利用本地信息實現新型站域保護方案

王媛，焦彥軍，馬葉芝

（華北電力大學電氣與電子工程學院，保定071003）

利用本地信息實現新型站域保護方案

王媛，焦彥軍，馬葉芝

（華北電力大學電氣與電子工程學院，保定071003）

針對傳統變電站基于元件信息的后備保護動作時限和定值配合繁雜的弊端，提出利用本地信息實現后備保護功能的站域保護方案。系統結構上，采用基于PCI Express總線技術的同步采集單元實現信息采集的同步性和實時性，并采用雙重化配置，提高系統的可靠性；保護原理上，采用負序分量定位不對稱故障，采用單相電壓電流量定位對稱故障，滿足后備保護選擇性和靈敏性要求；保護方案上，提出分布式-集中決策的站域保護方案，由本地保護單元實現啟動、選相、測量及執行元件等功能，站域保護單元實現集中決策的功能。仿真結果驗證了站域保護性能的優越性。

站域保護；負序分量；分布式-集中決策；PCI Express總線

基于單端信息的后備保護為了保證選擇性，需要通過多段保護的動作時延、動作定值及動作區間的相互配合，因此后備保護存在延時長、故障定位不準確等問題[1]。電力系統發生不對稱故障的概率遠遠大于對稱故障（三相短路），而不對稱故障時反應相電壓、相電流的保護裝置很難滿足靈敏度的要求，現在普遍采用反應負序電壓、電流的保護，它具有較高的選擇性和靈敏性[2-5]。

針對不對稱故障，本文提出一種基于負序分量的故障定位方案，該方案采用負序電壓、負序方向元件作為測量元件，首先利用負序電壓確定故障區域，然后利用負序方向元件定位故障元件。針對三相短路故障，采用低電壓、過流元件作為測量元件，首先利用低電壓元件確定故障區域，然后利用過流元件定位故障元件；并提出分布式-集中決策的站域保護方案，在系統結構上采用雙重化配置，可靠性高。

1 站域保護系統

1.1 PCI-E總線技術

PCI-E總線被稱為第3代I/O總線技術，它可工作于各種不同的物理媒介上，從通用的銅線連接到光纖連接。它被公認為下一代10年總線標準，具有鮮明的技術優勢：①點對點串行連接，能夠為每一塊設備分配獨享的通道帶寬，保障了各設備的帶寬資源；②采用雙通道傳輸模式，允許數據在兩個方向上同時傳輸，大大提高傳輸速率；③每個信道單方向具有2.5 Gb/s的傳輸速率，滿足數據實時性的要求；④支持同步數據傳輸。已研制出的基于PCI-E總線技術的同步采集單元實現了信息的同步實時采集，能夠滿足繼電保護對數據采集的實時性、同步性要求。同時，同步采集單元具有通道失靈檢測功能。

1.2 系統結構

站域保護系統的結構如圖1所示，圖中以110/35/10kV變電站為例說明了本地保護單元的分布情況。圖中所示為一套完整的站域保護系統，備用系統完全相同，各部分的功能如下。

（1）本地保護單元LPU（local protection unit）包含啟動、選相、測量和執行元件。利用選相元件確定故障類型，包括對稱故障和不對稱故障。測量元件分為故障域測量元件和故障點測量元件，前者用來定位故障區域，后者用來定位故障元件。LPU實現的功能有：①全站信息的實時采集，包括保護CT和PT的信息，以及開關量的信息；②對數據進行預處理，包括模數轉換、濾波、傅氏算法等；③形成本地保護算法，得到基波電壓、電流、負序電壓、負序電流、二次諧波電流、五次諧波電流等信息；④同步上傳信息，接收并執行跳閘或閉鎖命令。

（2）同步采集單元SAU（synchrony acquisition unit）負責：①向本地保護單元發同步信號，保障數據采集和上傳的同步性；②接收并發送站域保護單元下達的命令。

（3）站域保護單元SPU（substation-area protection unit）是集中決策中心，實現集中決策，為全站設備提供保護與控制功能。

圖1 站域保護系統結構Fig.1Structure of substation-area protection system

2 站域保護原理

電力系統發生不對稱故障時，利用傳統后備保護中的相電壓、相電流等測量信息定位故障元件存在諸多弊端，主要是測量元件靈敏度低導致保護拒動的問題，而基于負序分量的測量元件能夠滿足靈敏度要求，因此不對稱故障時采用基于序分量的故障定位方法。在線路、母線、變壓器出線端發生三相短路時，相電壓、相電流的靈敏度滿足要求，能夠安全、可靠動作，從保護繼承性考慮，對于對稱故障，延用傳統的相電壓、電流作為測量元件，通過制定新的故障定位策略來提高保護的整體性能。

