后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖新方案

高俊嶺，劉明昌，李 登，韓 慧，宣曉辰

(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)蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

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后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖新方案

高俊嶺1，劉明昌2，李 登1，韓 慧2，宣曉辰2

(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)蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳閘事件是引發(fā)大停電事故的重要原因之一。針對(duì)電力系統(tǒng)關(guān)鍵位置后備保護(hù)在事故過(guò)負(fù)荷下不合理動(dòng)作，基于廣域信息提出后備保護(hù)區(qū)的概念，在后備保護(hù)區(qū)內(nèi)，負(fù)序功率方向元件實(shí)時(shí)上傳方向信息到?jīng)Q策單元，準(zhǔn)確識(shí)別事故過(guò)負(fù)荷與故障，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖新方案。通過(guò)PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了保護(hù)算法的正確性和可行性。

連鎖跳閘；事故過(guò)負(fù)荷；后備保護(hù)；閉鎖；廣域保護(hù)

大量研究表明，潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳閘是引發(fā)大停電事故的重要原因之一，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響是災(zāi)難性的[1]。繼電保護(hù)尤其是后備保護(hù)(例如距離III段保護(hù))在事故過(guò)負(fù)荷下的不合理動(dòng)作，引發(fā)多起大停電事故，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，階段式距離保護(hù)被廣泛應(yīng)用到后備保護(hù)，通過(guò)定值和時(shí)限配合來(lái)確保選擇性，但僅采集本地信息，存在潮流轉(zhuǎn)移過(guò)負(fù)荷連鎖跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。目前PMU和WAMS的推廣與應(yīng)用，為解決該問(wèn)題開(kāi)辟了新途徑[3-7]。

文獻(xiàn)[3]根據(jù)支路切除后原有潮流在電網(wǎng)其他支路重新分布的情況，提出了潮流轉(zhuǎn)移因子概念，通過(guò)對(duì)比線路電流實(shí)測(cè)值與推算值，判斷是否發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移，但該方法難以回避廣域通信的實(shí)時(shí)性和大量計(jì)算的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[4]基于廣域開(kāi)關(guān)信息區(qū)別故障與過(guò)負(fù)荷，雖然有廣域信息的參與，但該方法的決策主要取決于基于本地信息電氣量的判斷。文獻(xiàn)[5]提出了故障匹配度的概念，在故障發(fā)生后計(jì)算潮流分布，將各支路故障電流的實(shí)測(cè)值與推算值之差進(jìn)行比較，取最小元件為故障元件。文獻(xiàn)[6]結(jié)合電流突變量和阻抗加權(quán)值作為故障指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，該方法對(duì)通信具有很強(qiáng)依賴(lài)性。廣域電流差動(dòng)保護(hù)[7]將差動(dòng)范圍從單一電氣元件拓展到多個(gè)相鄰元件組成的區(qū)域，提供動(dòng)作延時(shí)小、選擇性好的后備保護(hù)功能。差動(dòng)原理[8]簡(jiǎn)單可靠，故障定位準(zhǔn)確，但實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸量大且要求有精確的時(shí)間同步，存在難以確定合理保護(hù)范圍的問(wèn)題。

鑒于以上情況，基于廣域信息，提出一種后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖新方案。該方案基于圖論的觀點(diǎn)將電網(wǎng)劃分為若干個(gè)潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域，進(jìn)而確定后備保護(hù)區(qū)，在后備保護(hù)區(qū)內(nèi)，負(fù)序功率方向元件實(shí)時(shí)采集方向信息，上傳到?jīng)Q策單元。后備保護(hù)啟動(dòng)后，決策單元根據(jù)負(fù)序功率方向信息及判別原則，有效區(qū)分故障和事故過(guò)負(fù)荷，閉鎖后備保護(hù)因事故過(guò)負(fù)荷而引起的誤跳閘，為控制策略爭(zhēng)取時(shí)間。

圖1 割點(diǎn)與塊的示意圖

1 后備保護(hù)區(qū)的劃分

1.1 基于圖論的潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域搜索

若只考慮電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可將其表示為一個(gè)只含節(jié)點(diǎn)和邊的圖1(V，E)，其中： V={v1，v2，…，vn}，代表節(jié)點(diǎn)集合，表示電力系統(tǒng)中的母線節(jié)點(diǎn)；E={e1，e2，…，en}，代表邊的集合，表示電力系統(tǒng)中的輸電線路。

