一種智能變電站集成保護算法

魏冀東，王潤之，金雨薇，張軍

（1.國網蒙東電力通遼供電公司，通遼 028000；2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林132012）

一種智能變電站集成保護算法

魏冀東1，王潤之2，金雨薇2，張軍1

（1.國網蒙東電力通遼供電公司，通遼 028000；2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林132012）

提出了一種智能變電站集成保護算法。利用故障時元件兩端的正序故障分量電流相位相差不大，而外部故障時其相位幾乎相反的特點，構成故障元件判別原則，結合智能電子設備（Intelligent Electric Device，IED）采集的相位信息判別故障元件。當IED采集的相位信息缺失時，根據容錯策略，仍能準確地判別故障元件。該保護算法簡單可靠，有一定的容錯能力，并通過仿真驗證了該算法的有效性。

集成保護；故障分量；相位信息；容錯策略

隨著我國電力需求日益增加，互聯的大電網格局逐漸形成，繼電保護作為保證電網安全穩定運行的“第一道防線”，面臨著由此帶來的巨大挑戰［1，2］。變電站作為電力系統，是電能傳輸和信息交互的樞紐，也是電網運行必不可少的組成部分。

目前，與傳統變電站相同，智能變電站多數采用保護配置，鮮少利用全站信息共享為基礎對保護算法加以創新。然而智能變電站在實現數字化采集數據、網絡化信息交互、集成化信息應用等功能的同時［3，4］，也可能會出現數據丟失，因此，傳統的保護算法不再適應電網發展的要求。

隨著微處理器技術的快速發展以及數字化變電站概念的推廣和實施，集成保護的實現條件開始具備，也逐漸成為研究熱點［5，6］。然而現有的“集成保護”只是硬件或軟件上的簡單集合，在保護原理和算法上未有突破。因此，利用現有的技術優勢，提出新的思路和方法［7-9］，保障變電站的安全穩定運行對電力系統有著重要的意義。

本文提出了一種智能變電站集成保護算法：利用故障時元件兩端的正序故障分量與電流相位特點構成故障判別原則，結合IED采集的相位信息判別故障元件。當IED采集的相位信息缺失時，通過容錯策略，仍能準確地判別故障元件。該保護算法簡單可靠，有一定的容錯能力。并通過大量的仿真實驗，驗證了該算法的有效性。

1 基于正序故障分量電流相位比較原理的集成保護算法

1.1 故障元件的正序故障分量電流相位特點

若規定流過保護的正序故障分量電流正方向是從母線指向線路；當變電站內某元件發生故障時，其兩端的正序故障分量電流向量圖如圖1所示，從圖1可以看出，故障元件兩端的正序故障分量電流相位相差不大。

圖1 故障元件兩端的正序故障分量電流向量圖

圖2給出當發生外部故障時，該元件兩端的正序故障分量電流向量圖。從圖2可以看出外部故障時，元件兩端正序故障分量電流相位幾乎相反；因此，可以利用正序故障分量電流的相位特點來區分故障和非故障元件［10］。

圖2 外部故障時正序故障分量電流向量圖

1.2 故障元件判別原則

分別選取線路兩端、變壓器兩端、母線靠近變壓器一側與其相連饋線和母聯上的正序故障分量電流進行相位比較，若電流相位相差不大，則說明該元件發生故障；判據如式（1）所示。

若電流相位相差接近180°，則說明發生區外故障，判據如式（2）所示。

式中，ΔIi、ΔIj分別為元件兩端的正序故障分量電流。

2 容錯策略

智能變電站在實現高度信息共享的同時，會給通信系統帶來一些壓力，可能會出現數據丟失的情況。數據異常很可能導致保護的勿動或拒動，不利于系統的安全穩定運行。因此，本文考慮出現信息丟失的情況，通過容錯策略將故障準確判斷出來并及時切除。

