基于變電站二次直流失電的區(qū)域距離保護

戴光武，謝　華，徐曉春，趙青春，朱曉彤

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

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電網(wǎng)技術

基于變電站二次直流失電的區(qū)域距離保護

戴光武，謝華，徐曉春，趙青春，朱曉彤

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

摘要：提出了一種區(qū)域距離保護，以解決變電站二次直流電源丟失后其失電區(qū)域內(nèi)發(fā)生系統(tǒng)故障時無法快速隔離的問題。提出了以變電站為對象的區(qū)域保護控制系統(tǒng)總體架構及其具體實現(xiàn)方式，借助于區(qū)域過程層通信網(wǎng)以及與保護電源相獨立的通信電源，實現(xiàn)了變電站保護系統(tǒng)二次直流失電的有效判別，進而提出了基于變電站二次直流電源丟失的區(qū)域距離保護的整體方案，實現(xiàn)了失電區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)故障的快速隔離。RTDS試驗結果表明，文中所述的方法能夠準確判別變電站二次直流電源丟失的狀態(tài)，區(qū)域距離保護亦能夠快速隔離其失電區(qū)域內(nèi)的故障，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：二次直流失電；故障隔離；區(qū)域保護控制系統(tǒng)；區(qū)域距離保護

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日愈增大、運行特性日愈復雜，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及供電可靠性要求越來越高［ 1 ］。當變電站保護系統(tǒng)二次直流電源丟失后 （保護裝置電源及操作電源丟失），該變電站的所有保護裝置均將無法正常工作，因此站內(nèi)的主變、母線以及輸電線路等設備均將失去保護，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，本站將無任何保護可以動作，必需等其他相鄰變電站的遠后備保護延時動作來隔離故障。由此可見目前基于就地信息的電力系統(tǒng)保護與控制技術已經(jīng)表現(xiàn)出一定的局限性，不能完全滿足大型城市電網(wǎng)供電安全性、穩(wěn)定性和可靠性的要求。

近些年來，通信、計算機、自動化等技術取得了突飛猛進的發(fā)展，電子式互感器、光學互感器、智能一次設備等相繼研發(fā)成功，IEC 61850規(guī)約和統(tǒng)一建模的逐漸推廣和完善，使得站內(nèi)消息的獲取、共享和互操作技術日益成熟。現(xiàn)有保護與控制技術已經(jīng)從站域?qū)用嫦騾^(qū)域?qū)用鏀U展，實現(xiàn)了基于變電站的區(qū)域電網(wǎng)信息共享的保護控制策略，利用電網(wǎng)多維信息來進一步完善和提升繼電保護性能、優(yōu)化控制策略，使電網(wǎng)逐漸呈現(xiàn)出自愈、兼容、集成、優(yōu)化等智能新特征［ 2-6 ］，這些技術的發(fā)展給變電站二次直流失電的判別及其相應保護策略的研究帶來了新的契機。

1　區(qū)域保護控制系統(tǒng)簡介

以變電站為對象，按照分層分布的原則來配置整個區(qū)域保護控制系統(tǒng)［ 7-10 ］，一般選擇由幾個變電站構成的小型區(qū)域電網(wǎng)、配置一個區(qū)域控制中心系統(tǒng)、若干個站域保護與控制系統(tǒng)組成，其具體配置方法為：在區(qū)域電網(wǎng)的每個變電站布置區(qū)域保護控制子站， 子站為面向變電站的集中式保護，其保護功能包含全線速動的線路縱聯(lián)保護、主變差動保護及母線差動保護、斷路器失靈保護等，實現(xiàn)保護的冗余和優(yōu)化，完成并提升變電站層面的保護功能；在任意一個變電站布置區(qū)域保護控制主站，對整個區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)運行信息進行采集、處理和最終決策，與區(qū)域保護控制子站協(xié)調(diào)完成區(qū)域范圍內(nèi)的控制保護功能。

針對常規(guī)變電站，可以使用合智一體裝置將各變電站內(nèi)各個主變、各條線路的電壓、電流及開關量等信息轉化為數(shù)字量，通過采樣值（SV）和面向通用對象的變電站事件（GOOSE）方式傳輸給區(qū)域保護主站、子站裝置，并接受主站、子站裝置發(fā)出的GOOSE命令進行控制。針對智能化變電站，可以將區(qū)域保護主站、子站裝置直接接入過程層網(wǎng)絡，直接得到相關SV和GOOSE信息，并輸出跳閘及相關信號；主站與子站之間、子站與子站之間通過區(qū)域過程層通信網(wǎng)相互連通，協(xié)調(diào)完成某一區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的所有保護與控制功能，其總的系統(tǒng)架構如圖1所示。相對成熟的區(qū)域保護控制系統(tǒng)為變電站二次直流失電的判別以及相應保護策略的研究奠定了良好的基礎。

圖1　區(qū)域保護控制系統(tǒng)架構

2　變電站二次直流失電的判別

根據(jù)變電站二次設計規(guī)范要求，保護二次直流電源和通信電源回路需獨立設計，由此可知當保護二次直流電源回路失電時，通信電源回路仍然正常，故可以將保護二次直流電源失電信號通過測控裝置和通信裝置傳送到對側變電站，以此為切入點進行變電站保護系統(tǒng)二次直流失電的判別，其具體判別方法如下：