2.1 不對稱故障

簡化的系統接線如圖1所示，得到圖2（a）所示的系統負序阻抗圖，ZS是系統負序阻抗，ZT1、ZT2、ZT3分別代表變壓器T高、中、低壓側負序阻抗，ZL1、ZL2、ZL3、ZL4分別是線路L1、L2、L3、L4的負序阻抗，Z1、Z2、Z3、Z4是負荷負序阻抗，圖2（b）、2（c）、2（d）分別是低壓側線路故障、低壓側母線故障、變壓器故障時的負序網絡圖，U˙d2、U˙z2、U˙g2分別代表低、中、高壓母線的負序電壓，箭頭表示負序電流方向，斷路器與LPU對應。下面以低壓側不對稱故障為例說明保護原理。

第1步確定故障區域

如圖2（b）、2（c）所示，在低壓側線路或母線故障時一定有Ud2＞Uz2、Ud2＞Ug2，如圖2（d）所示，變壓器內部故障時也可能滿足上述條件[6]，因此通過比較高、中、低壓母線的負序電壓，負序電壓最高的即為故障區域。定義低壓側故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}。同理中壓側故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高壓側故障域Ωg={Bg、T}。

第2步確定故障元件

規定負序電流的正方向是流出母線，并定義負序方向元件如式（1）。

如圖2（b）所示，故障域內只有故障線路的反方向負序元件動作；如圖2（c）所示，母線故障時故障域內所有正方向負序元件都動作；如圖2（d）所示，變壓器故障時，母線側LPU反方向負序元件動作。

2.2 對稱故障

圖2 不同狀態下的系統負序網絡圖Fig.2Negative sequence network diagram under different states

三相短路時，短路點電壓為0，越靠近短路點的母線電壓越低，因此可通過比較母線電壓確定故障區域。斷路器與LPU過流元件相對應，下面以中壓側故障為例說明保護原理。

第1步確定故障區域

中壓側線路、母線故障時一定有Uz＜Ug、Uz＜Ud；變壓器會發生匝間、匝地等不對稱故障，只有出線處可能發生三相短路故障，因此變壓器中壓側三相短路時，也滿足上述條件[7]。因此通過比較高、中、低壓母線的電壓，電壓最低的就是故障區域。經分析對稱故障的故障域集合分別為：低壓側故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}，中壓側故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高壓側故障域Ωg={Bg、T}。

第2步確定故障元件

定義過流元件經分析可知：在故障域內，若某線路過流元件動作，則該線路故障；若所有線路過流元件不動作，母線側過流元件動作，則母線故障；若線路、母線側過流元件都不動作，則變壓器故障。

3 站域保護方案

采用分布式-集中決策的保護方案，“分布式”是指本地保護單元LPU分布安裝，能夠實現啟動、選相、測量及執行元件的功能，并能夠根據SPU下達的命令上傳所需信息，LPU上傳的信息量減少，避免了網絡的阻塞?！凹袥Q策”是指站域保護單元SPU作為集中決策中心，實現全站的后備保護功能。通過在LPU中增加軟件可完成各種算法，在SPU中增加軟件可實現多種故障定位策略，因此該方案具有很強的靈活性和可擴展性。下面以本文提出的站域保護原理為例說明分布式-集中決策的保護方案。

（1）各LPU實時采集信息，啟動、選相元件在工作狀態，測量、執行元件在閉鎖狀態。

（2）各LPU上傳啟動、選相元件的信息，SPU接收到信息后做例行判斷，若所有啟動元件都未動作，則SPU判斷為全站無故障。若某個啟動元件動作，則SPU根據選相元件的信息判斷出故障類型（對稱故障或不對稱故障）。

（3）SPU判斷出系統發生對稱故障。首先，SPU發信息解除全站LPU中對稱故障測量元件（低電壓、過電流元件）的閉鎖。然后，全站LPU上傳測量元件的信息至SPU，并進入SPU中的對稱故障處理程序，做例行判斷，確定出故障元件。最后，SPU制定出跳閘策略并下達命令至相應的LPU，由LPU中的執行元件動作切除故障。