根據(jù)電路原理，轉(zhuǎn)移潮流分布在與電源構(gòu)成回路的各個(gè)支路中由圖論中割點(diǎn)和塊的特征可知，發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移的線路只能在同一個(gè)塊中。綜上所述，若一個(gè)圖中存在割點(diǎn)和塊，則發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移過(guò)負(fù)荷的線路應(yīng)位于同一個(gè)塊中，稱(chēng)該塊為一個(gè)潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域。

通過(guò)不斷尋找圖的邊界點(diǎn)，從而刪除無(wú)法構(gòu)成回路的節(jié)點(diǎn)；采用深度優(yōu)先搜索方法搜索割點(diǎn)和塊[9]，每一個(gè)塊為一個(gè)潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域，從而將電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移分析的范圍從整個(gè)電網(wǎng)縮小到局部區(qū)域。

1.2 基于潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域的后備保護(hù)區(qū)劃分

距離III段保護(hù)多采用帶有偏移特性的測(cè)量元件，在潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域內(nèi)，根據(jù)距離III段保護(hù)作為遠(yuǎn)后備的保護(hù)范圍，選取距離III段保護(hù)所在線路、相鄰下一級(jí)線路和反向母線連接的背側(cè)線路作為當(dāng)前后備保護(hù)區(qū)。電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，后備保護(hù)區(qū)亦會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可根據(jù)斷路器位置信息及其變化信息，實(shí)時(shí)更新當(dāng)前后備保護(hù)區(qū)。

2 后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖新方案

新方案應(yīng)在可靠切除區(qū)內(nèi)故障基礎(chǔ)上，對(duì)事故過(guò)負(fù)荷可靠識(shí)別并閉鎖，具體滿(mǎn)足以下要求：

1) 后備保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)可靠動(dòng)作；

2) 所在線路發(fā)生事故過(guò)負(fù)荷時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)能夠可靠識(shí)別過(guò)負(fù)荷并閉鎖；

3) 所在線路事故過(guò)負(fù)荷情況下，保護(hù)裝置仍然能夠?qū)髠浔Ｗo(hù)區(qū)內(nèi)的故障可靠識(shí)別且動(dòng)作。

2.1 負(fù)序功率方向判別元件

負(fù)序功率方向判別元件是比較負(fù)序分量電壓、電流的相位關(guān)系，判別故障方向，規(guī)定負(fù)序電流分量的正方向?yàn)槟妇€流向線路。對(duì)于雙端電源的輸電線路，比較負(fù)序分量電壓、電流的相位關(guān)系，可以明確地判定故障的方向。為提高負(fù)序功率方向判別元件的靈敏性，選取其靈敏角為φsen=φs，采用功率的形式表示為

P=ΔUΔIcos(φ-φsen) ，

(1)

當(dāng)P<ε時(shí)，判為正方向發(fā)生故障，負(fù)序功率方向信息置-1；當(dāng)P>ε時(shí)，則判為反方向發(fā)生故障，負(fù)序功率方向信息置1；ε為正常情況下負(fù)序分量的閾值，此時(shí)可令P=0。

2.2 新方案故障判別原則

根據(jù)后備保護(hù)區(qū)內(nèi)特點(diǎn)，可以劃分為線路和母線兩種情況對(duì)后備保護(hù)區(qū)進(jìn)行故障情況判別，假定后備保護(hù)區(qū)包含m條支路，n條母線，e個(gè)斷路器。

2.2.1 線路故障判別原則

在已形成的后備保護(hù)區(qū)內(nèi)，定義Aline為支路與斷路器的關(guān)聯(lián)矩陣，即

(2)

其中，行表示支路L1-Lm，列表示斷路器1-e，根據(jù)斷路器開(kāi)合信息，實(shí)時(shí)更新關(guān)聯(lián)矩陣Aline。

負(fù)序功率方向信息存儲(chǔ)于矩陣Dact，即

(3)

其中dk為第k個(gè)斷路器方向信息。

定義動(dòng)作矩陣P=Aline·Dact，即

(4)

線路故障時(shí)，線路兩端的負(fù)序功率方向信息同時(shí)輸出為“-1”，可得線路故障判別原則為：

pi≠0 ，

(5)

