站所有開關(guān)都無法跳開，對直流失電保護(hù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

(1)?若此時在AC線上發(fā)生f1故障，子站C的線路縱聯(lián)保護(hù)功能正常工作，與對側(cè)A子站的通信交互也正常工作，故可正確判出區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，一方面發(fā)縱聯(lián)允許信號讓A子站CB1快速跳閘；另一方面輸出跳閘信號給本子站，本子站結(jié)合已判斷出的直流失電信號，將遠(yuǎn)跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A子站由于CB1已由線路縱聯(lián)保護(hù)跳開，不再跳閘，B、D子站結(jié)合各自就地故障判據(jù)，滿足后分別將CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

(2)?若此時子站C發(fā)生主變#1或者主變#2故障，子站C的主變差動保護(hù)功能正常工作，判出故障，輸出跳閘信號給本子站，本子站結(jié)合已判斷出的直流失電信號，將遠(yuǎn)跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A、B、D子站結(jié)合各自就地故障判據(jù)，滿足后分別將CB1、CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

(3)?若此時子站C發(fā)生母線故障，子站C的母差保護(hù)功能正常工作，判出故障，輸出跳閘信號給本子站，本子站結(jié)合已判斷出的直流失電信號，將遠(yuǎn)跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A、B、D子站結(jié)合各自就地故障判據(jù)，滿足后分別將CB1、CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

1.4 二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)與既有保護(hù)的關(guān)系

基于區(qū)域電網(wǎng)的直流失電保護(hù)系統(tǒng)，雖然集線路縱聯(lián)保護(hù)、主變差動保護(hù)、母線差動保護(hù)、直流失電保護(hù)于一體，但其僅是對原系統(tǒng)既有保護(hù)的功能優(yōu)化以及性能提升、全面提高區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)的整體性能，而不能替代原系統(tǒng)的既有保護(hù)，因此兩者并行存在，除了子站直流失電保護(hù)動作后，需要輸出閉鎖重合閘信號給原系統(tǒng)既有線路保護(hù)以閉鎖重合閘外，兩者完全獨(dú)立。

2 ?RTDS仿真試驗

為了考核變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)在變電站二次直流失電且發(fā)生各種區(qū)內(nèi)故障情況下的動作行為，搭建了如圖6所示的RTDS試驗仿真系統(tǒng)。

圖6 RTDS仿真試驗?zāi)Ｐ?/p>

采用典型的雙端電源供電試驗系統(tǒng)，共設(shè)置三個變電站、兩條線路和一臺主變。其中在A站配置一臺直流失電保護(hù)主站以及一臺子站、B站和C站分別配置一臺直流失電保護(hù)子站，各子站保護(hù)功能配置相同，均包含線路縱聯(lián)保護(hù)、主變差動保護(hù)、母線差動保護(hù)以及直流失電保護(hù)。

二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)主站、各子站以及RTDS之間的聯(lián)系關(guān)系如圖7所示。

圖7 RTDS測試系統(tǒng)連接關(guān)系

試驗系統(tǒng)共設(shè)置f1～f5共五個故障點，其中線路上的故障點f1和f3的故障距離可以靈活控制。試驗時，模擬B站發(fā)生變電站直流失電，即直流失電接點以及既有的光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置通道異常接點均動作，且變電站B內(nèi)所有開關(guān)均無法跳開。子站A和子站C失電遠(yuǎn)跳就地判據(jù)的距離III段阻抗按照包含下一級線路全長及包含B站主變低壓側(cè)這兩者中的大值整定。

重點進(jìn)行了如下試驗項目：

(1)?線路1上發(fā)生各種故障時保護(hù)的動作行為考核；

(2)?線路2上發(fā)生各種故障時保護(hù)的動作行為考核；

(3)?B站母線發(fā)生故障時各保護(hù)的動作行為考核；

(4)?B站主變發(fā)生故障時各保護(hù)的動作行為考核。

(5)?C站母線發(fā)生故障時各保護(hù)的動作行為考核。

試驗結(jié)果如下：

(1)?線路1在f1發(fā)生各種故障時。子站A線路縱聯(lián)保護(hù)動作跳開開關(guān)CB1；子站B線路縱聯(lián)保護(hù)動作，但由于直流失電無法跳開開關(guān)CB2；子站C直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB4，從而實現(xiàn)了故障的快速隔離。

