新一代110kV智能變電站站域保護(hù)技術(shù)研究

韓培潔

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，太原 030001）

近年來(lái)，隨著我國(guó)以特高壓為骨干網(wǎng)架的各級(jí)電網(wǎng)迅速協(xié)調(diào)發(fā)展，逐步形成了以信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化為主要特征的智能電網(wǎng)[1]。繼電保護(hù)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，必須適應(yīng)甚至超前電網(wǎng)的發(fā)展需求[2]。與傳統(tǒng)智能變電站相比，新一代智能變電站采用了層次化保護(hù)控制系統(tǒng)，主要由就地級(jí)保護(hù)控制[3]、站域級(jí)保護(hù)控制和廣域級(jí)保護(hù)控制 3個(gè)層次構(gòu)成[4]。其中站域級(jí)保護(hù)控制面向單個(gè)被保護(hù)對(duì)象，利用站內(nèi)多個(gè)對(duì)象的電氣量、開(kāi)關(guān)量和就地級(jí)保護(hù)設(shè)備狀態(tài)等信息，集中決策，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的冗余和優(yōu)化，完成并提升變電站層面的安全自動(dòng)控制功能，同時(shí)也可作為廣域保護(hù)控制的子站。站域保護(hù)控制系統(tǒng)作為層次化保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，綜合利用了站內(nèi)多間隔線路、元件的電氣量和開(kāi)關(guān)量信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)故障點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確和可靠隔離，而且實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)冗余后備保護(hù)、優(yōu)化后備保護(hù)及安全自動(dòng)控制[5]。

站域保護(hù)控制可以獲取多個(gè)間隔或全站信息，比間隔保護(hù)得到的信息更多，可對(duì)現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化。對(duì)110kV及以下電壓等級(jí)沒(méi)有配置雙重化保護(hù)裝置的系統(tǒng)，可進(jìn)行集中冗余保護(hù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)全站備投、低頻低壓減載裝置、斷路器失靈保護(hù)等功能。本文在對(duì)站域保護(hù)研究現(xiàn)狀和系統(tǒng)原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)城市某 110kV線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)冗余保護(hù)和變低冗余后備保護(hù)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比分析了站域保護(hù)同常規(guī)微機(jī)型繼電保護(hù)的特性差異。結(jié)果表明，新一代智能變電站站域保護(hù)系統(tǒng)能夠有效地對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)并控制，提高了保護(hù)的可靠性。

1 站域保護(hù)的研究現(xiàn)狀

目前站域保護(hù)方式主要分為集中（集成）式保護(hù)和分布化（網(wǎng)絡(luò)化）保護(hù)兩種。

文獻(xiàn)[6]提出了一種在邏輯上采用兩層配置方案的集中式保護(hù)，即以差動(dòng)保護(hù)為主的單元保護(hù)模塊作為間隔級(jí)保護(hù)，以基于拓?fù)淅碚摰木W(wǎng)絡(luò)保護(hù)模塊作為全站系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。文獻(xiàn)[7-8]提出了一種采用統(tǒng)一軟硬件平臺(tái)，并配置保護(hù)、測(cè)量和控制等功能的數(shù)字化集中式保護(hù)裝置。文獻(xiàn)[9]提出了一種以多功能保護(hù)控制器MPCU為核心的數(shù)字化集成保護(hù)與控制系統(tǒng) DIPC。文獻(xiàn)[10-12]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于 110kV數(shù)字化變電站的集成保護(hù)樣機(jī)，研究了集成保護(hù)對(duì)傳統(tǒng)線路保護(hù)、變壓器保護(hù)等功能的改進(jìn)，并就過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)同步及可靠傳輸做了相關(guān)分析。文獻(xiàn)[13]對(duì)智能變電站中分布式網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)進(jìn)行定義并指出了其應(yīng)用范圍，即在保護(hù)上實(shí)現(xiàn)分布式母線保護(hù)，在控制上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化備自投及低頻低壓減載。文獻(xiàn)[14]提出了一種無(wú)主站式的分布式母線保護(hù)方案，各母線間隔保護(hù)單元通過(guò)可靠性較高的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)，發(fā)生故障時(shí)只需將相應(yīng)回路斷開(kāi)，而不會(huì)引起整條母線的停電。

