相鄰變電站交互型廣域后備保護應對站用直流失壓方法

李一泉，王增超，劉 瑋，彎丹輝，梁 博，王育學，劉 琨，文明浩

（1.廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣州 510600；2.廣東電網有限責任公司RTDS 繼電保護仿真重點實驗室，廣州 510600；3.華中科技大學，武漢 430072）

0 引言

繼電保護是電力系統“三道防線”中的第一道防線，傳統基于就地信息的主后備保護目前仍然承擔著保障電網安全的重任[1]。而變電站直流電源是維持繼電保護系統正常可靠工作的基礎[2-5]。發生站用直流失壓后，變電站內的繼電保護系統將失去工作電源，無法正常工作。此時一旦發生故障，站用直流失壓的變電站無法響應，只能依靠相鄰變電站長延時的遠后備保護動作來切除故障[5]。但傳統繼電保護系統在運行方式變化時遠后備保護整定配合困難，在超高壓電網中甚至無法配合，只能實現近后備保護功能[6-7]。

近年來，隨著智能電網變電站信息共享技術和光纖通信技術的發展，基于多源信息的站域保護、廣域保護研究受到了持續關注[8]。因此考慮引入廣域信息解決站用直流失壓時故障切除的問題。廣域保護在構建模式上主要可分為3 種：分布式、變電站集中式以及區域集中式[9-12]。理論上信息來源范圍越廣，越有利于系統決策，對決策中心信息交換的要求越高[8]。文獻[12]提出一種基于相鄰變電站信息融合的廣域后備保護系統，采用變電站集中式廣域保護。由于其僅與相鄰變電站進行信息交互，方便實現并減輕了變電站決策中心的負擔。

根據變電站二次設計規范要求，實際工程應用中變電站內的保護二次直流電源與通信電源回路需獨立設計[2-5]。即使變電站發生站用直流失壓造成二次直流電源回路失電，通信電源回路仍可正常工作，因此能將站用直流失壓信號通過通信裝置發送到相鄰變電站。

本文以基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護為基礎，在站內二次直流電源與通信電源相互獨立的前提下，提出了一種應對變電站站用直流失壓的廣域后備保護方法，實現站用直流失壓時保護快速可靠地切除故障。

1 廣域后備保護系統結構

基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護由于僅與相鄰變電站進行通信，其通信方式簡單，布線清晰，對設備要求不高。同時，每個變電站自身都擁有獨立的決策系統，在電力系統改擴建時適應性強。以文獻[12]為例，其提出的基于相鄰變電站信息交互的廣域后備保護系統結構如圖1 所示。電力系統發生故障時，變電站通過站內局域網收集本站內IED（智能電子設備）信息，同時與廣域網內的其他相鄰變電站交換電網故障信息、故障判斷結果信息及斷路器跳閘信息。

圖1 廣域后備保護系統結構

2 應對變電站站用直流失壓的廣域后備保護方法

為解決站用直流失壓時故障切除的問題，在每個變電站的決策系統配置3 個功能模塊：站用直流失壓信號的檢測與發送；能保護本線路全長的距離保護1（以下簡稱“距離保護1”）；能保護下一級線路全長的距離保護2（以下簡稱“距離保護2”）。

（1）站用直流失壓信號的檢測與發送

文獻[5]給出的變電站站內接線如圖2 所示。變電站A 發生站用直流失壓時，其保護直流電源失電，但48 V 通信電源正常，變電站A 的通信裝置可正常工作。通過檢測失電節點獲取本站失電信息，變電站A 的通信裝置將本站的站用直流失壓信號發送至變電站B 的決策系統。按照此方法，任一變電站發生站用直流失壓后，所有相鄰變電站都能收到其發出的站用直流失壓信號。

（2）距離保護1

此功能模塊配置的仍是常規距離保護算法，包括相間距離保護和接地距離保護。以接地距離保護為例，距離保護1 判據如式（1）所示。距離保護1 按照被保護線路末端發生金屬性故障時仍有靈敏度整定，保護無延時，滿足判據立即動作。

圖2 變電站站內接線

距離保護1 的保護范圍會延伸至下一級線路，但由于發生站用直流失壓的相鄰變電站保護無法動作跳閘，距離保護1 即使無延時也不會造成保護范圍超越。

（3）距離保護2

如式（2）所示，距離保護2 判據與距離保護1類似，但保護動作存在延時Δt。距離保護2 按照下一級線路末端發生金屬性故障時仍有靈敏度整定，滿足判據經延時后動作。

式中：tIII為距離保護2 延時。

距離保護2 的保護范圍會延伸至下兩級線路，所以其延時需與距離保護2 保護范圍內電氣元件的快速主保護配合。例如：對于變壓器，需與變壓器差動保護配合；對于母線，需與母線差動保護配合；對于輸電線路，需與全線速動保護配合。若配備有斷路器失靈保護，則距離保護2延時需考慮一次斷路器失靈時間，在此基礎上增加時間級差。