(2)?線路2在f3發(fā)生各種故障時。子站C線路縱聯(lián)保護(hù)動作跳開開關(guān)CB4；子站B線路縱聯(lián)保護(hù)動作，但由于直流失電無法跳開開關(guān)CB3；子站A直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB1，從而實現(xiàn)了故障的快速隔離。

(3)?B站主變f4發(fā)生各種故障時。子站B的主變差動保護(hù)動作，但由于直流失電無法跳開開關(guān)CB5、CB6；子站A直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB1；子站C直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB4，從而實現(xiàn)了故障的快速隔離。

(4)?B站母線f2發(fā)生各種故障時。子站B的母線差動保護(hù)動作，但由于直流失電無法跳開母線支路的開關(guān)CB2、CB3、CB5；子站A直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB1；子站C直流失電保護(hù)動作跳開開關(guān)CB4，從而實現(xiàn)了故障的快速隔離。

(5)?C站母線f5發(fā)生各種故障時。子站C的母線差動保護(hù)動作跳開開關(guān)CB4，從而實現(xiàn)了故障的快速隔離，子站A和子站B不動作。

RTDS試驗結(jié)果表明，基于區(qū)域電網(wǎng)信息的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域信息的快速、有效地互通。當(dāng)變電站二次直流失電且發(fā)生站內(nèi)或者出線故障時，基于區(qū)域電網(wǎng)信息的直流失電保護(hù)將快速、可靠地將故障隔離，不再單純依賴于傳統(tǒng)長延時的遠(yuǎn)后備保護(hù)，從而提升了區(qū)域電網(wǎng)整體的保護(hù)性能以及整個系統(tǒng)的供電可靠性。

3 ?結(jié)語

本文基于區(qū)域電網(wǎng)提出了主站-子站的二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的概念，在此架構(gòu)上提出了一種變電站二次直流電源消失的判別方法以及直流失電保護(hù)的具體方案。通過區(qū)域信息結(jié)合本地電氣量的方式，能夠有效判別出變電站二次直流失電的狀態(tài)，當(dāng)直流失電變電站發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，采取遠(yuǎn)跳相鄰變電站開關(guān)的直流失電保護(hù)能最大限度地提高電力系統(tǒng)故障的隔離速度。

本文提出的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的整體方案在區(qū)域電網(wǎng)中具有良好的推廣和使用價值，已在國內(nèi)某區(qū)域電網(wǎng)中投入實際運(yùn)用，運(yùn)行穩(wěn)定。

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(編輯 姜新麗)

Protection system of substation’s secondary DC power loss based on regional power grid information

DAI Guangwu, XIE Hua, XU Xiaochun, LI Yuanyuan, CHEN Hongjun, LIU Geming, ZHAO Qingchun, ZHU Xiaotong

(NR Electirc Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

When the power system substation or its transmission line occurs system fault after substation’s secondary DC power has lost, the stability of the system will be reduced because the protection device can’t isolate the fault quickly. In order to solve this problem, a protection system of substation’s secondary DC power loss based on regional power grid information is presented, which is oriented to substation. The regional master-sub-substation control system’s concept and its construct mode, the judgment of substation’s secondary DC power loss, as well as the whole program of secondary DC power loss protection, are introduced in detail. The confirmatory test based on the RTDS simulation indicates that the presented judgment of substation’s secondary DC power loss and whole program have superior performance, which can correctly judge substation’s secondary DC power loss state and quickly isolate the fault in the area.

secondary DC power loss; fault isolation; regional power grid information; master-sub-substation control system; DC power loss protection

10.7667/PSPC150891

2015-05-28；

2015-06-24

戴光武(1984-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究；E-mail: daigw@nrec.com 謝 華(1983-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究； 徐曉春(1984-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究。