超高壓輸電線路保護裝置自適應整定及性能優(yōu)化

李會新, 謝 俊， 王玉龍， 李 勇， 謝 華， 趙青春

(1. 國家電網(wǎng)公司華中分部, 湖北省武漢市 430077； 2. 柳煥章勞模創(chuàng)新工作室， 湖北省武漢市 430077；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇省南京市 211102)

0 引言

隨著電網(wǎng)的大規(guī)模建設，超高線路變得非常密集，在現(xiàn)實中電網(wǎng)運行方式和結(jié)構(gòu)在不斷變化，超高壓線路保護裝置的定值整定配合越來越困難，整定計算人員的工作量越來越大[1-2]，超高壓線路一套后備保護定值不可能實行完全配合，即使耗費大量工作后，對于解決失配的現(xiàn)象微乎其微。同時，各設備廠商保護裝置定值項多、煩、雜且某些定值的整定存在差異，對整定人員知識水平要求較高，存在人為誤整定的風險[3]。為此需要研究超高壓線路保護裝置的自整定及性能優(yōu)化。

為降低超高壓線路保護整定難度，提升系統(tǒng)安全運行水平，文獻[4-5]提出了針對離線的后備保護的整定原則進行對比分析，提出了可靠系數(shù)分折線的選取方法，但會導致人工整定出現(xiàn)可靠系數(shù)選擇混亂現(xiàn)象，也沒提及自適應整定的措施。文獻[6-9]均研究了現(xiàn)有距離保護自適應整定的方法，但對全套距離保護的優(yōu)化及運行方式調(diào)整時的適應性沒有研究，缺少主保護的整定探討。文獻[10]針對平行雙回線路兩側(cè)的相鄰線路零序電流不一定小于故障線路中的零序電流導致其反時限零序電流保護有可能無選擇性動作問題提出了基于廣域信息的零序反時限加速策略，但對于實際大電網(wǎng)廣域信息可操作性難度大，處理加速過程復雜。

為有效解決超高壓線路保護裝置的整定計算工作面臨的上述問題，針對超高壓輸電線路現(xiàn)有的各項設備參數(shù)、主保護和后備保護定值提出自整定原則方案，利用智能軟硬件條件下裝置可以獲取更多的信息，在線加速或自適應調(diào)整保護范圍，后備保護中主要實現(xiàn)全新和全套的距離保護以及零序反時限過電流保護的適應性策略，進而實現(xiàn)保護裝置的自整定，逐步將整定人員從整定計算的角色轉(zhuǎn)換為填寫的角色，極大地提升了工作效率，減少了前端和后端電網(wǎng)工作人員的工作量，保證了電網(wǎng)運行可靠性。

1 自整定原則方案

1.1 設備參數(shù)

對于裝置參數(shù)部分考慮保護線路的原始參數(shù)、保護線路的運行參數(shù)、電壓互感器(TV)/電流互感器(TA)參數(shù)，在裝置內(nèi)部預先定制標準的表格，由用戶填表一次值，裝置二次值自適應計算，將設備參數(shù)定值前置。

保護線路的原始參數(shù)：線路長度、正序阻抗、零序阻抗、零序互感、正序容抗、零序容抗等。無用、無關(guān)定值可以定制專用的無定義符號。

被保護線路的運行參數(shù)：通道類型、TV/TA參數(shù)等。根據(jù)運行參數(shù)裝置自適應具備應對過負荷、靜穩(wěn)破壞和暫穩(wěn)破壞的能力。

1.2 保護范圍分類

將保護定值根據(jù)保護范圍劃分為兩類。一類是保護范圍固定不受運行方式影響，如主保護、被保護的線路、被配合鄰線的縱聯(lián)保護和距離保護Ⅰ段，相鄰變壓器的差動保護;另一類是保護范圍不固定受運行方式影響，如被配合的零序過電流保護、距離保護Ⅲ段。這類保護要找到保護范圍很不容易，尤其當保護范圍伸出本線路，對側(cè)母線接有多分支，對每一個分支都存在一個保護范圍。但是，這些保護范圍是由一個保護定值決定的。因此，同原理保護配合往往是定值上的配合，即用配合定值乘以分支系數(shù)。不同原理保護配合就不能在定值上取得配合，這是因為各序網(wǎng)絡獨立，存在不同的電流分配系數(shù)，兩類保護定值沒有固定的關(guān)系。根據(jù)保護范圍的分類確定用戶前置定值和自整定后置定值，對于超高壓線路保護而言前置定值就剩下距離保護Ⅲ段和零序保護Ⅱ段。

