智能變電站站域主保護(hù)算法設(shè)計(jì)及仿真研究

吳小平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

智能變電站站域主保護(hù)算法設(shè)計(jì)及仿真研究

吳小平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)成為我國(guó)電力技術(shù)改革的重點(diǎn)。目前，變電站保護(hù)裝置仍采用傳統(tǒng)判據(jù)和原理，保護(hù)存在缺陷性，實(shí)現(xiàn)變電站智能信息化迫在眉睫。基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先研究了智能變電站體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借鑒電流差動(dòng)保護(hù)原理，提出了新型站域主保護(hù)算法，通過(guò)判斷保護(hù)區(qū)制動(dòng)狀態(tài)和差動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能變電站故障定位和診斷，并采用仿真軟件驗(yàn)證了算法的計(jì)算精度。研究表明：新型站域主保護(hù)算法可以正確判斷故障狀態(tài)，對(duì)變電站智能化改造具有一定指導(dǎo)意義。

智能變電站；主保護(hù)；故障診斷；仿真；電流差動(dòng)

為了滿足電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，傳統(tǒng)變電站一般采用主保護(hù)和后備保護(hù)相結(jié)合的方式［1-2］。主保護(hù)一般基于電流差動(dòng)原理或者縱聯(lián)原理，故障響應(yīng)速度較高，可以迅速隔離區(qū)域內(nèi)各種故障原件［3］。變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其一般也采用電流差動(dòng)原理進(jìn)行保護(hù)，由于變壓器內(nèi)部存在勵(lì)磁涌流，一般采用諧波法對(duì)其進(jìn)行消除，但是諧波具有制動(dòng)作用，會(huì)延遲響應(yīng)時(shí)間。目前，變電站主保護(hù)主要存在以下問(wèn)題［4-6］：

1）中低壓母線一般未設(shè)置母差保護(hù)，主要依靠線路后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)中低壓母線保護(hù)。中低壓母線出現(xiàn)故障時(shí)，一般會(huì)延遲跳閘，并引起安全事故。

2）比率制動(dòng)式電流差動(dòng)保護(hù)是變壓器主保護(hù)，由于變壓器的存在，空載合閘會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁涌流；

3）故障電流一般伴隨著大量諧波，此時(shí)主保護(hù)會(huì)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行閉鎖保護(hù)，當(dāng)諧波衰減到正常值后，保護(hù)才會(huì)動(dòng)作，這會(huì)造成一定延時(shí)。

在現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展下，出現(xiàn)了一些新型保護(hù)算法，但現(xiàn)有繼電保護(hù)算法一般應(yīng)用于后備保護(hù)，改進(jìn)的主保護(hù)算法還不多見［7］?；趪?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先研究了智能變電站體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出了傳統(tǒng)變電站的不足之處。電流差動(dòng)保護(hù)可以應(yīng)用于多個(gè)電氣元件，而智能變電站可同時(shí)獲得多個(gè)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)值，由此提出了新型站域主保護(hù)算法，通過(guò)判斷保護(hù)區(qū)制動(dòng)狀態(tài)和差動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能變電站故障定位和診斷。并采用仿真軟件驗(yàn)證了算法的計(jì)算精度，希望為今后的智能變電站設(shè)計(jì)提供參考。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

變電站在電網(wǎng)具有電流匯集、電壓等級(jí)變換、分配功率、調(diào)整電壓的作用［8-9］。傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置在智能變電站中繼續(xù)應(yīng)用，會(huì)影響智能斷路器、電子互感器的性能，因此有必要對(duì)站域主保護(hù)算法進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)變電站的全部智能化［10］。

智能變電站采用了先進(jìn)的通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化管理。根據(jù)IEC61850通信規(guī)約，智能變電站主要由站控層、間隔層和過(guò)程層3部分組成，如圖1所示。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中站控層主要功能是處理間隔層和過(guò)程層實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到電力調(diào)度中心，同時(shí)傳達(dá)調(diào)度中心對(duì)電網(wǎng)發(fā)出的調(diào)節(jié)指令。間隔層主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程層數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、過(guò)程層和站控層間的通訊功能。過(guò)程層主要集成了一些一次設(shè)備、二次設(shè)備、智能電子裝置，這部分是整個(gè)智能變電站的基礎(chǔ)。