2 新一代站域保護(hù)功能配置

站域保護(hù)與控制裝置基于智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收電氣量采樣數(shù)據(jù)（網(wǎng)采），發(fā)出跳合閘等控制命令（網(wǎng)跳）。站域保護(hù)與控制裝置在智能變電站中的位置及對(duì)外信息交互如圖1所示，其采集全站過(guò)程層與站控層網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)，完成就地級(jí)保護(hù)的冗余后備、優(yōu)化后備及安全自動(dòng)控制，同時(shí)具備獨(dú)立的通信接口，支持廣域通信，完成廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的子站功能。

圖1 站域保護(hù)與控制裝置

新一代智能變電站中站域保護(hù)與控制裝置的功能配置主要包括冗余保護(hù)、優(yōu)化后備保護(hù)、安全自動(dòng)控制和廣域保護(hù)控制的子站功能，見(jiàn)表1。從表1的功能配置表可以發(fā)現(xiàn)，站域保護(hù)中冗余保護(hù)只包含對(duì)單套配置保護(hù)的冗余，若主變保護(hù)已經(jīng)雙重化配置，則站域保護(hù)控制裝置中不宜再配置冗余。站域保護(hù)與控制裝置中冗余保護(hù)功能不含線路縱聯(lián)保護(hù)，主要原因是：①通道和對(duì)側(cè)設(shè)備不支持，若要支持，則需增加大量設(shè)備和工程量；②若含線路縱聯(lián)保護(hù)，則站域保護(hù)會(huì)通過(guò)線路關(guān)聯(lián)多個(gè)站，復(fù)雜程度大大增加，影響范圍較大。站域保護(hù)與控制裝置中不需要包含 10kV間隔保護(hù)的冗余，主要原因是 10kV間隔采用傳統(tǒng)互感器和“六合一”裝置，無(wú)獨(dú)立的合并單元和智能終端，若站域保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)10kV間隔保護(hù)，則其采樣和出口同樣要經(jīng)過(guò)“多合一”裝置，“多合一”裝置因故退出運(yùn)行時(shí)，站域保護(hù)起不到冗余作用。

表1 站域保護(hù)的功能配置表

3 站域保護(hù)功能原理

3.1 采樣與跳閘方式

無(wú)論在智能變電站還是常規(guī)變電站，就地級(jí)保護(hù)裝置均采用直采直跳的方式進(jìn)行工作，而站域保護(hù)率先采用網(wǎng)采網(wǎng)跳的方式進(jìn)行工作。因本文著重強(qiáng)調(diào)智能變電站中的保護(hù)方式，故對(duì)智能變電站中直采直跳和網(wǎng)采網(wǎng)跳進(jìn)行比較。

1）直采直跳是指智能電子設(shè)備間不通過(guò)交換機(jī)而以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式直接進(jìn)行采樣值傳輸和跳合閘信號(hào)的傳輸，其工作原理如圖2所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，保護(hù)裝置不依賴于外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能，避免了組網(wǎng)方式下交換機(jī)引起的采樣和跳閘信息不確定性延遲。缺點(diǎn)是保護(hù)裝置光口數(shù)量多，使二次回路光纖連接復(fù)雜。

圖2 直采直跳工作原理圖

2）網(wǎng)采網(wǎng)跳是指智能電子設(shè)備間經(jīng)過(guò)交換機(jī)的方式進(jìn)行采樣值傳輸共享和跳合閘信號(hào)的傳輸，通過(guò)劃分VLAN的方式避免信息流過(guò)大，其工作原理圖如圖3所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，保護(hù)裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入輸出，有效地減少了母線保護(hù)、主變壓器保護(hù)等跨間隔保護(hù)裝置的光口數(shù)量，簡(jiǎn)化了二次回路光纖連接。缺點(diǎn)是多間隔數(shù)據(jù)同步依賴于對(duì)時(shí)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)化信息交互存在延時(shí)。