1.3 差動保護

隨著“九統(tǒng)一”線路保護裝置的運用及定值簡化，差動定值整定只有差動動作電流定值。裝置通過自適應識別電容電流，考慮1.5倍靈敏系數(shù)自適應選擇不同電壓等級的接地高阻，從而完成裝置的自適應定值整定。

TA斷線差動定值由線路保護裝置兩側(cè)光纖交互TA參數(shù)，自適應整定時選取兩側(cè)TA一次值較小者，并考慮1.2的可靠系數(shù)來實現(xiàn)。

1.4 距離保護

本著加強主保護、簡化后備保護的思想,自整定計算也允許作相應的簡化，簡化整定計算就是默認某些失配。

距離保護Ⅰ段按可靠性進行整定，距離保護Ⅱ段按靈敏度進行簡化整定，距離保護Ⅲ段將結(jié)合靈敏度、選擇性由用戶前置定值整定。距離保護Ⅰ段可靠系數(shù)和Ⅱ段靈敏系數(shù)可由裝置內(nèi)置與長度相關(guān)的曲線函數(shù)選取[11-14]，根據(jù)對距離保護Ⅰ段的曲線函數(shù)，接地距離和相間距離的可靠系數(shù)分別表示為[13]：

(1)

(2)

式中：KK1和KK2分別為接地距離和相間距離Ⅰ段的可靠系數(shù)；L為被保線路長度。

針對距離保護Ⅱ段的曲線函數(shù)，下限和上限靈敏系數(shù)為[4]：

(3)

(4)

式中：Klm，min和Klm，max分別為接地距離和相間距離Ⅱ段的靈敏系數(shù)最小值和最大值。

對于零序補償系數(shù)而言，在裝置參數(shù)中增加“零序互感”參數(shù)，兩側(cè)線路保護裝置通過采集本站的母線運行信息、開關(guān)和刀閘位置信息交互完成雙回線或多回線的運行方式，接地距離保護Ⅰ段根據(jù)自適應識別雙回輸電線路的運行方式調(diào)整。

若自適應識別輸電線路的運行方式失敗時，則接地距離保護Ⅰ段零序補償系數(shù)為保證可靠性取K3；對于接地距離保護的Ⅱ和Ⅲ段的零序補償系數(shù)按雙回線并列運行時整定保證靈敏度，零序補償系數(shù)按K1自整定。

1.5 零序保護

零序保護一般僅用作切除高電阻接地故障，動作時間長于距離保護Ⅲ段，可以用定時限或反時限保護。零序保護Ⅱ段在整定中需要考慮末端接地故障有靈敏度，且躲過本線路非全相運行的最大零序電流，從而需要用戶結(jié)合實際電網(wǎng)自行整定。零序保護Ⅲ段按高電阻接地故障有靈敏度[14]，一次值取300 A，動作時間與重合閘時間配合。反時限零序過電流保護現(xiàn)采用標準反時限曲線且定值整定也統(tǒng)一。

2 自整定保護原理優(yōu)化方案

2.1 距離保護優(yōu)化

1)距離全長段

Ⅰ段與Ⅲ段(躲過振蕩周期)之間的時間間隙很寬，0～1.5 s，根據(jù)一般時間級差可以插入3至4個時間階梯。另外，Ⅰ段與Ⅱ段之間的距離空間和時間也很寬，可以輕松插入一個過渡段，從而距離保護可以再加入一段，即全長段，全長段加入后使得距離保護在時間和空間上的分布密集均勻，從而距離保護配置距離Ⅰ段、全長段、Ⅱ段和Ⅲ段。全長段考慮到系統(tǒng)的測量誤差整定取線路全長阻抗的90%，時間與相鄰線路距離保護Ⅰ段或縱聯(lián)保護配合，則接地距離全長段時間取0.3 s，相間距離全長段時間取0.5 s。

2)距離Ⅱ段加速

現(xiàn)有的距離加速往往只有手合和重合后加速，已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行要求。當輸電線路光纖保護存在因光纖通道同時故障或閉鎖時造成保護裝置失去主保護，當后備保護不加速時會影響故障切除時間，從而也可能擴大故障切除范圍。另外對側(cè)三跳時，當單端保護檢測到故障時可以加快切除以提高保護切除的可靠性和速度，讓后備保護得以完善，提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著站域保護、廣域保護的研究與推進，當站域和廣域決策信息給微機保護裝置實現(xiàn)加速動作時，可以觸發(fā)后備保護的加速邏輯，保證保護間的配合關(guān)系以適應系統(tǒng)保護的要求，從而降低擴大系統(tǒng)切除故障的風險。

