智能變電站新型集成保護(hù)研究

金恩淑，金雨薇，陳亞瀟，趙 宇

(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)山東省電力公司 聊城供電公司，山東 聊城 252000)

智能變電站新型集成保護(hù)研究

金恩淑1，金雨薇1，陳亞瀟2，趙 宇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)山東省電力公司 聊城供電公司，山東 聊城 252000)

大電網(wǎng)的發(fā)展及用戶供電質(zhì)量的提高要求智能變電站提供更加靈活、快速、可靠地保護(hù)。利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢(shì)，提出了基于電流差動(dòng)原理的集成保護(hù)新方案。該方案集成了變壓器和母線為保護(hù)對(duì)象，根據(jù)其處于制動(dòng)狀態(tài)或者差動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位；對(duì)集成保護(hù)方案的電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)，采用修正的差動(dòng)電流補(bǔ)償勵(lì)磁電流的影響，不需要附加制動(dòng)或閉鎖技術(shù)，消除了內(nèi)部故障時(shí)二次諧波制動(dòng)導(dǎo)致的延時(shí)。利用PSCAD仿真軟件構(gòu)建了變電站仿真模型，對(duì)不同運(yùn)行情況進(jìn)行了全面仿真，驗(yàn)證了該方案的正確性。

智能變電站；集成保護(hù)；電流差動(dòng)保護(hù)；磁化電流

隨著電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)智能變電站繼電保護(hù)的要求也越來(lái)越高。然而傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置具有保護(hù)功能單一、相對(duì)獨(dú)立，只能反映局部運(yùn)行狀況、整定配置復(fù)雜、自適應(yīng)能力差、投資和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)[1]。因此，利用信息共享化的繼電保護(hù)算法、策略和系統(tǒng)的研究能夠解決上述問(wèn)題，獲得信息共享的保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的掌握全站系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，為互聯(lián)網(wǎng)提供更加有效的安全穩(wěn)定控制措施，實(shí)現(xiàn)全面電網(wǎng)智能化保護(hù)。與傳統(tǒng)變電站相比較，智能變電站實(shí)現(xiàn)了信息采集數(shù)字化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化，并且能夠具有高度的信息共享，從根本上為提高和改善保護(hù)性能提供了良好條件。

目前，保護(hù)集中化已經(jīng)成為繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，近年來(lái)也出現(xiàn)了許多的相關(guān)研究[2-7]，越來(lái)越多的保護(hù)功能被集成于一個(gè)保護(hù)設(shè)備中，如雙回線的保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化保護(hù)等。文獻(xiàn)[8]將專家系統(tǒng)的思想應(yīng)用到變電站內(nèi)的故障元件判別，建立故障發(fā)生位置與故障電流方向的故障元件判別矩陣，再經(jīng)過(guò)故障特征量的矩陣運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)故障元件的快速判別。但是對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，建立故障元件判別矩陣會(huì)十分復(fù)雜和龐大，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)難度系數(shù)增大等問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出一種變電站站域保護(hù)算法，劃分多個(gè)不同的區(qū)域，通過(guò)判斷區(qū)域處于制動(dòng)狀態(tài)或是差動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障定位，然而當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，采用具有諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)電流保護(hù)會(huì)延時(shí)跳閘，進(jìn)而影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

針對(duì)目前保護(hù)存在的問(wèn)題和利用智能變電站的信息共享的優(yōu)勢(shì)，提出了一種新型基于電流差動(dòng)原理的集成保護(hù)算法，對(duì)提高變電站自動(dòng)化水平、保護(hù)運(yùn)行管理水平、繼電保護(hù)性能和減少配件裝置具有重要意義。

1 基于傳統(tǒng)諧波制動(dòng)式差動(dòng)原理的集成保護(hù)算法

集成差動(dòng)區(qū)采用基于變電站全站信息的集成保護(hù)算法，能夠加強(qiáng)各個(gè)保護(hù)之間的配合、提高效率、增強(qiáng)可靠性[10]。

集成保護(hù)區(qū)域包含變壓器和其一側(cè)母線，傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)采用諧波制動(dòng)方法來(lái)避免因勵(lì)磁涌流而引起的保護(hù)誤動(dòng)。諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)通過(guò)計(jì)算差動(dòng)電流中的諧波分量和基波分量的比值來(lái)判斷發(fā)生勵(lì)磁涌流或是過(guò)勵(lì)磁。

在系統(tǒng)中變壓器T為Y-Δ變壓器，集成保護(hù)有兩個(gè)差動(dòng)區(qū)：CD1差動(dòng)區(qū)和CD2差動(dòng)區(qū)。CD1區(qū)域選取斷路器CB02和CB04處的電流參與差動(dòng)計(jì)算；CD2區(qū)域選取斷路器CB03和CB05處的電流參與差動(dòng)計(jì)算；本文以CD1區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流如式(1)所示。

(1)