（1）將變電站保護系統(tǒng)二次直流電源失電告警接點引入到通信小室測控裝置（由通信電源供電）的I/O（開入/開出）的開入，然后把MSTP（基于SDH 的多業(yè)務傳送平臺）設備的通信帶寬分為獨立的保護帶寬和測控帶寬，保護帶寬傳送保護信息，測控帶寬傳送測控設備接入的失電開入信息。

（2）接收端變電站子站裝置實時檢測接收到的對側信息，通過比較保護帶寬和測控帶寬的信息，準確區(qū)分是對側變電站二次直流電源丟失，還是保護裝置本身故障，或是通信回路故障，從而實時給出對側變電站的二次直流電源是否丟失的判斷。

以圖2所示4個變電站的系統(tǒng)為例進行說明，共有A、B、D 3個變電站與C變電站相連，每個變電站均配置1臺區(qū)域保護控制子站，同時在A站配置1臺區(qū)域保護控制主站。

圖2　變電站系統(tǒng)接線

以A站、C站為例進行變電站內(nèi)的接線說明，其他變電站的接線及邏輯判斷均相同。假設C站發(fā)生保護系統(tǒng)二次直流電源丟失，將C站保護直流電源屏的直流電源丟失告警接點（失電接點）接入到通信小室測控裝置的I/O開入，測控裝置通過通信帶寬將失電信息經(jīng)光纖傳送到對側A站，同時C站子站裝置通過保護帶寬將保護信息經(jīng)光纖也傳送到對側A站，其站內(nèi)接線如圖3所示。

A站子站裝置同時接收對側C站來的保護信息和失電信息，通過綜合分析比較，實時給出對側C變電站的二次直流電源是否丟失的判斷。判斷依據(jù)如下：

（1）測控帶寬數(shù)據(jù)接收正常且收到對側失電信息，同時保護帶寬數(shù)據(jù)接收中斷，判斷為對側保護系統(tǒng)二次直流電源丟失；

圖3　變電站站內(nèi)接線

（2）測控帶寬和保護帶寬數(shù)據(jù)接收均中斷，判斷為通信回路故障；

（3）測控帶寬數(shù)據(jù)接收正常且未收到對側失電信息，保護帶寬數(shù)據(jù)接收中斷，判斷為對側保護裝置故障或者保護裝置通信接口故障；

（4）測控帶寬數(shù)據(jù)接收中斷，保護帶寬數(shù)據(jù)接收正常，判斷為對側測控裝置故障或者測控裝置通信接口故障。

A站子站裝置判別出C站保護系統(tǒng)二次直流失電后，將此狀態(tài)通過區(qū)域過程層通信網(wǎng)傳送至A站的主站裝置。B站、D站處理方式與A站類似，主站裝置根據(jù)接收到的A、B、D 3個變電站的信息進行變電站直流電源丟失的綜合判斷，以增強判斷的可靠性，從而減少誤判幾率，其判別邏輯如圖4所示。

圖4　變電站直流電源丟失的判別邏輯

綜上可見，當變電站保護二次直流失電時，借助于獨立電源的測控和通信回路將失電信息傳送到遠端變電站，由主站裝置和子站裝置協(xié)作實現(xiàn)了變電站保護系統(tǒng)二次直流失電的遠端判斷，為遠端變電站后續(xù)研發(fā)新的保護和測控策略，從而為實現(xiàn)快速隔離故障提供了條件。

3　基于變電站二次直流失電的區(qū)域距離保護

區(qū)域距離保護系統(tǒng)依附于區(qū)域保護控制系統(tǒng)，其一般選擇由幾個變電站構成的小型區(qū)域電網(wǎng)為對象進行配置，以圖2所示的系統(tǒng)為例，當C站發(fā)生保護系統(tǒng)二次直流失電后，C站以及與之相連的AC線、BC線、CD線為C站失電區(qū)域（即圖2中虛線橢圓所圍區(qū)域，也即CB1、CB3、CB5開關所圍區(qū)域，CB指斷路器）。主站在判別出C站失電后，以C站失電區(qū)域為保護對象，以相鄰的A、B、D子站信息構建區(qū)域距離保護系統(tǒng)。

在每個保護子站裝置中配置區(qū)域距離保護元件，該元件為方向距離繼電器，按照包含下一級線路全長或者包含對側變電站主變低壓側原則整定，若判斷故障點在方向距離繼電器阻抗范圍內(nèi)，則將動作信息上送給主站裝置。如圖2中AC線的F1點發(fā)生故障，A子站的CB1、B子站的CB3、D子站的CB5處的方向距離繼電器均可感受到阻抗元件動作，并將動作信息上送給主站。