增加新的距離Ⅱ段加速策略，如圖1所示。

圖1 觸發(fā)Ⅱ段后備保護加速邏輯圖Fig.1 Logic diagram of accelerating zone Ⅱ backup protection

圖1中當通道異常、“通道異常加速Ⅱ段后備”控制字投入和本側(cè)主保護投入時則實現(xiàn)加速，從而實現(xiàn)投入主保護的輸電線路因通道異常時退出后來加速切除故障，以避免不必要的損失。另外建立了光纖傳輸機制將對側(cè)斷路器位置信息傳給本側(cè)，當對側(cè)三跳本側(cè)單端運行時，從而加速Ⅱ段后備保護來加快切除故障。制定開放站域和廣域決策信息的加速接口來實現(xiàn)線路后備保護加速動作邏輯，降低擴大系統(tǒng)切除故障的風險，距離Ⅱ段的加速提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，同樣該邏輯也用于零序保護Ⅱ段。

3)反偏距離保護

當母線差動保護停運時，一般通過修改母線所連線路對側(cè)保護的后備定值來實現(xiàn)母線故障的后備保護。另外隨著區(qū)域和廣域母線故障信息的獲得，可以適當調(diào)整距離保護范圍，簡化流程提高效率，從而增加反偏距離保護并開放反偏接口便于母線差動保護停用，決策需要時再投入使用。反偏距離阻抗一次值取值不大，因只考慮到母線的阻抗，建議取5 Ω，且反向接地距離延時取0.3 s，相間建議取0.5 s。

結(jié)合距離全長段、距離Ⅱ段加速和反偏距離，得到優(yōu)化后的距離保護示意圖如圖2所示。圖2中在各段處給出的參考時間，前面為接地距離時間，后面為相間距離時間。

增加全長段、反偏距離保護以及完善距離加速后使得距離保護在后備中能保證線路全長和相鄰設備的故障，實現(xiàn)距離保護的動作特性隨運行方式自適應調(diào)整。

圖2 距離保護配合示意圖Fig.2 Cooperation schematic diagram of distance protection

2.2 零序反時限過電流保護的優(yōu)化

零序反時限過電流保護在故障時動作時間的快慢與故障電流大小成正比關(guān)系，主要用于高阻接地故障，目前線路保護采用的零序反時限特性方程[5]為：

(5)

式中：I0為零序電流；IP為零序反時限過電流定值；TP為時間常數(shù)，為零序反時限時間。

高阻接地時保護安裝處測量電壓為：

(6)

工作電壓為：

(7)

圖3 高阻接地距離元件電壓相量圖Fig.3 Voltage phasor diagram of high-resistance distance component

結(jié)合圖3，高阻接地的距離元件送端動作方程為：

(8)

(9)

受端動作方程為：

(10)

(11)

由式(8)至式(11)構(gòu)成的高阻接地距離元件不受過渡電阻的影響，從而具有較好的故障定位，即選擇性，在零序反時限過電流保護中增加高阻接地距離來提高零序反時限保護的選擇性，優(yōu)化后的零序反時限過電流保護邏輯圖如圖4所示。

圖4中將高阻接地的距離元件設定為三段，Ⅰ段保證區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻接地的可靠性取線路全長的70%，與零序反時限過電流定值結(jié)合后延時躲振蕩周期取2 s；Ⅱ段取線路全長的90%，延時取2.5 s；Ⅲ段為了保證靈敏度取線路的1.3倍，延時取3 s。當高阻接地距離元件不動作時則按反時限零序動作，此時對于定值“零序反時限配合時間”在整定時要求時間大于3 s，建議取3.5 s。零序反時限與高阻接地距離元件的配合可以提高保護范圍內(nèi)的單相高阻接地短路的靈敏度，從而適當?shù)乜s短零序反時限的動作延時，降低零序反時限越級誤動的風險。

圖4 優(yōu)化后零序反時限過電流保護邏輯圖Fig.4 Logic diagram of zero-sequence inverse-time over-current protection after optimization

3 算例及仿真分析

3.1 用戶定值單前置示例

定值簡化自整定后,用戶需要填寫和整定的定值則簡化。從而對于線路而言，用戶填寫和整定的前置定值改為如附錄A表A1所示。

在裝置實現(xiàn)自適應定值整定后，設備參數(shù)部分由用戶填寫，用戶只需要整定零序過電流保護Ⅱ段和距離保護Ⅲ段，從而減少了人工計算環(huán)節(jié)，提高了工作效率。