制動(dòng)電流如式(2)所示。

(2)

傳統(tǒng)比率式差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性如式(3)所示。

IdA≥Ioffset+KIrA,

(3)

式中：Ioffset=15 A，K=0.3。

若式(4)和(5)條件滿足，則有制動(dòng)信號(hào)發(fā)生。

Id≤K2I2,

(4)

式中：Id，I2，I5分別為差動(dòng)電流中的基波、2次諧波和5次諧波成分。K2和K5是制動(dòng)系數(shù)分別為18和7，能夠保證保護(hù)在發(fā)生勵(lì)磁涌流或是過(guò)勵(lì)磁的情況下可以被閉鎖。

若CD1、CD2這兩個(gè)區(qū)域的電流差動(dòng)保護(hù)同時(shí)出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則判斷為變壓器發(fā)生故障；若只有一個(gè)區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則為出現(xiàn)跳閘信號(hào)區(qū)域內(nèi)母線發(fā)生故障。例如，只有CD1區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號(hào)，則判斷為CD1區(qū)域內(nèi)母線1處發(fā)生故障。

該集成保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)了變電站保護(hù)原理和功能模塊的統(tǒng)一，使原來(lái)分散到變壓器、母線的重復(fù)設(shè)置的保護(hù)得到簡(jiǎn)化，能夠充分利用站域信息，快速故障定位，發(fā)出故障信號(hào)，并且保護(hù)非故障元件。

變電站差動(dòng)區(qū)采取比率制動(dòng)式電流差動(dòng)保護(hù)，由于差動(dòng)區(qū)包含有變壓器，為避免勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)而采用諧波制動(dòng)方法。但當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，故障電流中含有大量諧波，保護(hù)會(huì)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)對(duì)保護(hù)進(jìn)行閉鎖，直至諧波含量衰減，保護(hù)才能夠正常動(dòng)作，這將嚴(yán)重影響到差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的快速性。因此，需要針對(duì)上述提出的問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)。

2 基于改進(jìn)電流差動(dòng)原理的集成保護(hù)算法

傳統(tǒng)差動(dòng)電流為了忽略變壓器磁化電流的影響，采用了諧波制動(dòng)方法，但發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)跳閘的現(xiàn)象。改進(jìn)后的電流差動(dòng)保護(hù)考慮了磁化電流的影響[11]，采用了改進(jìn)后的差動(dòng)電流，但制動(dòng)電流依舊不變來(lái)構(gòu)成保護(hù)。

仍以CD1區(qū)域?yàn)槔?，為了消除剩磁?duì)保護(hù)的影響，本文對(duì)變壓器鐵心飽和前和飽和后的差動(dòng)電流分別進(jìn)行修正。

變壓器鐵心飽和之前，產(chǎn)生的磁化電流imA很小可以忽略不計(jì)。因此修正后的差動(dòng)電流如式(6)所示。

idA=i2A-ai4ab.

(6)

而在變壓器鐵心飽和之后，磁化電流imA不可忽略，因此在計(jì)算差動(dòng)電流過(guò)程中必須要考慮。因此修正后的差動(dòng)電流如式(7)所示。

idA=i2A-ai4ab-imA.

(7)

由于式(6)、(7)中的磁化電流imA和二次側(cè)相電流iab不能直接測(cè)到，所以要計(jì)算出變壓器磁化電流imA和△側(cè)的相電流i4ab。計(jì)算方法同變壓器電流差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)方法相同(見(jiàn)(11))。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的保護(hù)算法的有效性和可行性，以圖1為例搭建仿真示意圖。以A相為例，將傳統(tǒng)諧波制動(dòng)式差動(dòng)原理的集成保護(hù)和改進(jìn)后的電流差動(dòng)原理的集成保護(hù)在不同情況下進(jìn)行了仿真對(duì)比。

3.1 空載投入變壓器

變壓器在62.5 ms時(shí)空載合閘，由于合閘角度為0°時(shí)會(huì)使鐵芯發(fā)生飽和，在此僅以CD1區(qū)域保護(hù)動(dòng)作情況為例，CD2區(qū)域保護(hù)同理。

基于傳統(tǒng)諧波制動(dòng)原理的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況如圖2(a)所示，分別給出了諧波制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流idA、諧波成分，比率制動(dòng)信號(hào)“87R”、諧波制動(dòng)信號(hào)“87BL”及跳閘信號(hào)。圖2(b)給出了CD1區(qū)域改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的一次側(cè)電流iCD1、二次側(cè)相電流iba1、磁化電流im1、改進(jìn)后的差動(dòng)電流id1和跳閘信號(hào)。

由圖2(a)可見(jiàn)，雖然傳統(tǒng)保護(hù)的“87R”動(dòng)作，但同時(shí)由于二次諧波的存在，“87BL”啟動(dòng)了閉鎖，因此保護(hù)并沒(méi)有動(dòng)作。