綜上所述，應對變電站站用直流失壓的廣域后備保護方法為：變電站決策系統持續檢測是否接收到相鄰變電站發出的站用直流失壓信號；若收到站用直流失壓信號，則判斷是否滿足距離保護1 判據，滿足則立即發出跳閘指令；不滿足則繼續判斷是否滿足距離保護2 判據，滿足則經延時發出跳閘指令。保護處理流程如圖3 所示。變電站站用直流失壓時，相鄰變電站決策系統依據此保護方法可實現故障的快速可靠切除。

3 算例分析

圖3 保護處理流程

圖4 為220 kV 電力系統示意圖，各線路配有全線速動保護，設置故障點F1—F5，其中故障點F2在變電站A 和變電站B 距離保護1 保護范圍內；故障點F3在變電站A 和變電站B 距離保護1 保護范圍之外，在距離保護2 保護范圍內；故障點F4在變電站A 距離保護2 保護范圍內；故障點F5在變電站A 距離保護2 保護范圍之外。若變電站C 發生站用直流失壓，分別就故障發生后單個變電站的跳閘策略和故障發生后系統切除故障的過程進行分析，對本文提出的廣域后備保護方法進行驗證。

圖4 220 kV 電力系統

3.1 變電站A 動作情況分析

（1）變電站C 站用直流失壓，F1處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號，檢測斷路器D1 處電壓、電流，計算距離信息。由于故障F1位于線路L1，滿足距離保護1判據，變電站A 的決策系統立即向斷路器D1 發送跳閘指令。

（2）變電站C 站用直流失壓，F2處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號，由于故障F2位于距離保護1 保護范圍內，變電站A 的決策系統立即向斷路器D1 發送跳閘指令。由于此時變電站C 發生站用直流失壓，所有保護無法動作，斷路器D3 無法跳開，所以由變電站A 跳開斷路器D1 不會造成保護超越。

（3）變電站C 站用直流失壓，F3處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號，由于故障F3位于變電站A 下一級線路L2，計算不滿足距離保護1 判據，但滿足距離保護2判據，變電站A 的決策系統經延時向斷路器D1發送跳閘指令。

（4）變電站C 站用直流失壓，F4處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號，由于故障F4位于距離保護2 保護范圍內，變電站A 的決策系統將經延時向斷路器D1 發送跳閘指令。但由于故障F4位于線路L3，且變電站D 和E 正常未發生站用直流失壓，故變電站D和E 的全線速動保護立即動作，分別向斷路器D5 和D6 發送跳閘指令，切除故障。此時變電站A 決策系統仍在等待延時，故障切除后由于不再滿足距離保護2 判據，變電站A 決策系統不會發出跳閘指令，即不會造成保護超越。

（5）變電站C 站用直流失壓，F5處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號，但由于故障F5位于距離保護2 保護范圍外，變電站A 的決策系統不發出跳閘指令。故障由變電站D 和E 的全線速動保護動作切除。

3.2 故障切除過程分析

（1）變電站C 站用直流失壓，F2處故障

故障F2位于變電站A，B 和D 距離保護1 保護范圍內。由3.1 節的算例分析可知，此時變電站A，B 和D 均無延時，分別向斷路器D1，D8和D4 發送跳閘指令，故障無延時切除。

（2）變電站C 站用直流失壓，F3處故障

故障F3位于變電站A 和B 距離保護1 保護范圍外、距離保護2 保護范圍內，變電站D 距離保護1 保護范圍內。由3.1 節的算例分析可知，變電站A 和B 經延時分別向斷路器D1 和D8 發送跳閘指令，變電站D 立即向斷路器D4 發送跳閘指令。故障的隔離需要等待距離保護2 的延時。

由上述分析可知，對于站用直流失壓狀況，本文提出的廣域后備保護方法最快可以無延時切除故障，最慢也只需等待距離保護2 延時（與距離保護2 保護范圍內電氣元件的快速主保護配合）即可切除故障，實現站用直流失壓時保護快速可靠切除故障。

4 結語

為解決站用直流失壓時故障切除的問題，本文考慮引入多源信息，以基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護為基礎，在站內二次直流電源與通信電源相互獨立的情況下，提出了一種廣域后備保護方法。此保護檢測到相鄰變電站發送的站用直流失壓信號后，投入無延時的距離保護1 和帶延時的距離保護2。 算例分析表明，變電站站用直流失壓時，本文提出的廣域后備保護方法能夠實現故障的快速可靠切除。