分區域廣域繼電保護系統及故障識別方法分析

李鵬 楊岳霖

摘 要：本文首先分析了廣域繼電保護系統結構，并在此基礎上對分區域廣域繼電保護系統的故障識別方法進行論述。期望通過本文的研究能夠對提高廣域繼電保護系統的性能有所幫助。

關鍵詞：繼電保護系統；故障識別；判斷

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A

一、廣域繼電保護系統結構分析

（一）系統的結構形式

按照廣域繼電保護系統所實現功能的不同以及相關功能對動作延時、范圍和可靠性要求的差別，可將廣域繼電保護系統分為以下三種結構。

1 集成式結構

這種系統結構具體是指在一個變電站當中只設置一臺IED（數字保護繼電器），其主要負責站內相關信息的采集、與其它IED進行信息交互、保護算法執行、控制策略生成、跳閘命令執行等功能。具體而言，就是將站內所有的保護及控制功能全部集中至一臺IED上，由其負責變電站運行的保護與控制。雖然這種結構可以顯著降低前期投資成本，并且還能使站內接線得以簡化，但必須確保IED的運行穩定可靠且具備足夠快的運算速度。

2 集中式結構

這種系統結構是在變電站的每個測點位置處安裝一臺終端，并在區域主站內設置中央控制單元，終端設備主要負責實現以下功能：信息采集和簡單處理；與中央控制單元通信，并按照指令完成跳合閘操作。該結構形式僅在決策環節實現集中，如果從信息采集的角度上看，可將其歸入分層分布式結構的范疇。

3 IED全部設置在站內測點位置處，在整個系統結構中，所有IED的地位是平等的，每個IED所需實現的基本功能為：安裝點信息的采集；與其它IED通信；依據相關信息執行跳合閘操作。在該結構當中，IED是保護與控制的核心，若是有特殊需要的話，也可設置上位PC機，它的作用是對分布在系統中IED進行監管，但卻并不參與保護控制策略的形成。

（二）結構比較

在上述三種結構當中，集成式的優點是可以節約投資成本、簡化線路布局，但由于系統對IED的依賴程度過高，若是IED出現故障問題，則會導致變電站處于無保護狀態，由此會造成十分嚴重的后果。故此，當采用集成式結構時，應當對IED實行雙機或是多機備用；集中式結構對中央控制單元具有較高的依賴性，所以必須對中央控制單元進行雙機或是多機備用。由于該結構中，中央控制單元是憑借通信系統來獲取終端設備的信息，為了保證信息傳輸的實時性，必須采取有效的措施解決信息交互過程中的延遲問題，否則可能會對保護系統的性能造成影響；分布式結構的保護與控制功能是由分布于變電站內的各個IED來實現的，由于結構中的IED較多，即便某個出現故障，也不會對系統的運行帶來太大的影響，在這一前提下，無需對IED進行雙機或是多機備用配置。該結構中，只需要合理確定信息交互范圍，基本不會發生信息多次往返與IED之間的情況，所以通信延時不會很長。由此可見，分布式結構是最為適合廣域繼電保護系統的一種結構形式。

二、分區域廣域繼電保護系統的故障識別方法

對分區域的廣域繼電保護系統而言，想要實現快速的繼電保護功能，就必須對故障區段進行快速判斷。下面本文基于故障方向信息比較的方法對廣域繼電保護系統中的故障進行識別。

（一）識別方法的設計思想

將可以測量故障方向的IED分別裝設在被保護系統的各個斷路器或是電流互感器的位置處；確定各個IED的保護區域，以此來確保故障發生后，IED之間能夠有目的進行信息交換；列出各個IED最大保護范圍內的被保護設備與IED之間的對應關系表；將IED回傳的故障方向信息與表中的對應關系進行比較計算，最終確定故障區段。

（二）IED動作系數

在對故障識別算法進行研究前，應當先對IED的動作系數AF進行定義：AF表征了IED中故障方向元器件的判斷輸出情況，其取值如下：

（1）

上式當中，1為方向元件i為正向故障；-1為反向故障；0為無輸出。具體而言，當故障出現之后，若是系統中某個IED判斷為正向故障，則AF取值為1，如果判斷為反向故障，則AF取值為-1，當認為無故障或是未能得出故障判斷結果時AF取值為0。對AF進行定義之后，便可對故障識別進行計算。

（三）故障識別的計算方法

本文所提出的計算方法歸屬于面向對象的范疇，具體而言，就是以保護元件作為對象，如電力線路、母線、電氣設備等等，收集這些對象側IED的AF，通過運算獲得判斷結果，在利用對結果大小的比較確定故障位置。故障判斷結果可用下式進行計算：

Fouti= （2）

在上式當中，Fouti代表與被保護對象i相對應的故障判斷結果；N為保護對象i各側的IED實際數量。故障的判斷依據為：

|Fouti|≥Fthi （3）

在上式當中，|Fouti|代表故障判斷結果的絕對值；Fthi代表故障判斷的門檻值。當系統當中出現線路故障時，故障線路各側的IED全都判斷為正向故障，依據式（1），AF值應當取1，再根據式（2）進行運算，可得Fouti應為正值；若是系統中的母線發生故障，且故障母線各側IED全部判斷為反向故障時，AF值應當取-1，通過式（2）的計算，Fouti應為負值。為了達到統一性的目的，本文以Fouti的絕對值作為最終的故障判斷結果。由于Fthi并非唯一，所以可按實際需要提供保護的范圍大小對其進行相應的調整，本文中的門檻值可用下式表示：

Fthi|Foutiˊ|-1 （4）

在上式當中，Foutiˊ代表被保護對象i出現了內部故障且各側IED均為正確判斷后得出的故障判斷結果。

（四）結果與討論

由上述分析可得如下結論：

（1）當出現內部故障、IED全都判斷正確時，|Fouti|值必然會大于Fthi，由此可判斷為被保護對象出現內部故障。

（2）當i的外部出現故障、IED均判斷正確，計算結果勢必對小于Fthi，由此可判斷故障發生在i的外部。

參考文獻

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[2]袁季修.電力系統安全穩定控制的規劃和應用[J].中國電力，2011（01）.