繼電保護定值在線校核及預警系統的研究與實踐

王杰， 楊健， 孫濤， 伊波， 葉秋紅

(國網吳忠供電公司，寧夏，吳忠 751100)

0 引言

跨區域的電力系統互聯能夠提升電力系統的經濟效益，但是對其安全性提出了更高要求[1]。作為電力系統中極為重要的二次設備，繼電保護設備能夠提升電力系統運行的安全穩定性[2]。大量相關研究[3-4]均指出，在大范圍斷電的電力系統事故中，60%以上的事故均同繼電保護設備錯誤動作存在直接或間接相關性。由此，繼電保護設備應用與繼電保護設備隱患預警成為電力系統研究的一個重要方向。

繼電保護設備定值核校直接與繼電保護設備動作行為能否滿足電力系統“四性”要求相關[5]，所以繼電保護定值校核及預警成為保障電力系統安全運行的關鍵。本研究設計一種繼電保護定值在線校核及預警系統，以期實現電力系統繼電保護定值在線核校與保護連鎖動作預警。

1 繼電保護定值在線校核及預警系統

1.1 需求分析

本系統的主要目的是實現電力系統中的繼電保護設備定值在線校核與預警2個功能。在電力系統中，繼電保護定值主要分為線路保護、母線保護與電壓器保護的后備保護定值與主保護定值、輔助定值等[6]。在電力系統當前運行模式下，對不同繼電保護定值進行在線安全校核，校核的主要方向為繼電保護裝置的靈敏度、選擇性與躲負荷能力等[7]。保護連鎖動作是在電力系統正常運行條件下，自主進行事故預警與定值校核，以準確判斷運行模式變化下受影響概率較高的繼電保護裝置和造成定值性能顯著波動的運行模式。本系統的設計與研究可有效實現電力系統繼電保護定值在線核校與保護連鎖動作預警，滿足電力系統運行的安全穩定。

1.2 系統總體架構

繼電保護定值在線校核及預警系統總體架構如圖1所示。

分析圖1可知，繼電保護定值在線校核及預警系統主要由電力系統綜合模型拼接模塊、信息融合模塊、計算模塊與輸出模塊等組成。

能量管理系統所提供的電網一次模型經由電力系統綜合模型拼接模塊傳輸至系統內，結合離線整定計算系統提供的繼電保護模型，構建用于繼電保護定值在線校核的電力系統綜合模型。

信息融合模塊分為2部分。一部分用于獲取由能量管理系統內計算得到的系統當前運行模式，依照變壓器的投停情況完善其中性點接地方式[8]；參照文獻[9]，在當前運行模式條件下，確定N-1或N-k運行模式，產生局部校核區域。另一部分獲取離線整定計算系統與模糊推理系統提供的計算定值與現場運行定值，將其作為計算模塊中待校核的定值。

計算模塊包含故障、潮流與校核計算相關的技術程序[9]。通過故障計算能夠獲取定值校核計算過程中所需的不同故障預備量，同時能夠依照校核計算的定性校核結果確定繼電保護范圍。利用潮流計算能夠確定給定運行模式條件下電力系統的潮流。校核計算可在給定運行模式與定值信息條件下計算不同類型保護定值性能以及預警值。

結果輸出模塊用戶輸出繼電保護校核結果，并針對不合理定值進行預警，其結果可以通過圖、表、文本等多種形式呈現。

1.3 定值校核計算方法

繼電保護定值校核主要可采用靈敏度校核和選擇性校核。靈敏度校核的主要依據為系統計算模塊中通過故障計算所獲取的最小短路電流；選擇性校核相對復雜，若繼電保護定值與選擇性要求不匹配，則需計算其相鄰的下一線路范圍。

1.3.1 靈敏度校核

繼電保護定值校核中的靈敏度校核主要通過故障計算實現，故障計算是指在當前運行模式條件下，根據線路保護類型與接線方式，并利用在校核規則知識庫內搜索到合適的校核規則，并對搜索到的校核規則進行分解，確定規則的故障計算組件、量測組件和取值組件，利用這些組件進行故障計算，獲取最小短路電流，通過對比確定靈敏度校核結果[10]。

基于組件思想可將繼電保護的校核規則劃分為3種不同組件：故障計算組件、量測組件和取值組件。用故障計算確定的故障部分(故障元件類型、故障位置、故障類型等)，根據故障判斷結果構建校核計算式是故障計算組件的主要功能。量測組件和取值組件分別表示故障計算后應用的量測信息(元件、位置、內容等)和繼電保護定值與一次設備參數(元件類型、取值內容與位置等)。

繼電保護定值校核規則的構建如圖2所示。

圖2 繼電保護定值校核規則構建形式

構建規則過程中著重關注規則適用條件與規則間的邏輯關系。

1.3.2 選擇性校核

圖3為包含三段式距離保護的電力系統線路保護示例，在此基礎上說明繼電保護定值選擇性校核方法。

圖3 示例圖

(1)

依照保護范圍的概念，當電力系統內某點發生故障時，保護所處區域采集的電氣量等于保護動作值，利用式(2)能夠描述此等量關系：

NDZ=f(ξ)

(2)

式中，NDZ和ξ分別表示距離保護定值和保護范圍(故障線路中h點與故障線路首端距離比值)。

圖3中，在R1距離保護Ⅱ段同選擇性標準不匹配的條件下，假設NDZ表示h點在三相短路故障時R1的動作值，基于此對式(2)進行重新推導，得到

(3)

