基于網絡拓撲的電流差動站域保護

龔石林,曾臻,馮彥釗,張兆云,陳衛,王晨

(1.云南電網公司,昆明 650011；2.華中科技大學,強電磁工程與新技術國家重點實驗室 武漢 430074)

基于網絡拓撲的電流差動站域保護

龔石林1,曾臻2,馮彥釗1,張兆云2,陳衛2,王晨2

(1.云南電網公司,昆明 650011；2.華中科技大學,強電磁工程與新技術國家重點實驗室 武漢 430074)

介紹了國內外站域保護的故障定位原理,同時提出一種基于網絡拓撲的電流差動站域保護原理,并通過仿真來驗證此原理在簡化現有保護配置的同時還能提高變電站保護的可靠性。

智能變電站；電流差動；集成式保護；擴展差動；PSCAD/EMTDC；斷路器失靈

0 前言

近年來,基于網絡通信、多點綜合比較判斷的廣域保護研究成為繼電保護熱點課題之一[1-2]。隨著以太網技術的逐漸發展,以及IEC 61850標準的頒布與實施,以過程層數字化、標準化為主要特征的新一代智能變電站受到了關注。利用以太網通信取代并行電纜,除了可有效簡化設備連接方式和系統結構、降低經濟成本、提高系統運行的可靠性,還能夠集成原先面向某種應用或功能而設置的各種專用信息平臺,形成統一的綜合信息平臺,實現系統在水平 (控制層內)和垂直 (控制層之間)兩個方向上的信息共享與信息集成。

目前,提出了多種廣域信息下后備保護理論：J.C.Tan[3]提出了收集電網多個距離保護元件的判斷結果、依靠后備專家系統幾種決策確定故障位置并切除故障,雖然縮短了動作延時、減小了故障切除范圍,但依然無法解決傳統后備保護整定復雜的問題。Y.Serizawa[4]等提出了廣域電流差動后備保護的概念,將差動保護范圍從獨立的電器元件擴展到與該元件相鄰的區域,能明顯縮短后備保護系統的動作延時,但傳輸信息量大且時間同步問題的技術實現較為困難,出現了變電站集中式后備保護的概念[5],利用方向比較原理判別算法來故障定位,避免了傳統后備保護復雜的整定配合問題,但是此方法在缺少一個或幾個方向元件輸出值的情況下很難判斷故障位置,對于多點故障問題原理上無法故障定位。高厚磊、劉益青[6]等提出了基于電流差動原理的站域后備保護方法,通過建立邊界差動區,站內差動區、搜索差動區和元件差動區來實現故障定位,此方法可以準確的確定故障元件實現斷路器失靈保護功能,但是由于其建立了一個基于全變電站的站內差動區,其前提條件是各電壓等級的邊界CT的變比誤差是可以忽略不計的,這個在現實中很難保證沒有誤差。

提出一種站域保護建構原理,變電站配置一套傳統保護和兩套集成保護,傳統保護僅采用一套主保護,不再采用后備保護以及斷路器失靈保護,集成保護采用相同原理的兩套保護互為后備,這種傳統+智能保護的構建方式除了可以簡化傳統變電站的配置之外,還能加快后備保護的動作速度以及準確性。

1 變電站站域保護構成

現有超高壓電網中的電力設備廣泛采用雙重化的主保護加后備保護配置方式。主保護利用被保護設備兩端信息即可準確判斷內、外部故障,動作速度在10～25 ms之間,依然可以沿用。而傳統的后備保護一般采用階段式距離保護或零序過電流保護,通過定值和時間的配合來保證選擇性,動作速度慢。當運行方式變化時為保證遠后備保護的選擇性,保護人員的定值計算工作量巨大,不得已采用近后備加斷路器失靈保護方式。采用近后備保護存在當下級變電站的直流消失后,無法起到遠后備作用。另外每個元件上配備多種后備保護,使得保護構成復雜化,在廣域信息具備的情況下,從整個電網安全出發,有必要采用新的保護配置原則和構成原理。

為了能保證智能化配置的前提下保證變電站的可靠性,同時考慮到現有技術水平的因素,將變電站組建成傳統+集成式保護的方式,具體方案如下：

1)傳統保護,僅配置一套傳統主保護,取消后備保護以及斷路器失靈保護。主保護包括母線保護、線路保護和變壓器保護,采用電流差動原理按間隔配置,基本沿用現有的成熟技術。

2)集成保護,通過同步收集系統內各斷路器的電流、電壓以及開關狀態量信息,由決策中心利用差動保護原理及相關邏輯進行判別、決策,并依次向故障點相關就地保護單元發出跳閘命令。集成保護包括單元件差動保護以及作為后備的擴展差動保護。而雙重配置集成保護,是為了檢修集成保護1時,集成保護2與傳統主保護依然可以構成變電站的雙重保護。(同理,檢修主保護時,集成保護1和2構成雙重保護)因此傳統主保護共享如下圖1所示。