主站裝置根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲，接收到與失電的C站有聯(lián)系的A、B、D子站的區(qū)域距離元件均動作，則認為C站失電區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障，結合C站保護直流失電狀態(tài)，經(jīng)整定延時確認后，主站區(qū)域距離保護動作，分別發(fā)跳閘命令給A、B、D子站，A、B、D子站收到主站發(fā)來的跳閘命令，分別跳開CB1、CB3、CB5開關，完成故障的快速隔離。若某個子站的線路開關在分位，假設圖2中B子站的CB3開關在分位，在C站失電區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時，CB3處感受不到故障電流，其區(qū)域距離元件不會動作，將導致主站區(qū)域距離保護拒動，故對于開關分位狀態(tài)，等同于子站的方向距離繼電器阻抗元件。主站區(qū)域距離保護邏輯如圖5所示。

圖5　區(qū)域距離保護邏輯

4　RTDS仿真試驗

為了考核區(qū)域距離保護在變電站保護二次直流失電且失電區(qū)域內(nèi)發(fā)生各種故障情況下的動作行為，搭建了如圖6所示的RTDS試驗仿真系統(tǒng)，采用典型的雙端電源供電試驗系統(tǒng)，其中在A站配置1臺區(qū)域保護主站以及1臺區(qū)域保護子站、B站和C站分別配置1臺區(qū)域保護子站。

圖6　RTDS仿真試驗模型

RTDS測試系統(tǒng)連接關系如圖7所示，其中區(qū)域過程層通信網(wǎng)將保護帶寬和測控帶寬相互獨立配置，模擬B站發(fā)生變電站直流失電，即B站直流失電接點動作且B站區(qū)域保護控制子站裝置無法運行。

試驗系統(tǒng)共設置F1至F5共5個故障點，其中線路上的故障點F1和F3的故障距離可以靈活控制。試驗時，子站A和子站C區(qū)域距離元件按照包含下一級線路全長整定。重點進行了如下試驗：

圖7　RTDS測試系統(tǒng)連接關系

（1）線路AB上F1發(fā)生各種故障時保護的動作考核；

（2）線路BC上F3發(fā)生各種故障時保護的動作考核；

（3）B站母線F2發(fā)生故障時保護的動作考核；

（4）A站母線F4發(fā)生故障時保護的動作考核；

（5）C站母線F5發(fā)生故障時保護的動作考核。

試驗結果如表1所示，結果表明：當變電站保護二次直流失電且發(fā)生失電區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)故障時，文中提出的區(qū)域距離保護將快速、可靠地將故障隔離，不再單純依賴于傳統(tǒng)長延時的遠后備保護，而發(fā)生失電區(qū)域外系統(tǒng)故障時，區(qū)域距離保護不會誤動，從而提升了區(qū)域電網(wǎng)整體的保護性能以及整個系統(tǒng)的供電可靠性。

表1　失電區(qū)域內(nèi)外各點故障保護動作行為

5　結束語

基于分層分布原則的區(qū)域保護控制系統(tǒng)總體架構及具體構建方式，針對變電站保護系統(tǒng)二次直流失電時發(fā)生失電區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)故障時無法快速切除的問題，提出了一種實現(xiàn)變電站保護系統(tǒng)二次直流失電的有效判別方法，并提出了區(qū)域距離保護的整體方案。借助于獨立電源的測控裝置和通信回路，實現(xiàn)了變電站保護系統(tǒng)二次直流失電的有效判別，以該變電站失電區(qū)域為保護對象構建的區(qū)域距離保護，可快速識別和隔離區(qū)內(nèi)故障，保障了區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。文中提出的基于變電站二次直流失電的的區(qū)域距離保護系統(tǒng)已在國內(nèi)某區(qū)域電網(wǎng)中投入實際應用，運行穩(wěn)定。

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戴光武（1984），男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼保護裝置的研究和開發(fā)工作；

謝華（1983），男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護裝置的研究和開發(fā)工作；

徐曉春（1984），男，江蘇南通人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護裝置的研究和開發(fā)工作；

趙青春（1980），男，湖北仙桃人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和管理工作；

朱曉彤（1976），男，江蘇常州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護的研究和管理工作。

Power Loss Area Distance Protection Based on Substation's Secondary DC Power Loss

DAI Guangwu， XIE Hua， XU Xiaochun， ZHAO Qingchun， ZHU Xiaotong
（NR Electirc Co.Ltd.， Nanjing 211102， Chin）

Abstract：When power system substation protection's secondary DC power is lossed， and soon afterwards if a fault occures in the power loss area， the protect devices can not isolate the fault quickly. This paper propses a power loss area distance protection system t solve the problem. The architecture of the protection system and its construction mode for substation are presneted. The control system architecture and its construction mode for the area protection in substations are introduced in detail. Substation's secondary DC power loss is judged by the idependent power sources of process layer communication network and protection. The general scheme of power loss area distance protection based on substation's secondary DC power loss is propsoed， which can quickly isolate the fault in the DC power loss area. The RTDS simulation results show the presented method can correctly judge substation's secondary DC power loss state， quickly isolate the fault in the power loss area， and ultimately improves the stability of the system.

Key words：secondary DC power loss； fault isolation； control system of area protection； area distance protection

中圖分類號：TM77

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）03-0025-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-08；修回日期：2016-01-29