智能變電站可通過(guò)電子式互感器、光電式互感器等測(cè)量設(shè)備對(duì)電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行采集，新式測(cè)量設(shè)備致使測(cè)量精度提高，并擴(kuò)大了智能變電站的動(dòng)態(tài)測(cè)量區(qū)域，為廣域保護(hù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)一般采取主保護(hù)+后備保護(hù)的雙重保護(hù)方式，如圖2［11］。對(duì)于高壓母線，雙重保護(hù)響應(yīng)速度較快，可以準(zhǔn)確隔離區(qū)域內(nèi)的故障原件；但對(duì)于中低壓母線，一般未設(shè)置母差保護(hù)，主要依靠線路后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)中低壓母線保護(hù)。中低壓母線出現(xiàn)故障時(shí)，一般會(huì)延遲跳閘，并引起安全事故。

圖2 雙重化保護(hù)示意圖

鑒于傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在不足，學(xué)者們提出了廣域保護(hù)，對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量，智能控制電網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。但如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，測(cè)量信息就會(huì)出現(xiàn)延遲，信息量太大還可能出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)或者誤動(dòng)。因此，應(yīng)將無(wú)限廣域進(jìn)行合理劃分形成一下小的保護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域保護(hù)。站域保護(hù)即為將保護(hù)區(qū)域定為變電站的廣域保護(hù)。

2 站域主保護(hù)算法設(shè)計(jì)

電流差動(dòng)可以根據(jù)元件兩端參數(shù)判斷故障位置，可靠并快速的切除故障，保護(hù)元件安全。因此，對(duì)于發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓母線、大型電機(jī)等重要設(shè)備均采用差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，這些設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接線方便，兩端電氣量易于獲得［12-13］。由于站域保護(hù)中含有變壓器，以變壓器為例對(duì)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行說(shuō)明，圖3給出了站域保護(hù)仿真系統(tǒng)圖。

圖3 站域保護(hù)仿真系統(tǒng)

圖3中變壓器類型為Y-Δ，其兩端分別為母線1和母線2，CB01-CB05為5個(gè)斷路器，其中CB03和CB04與變壓器兩端相連接。站域保護(hù)的對(duì)象為變壓器T和母線1、母線2，保護(hù)范圍劃分是智能變電站繼電保護(hù)的重點(diǎn)，其直接關(guān)系到保護(hù)可靠性。站域保護(hù)與廣域保護(hù)的區(qū)別為：保護(hù)范圍僅為變電站。站域保護(hù)將變電站劃分為CD1和CD2兩個(gè)保護(hù)區(qū)。CD1保護(hù)區(qū)在CB02和CB04之間，其主要保護(hù)對(duì)象為母線1和變壓器；CD2保護(hù)區(qū)在CB03和CB05之間，其主要保護(hù)對(duì)象為變壓器和母線2。 根據(jù)保護(hù)范圍制定主保護(hù)算法流程圖，如圖4所示。

圖4 主保護(hù)算法流程圖

圖4中，如果 CD1區(qū)域和CD2區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則故障點(diǎn)位于T變壓器；若只有CD1區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則為母線1發(fā)生故障；若只有CD2區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則為母線2發(fā)生故障。由于CD1區(qū)域和CD2區(qū)域都包含變壓器，因此均需要考慮勵(lì)磁涌流對(duì)保護(hù)的影響。傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)采用諧波制動(dòng)法防止繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)。

比率式差動(dòng)保護(hù)電流計(jì)算式為［14］：

其中，I.2A為CB02處A相電流，A；I.2C為CB02處C相電流，A；I.4a為CB04處A相二次電流，A；a為變壓器變比。

制動(dòng)電流計(jì)算式為［14］：

差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件為：

其中，Ioffset為偏置電流，A。

比率式差動(dòng)保護(hù)算法使變電站保護(hù)模塊和功能模塊有機(jī)結(jié)合，簡(jiǎn)化了分散到變壓器、母線1和母線2的重復(fù)設(shè)置保護(hù)模塊。該方法可以利用采集數(shù)據(jù)對(duì)故障位置進(jìn)行判斷，并發(fā)出隔離信號(hào)，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。但由于保護(hù)區(qū)中均含有變壓器T，變壓器中的勵(lì)磁涌流容易引發(fā)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，電流中的諧波分量較多，差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)將保護(hù)閉鎖，因此隔離存在一定延時(shí)［15］。因此，需要對(duì)保護(hù)算法進(jìn)行改進(jìn)，減緩延時(shí)。

以 CD1區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)變壓器T的鐵芯飽和前后的差動(dòng)電流進(jìn)行修正。鐵芯飽和之前磁化電流完全忽略不計(jì)，CD1區(qū)域差動(dòng)電流為：