（4）SPU判斷出系統發生不對稱故障。首先，SPU發信息解除全站LPU中不對稱故障測量元件（負序電壓、負序方向元件）的閉鎖。然后，全站LPU上傳測量元件的信息至SPU，并進入SPU中的不對稱故障處理程序，做例行判斷，確定出故障元件及故障相別。最后，SPU制定出跳閘策略并下達命令至相應的LPU，由LPU中的執行元件動作切除故障。

4 保護相關算法

4.1 啟動元件

以相電流突變量為主要的啟動元件，突變量在故障后存在40 ms，啟動判據為

式中，istart-set為門檻值，雖然采用低門檻值時，系統波動可能導致啟動元件誤啟動，但是負序電壓元件（或低電壓元件）不會誤動作，所以在站域保護原理的第1步就判斷出系統無故障。因此，啟動元件可以采用低門檻值以提高靈敏性。

4.2 選相元件

針對不同的故障類型（對稱故障和不對稱故障）采用不同原理的故障定位方法，同時為了實現選相跳閘，需要設置選相元件。電流突變量選相元件具有較高的靈敏度和準確性，通過計算和比較3個相電流差的有效值|I˙A-I˙B|、|I˙B-I˙C|、|I˙C-I˙A|，可實現故障類型、故障相別的判斷[8]。同時可根據實際情況增加其他輔助的選相元件。

4.3 測量元件

負序電壓元件的動作判據為

式中，U2.set為負序電壓元件的門檻值，按躲過正常運行時的最大負序電壓整定，通常取U2.set=（0.06～0.12）UN[9]。

負序方向元件的動作判據為

基于負序電壓、負序電流的保護算法得到普遍應用，但是也有不足。正常運行時局部出現不對稱，可能導致保護誤動；保護區內短路時，若非故障部分不對稱產生的負序電流方向與短路產生的負序電流方向相反，可能降低保護靈敏度，甚至造成保護誤動。因此，可以考慮基于故障分量的負序電壓元件及負序方向元件，能夠躲過不對稱負荷及非全相運行[10]。

低電壓元件動作判據為

式中，Uset為低電壓元件的門檻值，按躲過正常運行時可能出現的最低工作電壓整定[9]。

過流元件的動作判據為

式中：Krel為可靠系數；Kre為返回系數；Igh為系統運行時可能出現的過負荷電流。

5 仿真驗證

5.1 仿真模型

隨著電力系統不斷增大，500 kV成為系統的主網架，各地區220 kV聯絡線路大部分已斷開，110 kV輸電線路過渡為配電線路，新建的110 kV變電站大部分為終端變電站，且一般是小電流接地系統[11]。以圖1所示110 kV變電站為例，利用Simulink建立仿真系統。變壓器參數如表1所示；電源輸出電壓為110 kV，內電阻為0.005 29 Ω，內電感為0.000 14 H，通過架空線路向變電站供電，架空線路長為30 km，x=0.4 Ω/km，r=0.17 Ω/km；35 kV架空線路參數為x=0.425 Ω/km，r=0.19 Ω/ km，線路長分別為15 km、8 km，線路負荷分別為14 MW、8.68 Mvar，15 MW、9.30 Mvar；10 kV架空線路參數為x=0.41 Ω/km，r=0.17 Ω/km，線路長分別為5 km、7 km，線路負荷分別為6.9 MW、4.45 Mvar，4.1 MW、2.74 Mvar。采樣頻率為5 kHz。

表1 變壓器參數Tab.1Parameters of transformer

5.2 仿真結果

該變電站是小電流接地系統，不對稱故障主要考慮兩相短路，表2所示的是AB兩相短路的仿真結果，其中Td、Tz、Tg分別指變壓器低、中、高壓側，表3所示的是三相短路的仿真結果。

表2的結果表明：不對稱故障時，通過比較高、中、低壓母線的負序電壓確定了故障區域，然后根據故障域內的負序方向元件信息確定故障元件。

表3的結果表明：對稱故障時，通過比較高、中、低壓母線的相電壓確定了故障區域，然后根據故障域內的過流元件信息確定出故障元件。

表2 兩相短路仿真結果Tab.2Simulation results for two-phase short circuit

表3 三相短路仿真結果Tab.3Simulation results for three-phase short circuit

綜上所述，站域保護原理能夠準確定位到故障元件，實現后備保護功能。

6 結語

基于站域保護思想，從系統結構、保護原理、保護算法、保護方案等多方面進行了闡述。仿真結果驗證了站域保護的可行性和優越性，體現在以下幾點。

（1）結構方面，采用基于PCI-E總線技術的同步采集單元，能夠保證全站信息采集的實時性和同步性，滿足繼電保護要求。站域保護系統采用雙重化配置，兩套系統互為備用，提高了可靠性。

