一種智能變電站集成保護(hù)算法

魏冀東，王潤(rùn)之，金雨薇，張軍

（1.國(guó)網(wǎng)蒙東電力通遼供電公司，通遼 028000；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林132012）

一種智能變電站集成保護(hù)算法

魏冀東1，王潤(rùn)之2，金雨薇2，張軍1

（1.國(guó)網(wǎng)蒙東電力通遼供電公司，通遼 028000；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林132012）

提出了一種智能變電站集成保護(hù)算法。利用故障時(shí)元件兩端的正序故障分量電流相位相差不大，而外部故障時(shí)其相位幾乎相反的特點(diǎn)，構(gòu)成故障元件判別原則，結(jié)合智能電子設(shè)備（Intelligent Electric Device，IED）采集的相位信息判別故障元件。當(dāng)IED采集的相位信息缺失時(shí)，根據(jù)容錯(cuò)策略，仍能準(zhǔn)確地判別故障元件。該保護(hù)算法簡(jiǎn)單可靠，有一定的容錯(cuò)能力，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。

集成保護(hù)；故障分量；相位信息；容錯(cuò)策略

隨著我國(guó)電力需求日益增加，互聯(lián)的大電網(wǎng)格局逐漸形成，繼電保護(hù)作為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的“第一道防線”，面臨著由此帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)［1，2］。變電站作為電力系統(tǒng)，是電能傳輸和信息交互的樞紐，也是電網(wǎng)運(yùn)行必不可少的組成部分。

目前，與傳統(tǒng)變電站相同，智能變電站多數(shù)采用保護(hù)配置，鮮少利用全站信息共享為基礎(chǔ)對(duì)保護(hù)算法加以創(chuàng)新。然而智能變電站在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化信息交互、集成化信息應(yīng)用等功能的同時(shí)［3，4］，也可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，因此，傳統(tǒng)的保護(hù)算法不再適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的要求。

隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展以及數(shù)字化變電站概念的推廣和實(shí)施，集成保護(hù)的實(shí)現(xiàn)條件開(kāi)始具備，也逐漸成為研究熱點(diǎn)［5，6］。然而現(xiàn)有的“集成保護(hù)”只是硬件或軟件上的簡(jiǎn)單集合，在保護(hù)原理和算法上未有突破。因此，利用現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出新的思路和方法［7-9］，保障變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)有著重要的意義。

本文提出了一種智能變電站集成保護(hù)算法：利用故障時(shí)元件兩端的正序故障分量與電流相位特點(diǎn)構(gòu)成故障判別原則，結(jié)合IED采集的相位信息判別故障元件。當(dāng)IED采集的相位信息缺失時(shí)，通過(guò)容錯(cuò)策略，仍能準(zhǔn)確地判別故障元件。該保護(hù)算法簡(jiǎn)單可靠，有一定的容錯(cuò)能力。并通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性。

1 基于正序故障分量電流相位比較原理的集成保護(hù)算法

1.1 故障元件的正序故障分量電流相位特點(diǎn)

若規(guī)定流過(guò)保護(hù)的正序故障分量電流正方向是從母線指向線路；當(dāng)變電站內(nèi)某元件發(fā)生故障時(shí)，其兩端的正序故障分量電流向量圖如圖1所示，從圖1可以看出，故障元件兩端的正序故障分量電流相位相差不大。

圖1 故障元件兩端的正序故障分量電流向量圖

圖2給出當(dāng)發(fā)生外部故障時(shí)，該元件兩端的正序故障分量電流向量圖。從圖2可以看出外部故障時(shí)，元件兩端正序故障分量電流相位幾乎相反；因此，可以利用正序故障分量電流的相位特點(diǎn)來(lái)區(qū)分故障和非故障元件［10］。

圖2 外部故障時(shí)正序故障分量電流向量圖

1.2 故障元件判別原則

分別選取線路兩端、變壓器兩端、母線靠近變壓器一側(cè)與其相連饋線和母聯(lián)上的正序故障分量電流進(jìn)行相位比較，若電流相位相差不大，則說(shuō)明該元件發(fā)生故障；判據(jù)如式（1）所示。

若電流相位相差接近180°，則說(shuō)明發(fā)生區(qū)外故障，判據(jù)如式（2）所示。

式中，ΔIi、ΔIj分別為元件兩端的正序故障分量電流。

2 容錯(cuò)策略

智能變電站在實(shí)現(xiàn)高度信息共享的同時(shí)，會(huì)給通信系統(tǒng)帶來(lái)一些壓力，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。數(shù)據(jù)異常很可能導(dǎo)致保護(hù)的勿動(dòng)或拒動(dòng)，不利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本文考慮出現(xiàn)信息丟失的情況，通過(guò)容錯(cuò)策略將故障準(zhǔn)確判斷出來(lái)并及時(shí)切除。

