區(qū)域輸變電網(wǎng)故障防范措施

李 東 王友深

（大唐興安盟新能源有限公司，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

傳統(tǒng)的輸變電網(wǎng)的線路主保護設(shè)備以及電網(wǎng)的后備保護方面存在著一些不足，諸如主保護設(shè)備的通道設(shè)備可用性、可靠性以及保護設(shè)備的靈敏度亟待加強。而后備保護的不足主要表現(xiàn)在單端信息測量導致的電網(wǎng)故障定位精度低方面。同時，隨著環(huán)網(wǎng)光纖已經(jīng)接入大部分的變電站，雖然不能完全確保任意兩個變電站之間實現(xiàn)直接通信，但是可以建立起下層所有變電站與電力調(diào)度部門之間的直接通信網(wǎng)絡，形成通信信息集成體系，且能夠使得通信速度達到2MB/S以上，基本實現(xiàn)了所有保護設(shè)備與裝置之間的信息共享，給電網(wǎng)故障的定位提供了對應的通信信息技術(shù)基礎(chǔ)[1]。由此看來，當前電網(wǎng)的繼電保護系統(tǒng)在保護原理以及實現(xiàn)手段方面都有了較大的發(fā)展和技術(shù)上的創(chuàng)新。在保證傳統(tǒng)的主保護與后備保護功能實現(xiàn)的前提之下，在兩者之間加設(shè)一道防線 (區(qū)域保護系統(tǒng))。

利用該區(qū)域保護系統(tǒng)，將緊密關(guān)聯(lián)的若干條線路作為一個整體的被保護區(qū)域，區(qū)域之中的各個保護裝置通過通信光纖進行信息通信，協(xié)助傳統(tǒng)的主保護以及后備保護設(shè)備工作，最終形成一個安全動作可靠的繼電保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)意義下的繼電保護系統(tǒng)存在的一個最大差別就是該系統(tǒng)的動作速度，本系統(tǒng)屬于防護級別的動作速度，其反應速度比后備保護系統(tǒng)的速度響應快，能夠在擾動發(fā)生之后的電磁暫態(tài)階段進行迅速抑制。這與其他的必須等到擾動發(fā)展到機電暫態(tài)階段才能動作存在著明顯的速度差別，對區(qū)域電網(wǎng)的故障保護具有積極意義。

圖1 分層式區(qū)域保護系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1 分層式區(qū)域電網(wǎng)保護系統(tǒng)實現(xiàn)的基本原理

從信息論的角度來看，當一個系統(tǒng)從外界獲得信息越多、信息的內(nèi)容越詳細時，該系統(tǒng)對信息進行再加工，諸如綜合利用、采納等行為的冗余程度、對外界信息的容錯能力也就變得更強。而對于一個電力系統(tǒng)網(wǎng)絡，當電力調(diào)度中心從所有的變電站獲得對應的測量信息之后，更多、更詳細的信息將使得其具有更加強大的能力對電網(wǎng)的故障部位進行定位。但是，這同時也容易給系統(tǒng)帶來延遲、動作延緩等問題，尤其是對系統(tǒng)速動性能產(chǎn)生負面影響。同時，當大量的信息積聚到一個決策點時，將導致系統(tǒng)的中央信息決策單元受到“維數(shù)災”的問題[2]，導致其求解決策不能實現(xiàn)。在實際的應用過程中，通常區(qū)域電網(wǎng)的發(fā)生一條故障線路時，與其緊密相關(guān)的線路只在那么一個小的區(qū)域當中，與整個區(qū)域電網(wǎng)之間的耦合關(guān)系并不太強，所以對局域電網(wǎng)故障線路的定位不需要對整個區(qū)域網(wǎng)絡的信息進行分析處理。而是將整個電網(wǎng)劃分成為幾個關(guān)鍵區(qū)域，區(qū)域當中的保護裝置與設(shè)備僅對本區(qū)域當中的設(shè)備負責，形成區(qū)域電網(wǎng)的故障防范與保護體系，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