3.2 110kV線路冗余保護(hù)

110kV線路就地級(jí)保護(hù)一般單套配置，當(dāng)保護(hù)因故退出運(yùn)行時(shí)，110kV線路會(huì)失去保護(hù)。因此，站域保護(hù)控制裝置中配置110kV線路保護(hù)，作為就地級(jí)保護(hù)的冗余。但由于通信通道限制等原因，站域保護(hù)中線路保護(hù)不考慮縱聯(lián)保護(hù)，其他如距離保護(hù)、零序過(guò)電流、重合閘、手合后加速等保護(hù)功能同就地級(jí)線路保護(hù)一致。

圖3 網(wǎng)采網(wǎng)跳工作原理圖

3.3 變壓器優(yōu)化后備保護(hù)

220kV及以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就地化的變壓器保護(hù)均按照主后一體雙重化的設(shè)計(jì)原則配置，任一套變壓器保護(hù)因故退出運(yùn)行，不會(huì)對(duì)變壓器的運(yùn)行造成影響。110kV及以下系統(tǒng)就地化的變壓器保護(hù)均按照主后一體雙重化配置或者主后分置的保護(hù)配置，任一套保護(hù)設(shè)備退出，不會(huì)對(duì)變壓器運(yùn)行造成影響?；谏鲜鲈蛞约罢鹃g信息共享和協(xié)同保護(hù)技術(shù)，站域保護(hù)對(duì)變壓器后備保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充，通過(guò)相鄰間隔保護(hù)的閉鎖和加速保護(hù)來(lái)提升變壓器后備保護(hù)的性能。

變壓器低壓側(cè)后備過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作切除故障，動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)一次設(shè)備造成傷害。采用簡(jiǎn)易母線保護(hù)可快速切除故障，以減少變電站低壓母線短路故障對(duì)開(kāi)關(guān)柜和變壓器的危害。

母線區(qū)外故障時(shí)，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護(hù)能夠發(fā)出信號(hào)閉鎖簡(jiǎn)易母線保護(hù)；母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護(hù)不發(fā)出閉鎖信號(hào)，簡(jiǎn)易母線保護(hù)可以快速動(dòng)作切除變壓器低壓側(cè)斷路器。低壓側(cè)如果有小電源，那么當(dāng)母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)，簡(jiǎn)易母線保護(hù)會(huì)經(jīng)延時(shí)跳開(kāi)低壓側(cè)小電源，再經(jīng)延時(shí)跳開(kāi)低壓側(cè)斷路器。

簡(jiǎn)易母線保護(hù)取自母線TV，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合電壓閉鎖（低電壓、負(fù)序電壓），電流取自變壓器低壓側(cè)斷路器三相TA，簡(jiǎn)易母線保護(hù)為復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)。

4 站域保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)分析

為了能夠較好地對(duì)比分析新一代站域保護(hù)與傳統(tǒng)微機(jī)型繼電保護(hù)的性能差異，本文以110kV線路冗余保護(hù)和變壓器中壓側(cè)冗余后備保護(hù)為例進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 110kV線路冗余保護(hù)案例

以110kV線路東中線145為例，在整定計(jì)算中，110kV線路1冗余保護(hù)定值與145就地級(jí)線路保護(hù)定值完全一致，將兩套保護(hù)均投入運(yùn)行，在同樣的運(yùn)行狀態(tài)下，比較二者重合后加速情況下的保護(hù)動(dòng)作行為。