其中，pi為動(dòng)作矩陣P中第i行元素，對(duì)應(yīng)線路i故障的判別結(jié)果。

2.2.2 母線故障判別原則

在后備保護(hù)區(qū)內(nèi)，定義Bbus為母線與斷路器的關(guān)聯(lián)矩陣，即

(6)

其中，行表示母線B1-Bn，列表示斷路器1-e，根據(jù)斷路器開(kāi)合信息，實(shí)時(shí)更新關(guān)聯(lián)矩陣Bbus。

定義動(dòng)作矩陣Q=Bbus·Dact，即

(7)

母線故障時(shí)，母線所連斷路器的負(fù)序功率方向信息同時(shí)輸出為“1”，可得母線故障判別原則：

qj= bj，

(8)

其中，qj為動(dòng)作矩陣Q中第j行元素，對(duì)應(yīng)母線j故障的判別結(jié)果，bj為關(guān)聯(lián)矩陣Bbus中j行中所有元素之和。

2.3 新方案動(dòng)作策略

圖2為后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷跳閘閉鎖策略流程圖，首先形成后備保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)距離III段保護(hù)啟動(dòng)后，根據(jù)故障判別原則，識(shí)別區(qū)內(nèi)故障與事故過(guò)負(fù)荷，閉鎖或開(kāi)放距離III段保護(hù)，同時(shí)將后備保護(hù)區(qū)內(nèi)的斷路器開(kāi)合信息及方向信息實(shí)時(shí)上傳，刷新后備保護(hù)區(qū)內(nèi)關(guān)聯(lián)矩陣、動(dòng)作矩陣。負(fù)序功率方向判別元件具有不受負(fù)荷、系統(tǒng)振蕩影響，無(wú)電壓死區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)法正確反應(yīng)對(duì)稱(chēng)故障。而在220 kV及以上輸電網(wǎng)中單相接地故障占90%以上，且大多數(shù)的對(duì)稱(chēng)故障由不對(duì)稱(chēng)故障引發(fā)而來(lái)，因此本文所述故障為不對(duì)稱(chēng)故障。

圖2 后備保護(hù)事故過(guò)負(fù)荷閉鎖策略流程圖

需要說(shuō)明的是，保護(hù)區(qū)內(nèi)以距離III段保護(hù)為啟動(dòng)信息，配合負(fù)序功率方向信息檢測(cè)區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，當(dāng)未檢測(cè)到故障信息，則需閉鎖保護(hù)，此時(shí)應(yīng)結(jié)合控制系統(tǒng)，通過(guò)切機(jī)切負(fù)荷來(lái)消除過(guò)負(fù)荷的影響，待過(guò)負(fù)荷消除后解除閉鎖。發(fā)生事故過(guò)負(fù)荷時(shí)，如果控制措施沒(méi)能在線路熱穩(wěn)定的允許時(shí)間內(nèi)消除線路過(guò)載，應(yīng)可靠開(kāi)放距離III段保護(hù)，防止線路熱穩(wěn)定遭到破壞。

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的保護(hù)方案的有效性和可行性，以3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例搭建PSCAD仿真模型。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以線路L1靠近母線4側(cè)的距離III段保護(hù)為例，其所對(duì)應(yīng)的后備保護(hù)區(qū)為虛線框區(qū)域，對(duì)應(yīng)的線路為L(zhǎng)1-L3，母線為B4、B6，斷路器為1-6。

圖3 新英格蘭3機(jī)9節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)圖

(1) 事故過(guò)負(fù)荷

系統(tǒng)在0 s-1 s時(shí)，正常運(yùn)行，線路L3在1 s時(shí)刻因故障切除。圖4為斷路器1處測(cè)量阻抗模值及距離III段動(dòng)作情況，圖5對(duì)應(yīng)斷路器1-4負(fù)序功率。

系統(tǒng)在1 s時(shí)，線路L3因故障切除，距離III段保護(hù)啟動(dòng)，根據(jù)動(dòng)作策略，刷新斷路器信息、負(fù)序功率方向信息，此時(shí)后備保護(hù)區(qū)包含線路L1、L2，母線B4、B6，斷路器1-4，對(duì)應(yīng)的Aline、Bbus、Dact為：

動(dòng)作矩陣P=[0 0]T，Q=[0 0]T，根據(jù)故障判別原則(9)和(12)，后備保護(hù)區(qū)內(nèi)未發(fā)生故障，判為事故過(guò)負(fù)荷，閉鎖距離Ⅲ段保護(hù)。