該系統(tǒng)主要3個層次的結(jié)構(gòu)，將若干條密切相關(guān)的線路構(gòu)成一個整體的區(qū)域，在系統(tǒng)最底層的屬于本地測量層LMU（Local Measure Unit），主要設(shè)置在該區(qū)域當中的相關(guān)變電站當中，其牽引出來的端口數(shù)根據(jù)被保護線路的具體情況決定。例如，LMU1包括LMU1-L1和LMU-L2兩個端口，在圖1中用小方塊加以表示。LMU主要負責對變電站的信息進行實施才進，并確保對應的算法擁有對應的執(zhí)行單元來保證其得到運輸，并最終獲得精確的故障測量信息，包括多條線路的具體故障方向、位置等信息。同時，這個系統(tǒng)還能夠負責將從下層變電站獲得的測量信息經(jīng)過初步處理之后上傳到?jīng)Q策網(wǎng)絡層，并將網(wǎng)絡決策層反饋的信息予以執(zhí)行。

而中間層則是系統(tǒng)的區(qū)域決策層，主要包括RDU（Region Decision Unit）。通常，一個區(qū)域保護系統(tǒng)配備有一臺 RDU，利用它來與本區(qū)域當中的LMU進行光纖通信。在正常的保護系統(tǒng)運行過程中，對本區(qū)域當中的LMU實時運行狀況進行監(jiān)控。一旦檢測到擾動，將對LMU上傳的信息進行綜合分析與處理，并及時的作出對應的響應決策。之后，在將決策信息下傳到LMU，執(zhí)行對應的操作，諸如閉鎖、切斷斷路器等的同時，將決策結(jié)果上傳到系統(tǒng)的最頂層決策中心 SMC（System M onitor Center），該中心是調(diào)度通信中心，主要的工作是對各個區(qū)域的所有保護系統(tǒng)、電氣量進行實時的監(jiān)控，并加以顯示，在這個基礎(chǔ)上將對應的估值記錄加以分析并進行保護定值的精確修改等工作。整個區(qū)域保護系統(tǒng)采用的是樹形結(jié)構(gòu)，通過明確的分工、分明的層次以及靈活的工作方式，使得各個區(qū)域的工作在獨立、不相互干擾的前提下，與終端配合、協(xié)調(diào)工作。

在這里，需要注意的一點就是不能被系統(tǒng)所覆蓋的地方都有可能存在著誤動作或者是拒動作的問題，因此最好的方式就是要使得RDU能夠完全覆蓋整個系統(tǒng)。但是，由于受到硬件條件的限制，尤其是在通信量以及數(shù)據(jù)處理能力方面的制約，一般只能夠在能量交匯處的關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置RDU。加之整個系統(tǒng)的實際大小并不能確定，因此不可能通過固定的判據(jù)來來對能量交匯處的關(guān)鍵區(qū)域進行判斷，通常是通過調(diào)度人員依靠經(jīng)驗以及系統(tǒng)自主的運行方式。所以，整個區(qū)域保護系統(tǒng)一般是由包括系統(tǒng)規(guī)劃人員、運行人員以及保護整定人員在內(nèi)的三方進行確定。

2 LMU中各個部件的具體功能

2.1 起動部件

可以將整個系統(tǒng)的起動部件分為突變量起動部件零序電流起動部件兩種。一旦系統(tǒng)檢測到其中一個點出現(xiàn)故障，與故障點最近的那個 LMU將會及時的檢測到故障并馬上自主起動，而其他與故障點距離較遠的 LMU則會因為設(shè)備的整體靈敏度達不到檢測范圍而不能起動。因此，一旦某一個 LMU起動，應該將起動信息上傳到 RDU，并通過 RDU將信息通知到該區(qū)域電網(wǎng)的其他LMU，開始進行故障處理。這種起動方式必將導致通信速度的降低，導致動作的延遲[3]。而導致動作延緩時間的長短則主要是與系統(tǒng)所采用的硬件條件、通信網(wǎng)絡的網(wǎng)際通信協(xié)議等直接相關(guān)。因此，這時控制系統(tǒng)中的LMU對電網(wǎng)當中突變量的提取工作就會變得不那么穩(wěn)定。此時的部件測量工作將會采用基于穩(wěn)態(tài)量的方向測量方式來進行、判斷。

2.2 測量部件

系統(tǒng)的序分量保護是故障分量中穩(wěn)態(tài)分量的保護部分，具體包括這樣兩個基本特點：

1) 只有當故障出現(xiàn)時才會出現(xiàn)，而正常時則為零。在振蕩的過程中，由于三相電氣量同時發(fā)生變化，這時測量部件也不會對振蕩發(fā)生反應。