圖1 站域保護構成

2 集成保護系統原理及實現

2.1 保護原理

實現快速繼電保護功能的關鍵是要快速判斷出故障所在的位置。仍然采用電流差動的方法進行故障定位,其基本指導思想為：

1)對每個IED,都劃定好自己的保護區域(變壓器、母線、線路),以便與其它IED進行有目的的信息交換。

2)對于一次設備的描述要能反映電網的實際拓撲結構,能夠清晰表達一次設備與IED之間的連接關系。因此對于IED和一次設備以及隔離開關的描述要遵循一定的規律,這樣才方便實際定位時的IED間的相互定位。比如IED用以下格式進行表示：一次設備 (ID,設備類型,接線方式,設備名稱,設備狀態)。ID作為關鍵字是區分不同一次設備和IED的標志。

故障發生后,故障點所在間隔的IED都能夠確切地判斷出故障點所在位置,然后根據預定的邏輯執行相應的操作。

集成保護通過采集全站的電流、電壓等SV方向信號以及開關狀態的GOOSE信號來定位故障位置,考慮到智能后備保護系統要快速完成故障定位,又要對相鄰設備提供快速后備保護,將每個IED的保護區域分為如下2部分：

a單元件差動保護

單元件差動保護原理和傳統的縱聯差動保護相同,以變電站各個最小保護單元作為研究對象,各自單獨進行差動保護。其和差動主保護也存在不同之處,差動保護單元的差動電流不局限在兩個,可以是多個。其動作方程如式 (1)所示：

其中K為差動制動系數,取值一般為0.4左右 (取母差保護作為參考),為差動保護單元的電流向量。

b.擴展差動保護

以差動保護原理為基礎；利用整個保護區域的電氣量信息來保證故障切除范圍盡可能小；引入差動保護的支路數受擴展差動環的大小影響,明顯多于差動主保護的支路數。擴展差動范圍的形成是建立在單元件差動范圍的基礎上的,圖2以K1點作為故障點,斷路器CB2失靈后的擴展差動范圍,對比說明了單元件差動范圍與擴展差動范圍之間的聯系。

圖2 擴展差動范圍繁衍示意圖

2.2 保護實現策略

圖3 智能保護流程圖

如圖3所示,中斷程序開始后,系統首先檢測采樣設備、通訊設備是否正常工作,否則報警；隨后進行拓撲結構確認,對簡單的單母線結構, IED的保護范圍一經確定無需更改,但在分段式母線、雙母線和一個半接線的結構中,拓撲結構經常變化,此時IED的保護范圍不再是固定的,而是將隨網絡結構的變化而變化。對IED而言,此時只需關心保護范圍內分段開關、母聯開關的開閉狀態,進而確定線路和母線的連接關系,根據線路和母線的連接關系確定保護區域。在拓撲結構確認后開始進行數據采樣,若沒有故障則進行正常運行程序,正常運行程序進行裝置的自檢,裝置不正常時發告警信號,信號分為兩種,一種是運行異常告警,此時不閉鎖裝置,而是提醒進行相應處理；另一種為閉鎖告警信號,告警同時閉鎖裝置,保護退出。故障計算程序中則首先依據拓撲結構建立一次設備斷路器關聯矩陣,斷路器狀態矩陣。各個斷路器上的電流向量組成的電流向量以及由各個電流向量的模值組成的電流模值向量其中I、 均為× ×××××n1維矩陣。從而MNI以及KMN均為m×1維矩陣 (其中K為差動制動系數),前一個列矩陣的每個行元素對應為各個保護單元進行差動的電流的向量和,后一個列矩陣的每個行元素對應為各個保護單元進行差動的制動量。通過對前一個列矩陣的元素取模值后和后一個矩陣形成的制動量進行比較即可得到每個保護元件的動作方程。當滿足動作判據后則跳開相應的間隔。

3 仿真模型建立

為了實現對電流差動站域保護原理的仿真,需要建立繼電保護仿真模型。本文利用PSCAD/ EMTDC提供的同步數據交互接口,直接編寫C++和Fortran代碼,嵌入PSCAD/EMTDC仿真平臺,與相應電力系統仿真模型一起,構成與實際保護運行特性一致的,繼電保護暫態特性仿真平臺。圖4為變電站內部故障時仿真圖形。

圖4 發生短路故障差動電流、制動電流以及短路處斷路器狀態量

4 集成保護特殊問題處理

電力系統發生故障后需要IED、通信系統、斷路器等多個環節配合動作才能成功地將故障切除,所以難免會發生其中某一個甚至多個環節不正常工作,導致故障無法順利切除的情況。

