大電網實現信息冗余的廣域后備保護系統

田聰聰,文明浩

(華中科技大學電氣與電子工程學院,湖北武漢 430074)

隨著互聯大電網的發展,電力網絡結構也日益復雜和龐大,傳統的后備保護由于其復雜的配合關系和時間延時,已經成為大電網的安全隱患。北美電力可靠性委員會(NERC)統計了17年的事故數據,結果發現63%的電力系統事故與繼電保護的不正確動作有關[1]。為了提高繼電保護系統的性能,廣域后備保護系統被越來越受到關注,隨著測量、計算機及通信技術的快速發展,廣域后備保護系統的研究工作也越來越深入[2-7],其中基于方向比較原理的廣域后備保護算法[8-10],需要的信息量少而且算法簡單,是一種目前研究較多的算法,但在故障信息缺失情況下會造成故障范圍的擴大,切除故障的時間有一定的延遲。文獻[11]和文獻[12]在傳統數字式線路保護基礎上,采用了基于主保護和傳統階段式保護動作信息的專家系統,不僅簡化了廣域后備保護配置,而且算法簡單和可靠。為了進一步簡化廣域后備保護配置和提高信息的冗余度角度,本文提出一種利用方向信息和線路保護裝置距離I段信息的廣域后備保護新算法。采用該算法的廣域后備保護系統,在結構上采用變電站集中式,系統一旦發生故障,廣域后備保護系統可以根據本站和相鄰站的方向信息和距離信息及實時的網絡拓撲結構形成一次設備和方向元件的關聯矩陣,在信息缺失時利用信息的冗余,對保護范圍內的一次設備進行故障判斷。該算法需要的信息量少、原理簡單,而且有很高的信息冗余度,可以適應信息缺失的情況,達到提高廣域后備保護系統性能的目的。

1 廣域后備保護系統

本文提出的廣域后備保護系統,在結構上采用變電站集中式,即保護系統安裝在變電站內;通過搜集保護系統所在變電站以及相鄰變電站內保護裝置內廣域保護系統功能模塊的信息,可以準確地判斷故障元件。該廣域繼電保護系統的結構見圖1。

圖1 廣域繼電保護系統結構

廣域后備保護系統的保護范圍,包括變電站內所有的一次設備和出線,其中一次設備又包括了站內所有的母線和變壓器。為了提高信息的冗余確保正確判斷故障元件,每套保護裝置的內部都安裝了1個廣域保護系統功能模塊,用來測量保護安裝處的故障方向和采集斷路器的實時信息,以獲取本保護裝置的距離I段動作信息。在系統故障時,廣域后備保護系統根據本變電站上傳的故障信息,判斷站內一次設備是否故障,并通過與相鄰變電站決策中心交換信息,獲取線路兩側的故障信息,判斷線路是否故障。廣域后備保護系統確定故障元件之后,由相應的保護裝置跳開故障元件的斷路器以隔離故障元件。由于后備保護系統利用的信息,是傳統保護裝置內廣域保護系統功能模塊內的信息,所以在實現線路、母線和變壓器廣域后備保護時,有關的信息是互相獨立的。

方向信息是指保護裝置內方向元件的判斷信息,通常任何1個一次設備方向信息的缺失,都不會影響其他一次設備的方向信息,而且某個一次設備缺失的方向信息還可以用相鄰一次設備對應的方向信息替補。方向信息傳遞的實例示意見圖2。

圖2 方向信息傳遞示意

圖2中的元件1和元件2是線路L1的方向元件;元件2,元件3和元件5是母線B2的方向元件。在廣域后備保護系統的運行中,當線路L1的方向元件2信息缺失時,由于母線B2上的方向元件2和線路L1的方向元件2的電壓和電流,來自同1個電壓互感器(TV)和電流互感器(TA),所以母線B2上的方向元件2的信息,可以作為線路L1上的方向元件2信息的替補,這樣相當于一次設備的每個方向元件都冗余配置了另一套方向元件(母聯斷路器處方向元件除外),從而提高了后備保護系統的可靠性。

為了防止線路一側信息缺失對線路故障判斷造成的影響,新方案引入了線路保護裝置距離I段的信息,可以依據就地信息實現故障的快速定位;由于該信息為線路保護裝置已有距離I段保護的動作信息,信息來源簡單可靠。由于廣域后備保護系統在利用該信息時,通信系統只需傳輸距離I段是否動作的邏輯信號,因此通信的負擔輕,有利于提高廣域后備保護系統的性能。

2 廣域后備的保護算法

廣域后備保護采用方向信息與距離Ⅰ段信息共同作用實現故障判斷。系統故障時,廣域保護系統功能模塊根據保護元件的判斷信息,賦予保護元件輸出值;廣域后備保護系統根據收集到的方向元件輸出值,結合一次設備和方向元件的原始關聯矩陣,形成一次設備和方向元件的關聯矩陣,利用關聯矩陣對故障定位,同時利用線路保護裝置內的距離Ⅰ段,實現對線路故障的快速定位。兩種保護元件的相互輔助,共同實現故障的判斷,從而提高了廣域后備保護系統的可靠性。