2) 只會從施加在一個故障點的電動勢產(chǎn)生，所以其動作行為不會受到來自過渡電阻的影響與控制。

正是基于零負序方向元件具有這方面的優(yōu)越性，其得到了廣泛的應用。當使用零序方向元件時，在故障出現(xiàn)在保護的正方向時：

而線路的末端發(fā)生故障時，故障的分量電流通常比較小，且不夠靈敏，這時將單一的U0補償成為U0-I0ZY，將有利于故障靈敏度不足問題的消除。當在反方向發(fā)生故障時，加入的不錯可能導致極化電壓下降，這時就不需要對之進行補償，直接利用下面的式子：

負序方向元件的工作原理與零序元件的工作原理類似，在這里不再贅述。

2.3 選相部件

由于序分量的方向部件所獲得的測量信息并不能完全指示出對應的估值部位，尤其是在要求達到分相跳閘、分相重合的目的時，需要與選相部件配合使用才能達到目的。當前，廣泛使用的選相部件主要包括：兩相電流差突變量選相部件、阻抗選相部件以及序分量選相部件。從上文的分析來看，在分層區(qū)域保護系統(tǒng)的整體模式之下，由于靈敏度的問題，系統(tǒng)的突變量可能不能持續(xù)而穩(wěn)定的得到，所以這里只采用考慮序分量和阻抗即能夠達到選相的目的[4-5]。但是，在系統(tǒng)進行選相的過程中，序分量的選相部件工作過程中容易發(fā)生一些問題，尤其是在區(qū)域網(wǎng)絡中出現(xiàn)多點故障問題時，區(qū)域網(wǎng)絡的序分量選相部件所獲得的比相結(jié)果將變得不可靠，選相將變得不正確。

所以，分層區(qū)域電網(wǎng)保護系統(tǒng)的選相部件采用的是阻抗選相方式，使得距離繼電器的測量方式得到了可靠保證。只需要故障線路中的各個故障點與被保護處之間沒有存在其他的分支線路即可，這樣就可以完全保證所測量得到的方向結(jié)果是完全正確的。但是，阻抗選相元件在采用單項高阻抗接地方式時，對應的靈敏度將不足，而高阻故障通常是區(qū)域電網(wǎng)故障處理中必須進行的反應。由此看來，兩種選相部件都有其對應的優(yōu)點與缺點，系統(tǒng)在采用的過程中可以考慮采用邏輯組合額的方式實現(xiàn)特性互補，最終得到一個適合分層區(qū)域電網(wǎng)保護系統(tǒng)的選相組合部件。

當將系統(tǒng)的保護功能起動完成之后，各個LMU都應該及時的顯示出序分量的實時選相和阻抗選相過程中存在的故障相別，并立即將這些信息上傳到RDU中。在RDU中對比線路兩側(cè)的阻抗選相結(jié)果，當結(jié)果相同時則判斷該點為故障相。

3 RDU的決策原理

3.1 決策的基本程序

保護系統(tǒng)的兩個測量指標就是動作的響應快慢以及可靠程度，所以在分層區(qū)域電網(wǎng)的保護系統(tǒng)當中，尤其是系統(tǒng)的指令決策過程中，應該盡可能的避免使用復雜而繁瑣的邏輯判斷指令。其具體的實現(xiàn)程序包括如下兩步：

其一，當電網(wǎng)發(fā)生故障之后，RDU應該迅速的通知各個 LMU立即進入估值計算狀態(tài)，而各個LMU則將方向部件檢測得到的結(jié)果上傳到 RDU中，然后RDU對這些上傳的結(jié)果進行對比分析。當發(fā)現(xiàn)某條線路的兩端方向部件檢測值都是正方向，則立即判斷該線路即為故障線路，然后進入下一步的操作程序；而該條線路兩端的方向部件檢測值所