由于無(wú)法直接對(duì)電子式互感器輸入電流，只能通過(guò)對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行升流試驗(yàn)來(lái)模擬線路中的故障狀態(tài)，故通過(guò) PT斷線相過(guò)流保護(hù)來(lái)驗(yàn)證線路冗余保護(hù)實(shí)現(xiàn)的可能性。PT斷線相過(guò)流定值為0.4A，時(shí)間為 0.2s，保護(hù)動(dòng)作整組報(bào)告對(duì)比見(jiàn)表 2。通過(guò)二者動(dòng)作情況比較，站域保護(hù)110kV冗余保護(hù)僅比145就地級(jí)線路保護(hù)動(dòng)作晚 1ms，動(dòng)作行為正確，但是在故障電壓相同的情況下，站域保護(hù)的故障電流為0.51A，零序故障電流為0.50A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于就地級(jí)保護(hù)的故障電流 120.27A和零序故障電流 119.14A；且對(duì)于故障的測(cè)距也更加精確。由此可見(jiàn)，110kV冗余保護(hù)具備線路保護(hù)的反應(yīng)速度，可作為 110kV線路保護(hù)的后備保護(hù)，動(dòng)作值、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作邏輯符合國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) GDW 11053—2013《站域保護(hù)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)規(guī)范》中對(duì)于簡(jiǎn)易母線保護(hù)的要求如下：動(dòng)作值允許誤差不大于±5%或±0.02IN，延時(shí)允許誤差不大于±1或±40ms的要求。

表2 保護(hù)動(dòng)作整組報(bào)告對(duì)比

4.2 變壓器中壓側(cè)冗余后備保護(hù)

簡(jiǎn)易母線保護(hù)電壓取自母線TV，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合電壓閉鎖（低電壓、負(fù)序電壓），電流取自變壓器中壓側(cè)、低壓側(cè)斷路器三相TA，簡(jiǎn)易母線保護(hù)為復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)，圖4所示為簡(jiǎn)易母線保護(hù)主接線示意圖。下面以圖4所示示意圖中故障點(diǎn)進(jìn)行主變中壓側(cè)故障和中壓側(cè)線路故障為例進(jìn)行分析。

1）2號(hào)主變中壓側(cè)分支K1故障

當(dāng)2號(hào)主變中壓側(cè)分支K1故障時(shí)，TA4處檢測(cè)到故障電流超過(guò)簡(jiǎn)易母線保護(hù)定值，且無(wú)外部線路保護(hù)閉鎖條件，簡(jiǎn)易母線保護(hù)動(dòng)作出口跳閘本支路4DL。為了驗(yàn)證簡(jiǎn)易母線保護(hù)動(dòng)作可靠性，本文在變電站中模擬主變中壓側(cè)故障，2號(hào)主變中壓側(cè)簡(jiǎn)易母線定值設(shè)置見(jiàn)表3。

圖4 簡(jiǎn)易母線保護(hù)主接線示意圖

表3 2號(hào)主變中壓側(cè)簡(jiǎn)易母線定值

表4 中壓側(cè)簡(jiǎn)易母線保護(hù)定值

將2號(hào)變中壓側(cè)342開(kāi)關(guān)（4DL）及中壓側(cè)分段340開(kāi)關(guān)（11DL）合上，對(duì)1號(hào)主變中壓側(cè)合并單元輸入故障電流，由于中壓側(cè)簡(jiǎn)母延時(shí)3不投入，故將故障時(shí)間設(shè)置為550ms。采用中元華電CAPP2008故障分析軟件對(duì)站域保護(hù)動(dòng)作波形進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 母線保護(hù)動(dòng)作情況及錄波波形

由圖5可見(jiàn)，0ms時(shí)簡(jiǎn)易母線保護(hù)整組起動(dòng)；199.5ms站域保護(hù)2號(hào)主變中壓側(cè)簡(jiǎn)母延時(shí)1動(dòng)作，跳開(kāi) 1號(hào)主變中壓側(cè)分段340開(kāi)關(guān)；499.5ms時(shí)中壓側(cè)簡(jiǎn)母延時(shí)2動(dòng)作，跳開(kāi)1號(hào)主變中壓側(cè)341開(kāi)關(guān)，動(dòng)作值、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作邏輯符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于簡(jiǎn)易母線保護(hù)的要求。