4.1 某個IED拒動

IED拒動分為兩種情況：

1)IED不工作,它接受不到任何信息,也無法向其它IED發出信息；

2)IED無法完成保護算法,但其測量和通信功能均能正常工作。

此時IED拒動可能是由于直流電源故障或裝置自身故障所導致。采用前文所述的擴展差動保護,可以解決此問題,因為此集成保護系統擁有一個中央處理單元,當其檢測到IED故障時,則直接通過拓撲結構并且快速找到此IED擴展差動范圍,在進行保護判據計算時,則不再利用此IED信息而采用擴展差動范圍中其它所有IED來計算。

4.2 IED誤動

IED誤動主要由測量元件誤判、IED判斷邏輯有誤和通信系統干擾等因素導致。IED誤動的后果很嚴重,要么造成故障無法切除,要么造成非故障元件的錯誤切除。

由測量元件誤判導致的誤動作可以通過自檢程序在每個中斷周期可以檢測出來,或者可以采用新原理的故障方向元件及在一個IED中采用多種原理的故障方向判斷算法,可通過多種算法優缺點的相互彌補來減小誤動作的可能性,或采用負荷判據糾正誤判,以從原理上減小測量元件誤動作的可能性；

4.3 斷路器失靈

在傳統繼電保護系統中設置了專門的斷路器失靈保護,控制對象為接在同一母線上的所有電源支路開關。但如果在母線故障的同時出現斷路器失靈,需要借助線路后備保護延時動作切除故障。

而在集成保護中需要跳開與失靈斷路器相鄰的所有斷路器：IED發出跳閘命令后監視對應開關的狀態,如果判斷發生了斷路器失靈,應立即向所有相鄰IED(即擴展差動范圍中的IED)發斷路器失靈觸發信號,這個信號本質上是跳閘允許信號,接收到斷路器失靈觸發信號的IED再根據各自測點是否存在故障電流確定是否跳閘。

4.4 多點故障

到現在為止,討論更多的是變電站中單點故障問題,其實,由實際經驗可知,變電站中經常會發生多點故障的情況,而母線的集成保護算法中,比如基于方向元件定位的保護算法,當單點故障時,變電站潮流方向改變使得各節點方向元件變換從而判斷故障位置；但是當多點故障時,變電站潮流方向就回十分復雜,使得方向元件只能判斷出單點故障。

而本集成保護算法就沒有此顧慮,由于其采用間隔配置,相當于變電站最小單位,即使發生多點故障,僅僅是多個間隔有故障判定,因而可以避免多點故障誤判的情況,提高保護的可靠性。

5 結束語

本文提出了一種變電站站域保護系統,該保護系統具有以下特點：

1)基于傳統變電站進行一定改造即可實現,無需重建；

2)智能保護部分,簡化了現有繼電保護的配置方式；

3)以間隔為單位采用電流差動原理構建保護,避免多點故障無法正確故障定位的問題；通過擴展差動環來解決斷路器失靈問題保證了可靠性。

[1] 蔡運清,汪磊,MORISON K,等.廣域保護 (控制)技術的現狀及展望 [J].電網技術,2004,28(8)：20-25.

[2] 叢偉,潘貞存,丁磊,等.滿足”三道防線”要求的廣域保護系統及其在電力系統中的應用 [J].電網技術, 2004,28(18)：29-33.

[3] Tan J.C,Crossley P.A,Mclaren P.G,et al.Application of a wide area backup ptotection expert system to prevent cascading outages[J].IEEE Trans on Power Delivery,2002,17 (2)：375-380.

[4] Serizawa Y,Imamura H,Sugaya N.Experimental examination of wide-area current diffenertial backup protection employing broadband communication and time transfer systems[C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting,Edmonton, Alta,1999：1070-1075.

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[6] 高厚磊,劉益青,蘇建軍,等.智能變電站新型站域后備保護研究 [J].電力系統保護與控制,2013,41(2).

[7] 叢偉,潘貞存,趙建國.基于電流差動原理的廣域繼電保護系統.電網技術 [J].2006,30(5).

[8] 董新洲,丁磊.數字化集成保護與控制系統結構設計方案研究 [J].電力系統保護與控制,2009,37(1).

曾臻 (1989),男,碩士研究生,華中科技大學,主要研究方向為智能變電站,微機繼電保護與控制。

馮彥釗 (1968),男,工程師,云南電網公司,主要從事電力系統生產設備投運工作。

Research on Current Differential Protection Principle with Station Domain Based on Network Topology

GONG Shilin1,ZENG Zhen2,FENG Yanzhao1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,WANG Chen2
(1.Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

This paper introduces some fault location principle at home and broad and puts forward a current differential protection principle with station domain based on network topology.We also simulate the principle with PSCAD/EMTDC to make sure that the principle will simplify the existing protection configuration and improve the reliability of the protection of substation.

smart substation；current differential；integrated protection；extended differential；PSCAD/EMTDC；breaker failure.

TM76

B

1006-7345(2015)01-0043-04

2014-09-10

龔石林 (1979),男,工程師,云南電網公司,主要從事電力系統生產設備投運工作 (e-mail)8323072＠qq.com。