3.2 退出重構(gòu)設(shè)置

圖2 保護區(qū)域重構(gòu)基本程序

獲得的方向是一正一反時，則判斷該線路并不存在故障，系統(tǒng)的RDU也會命令LMU跳出故障處理流程，不會進入第二步的決策過程。

其二，RDU將故障線路中獲得的綜合信息為基礎(chǔ)，從選相元件中獲取故障相的具體值。之后，RDU將決策信息下傳到LMU，之后利用LMU閉鎖以及對應的斷路操作。考慮到重合閘操作以及線路可能存在的故障問題，這個時候的 RDU將不會繼續(xù)決策，則會自動進入第一步，直到確定該區(qū)域當中的所有線路不再出現(xiàn)故障為止。

當 RDU對被保護電網(wǎng)區(qū)域中的所有線路進行決策分析是，需要將該區(qū)域電網(wǎng)當中的所有 LMU測量部件的信息結(jié)構(gòu)進行匯總。但是，由于各個LMU以及RDU之間的傳輸距離并不相同，加之信息的傳輸距離、通信數(shù)據(jù)多少以及 LMU自身的工作狀態(tài)不同，導致 LMU傳輸數(shù)據(jù)通信中存在著一定的延遲。所以，當某一個時間段內(nèi)，RDU不能將區(qū)域電網(wǎng)中所有的 LMU測量部件信息獲得時，就需要考慮到區(qū)域保護系統(tǒng)的退出與重構(gòu)，這時就需要設(shè)置對應的重構(gòu)設(shè)置程序。

該系統(tǒng)的退出重構(gòu)設(shè)置程序步驟如下圖2所示。在故障系統(tǒng)檢測功能起動之后，RDU將會提前辟出專門用于存放從測量部件中所獲得的信息區(qū)域，其大小根據(jù)區(qū)域當中的 LMU測量部件信息量來決定。同時，還將起動一個對應的延時部件，將所有從 LMU上傳過來的數(shù)據(jù)按照預先編制好的順序來存儲在對應的數(shù)據(jù)區(qū)域當中。當延時部件到達之后，RDU將在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域當中的所有信息結(jié)構(gòu)中對這部分信息進行拓撲重構(gòu)，按照對應的順序?qū)⒕€路中兩端的部件結(jié)果進行一一的對比。當線路兩端的所有信息都準時到達RDU之后，這時線路的狀態(tài)將得到確認；而單端或者是雙端信息都沒有得到及時確認時，將重新形成對應的結(jié)構(gòu)，并將之從該結(jié)構(gòu)中剔除，不參與對應的RDU決策[6]。

值得注意的一點是，在該系統(tǒng)中對于任何依賴通道的保護系統(tǒng)而言，通道的失靈是必然存在的。因此，當通信通道中斷之后，就應該考慮進行適時的保護機制退出。通過實時的拓樸分析之后，對沒有故障點的區(qū)域電網(wǎng)進行重組，保證重組之后的區(qū)域電網(wǎng)能夠正常的工作。這樣，才可以保證該保護系統(tǒng)在正確決策的同時敖征其有足夠多的保護區(qū)域。

4 結(jié)論

本文針對區(qū)域輸變電網(wǎng)的故障處理問題，從繼電保護措施的角度對如何利用分層區(qū)域電網(wǎng)保護系統(tǒng)進行電網(wǎng)故障處理進行了論述。重點對分層區(qū)域電網(wǎng)保護系統(tǒng)的具體實現(xiàn)進行分析，形成了區(qū)域輸變電網(wǎng)繼電保護的基本途徑。

[1]吳科成. 分層式電網(wǎng)區(qū)域保護系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學, 2007.2.

[2]申雙葵, 黃軍, 周晉, 等. 應用于小電流接地電網(wǎng)單相接地故障定位的探測器節(jié)點設(shè)計[J]. 電氣技術(shù)，2009(2)：38-41.

[3]LIN X N, ZOU Q, LU W J, WU K CH, WENG H L. A fast unblockingscheme for distance protection to identify symmetrical fault occurring during power swings[C], Proceedings of 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2006.

[4]徐德豐. 區(qū)域電網(wǎng)安全保護技術(shù)的研究[D]. 貴州：貴州大學，2008.5.

[5]劉泊辰. 分布式電源對配電網(wǎng)保護的影響[J]. 電氣技術(shù)，2012(1)：47-50.

[6]王珣, 劉亞新, 鄧春, 等. 智能輸電網(wǎng)分析管控系統(tǒng)開發(fā)與應用[J]. 中國電機工程學報，2011, 31(z1):50-54.