（2）保護原理方面，不對稱故障和對稱故障采用不同的故障定位方法，不對稱故障時采用基于負序分量的定位方法；從保護繼承性角度考慮，對稱故障時基于相電壓、相電流，定位故障元件；兩者都能夠滿足靈敏度和選擇性的要求。

（3）采用分布式-集中決策的保護方案，分布在本地的保護單元LPU分擔部分功能，站域保護單元SPU實現集中決策，能夠避免網絡阻塞，減小SPU的負擔。

[1]吳科成，林湘寧，魯文軍，等（Wu Kecheng，Lin Xiangning，Lu Wenjun，et al）．分層式電網區域保護系統的原理和實現（Principle and realization of the hierarchical region protective system for power systems）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（3）：72-78．

[2]楊耿杰.電力系統不對稱計算[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]薛士敏，賀家李，李永麗，等（Xue Shimin，He Jiali，Li Yongli，et al）.反應三相對稱故障的改進負序方向元件（Improved negative sequence directional relay to response to symmetrical three-phase fault）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（2）：1-4．

[4]蔣蘇靜，畢天姝，徐振宇，等（Jiang Sujing，Bi Tianshu，Xu Zhenyu，et al）.平行雙回線路縱聯零序方向誤動原因分析及負序功率方向研究（Analysis of the reason of pilot zero sequence directional protection mal-function and study of negative sequence directional element on parallel double-circuit lines）[J]．電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2009，37（24）：21-26.

[5]鄧旭陽，索南加樂，王志恩，等（Deng Xuyang，Suonan Jiale，Wang Zhien，et al）.基于序分量綜合阻抗的母線保護原理（A novel busbar protection based on sequence component integrated impedance）[J].電網技術（Power System Technology），2011，35（7）：208-213.

[6]劉萬順.電力系統故障分析[M].北京：中國電力出版社，1998.

[7]曾飛，苗世洪，林湘寧，等（Zeng Fei，Miao Shihong，Lin Xiangning，et al）.基于序分量的電網廣域后備保護算法（A wide area backup protection algorithm for power grid based on sequence component）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（23）：57-63.

[8]楊奇遜，黃少鋒.微型機繼電保護基礎[M].北京：中國電力出版社，2007.

[9]張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

[10]徐柯，苗世洪，劉沛（Xu Ke，Miao Shihong，Liu Pei）.方向高頻保護負序功率方向元件的非全相運行性能分析（Analysis for the performance of power line carrier protection based on negative sequence power direction in the condition of incomplete phase operation）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2003，27（21）：45-48，57.

[11]中國航空工業規劃設計研究院.微機保護整定計算與二次回路圖集[M].北京：中國電力出版社，2010.

Research on Substation-area Protection Scheme Based on Local Information

WANG Yuan，JIAO Yan-jun，MA Ye-zhi
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Traditional backup protection in substation is based on component information，and cooperation of movement time limit and fixed value is complicated.Substation-area protection based on local information that can provide protection functions for the whole station is proposed.Its system structure uses synchronous acquisition unit based on PCI Express Bus to realize synchronal real-time data acquisition.System reliability is improved according to structure's double configuration.Protection principles based on negative sequence to locate asymmetric faults and phase components to locate symmetrical faults are proposed meeting backup protection requirements of selectivity and sensitivity. Protection scheme of distributed-concentration decision is suggested.Local protection unit includes starting elements，phase-selecting elements，measuring elements and executive elements while substation-area protection unit is the decision-making center.Simulation results indicate the superiority of substation-area protection.

substation-area protection；negative sequence；distributed-concentration decision；PCI Express Bus

TM77

A

1003-8930（2014）08-0060-05

王媛（1987—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。Email：hddianqihua0608@126.com

2012-08-16；

2012-09-27

焦彥軍（1963—），男，博士，教授，研究方向為電力系統分析與控制、電力系統繼電保護等。Email：jiao_yanjun@126.net

馬葉芝（1987—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。Email：myz-ma1022@163.com