2）2號(hào)主變出線L1中K2處故障

當(dāng)2號(hào)主變中壓側(cè)出線L1中K2處出現(xiàn)故障時(shí)，由于6DL處配置有線路保護(hù)裝置，其過(guò)流保護(hù)起動(dòng)信號(hào)通過(guò)GOOSE送至站域保護(hù)裝置閉鎖2號(hào)主變簡(jiǎn)易母線保護(hù)，2號(hào)主變簡(jiǎn)易母線保護(hù)被閉鎖，可靠不動(dòng)作。本文以 35kV線路開(kāi)關(guān)分位和合位情況下模擬線路故障情況。

表5 35kV線路3405保護(hù)定值

（1）當(dāng)35kV線路開(kāi)關(guān)處于分位時(shí)

對(duì)2號(hào)主變中壓側(cè)342開(kāi)關(guān)與35kV線路3405開(kāi)關(guān)共同施加8.75A的故障電流，故障持續(xù)時(shí)間為700ms。動(dòng)作情況及故障錄波如圖6所示。0整組起動(dòng)，14.5ms外部閉鎖1開(kāi)入（3405保護(hù)起動(dòng)GOOSE信號(hào)關(guān)聯(lián)站域保護(hù)的中壓側(cè)外部閉鎖 1），15ms整組起動(dòng)結(jié)束，外部閉鎖信號(hào)持續(xù)至故障消失。

圖6 3405分位簡(jiǎn)易母線保護(hù)動(dòng)作及錄波波形（276）

由圖 6可見(jiàn)，當(dāng) 3405線路出現(xiàn)故障時(shí)，3405保護(hù)裝置整組保護(hù)起動(dòng)，3405保護(hù)向站域保護(hù)發(fā)外部閉鎖信號(hào)開(kāi)入，從而閉鎖2號(hào)主變中壓側(cè)簡(jiǎn)易母線保護(hù)，直至故障消失，不致出現(xiàn)因某線路故障而致整條母線掉閘的事故發(fā)生。

（2）當(dāng)35kV線路開(kāi)關(guān)處于合位時(shí)

定值保持不變，將3405開(kāi)關(guān)合上，其動(dòng)作行為和錄波波形如圖7所示。

圖7 簡(jiǎn)易母線保護(hù)動(dòng)作情況及錄波波形（473）

3405保護(hù)裝置動(dòng)作，跳開(kāi) 3405開(kāi)關(guān)，同時(shí)向站域保護(hù)發(fā) GOOSE閉鎖命令，但是保護(hù)動(dòng)作只能閉鎖站域保護(hù)200ms，若200ms后故障還沒(méi)有切除，則此時(shí)站域保護(hù)整組起動(dòng)，由于故障還未結(jié)束，所以簡(jiǎn)母延時(shí)1動(dòng)作跳開(kāi)中分段開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)論

本文研究成果成功應(yīng)用于山西某新一代智能變電站，創(chuàng)新了智能變電站繼電保護(hù)模式，實(shí)現(xiàn)了從面向元件向面向系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，從面向?qū)ο笙蛎嫦蚬δ苻D(zhuǎn)變，提升了保護(hù)可靠性、靈敏性與選擇性。通過(guò)研究得到以下結(jié)論。

1）本文主要針對(duì) 110kV線路冗余保護(hù)和變低冗余后備保護(hù)的性能進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新一代智能變電站站域保護(hù)能夠更好地對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

2）站域保護(hù)控制裝置彌補(bǔ)了就地級(jí)保護(hù)的不足，使電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制功能更加完善。站域保護(hù)控制裝置的推廣應(yīng)用可望進(jìn)一步提高智能變電站及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，具備顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

3）站域保護(hù)控制裝置能夠采集全站的模擬量和開(kāi)關(guān)量信息，可識(shí)別變電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用合適的算法和控制策略可使其保護(hù)性能進(jìn)一步提升。

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