2.1 保護元件的賦值

保護元件在系統故障時要求能夠靈敏地作出反應。廣域后備保護系統采用的保護元件包括方向元件和距離元件。方向元件的方向信息指示明確、簡單可靠,并且很容易從電網中獲取,特別是采用邏輯量傳輸通信負擔小。距離元件的Ⅰ段作為線路的主保護,故障定位信息明確,易于利用。

(1)方向元件 方向元件的值通常以指向被保護元件為正,但在廣域后備保護系統中,母聯斷路器處的方向元件可以指向母線,則該母線的母聯斷路器方向元件值為正。這樣,每個方向元件的輸出值可能為:

為了提高方向元件判斷的準確性,同時可以對某個方向元件采用多種算法,然后把各種算法的綜合判斷結果,作為該方向元件的判斷結果。假設方向元件有零序、負序和工頻變化量方向元件,廣域后備保護系統將根據這些方向元件的綜合判斷結果,最終確定方向元件的判斷結果。

(2)距離元件 由于距離保護的I段對線路故障的判斷具有明確的方向性和定位性(設距離I段保護范圍為線路全長的80%),不需要互相配合就可以依據單端量快速定位故障。因此每個距離元件的輸出值可能為:

為了提高判斷的準確性,距離元件可利用線路保護裝置中工頻變化量距離保護的動作信息來實現快速故障定位,進而快速切除距離I段保護范圍內的故障。

2.2 故障的定位

廣域后備保護系統先根據網絡拓撲結構形成站內一次設備和方向元件的原始關聯矩陣[7,13-14]存儲于廣域后備保護系統內。該關聯矩陣有m× n個元素組成,其中m為廣域后備保護系統范圍內的一次設備數目,n為廣域后備保護系統保護范圍內的方向元件數目。

如圖2例圖所示,母線B2所在變電站的一次設備和方向元件的原始關聯矩陣為:

式中的每1行代表1個一次設備,每1列代表1個方向元件;矩陣中的“+”表示一次設備與方向元件關聯;“×”表示一次設備與方向元件不關聯。

電力系統發生故障后,廣域后備保護系統根據收集到的本站和相鄰站的方向元件信息,對關聯矩陣進行賦值。賦值時,將與一次設備關聯的方向元件的輸出值賦給原始關聯矩陣中對應的元素,與一次設備不關聯的方向元件對應元素賦值為0。如圖2示例中的母線B2發生故障時,所在變電站一次設備和方向元件的關聯矩陣應為:

從關聯矩陣中可以看出,與同1列中的方向元件關聯的一次設備是相鄰的并“共用”該方向元件,所以該方向元件對故障的感受是相同的,但因規定為正方向的緣故,判斷的方向相反。根據方向元件信息完整情況的不同,廣域后備保護系統故障的判斷可以分為幾種情況。

(1)所有方向元件均有輸出值時,廣域后備保護系統依據方向元件的輸出值,直接對一次設備進行故障判斷。

(2)一次設備某一方向元件信息缺失而沒有輸出值時,廣域后備保護系統進行冗余運算,即尋找關聯矩陣對應列中其他一次設備關聯的方向元件的輸出值,以此值的負值作為該方向元件的輸出值,然后再進行故障判斷。

(3)母聯斷路器處方向元件信息缺失或連接母線與變壓器的斷路器處方向信息缺失(冗余運算后)時,廣域后備保護系統將該兩相鄰一次設備保護區合并成一個新的保護區,由與新保護區關聯的方向元件判斷該新保護區是否故障。若新保護區故障,廣域后備保護系統先將連接兩相鄰一次設備的斷路器跳開,然后再由其各自關聯的方向元件(此時不需要已跳開斷路器處的方向元件)分別進行故障判斷。

(4)輸電線路一側的斷路器處方向信息缺失(冗余運算后)時,如果輸電線路另一側保護裝置的距離I段動作,則該保護裝置跳開本側斷路器。同時距離I段的動作信息通過廣域保護系統功能模塊上傳至本側決策中心,對側決策中心通過與本側決策中心交換信息,獲取輸電線路故障的信息,然后由對應的保護裝置跳開該側的斷路器。這樣,由線路兩側決策中心的互相通信,實現故障元件的切除。

廣域后備保護系統可以依據方向信息對故障進行判斷,只要形成的關聯矩陣方向信息完整(包括經冗余運算后),廣域后備保護系統就可以根據方向元件信息,確定一次設備的故障門檻值及故障綜合值,再由判據式判斷該一次設備是否為故障元件。一次設備為故障元件的判據為:

式中:Fout(i)為一次設備故障綜合值,即系統故障時一次設備所對應的所有方向元件輸出值之和;n為后備保護范圍內方向元件個數;Tij為關聯矩陣中第i行第j列的元素值;Fset(i)為一次設備對應的故障門檻值。

一次設備故障門檻值,取決于與一次設備關聯的方向元件數目,可以根據一次設備和方向元件的關聯矩陣求得。例如普通兩端線路故障門檻值為2,對于T形線路為3,三圈變壓器為3,母線的故障門檻值則由其關聯的方向元件數而定。

3 算例分析

圖3為某220 kV變電站的結構示意圖。圖中數字1—17表示保護裝置對應的方向元件的編號(對于線路還表示對應的距離元件的編號,與斷路器一一對應),L1—L4表示輸電線路,B1—B9表示母線,T1和T2為三圈變壓器。

圖3 某220 kV變電站的結構示意

以圖3所示的變電站1為例,對廣域后備保護的新算法進行驗證。這里僅介紹方向元件信息缺失時,廣域后備保護系統對故障的判斷及切除策略。

通常,在所有方向元件輸出值都正確的情況下,利用一般的算法,廣域后備保護系統是可以準確判斷故障元件的[7,9]。但是,方向元件信息缺失時,傳統算法將無法正確判斷故障。本文提出的算法,可以通過與相鄰元件的“共用”方向信息,修正缺失的方向信息,同時還可通過距離Ⅰ段的信息,實現線路故障的快速定位,很好地改善了信息缺失對廣域后備保護故障判斷的影響。

(1)線路L1在K 1點發生故障,但是由于某些原因線路L1的方向元件2信息缺失(對應元素的值為0),所得變電站內一次設備和方向元件的關聯矩陣為:

在關聯矩陣方向元件2對應的列中,母線B1的方向元件2的值為-1,根據上述“共用”的概念,可以認為線路L1的方向元件2的值應為1,從而將其從0修正為1,再進行故障判斷。利用式(1)和式(2)進一步判斷,可以判斷線路L1為故障元件。由此可以看出,利用信息的冗余可以提高后備保護的性能。

(2)當母線B1在K 2點發生故障同時母聯斷路器5處方向元件5信息缺失時,決策中心將母線B1和母線B2這兩個保護區合并,利用方向元件2,元件6,元件4和元件9判斷新的合并區故障。由于采用這種方法,決策中心無法確定故障發生在母線B1還是母線B2,需要先發跳閘命令將母聯斷路器5跳開,然后根據各自關聯的方向元件,分別對母線B1和B2進行故障判斷。若母線關聯的方向元件(此時不需要方向元件5)都判斷為母線故障,則該母線為故障元件。相關的關聯矩陣為:

可以看出,當母聯斷路器5跳開后,母線B1的兩個方向元件均判斷母線B1故障,而母線B2的方向元件4判為母線B2外故障,所以廣域后備保護系統判斷為母線B1故障。母線B1在K2點發生故障,連接母線B1和變壓器T1的斷路器6處方向信息缺失時,廣域后備保護系統進行同樣的處理。

(3)變電站出線發生故障而線路一側斷路器處方向信息缺失時,廣域后備保護系統依據線路的距離元件進行故障的判斷和切除。當線路L1在K 1點發生故障(假設K 1點在斷路器2的距離I段保護范圍內),并且斷路器1處方向信息缺失時,斷路器2的距離I段判斷出本線路故障后迅速跳開斷路器2,本裝置距離I段信息同時上傳至本站決策中心;變電站2的決策中心通過與變電站1的決策中心互通信息,獲取線路L 1故障的信息及斷路器2的跳閘信息后,通過相應的保護裝置跳開斷路器1,從而切除故障線路。

如果K1點在斷路器2的距離I段保護范圍之外,此時變電站1和變電站2互通信息,根據網絡拓撲結構,由方向元件1、元件15和元件16,判斷出新的保護區故障后,由變電站2的決策中心通過相應的保護裝置跳開斷路器1,然后線路L1根據方向元件2判斷出線路故障,母線B1根據方向元件15和元件16判斷出沒有故障。這樣,在某處方向信息缺失時,廣域后備保護系統仍保證了保護的選擇性。

4 結論

本文提出了一種利用方向信息和距離I段信息實現廣域后備保護的廣域后備保護系統,該系統具有以下特點:

(1)新系統建立在傳統保護的基礎之上,使廣域后備保護的實現不需要對現有保護配置做很大的改造,投資少易于實現,而且后備保護的實現是利用動作信息,需要的信息量少,系統結構簡單。

(2)方向元件的“雙重化”配置,提高了信息的冗余,1套保護裝置內方向信息缺失時,可由相鄰設備保護裝置內的方向信息替補,極大地提高了廣域后備保護系統的性能。

(3)引入了線路保護裝置的距離I段信息,在線路發生故障而一側信息缺失時,可依據線路另一側距離I段信息判斷出線路故障,依據單端量實現了故障的快速定位。

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