式中，Gik=(1-ξ)GBk+ξGCi，Gik表示節點i與故障點h之間的互阻抗，GAK表示節點A與故障點h之間的互阻抗，GBK表示節點B與故障點h之間的互阻抗，GCi表示節點C與故障點i之間的互阻抗。將其代入式(3)得到：

?ξ+λ=0

(4)

式中，?=NDZ(GBA+GCB-GCA)+NAB(GCA-GBA)，λ=GBA(NAB-NDZ)。

上述保護范圍對比法同樣適用于其他故障類型，能夠基于等量關系確定保護范圍。

1.4 定值預警方法

電力系統在當前運行模式下采用“N-1”開斷方法，檢驗校核相間距離保護的躲負荷能力，進而實時確定電力系統內易產生連鎖跳閘問題的薄弱環節，以實現保護連鎖動作預警。

利用“N-1”開斷法進行N次全部線路的斷線分析需要進行十分繁瑣的計算，耗時巨大。在電力系統中，導致繼電保護裕度下降的關鍵因素是線路過負荷，基于此通過標量函數PI排序“N-1”線路開斷，在線路開斷導致保護裕度波動低于設定閾值的條件，開斷運算結束。

利用斷線分析的靈敏度法可提升“N-1”開斷運算效率。

在電力系統中節點i與節點j之間的線路出現開斷問題時，利用式(5)可計算節點i與節點j的功率變量ΔPi、ΔQi、ΔPj、ΔQj：

(5)

式中，D和Pij、Qij、Pji、Qji分別表示4×4矩陣和N-1開斷前電力系統不同線路的功率。

利用式(6)能夠計算“N-1”開斷后節點電壓修正量：

(6)

式中，ΔV、Δε和U分別表示開斷后節點電壓幅值修正量、節點電壓相角修正量和靈敏度矩陣。U還能夠描述電力系統開斷前潮流計算迭代結束時的雅克比矩陣J的逆矩陣。

結合式(5)和式(6)獲取電力系統節點開斷后的電壓幅值V與相角ε，進而實時確定電力系統內易產生連鎖跳閘問題的薄弱環節，通過事先設置好的預警閾值，實現保護連鎖動作預警。

2 實踐應用測試

為驗證本研究所設計的繼電保護定值在線校核及預警系統的應用性，進行實踐應用測試。

2.1 研究對象概況

選取我國某市電力系統為研究對象，其局部拓撲結構如圖4所示。其中，S1～S8和P1分別表示變電站和發電站，L1～L10和RL1～RL7分別表示線路和線路保護，RL1～RL7為繼電保護線路。

圖4 研究對象局部結構拓撲圖

2.2 系統定值校核結果

依照定值比較法能夠得到圖4內繼電保護RL1的相間距離保護Ⅱ段與RL4同選擇性標準不匹配。由表1能夠得到，RL1繼電保護的Ⅱ段同相鄰繼電保護的Ⅱ段結合，利用本研究系統確定滿足同相鄰繼電保護結合要求的臨界定值，設定準確系數為0.8，利用表2可顯示RL1繼電保護同相鄰繼電保護結合的最小正序助增系數、臨界定值與其定值校核結果。

表1 繼電保護線路參數

表2 定值比較法校核結果

表2數據顯示，RL4繼電保護的臨界定值為46.74 Ω，小于待校核定值54 Ω，同選擇性標準不匹配。雖然RL4繼電保護動作定值同選擇性標準不匹配，但保護動作時間依舊存在級差，將此種結合關系定義為“不完全結合”。

以表2中的校核結果為基礎，采用本研究系統中的保護范圍比較法對研究對象繼電保護定值實施定量校核，結果如表3所示。

表3 保護范圍比較法校核結果

分析表3能夠得到，在研究對象故障類型一致的條件下，RL1繼電保護Ⅱ段的保護范圍同RL4繼電保護Ⅱ段的保護范圍相比較小，由此判斷其與選擇性標準相匹配。

2.3 校核應用效果

為驗證本研究系統的校核效果，對比研究對象中7個線路保護(RL1—RL7)在應用本研究系統進行在線校核與預警后的年故障下降情況，計算如式(7)：

(7)

其中，NC為應用本研究系統進行在線校核與預警前的年故障率，NH為應用本研究系統進行在線校核與預警后的年故障率。應用本研究系統進行在線校核與預警后的結果如圖5所示。

圖5 線路保護故障下降情況

由圖5可知，在利用本研究系統進行線路保護定值在線校核與預警后，7個線路保護的年故障均呈現不同程度的下降，下降比例在13%～23%，其中RL1繼電保護年故障下降最為顯著，而RL4繼電保護年故障下降幅度最低。由此能夠說明,采用本研究系統對電力系統繼電保護定值進行在線校核與預警能夠顯著降低電力系統故障發生率，能夠保證電力系統的安全穩定運行。

3 總結

在實際中，繼電保護的錯誤動作是影響電力系統安全穩定運行的重要因素，因此研究電力系統繼電保護校核與預警具有重要意義。本研究進行了繼電保護定值在線校核與預警系統的研究與實踐，以完善當前繼電保護整定計算方面存在的缺陷，并通過實踐驗證了本研究系統的良好性能。后續研究將針對本研究系統的閉環運行進行詳細研究，完善繼電保護數據通信標準與接口，提升調度中心與繼電保護設備間的通信與集成質量，實現該系統性能的進一步提升。