由圖2(b)可以看出，在62.5 ms空載合閘時(shí)，由于考慮了磁化電流的影響，改進(jìn)后電流差動(dòng)保護(hù)能夠可靠不動(dòng)作。

圖2 空載投入變壓器時(shí)集成保護(hù)動(dòng)作情況

3.2 變壓器內(nèi)部故障

變壓器在62.5 ms時(shí)刻發(fā)生單相接地故障，CD1傳統(tǒng)電流差動(dòng)、CD1和CD2差動(dòng)區(qū)改進(jìn)差動(dòng)電流和動(dòng)作信號(hào)分別如圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示，其中圖3(b)中Trip信號(hào)中實(shí)線為傳統(tǒng)諧波制動(dòng)原理的集成保護(hù)動(dòng)作輸出信號(hào)，虛線為基于改進(jìn)電流差動(dòng)原理的集成保護(hù)的動(dòng)作輸出信號(hào)。

如圖3所示，在62.5 ms時(shí)刻發(fā)生變壓器內(nèi)部故障時(shí)，傳統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)由于諧波制動(dòng)而產(chǎn)生延時(shí)，改進(jìn)后電流差動(dòng)保護(hù)比傳統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作速度快24 ms。CD1、CD2區(qū)域保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，由此可判斷為變壓器故障。

圖3 變壓器內(nèi)部故障時(shí)集成保護(hù)動(dòng)作情況

3.3 母線故障

母線1在62.5 ms時(shí)刻A相發(fā)生單相接地故障，CD1、CD2差動(dòng)區(qū)差動(dòng)電流和動(dòng)作信號(hào)分別如圖4(a)、圖4(b)所示，其中圖4(a)Trip信號(hào)中實(shí)線為傳統(tǒng)諧波制動(dòng)原理的整個(gè)保護(hù)動(dòng)作輸出信號(hào)，虛線為改進(jìn)后的電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作輸出信號(hào)。

圖4 母線故障時(shí)集成保護(hù)動(dòng)作情況

由圖4(a)、4(b)可知，在62.5 ms時(shí)刻母線1發(fā)生故障時(shí)，CD1區(qū)域改進(jìn)后的保護(hù)相比傳統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作速度快24 ms；CD1區(qū)域差動(dòng)電流保護(hù)動(dòng)作，而CD2區(qū)域差動(dòng)電流保護(hù)可靠不動(dòng)作，由此可判定為CD1區(qū)域內(nèi)母線發(fā)生故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型智能變電站的集成保護(hù)算法。該方案以變電站及其一側(cè)母線為保護(hù)對(duì)象，根據(jù)不同區(qū)域的差動(dòng)區(qū)是否同時(shí)處于差動(dòng)狀態(tài)來(lái)對(duì)變壓器或是母線進(jìn)行故障定位，同時(shí)對(duì)差動(dòng)區(qū)的電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了修正，使其能夠不受勵(lì)磁涌流的影響，并消除了諧波制動(dòng)引起的延時(shí)，可以正確對(duì)故障元件進(jìn)行定位，發(fā)出跳閘信號(hào)，保護(hù)非故障元件。同理，此算法適用于配置三繞組變壓器的變電站。

由仿真實(shí)驗(yàn)表明，此算法的集成保護(hù)算法能夠正確判斷故障狀態(tài)；在任何情況下都可以準(zhǔn)確定位故障元件，改進(jìn)的電流差動(dòng)保護(hù)在保護(hù)區(qū)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)能夠不受勵(lì)磁涌流影響而導(dǎo)致誤動(dòng)，簡(jiǎn)化了保護(hù)裝置，不需要增加制動(dòng)或閉鎖技術(shù)，消除了二次諧波制動(dòng)引起的延時(shí)。仿真結(jié)果證實(shí)該算法可行，并具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Study on the New Integrated Protection of Intelligent Substations

JIN En-shu1，JIN Yu-wei1，CHEN Ya-xiao2，ZHAO Yu2

(1.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Shandong Province Liaocheng Electric Powor Company,Liaocheng Shandong 252000)

Intelligent substations need to provide faster，more flexible and reliable protection to catch up with the development of the large power system and the improvement of the power supply for users.By taking advantages of information sharing between intelligent substations，we put forward a new scheme of integrated protection based on current differential protection principle.The scheme integrates the transformer and bus as the target of protection，and realizes the fault location according to whether the target is in the braking condition or the differential state.And we use the modified differential current compensate effect of excitation current to improve current differential protection of integrated protection.Thus，without additional brake or lock technology，we eliminate the delay caused by second harmonic restraint when internal fault occurs.Using PSCAD we build a typical simulation model to completely simulate different operating state，and finally prove the accuracy of this scheme.

Intelligent substation；Integrated protection；Current differential protection；Magnetization curren

2016-04-12

金恩淑(1972-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)電氣工程師學(xué)院教授，博士，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù).

1005-2992(2016)06-0025-05

TP29，TN177

A