3.2 距離保護系數(shù)選擇算例

結(jié)合式(1)至式(4)，在自整定中接地距離保護可靠系數(shù)和相間距離保護的靈敏系數(shù)與線路長度關(guān)系如表1所示。從表1分析發(fā)現(xiàn)，距離保護Ⅰ段整定可由裝置根據(jù)用戶輸入的線路參數(shù)，如長度、阻抗等，自行完成，減少了用戶的工作量。距離全長段實現(xiàn)取線路全長90%的阻抗自整定。實現(xiàn)Ⅱ段自整定時，直接根據(jù)線路的長度距離保護Ⅱ段靈敏度取距離下限靈敏系數(shù)Klm,min。距離保護Ⅲ段需考慮配合后人工干預進行整定，同時將距離上限靈敏系數(shù)Klm,max作為驗證是否滿足本線下限靈敏度要求，如果不滿足則直接按下限靈敏度整定，距離保護Ⅰ段和Ⅱ段的自整定減少了人工整定工作量，將人工整定的Ⅲ段與靈敏度上限校核減少人為誤差，進而降低失配的風險。

3.3 零序反時限優(yōu)化仿真

零序反時限過電流保護中因分汲支路的影響導致其誤動，從而為了驗證零序反時限優(yōu)化后的性能，在PSCAD軟件建立如圖5所示的500 kV仿真系統(tǒng)模型。

圖5仿真系統(tǒng)模型中線路L1全長50 km，線路L2為雙回線全長為100 km，線路的單位正序阻抗Z1=0.02+j0.28、單位零序阻抗Z0=0.183+j0.86 和ZL2分別為線路L1和L2的線路全長阻抗，α為保護3距故障點所占線路L2百分比。結(jié)合零序反時限優(yōu)化方案，對于線路L1，高阻接地距離保護Ⅰ段元件取9.83 Ω，Ⅱ段元件取12.63 Ω，Ⅲ段元件取16.84 Ω；對于L2取相應的倍數(shù)。零序反時限電流定值一次值取300 A，零序反時限時間定值取0.4 s，配合時間取3.5 s。

表1 線路系數(shù)、保護范圍長度變化與線路長度關(guān)系Table 1 Relationship between line coefficient, length change of protection range and line length

在圖5中系統(tǒng)在線路L2一回線上分別對在α=0,α=50%,α=100%處的故障進行仿真，同時，在各故障點分別模擬高阻為0,50,100,200,300 Ω單相接地后零序反時限過電流保護優(yōu)化前后的動作

特性，記錄保護3動作情況的同時并記錄保護3動作時保護1的動作情況，仿真過程中故障一直存在，α=0,50%,100%故障時的各判據(jù)元件動作行為分別見表2至表4。

圖5 PSCAD仿真系統(tǒng)模型Fig.5 Simulation system model in PSCAD

表2 α=0處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 2 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=0

表3 α=50%處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 3 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=50%

表4 α=100%處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 4 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=100%

從表2至表4中仿真結(jié)果可看出，高阻接地距離元件隨著過渡電阻的增大靈敏度降低，但能提高零序反時限保護的選擇性，在線路L2一回線中間和末端故障時，因為外汲分支的存在，保護1流過的電流比保護3大很多，從而當零序過電流反時限保護不優(yōu)化時，因反時限保護故障電流越大動作越快且兩保護定值一致時，保護1會出現(xiàn)超越誤動，仿真中保護1誤動的情況見表2至表4。優(yōu)化后的零序反時限通過增加高阻接地距離元件后對于保護的選擇性有所提升，從而只有當線路末端高阻接地時零序反時限過電流保護才會出現(xiàn)誤動的可能，一般在誤動前已由對側(cè)優(yōu)化后的零序反時限過電流保護動作切除，從而保護1就不會因外汲而誤動，從而優(yōu)化后的零序反時限過電流保護在一定程度上提高了其選擇性，避免了一些系統(tǒng)運行方式下超越誤動，同時給零序反時限過電流保護定值的統(tǒng)一性提供借鑒。

4 結(jié)語

隨著超高壓輸電線路保護定值的統(tǒng)一化和保護裝置的智能化，為保護裝置從離線整定到自整定的角色轉(zhuǎn)換提供了便利條件。通過從用戶整定定值前置、自適應整定定值后置、自適應整定原則出發(fā)提出了各保護定值自整定的方案，其中主保護定值簡化固化，距離保護制定長度曲線函數(shù)，優(yōu)化零序補償系數(shù)的選擇，并提出距離保護所需改進的思路來提升保護裝置性能。基于電壓相量法的高阻距離識別元件提高零序反時限過電流保護選擇性后實行加速，為超高壓線路保護自整定裝置的開發(fā)提供明確的理論基礎，大大減輕現(xiàn)有整定工作量和降低人為錯誤。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

李會新(1973—),男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護及專業(yè)管理。

謝 俊(1980—),男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護及專業(yè)管理。E-mail: xjvhj@163.com

王玉龍(1988—),男,通信作者,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護及開發(fā)。E-mail： wanglonglon@163.com