電力系統繼電保護定值在線安全預警系統

高振軍，任景，霍超，范越，牛拴保，孫驍強，柯賢波

（西北電網有限公司，陜西西安 710048）

保護定值的合理性對于保護系統的可靠、正確動作具有極為重要的意義。近年來，對保護定值的校核從離線校核逐漸向在線校核發展[1-3]。由于高壓電網主保護普遍實現雙重化，使得后備保護有簡化的趨勢。在這種情況下，由于后備保護定值不合理而導致故障時保護誤動或拒動的概率已非常小。后備保護突出的問題在于，在電網發生連鎖故障時距離III段可能因無法躲過大負荷電流而發生誤動。在歷史上多次大停電事故中，距離III段誤動作都在事故發展中起到了推波助瀾的作用，特別是近期發生的印度大停電，再一次暴露出這個問題。為此，“8.14”大停電最終調查報告中明確提出：應對230 kV以上線路的距離III段定值重新進行評估。因此，對后備保護定值校核的重點應是距離III段。

保護定值校核功能所需的輸入信息主要有兩類：1）保護安裝處的實時電壓與電流；2）保護的配置與定值。已有的在線校核系統都安裝在調度端，上述信息1）主要通過在線潮流計算得到，上述信息2）主要通過調度MIS系統得到。為此，要求調度端維護全網準確的系統參數以及保護配置與定值信息，這在目前仍是難以做到的。近年來國內建設了大量故障信息處理系統，該系統可通過模擬量召喚功能和保護定值召喚功能實時獲得上述信息1）和2）[4-5]。電網本身就相當于一個巨型交流計算臺，來自現場的數據無疑最能反映電網當前的運行方式和系統參數。故本文提出利用保護裝置的模擬量召喚和定值召喚功能對保護定值進行在線校核。

保護定值分為整定定值和裝置定值。已有的保護定值校核系統僅對整定定值進行校核。而事實上，當電網發生連鎖故障時，距離III段誤動的原因除了因線路電流增大、電壓降低而導致保護測量阻抗絕對值變小外，另一個重要因素是負荷功率因數嚴重低于正常值，最終導致測量阻抗進入保護動作特性區。因此，對距離III段進行定值校核必須基于裝置定值，且必須考慮保護動作特性。

1 保護裕度

1.1 IEC 61850

本文針對保護裝置定值進行校核，并需要考慮保護動作特性。實際保護裝置的裝置定值差別很大，不利于編寫通用的校核程序。

IEC 61850建立了距離保護裝置定值的統一信息模型[6]，見表1。

表1 IEC 61850距離保護模型（部分）Tab.1 IEC 61850 distance protection model(segment）

1.2 保護裕度計算

圖1為美加“8.14”停電Sammis-Star線路距離III段阻抗特性圖。由圖1所示，在正常情況下，線路距離III段測量阻抗遠離保護動作特性圓。但在重潮流情況下，線路首端節點電壓降低，線路功率增大，距離III段測量阻抗進入保護動作特性圓內，保護誤動切除線路。

圖1 Sammis-Star線路距離III段阻抗特性圖Fig.1 Characteristics of impedance on Sammis-Star′s distance zone III

繼電保護設備做為電力系統安全防御的第一道防線，動作迅速（以秒為數量級）。在重潮流情況下，安全自動裝置動作來阻止系統運行狀況的惡化，但由于安全自動裝置動作時間相對后備保護較長(以分鐘為數量級)，保護迅速動作切除線路，則安全自動裝置無法發揮應有的作用。

因此，本文提出建立保護在線校核系統，實時監視保護的動作裕度，并根據保護裕度向調度人員發出預警信號，可以避免距離III段誤動，發揮安全自動裝置的作用，避免停電范圍的擴大。

距離Ⅲ段阻抗特性曲線見圖2。圖2中，用IEC 61850的定值符號，給出圓特性、透鏡特性以及四邊形特性距離Ⅲ段動作裕度公式。

圖2 距離III段阻抗特性曲線Fig.2 Characteristics curves of impedance of distance zone III

假定節點i保護安裝處的測量電壓為Vi，測量電流為Ii，則測量阻抗ZJ由式（4）計算得到：

定義i處距離III段保護裕度Mi為

2 預警性校核

2.1 關鍵線路選擇

并非所有線路的距離保護III段可能發生過負荷引起的誤動。以500 kV線路為例，若以3.6 kA作為線路過負荷電流的最大值，電壓按降低到額定電壓的0.85×525/1.732＝371.875 kV，而此時的測量阻抗ZJ=71.5674 Ω，假設測量阻抗角為30°，距離III段保護的最大靈敏角為85°，則在ZJ=71.5674 Ω情況下，距離III段可能誤動的前提是距離III段的整定值Zset＝71.5674/cos（85-30）=124.7684 Ω，考慮保護的可靠系數，則Z′set=124.7684×0.7＝87.3379 Ω，以華東電網500 kV線路為例，距離III段整定值大于87.3379 Ω的只有13條線路。所以，本系統可以設置距離III段整定值的門檻值，來過濾掉不需要進行保護校核的線路。