(2) 事故過(guò)負(fù)荷后又發(fā)生故障

系統(tǒng)在0 s-1 s時(shí)，正常運(yùn)行，線路L3在1 s時(shí)刻因故障切除，在2 s時(shí)刻線路L2的中點(diǎn)發(fā)生A相接地故障。圖6為斷路器1處測(cè)量阻抗模值及距離III段保護(hù)動(dòng)作情況，圖7對(duì)應(yīng)斷路器1-4負(fù)序功率。

圖4 斷路器1測(cè)量阻抗模值及距離III段動(dòng)作情況圖5 斷路器1-4負(fù)序功率

圖6 斷路器1測(cè)量阻抗模值及距離III段動(dòng)作情況圖7 斷路器1-4負(fù)序功率

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先將整個(gè)電力系統(tǒng)依據(jù)割點(diǎn)和塊的原理劃分為若干個(gè)潮流轉(zhuǎn)移區(qū)；然后在各個(gè)潮流轉(zhuǎn)移區(qū)內(nèi)，依據(jù)后備保護(hù)的保護(hù)范圍形成后備保護(hù)區(qū)；后備保護(hù)區(qū)內(nèi)距離III段保護(hù)啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)搜集后備保護(hù)區(qū)內(nèi)的負(fù)序功率方向元件方向信息，決策單元根據(jù)故障判別原則判斷區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障或過(guò)負(fù)荷，進(jìn)而開(kāi)放或閉鎖后備保護(hù)。該原理簡(jiǎn)單可靠，避免了在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的信息交換，具有實(shí)時(shí)性好，能有效區(qū)分后備保護(hù)區(qū)內(nèi)短路故障和事故過(guò)負(fù)荷。

由PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方案能夠可靠地閉鎖或開(kāi)放后備保護(hù)，保證在區(qū)域發(fā)生過(guò)負(fù)荷時(shí)可靠識(shí)別過(guò)負(fù)荷，為保護(hù)控制爭(zhēng)取時(shí)間，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 石立寶，史中英，姚良忠.現(xiàn)代電力系統(tǒng)連鎖性大停電事故機(jī)理研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(3):48-54.

[2] 項(xiàng)勝，何怡剛，吳可汗.基于分形理論的國(guó)內(nèi)大停電分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(2):367-371.

[3] 徐慧明，畢天姝，黃少鋒，等.基于WAMS的潮流轉(zhuǎn)移識(shí)別算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(14):14-19.

[4] 徐巖，呂彬，王增平.基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的潮流轉(zhuǎn)移識(shí)別方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(28):154-160.

[5] 馬靜，李金龍，葉東華，等.基于故障匹配度的廣域后備保護(hù)新原理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(20):55-59.

[6] Kundu P.，Pradhan A.K.Synchrophasor-Assisted Zone 3 Operation [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(2):660-667.

[7] 叢偉，潘貞存，趙建國(guó).基于縱聯(lián)比較原理的廣域繼電保護(hù)算法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(21):8-14.

[8] 金恩淑，楊健，張有才，等.異步法在T型線路電流差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(1):31-34.

[9] 陳燕，江克勤.求強(qiáng)連通分量的幾種算法的實(shí)現(xiàn)與分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7(9):2140-2142.

A New Scheme of Overload Tripping Lockout for Backup Protections

GAO Jun-ling1，Liu Ming-chang2，LI Deng1，HAN Hui2，XUAN Xiao-chen2

(1.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Tongliao Power Supply Company of State Grid，Neimenggu Tongliao 028000)

Cascading trips caused by flow transferring is one of the important reasons of many well-known blackouts.To avoid the unreasonable operation caused by overload trip of the key backup protections，the concept of backup protection zone based on wide-area information is presented，in the backup protection zone，the directional elements of negative sequence power upload direction information to decision unit，accurate identification of the post-fault overload and fault，a new scheme for overload tripping lockout in backup protection is achieved.By the PSCAD simulation experiment，the correctness and feasibility of the protection algorithm are verified.

Cascading trips；Post-fault overload；Backup protection；Blocking；Wide-area protection

2016-05-11

高俊嶺(1990-)，男，河南省鄭州市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù).

1005-2992(2016)05-0019-06

TM76

A