（1）變壓器一側(cè)正序故障分量電流相位缺失

當(dāng)變壓器一側(cè)的正序故障分量電流相位缺失時(shí)，將該側(cè)所連母線的線路正序故障分量電流與變壓器未缺失相位一側(cè)的正序故障分量電流作相位比較，如圖3所示。

圖3 變壓器一側(cè)正序故障分量電流相位缺失

（2）母線一端正序故障分量電流相位缺失

當(dāng)母線靠近變壓器側(cè)的正序故障分量電流相位缺失時(shí)，與變壓器一側(cè)的正序故障分量電流相位缺失時(shí)容錯(cuò)策略相同。

（3）線路一端正序故障分量電流相位缺失

線路本端的正序故障分量電流相位缺失，將該線路對(duì)端正序故障分量電流與其所連母線的正序故障分量電流和進(jìn)行相位比較，如圖4所示，若相位相反則為故障線路。

圖4 線路本端的正序故障分量電流相位缺失

線路對(duì)端的正序故障分量電流相位缺失，將該線路本端的正序故障分量電流和其他線路的正序故障分量電流進(jìn)行相位比較，如圖5所示，若相位與其他線路都相反則為故障線路。

圖5 線路對(duì)端的正序故障分量電流相位缺失

3 仿真驗(yàn)證

圖6為利用PSCAD搭建的220KV智能變電站仿真示意圖。

圖6 220kv智能變電站仿真示意圖

（1）變壓器T1發(fā)生故障并且數(shù)據(jù)傳輸正常的情況

圖7、圖8分別為變壓器發(fā)生故障并且數(shù)據(jù)傳輸正常時(shí)，IED輸出的變壓器兩端正序故障分量電流相位比較值以及斷路器輸出值的仿真圖。由圖7可知線路兩端正序故障分量電流相角值滿足式（1）的判別原則，判別為變壓器T1故障，因此變壓器T1兩端的IED動(dòng)作于發(fā)出跳閘信號(hào)。

圖7 變壓器兩端正序故障分量電流相位比較值

圖8 IED動(dòng)作輸出值

（2）變壓器T1發(fā)生故障并且低壓側(cè)故障相位信息丟失

變電站變壓器T1發(fā)生故障并且低壓側(cè)故障相位信息丟失時(shí)故障元件的判別時(shí)，圖9、圖10、圖11、圖12為IED輸出的變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)線路的正序故障分量電流相位比較值。根據(jù)故障元件判別原則判別為低壓母線或變壓器T1故障，先跳開(kāi)變壓器與低壓母線之間的斷路器。圖13為IED動(dòng)作輸出值的仿真圖。

圖9 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L9故障分量電流相位比較值

圖10 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L10故障分量電流相位比較值

圖11 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L11故障分量電流相位比較值

圖12 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L12故障分量電流相位比較值

圖13 IED動(dòng)作輸出值

再利用變壓器高壓側(cè)的正序故障分量電流與低壓母線所連線路的正序故障分量電流進(jìn)行相位比較，圖14、圖15、圖16圖17為跳開(kāi)變壓器T1低壓側(cè)斷路器后，IED輸出的變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)線路的正序故障分量電流相位比較值仿真圖，根據(jù)故障元件判別原則判別為變壓器T1故障，跳開(kāi)變壓器T1高壓側(cè)斷路器。圖18為IED動(dòng)作輸出值的仿真圖。

圖14 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L9故障分量電流相位比較值

圖15 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L10故障分量電流相位比較值

圖16 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L11故障分量電流相位比較值

圖17 變壓器高壓側(cè)與低壓線路L12故障分量電流相位比較值

圖18 IED動(dòng)作輸出值

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了故障時(shí)元件兩端的正序故障分量電流相位特點(diǎn)，并利用其特點(diǎn)構(gòu)成故障元件判別原則，提出了一種智能變電站集成保護(hù)算法。分析了當(dāng)IED采集的相位信息缺失時(shí)，利用擴(kuò)大IED的識(shí)別區(qū)域內(nèi)的相位信息，結(jié)合容錯(cuò)策略，仍能準(zhǔn)確地判別故障元件。并通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性。

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An Integrated Protection Algorithm of Intelligent Substation

WEI Jidong1，WANG Runzhi2，JIN Yuwei2，ZHANG Jun1
（1.Tongliao Power Supply Company，Tongliao 028000；2.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012）

An integrated protection algorithm of intelligent substation is proposed in this paper.Using the characteristics to make the fault element discrimination principle.When a fault occurs，the phases of positive sequence fault component currents of the two sides of fault element are small.While external faults occur，the phases are almost opposite.And using the phase information that the intelligent electric devices（IEDs）acquired，the fault element can be identified.When the phase information lost，accord?ing to the fault-tolerant strategy，the fault could be distinguished accurately.This relaying protection algorithm is simple，reli?able and having the fault-tolerant ability.Its availability is validated by simulation.

integrated protection；fault component；phase information；fault-tolerant strategy

TM76

A

1672-9870（2017）03-0139-04

2016-12-05

魏冀東（1980-），男，工程師，E-mail：wjd0086@163.com