2.2 預想事故排序

為提高電力系統的安全預警能力，本系統在電網當前運行方式的基礎上進行“N-1”開斷，校核相間距離III段后備保護的躲負荷能力，及時發現電網中存在連鎖跳閘危險的薄弱環節。

嚴格的N-1檢驗需要對全部線路進行N次斷線分析，計算工作量很大。實際上，網絡中有一些線路在開斷后并不引起關鍵線路的過負荷，由上分析，線路過負荷是引起保護裕度降低的主要原因，因此在線校核系統采用標量函數PI對N-1線路開斷進行排序[7]，在線路開斷引起保護裕度變化很小（小于預先設定的門檻值）時，停止開斷計算。

2.3 斷線分析的靈敏度法

對于N-1開斷計算，為提高計算速度，系統采用斷線分析的靈敏度法[8]。

假設開斷線路為節點i和j間的線路，則節點i和j的節點功率變化量ΔPi，ΔQi，ΔPj，ΔQj由式（6）求得：

式中，H為4×4的矩陣，具體定義見文獻[8]；Pij，Qij，Pji，Qji為N-1開斷前線路的功率。N-1開斷后節點電壓的修正量由式（7）求得：

式中，ΔV，Δθ為開斷后節點電壓幅值和相角的修正量；S為靈敏度矩陣，為電網開斷前潮流計算迭代結束時的雅克比矩陣J的逆矩陣。

由ΔV，Δθ求得開斷后節點電壓幅值V和相角θ，即可得到各支路N-1開斷后的線路電流幅值和相角的修正量ΔI，Δδ。

3 系統實現

系統結構如圖3所示。在調度端故障信息系統主站完成N-1開斷計算，將開斷計算得到的電壓和電流的修正量發送給相應的各個子站，由子站的故障信息系統召喚保護裝置的定值和實時模擬量，與修正量疊加，完成預警性校核。圖4為系統的詳細算法流程圖。

圖3 保護在線校核系統結構圖Fig.3 Structure of on-line verification system of protection

圖4 保護在線校核系統流程圖Fig.4 Flowchart of on-line verification system of protection

4 算例

以某區域電網500 kV線路作為研究對象。

1）以福州到雙龍的90021-50231雙回線斷面為例，如表2所示，正常情況下，保護裕度M在10左右，不可能發生誤動。但當福建后山6#機組滿出力投入運行時，斷面潮流迅速增大，保護裕度M縮小到5，此時啟動預警性校核，由事故排序得到如雙回線1號線斷開對2號線影響最大，N-1開斷計算結果見表2，線路2的距離III段保護裕度降低到1.406，校核系統向調度人員發出報警信號。

2）以任莊到上河的40300－40400雙回線斷面為例，如表3所示，正常情況下，保護裕度M在16左右，不可能發生誤動。但當母線40900-90200的1號線開斷時，斷面潮流迅速增大，保護裕度M縮小到10，此時啟動預警性校核，由事故排序得到母線40900到90200的1號線開斷時對40300－40400雙回線斷面影響最大，N-1開斷計算結果見表2，此時保護裕度已縮小到4，在此基礎上進行N-1開斷，若此時40300－40400的2號回路開斷，則40300－40400的1號線距離III段保護裕度降低到1.60，校核系統向調度人員發出報警信號。

表2 保護在線校核系統測試結果1Tab.2 Testing results 1 for on-line verification system of protection

表3 保護在線校核系統測試結果2Tab.3 Testing results 2 for on-line verification system of protection

5 結論

1）距離保護在大潮流下誤動是電網發生連鎖故障的重要誘因。對距離III段進行在線校核是保護定值校核的重要方面。

2）利用數字式保護裝置自身的模擬量召喚和定值召喚功能，可對保護定值進行準確的在線校核和監視，該功能不依賴外部系統，易于實現。

3）對距離III段進行校核應立足于裝置定值，并考慮保護動作特性。

4）利用靈敏度分析方法，可快速對裝置定值進行預警性校核，調度端與各廠站交換的信息很少，同時實現了全網并行校核。

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