（1）變壓器一側正序故障分量電流相位缺失

當變壓器一側的正序故障分量電流相位缺失時，將該側所連母線的線路正序故障分量電流與變壓器未缺失相位一側的正序故障分量電流作相位比較，如圖3所示。

圖3 變壓器一側正序故障分量電流相位缺失

（2）母線一端正序故障分量電流相位缺失

當母線靠近變壓器側的正序故障分量電流相位缺失時，與變壓器一側的正序故障分量電流相位缺失時容錯策略相同。

（3）線路一端正序故障分量電流相位缺失

線路本端的正序故障分量電流相位缺失，將該線路對端正序故障分量電流與其所連母線的正序故障分量電流和進行相位比較，如圖4所示，若相位相反則為故障線路。

圖4 線路本端的正序故障分量電流相位缺失

線路對端的正序故障分量電流相位缺失，將該線路本端的正序故障分量電流和其他線路的正序故障分量電流進行相位比較，如圖5所示，若相位與其他線路都相反則為故障線路。

圖5 線路對端的正序故障分量電流相位缺失

3 仿真驗證

圖6為利用PSCAD搭建的220KV智能變電站仿真示意圖。

圖6 220kv智能變電站仿真示意圖

（1）變壓器T1發生故障并且數據傳輸正常的情況

圖7、圖8分別為變壓器發生故障并且數據傳輸正常時，IED輸出的變壓器兩端正序故障分量電流相位比較值以及斷路器輸出值的仿真圖。由圖7可知線路兩端正序故障分量電流相角值滿足式（1）的判別原則，判別為變壓器T1故障，因此變壓器T1兩端的IED動作于發出跳閘信號。

圖7 變壓器兩端正序故障分量電流相位比較值

圖8 IED動作輸出值

（2）變壓器T1發生故障并且低壓側故障相位信息丟失

變電站變壓器T1發生故障并且低壓側故障相位信息丟失時故障元件的判別時，圖9、圖10、圖11、圖12為IED輸出的變壓器高壓側與低壓側線路的正序故障分量電流相位比較值。根據故障元件判別原則判別為低壓母線或變壓器T1故障，先跳開變壓器與低壓母線之間的斷路器。圖13為IED動作輸出值的仿真圖。

圖9 變壓器高壓側與低壓線路L9故障分量電流相位比較值

圖10 變壓器高壓側與低壓線路L10故障分量電流相位比較值

圖11 變壓器高壓側與低壓線路L11故障分量電流相位比較值

圖12 變壓器高壓側與低壓線路L12故障分量電流相位比較值

圖13 IED動作輸出值

再利用變壓器高壓側的正序故障分量電流與低壓母線所連線路的正序故障分量電流進行相位比較，圖14、圖15、圖16圖17為跳開變壓器T1低壓側斷路器后，IED輸出的變壓器高壓側與低壓側線路的正序故障分量電流相位比較值仿真圖，根據故障元件判別原則判別為變壓器T1故障，跳開變壓器T1高壓側斷路器。圖18為IED動作輸出值的仿真圖。

圖14 變壓器高壓側與低壓線路L9故障分量電流相位比較值

圖15 變壓器高壓側與低壓線路L10故障分量電流相位比較值

圖16 變壓器高壓側與低壓線路L11故障分量電流相位比較值

圖17 變壓器高壓側與低壓線路L12故障分量電流相位比較值

圖18 IED動作輸出值

4 結論

本文簡單介紹了故障時元件兩端的正序故障分量電流相位特點，并利用其特點構成故障元件判別原則，提出了一種智能變電站集成保護算法。分析了當IED采集的相位信息缺失時，利用擴大IED的識別區域內的相位信息，結合容錯策略，仍能準確地判別故障元件。并通過大量的仿真實驗，驗證了該算法的有效性。

［1］ 金恩淑，汪有成，王紅艷，等.基于負序功率方向比較原理的廣域繼電保護算法［J］.電力系統保護與控制，2013，41（22）：1-6.

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［10］ 劉凱，李幼儀.主動配電網保護方案的研究［J］.中國電機工程學報，2014，34（16）：2585-2587.

An Integrated Protection Algorithm of Intelligent Substation

WEI Jidong1，WANG Runzhi2，JIN Yuwei2，ZHANG Jun1
（1.Tongliao Power Supply Company，Tongliao 028000；2.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012）

An integrated protection algorithm of intelligent substation is proposed in this paper.Using the characteristics to make the fault element discrimination principle.When a fault occurs，the phases of positive sequence fault component currents of the two sides of fault element are small.While external faults occur，the phases are almost opposite.And using the phase information that the intelligent electric devices（IEDs）acquired，the fault element can be identified.When the phase information lost，accord?ing to the fault-tolerant strategy，the fault could be distinguished accurately.This relaying protection algorithm is simple，reli?able and having the fault-tolerant ability.Its availability is validated by simulation.

integrated protection；fault component；phase information；fault-tolerant strategy

TM76

A

1672-9870（2017）03-0139-04

2016-12-05

魏冀東（1980-），男，工程師，E-mail：wjd0086@163.com