其中，i2A為CB02處A相電流，A；ai4ab為二次側(cè)相電流，A。鐵芯飽和之后磁化電流很大，已不能忽略，此時(shí)CD1區(qū)域差動(dòng)電流為：

其中，imA為磁化電流，A。

由于imA和i4ab不能直接通過(guò)測(cè)量得到，因此必須對(duì)變壓器磁化電流和相電流進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)t=t0時(shí)，式（4）中的差動(dòng)電流大于整定電流，此時(shí)鐵芯已經(jīng)開始飽和，此時(shí)的差動(dòng)電流即為磁化電流，將差動(dòng)電流代入磁化曲線，即可得到初始磁通量φA0。鐵芯飽和后，任意時(shí)刻的磁通可以通過(guò)積分獲得：

根據(jù)式（6）計(jì)算得到φA并入磁化曲線，即可求出磁化電流。

3 站域主保護(hù)仿真分析

為了驗(yàn)證上述算法的可行性，以圖3站域保護(hù)系統(tǒng)為例，建立仿真模型。圖3中，電源取恒壓模型，變壓器T的額定容量設(shè)置為55 MVA，額定電壓為154 kV/22 kV。以A相為例，采用改進(jìn)的主保護(hù)算法進(jìn)行仿真并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比。以CD1保護(hù)區(qū)域?yàn)槔?，設(shè)置了壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障工況進(jìn)行仿真。

當(dāng)變壓器空載投入運(yùn)行時(shí)，合閘角度為零，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和。假設(shè)變壓器在62.5ms處出現(xiàn)單相接地，CD1區(qū)域傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況如圖5（a）所示，本文改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況如圖5（b）所示。圖5中，縱坐標(biāo)idA為傳統(tǒng)保護(hù)的差動(dòng)電流；i為差動(dòng)保護(hù)諧波成分；87 R為傳統(tǒng)保護(hù)發(fā)出的信號(hào)；87 BL為諧波制動(dòng)信號(hào)；Trip為保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；iCD1為改進(jìn)差動(dòng)保護(hù)一次側(cè)電流；iba1為改進(jìn)差動(dòng)保護(hù)二次側(cè)電流；im1為磁化電流；id1為修正的差動(dòng)電流。圖5（b）中實(shí)線為傳統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，虛線為改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

由圖5可以看出，變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障后，由于諧波的存在，致使傳統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)滯后，改進(jìn)算法的電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)算法快28ms。根據(jù)CD1區(qū)域和CD2區(qū)域的響應(yīng)情況，改進(jìn)算法還可判斷故障類型和故障位置。

4 結(jié) 論

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，一般采用電流差動(dòng)原理進(jìn)行保護(hù)。目前，一般采用諧波法對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行消除，但是諧波具有制動(dòng)作用，會(huì)延遲響應(yīng)時(shí)間。基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先研究了智能變電站體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)劣，在此基礎(chǔ)上提出了新型站域主保護(hù)算法，通過(guò)判斷保護(hù)區(qū)制動(dòng)狀態(tài)和差動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能變電站故障定位和診斷。研究表明：改進(jìn)算法不受勵(lì)磁涌流的影響，響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)算法快28ms；改進(jìn)算法還可以根據(jù)不同區(qū)域的響應(yīng)情況判斷故障類型和故障位置。希望為今后的智能變電站設(shè)計(jì)和主保護(hù)改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。

圖5 空載投入變壓器保護(hù)動(dòng)作情況

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Design and simulation ofmain protection algorithm in intelligent substation

WU Xiao-ping
（Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Limited，F(xiàn)oshan 528000，China）

With the development of information technology，smart grid has become the focus of power technology reform in China.At present，the substation protection device is still using the traditional criteria and principles.The protection of the existencewas defective，realizing the intelligent information was imminent.Based on the research status athome and abroad，firstly，the characteristics of smartsubstation system were studied，and a new type ofmain protection algorithm was proposed based on current differential protection principle.The fault location and diagnosis of intelligent substation were realized by judging the braking state and differential status of protected area.And the simulation softwarewas used to verify the accuracy of the algorithm.The study shows that the new type of station domainmain protection algorithm can correctly judge the fault state，which hasa certain guiding significance for the substation intelligent transformation.

intelligent substation；main protection；fault diagnosis；simulation；current differential

TM63；TM774

A

1674－6236（2016）20-0017-03

2016-03-04 稿件編號(hào)：201603047

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50977094）；中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-GD2014-0891）

吳小平（1985—），男，江西南昌人，碩士，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。