基于智能變電站的站域保護原理和實現

蔡小玲， 王禮偉， 林傳偉， 張繼芬， 黃衛平

(福建省電力勘測設計院， 福州 350003)

基于智能變電站的站域保護原理和實現

蔡小玲， 王禮偉， 林傳偉， 張繼芬， 黃衛平

(福建省電力勘測設計院， 福州 350003)

為了克服現有繼電保護系統配置無法發揮智能變電站本身優勢的缺點，該文針對三層式的繼電保護體系架構，分析了智能變電站站域保護的功能、實現方式、算法及原理。基于反序網絡中母線電壓為零的特點，提出了并聯電抗電流的出線故障性質判別新方法和基于反序網的雙回線路故障測距方法。將高壓線路并聯電抗器電流引入線路保護，形成了智能變電站帶并聯電抗器線路保護的新方案。該保護方案具有通過所獲取的信息彌補該間隔缺失的保護功能，從而能夠快速切除故障。

保護配置方案； 站域保護； 智能變電站； 電力系統

現階段國內智能變電站應用逐漸增多，但保護的配置還是繼承了傳統繼電保護的特點，對各一次設備配置快速跳閘的主保護和多階段配合的后備保護，保護及其相關回路雙套配置且完全獨立[1]。從目前狀況看來，當前智能變電站的保護配置并沒有利用智能變電站的一些技術優勢對后備保護進行優化，仍然存在傳統的后備保護所固有的缺陷[2～6]：通過定值和時間的配合來保證選擇性，動作速度慢；每一元件均配置多種后備保護，保護系統結構復雜，設備投資高。

展望未來智能變電站的發展，為了提高繼電保護的自動化水平、提高繼電保護的可靠性，有必要提出新一代智能變電站繼電保護的配置方案，打造全新的繼電保護系統，構筑堅強的繼電保護防線。

1 新一代智能變電站繼電保護系統的架構和配置

新一代智能變電站繼電保護配置方案中，將變電站繼電保護系統分成三層：就地保護層、站域保護層和廣域保護層。

就地保護層針對一次設備獨立配置主保護，這里需要分為兩種情況：對于一次設備本身即為智能設備，保護設備可以集成安裝在智能設備內部；如果一次設備的智能化程度不高或者仍為常規的一次設備，可將保護、合并器、測控等功能就近安裝在一次設備附近的匯控柜或者保護小室中，以達到運行維護簡化的目的。制造報文規范MMS(manufacturing message specification)報文、采樣值SV(sampled value)報文和GOOSE(generic object oriented substation event)報文均通過同一以太網傳輸，全站統一采用IEEE 1588對時，但是分布式保護間的數據同步可不依賴于全站統一對時系統。

站域保護層收集全站內所有間隔的電壓、電流及斷路器、刀閘位置實時信息，針對變電站內一次設備配置集中的近后備保護，保護范圍包括全站所有母線和直接出線。由于能夠共享全站信息，可更好地改進繼電保護現有原理算法，對后備保護功能進行優化。同時，也可集成變電站內所有的低頻/低壓減載、備用自投裝置、過負荷聯切等自動裝置功能，避免重復投資。

廣域保護層同時利用全站和相鄰變電站的信息，為變電站提供遠后備保護，保護范圍包括直接出線的對端母線及對端母線所連的所有線路。廣域保護可以改善現有后備保護的性能，減小故障切除范圍，甚至在就地主保護故障時可以對線路的就地主保護進行替代。

三層繼電保護結構圖如圖1所示。

圖1 三層式繼電保護系統結構

受到篇幅的限制，本文著重論述站域保護的實現原理。

2 站域保護的功能及實現方式

2.1 站域保護功能

由于智能變電站采用IEC61850規約通信，能夠很容易地實現全站信息共享。智能變電站內站域保護收集全站內所有間隔的電壓、電流及斷路器、刀閘位置實時信息，可為變電站內所有一次設備提供集中的近后備保護，即具備線路近后備、母聯后備、母線后備、斷路器失靈后備和主變后備等保護功能。

這些保護功能的體現是一個個獨立的功能模塊，模塊之間通過站域保護的整體邏輯來相互配合，配合關系與傳統的繼電保護類似，但站域保護不與就地保護有功能和定值上的配合關系。

2.2 站域保護硬件配置方案

每套站域保護由數據采集及計算模塊、故障位置判別模塊、保護跳閘決策模塊等3個功能模塊組成，站域保護裝置結構圖如圖2 所示。

圖2 站域保護裝置結構圖

各個模塊的功能簡單描述如下。

1)數據采集模塊：通過IEC61850規約從智能變電站過程層網絡上采集保護所需的電壓、電流電氣量，采集站內各斷路器狀態信息。

2)故障判別模塊：利用本變電站元件的故障方向信息和故障距離信息，計算各元件的故障方向信息和故障距離信息，執行故障判別算法，確定故障位置。

3)跳閘決策模塊：站域保護集成母差保護、變壓器保護、線路保護、斷路器失靈保護和低頻低壓減載等功能于一體，根據就地電氣量完成相關的保護邏輯判斷，并將判斷結果以GOOSE方式通過過程層網絡將跳閘策略發送到相應間隔的智能終端。

由于站域保護采用集中式結構，為了保證站域保護動作的可靠性，建議在220 kV及以上的變電站中站域保護采用冗余配置。

2.3 站域保護的優勢

由于智能變電站能夠共享全站信息，站域保護可方便地通過過程層網絡收集全站內所有間隔的電壓、電流、斷路器和刀閘位置的實時信息，可更好地改進繼電保護現有原理算法，對現有后備保護功能進行補充，可解決同桿雙回線保護所存在的各類難題，并可對帶并聯電抗器線路故障進行判別。

3 站域保護的方案研究

3.1 改進的雙回線線路保護方案

智能變電站的信息共享性為雙回線保護原理的優化提供了最有利的支持。共享兩回線信息的雙回線路保護可解決傳統保護中所存在的難題，具體方法如下。

(1)跨線故障保護選相，由于共享了兩回線的交流信息，保護可采用六序分量原理實現準確選相，也可以共享雙回線的差動繼電器動作信息實現后備保護的輔助選相；

(2)雙回線路縱聯零序保護易受零序互感影響而誤動，在共享雙回線信息后可綜合兩回線信息進行故障判別，可采用鄰線故障信息閉鎖本線縱聯零序的方案防止其誤動；

(3)阻抗繼電器動作范圍受鄰線運行方式影響大，容易超越或拒動，此處可采用鄰線零序電流補償方案實現阻抗的準確測量。同時保護還可收集兩回線開關位置、接地刀閘等信息，實時判別鄰線運行狀態，實現距離I段定值的自適應調整；

(4)兩回線的保護獨立完成自適應重合閘功能相當困難，在獲得鄰線的電氣量和保護跳閘信息后能采用更多的新方法實現故障性質準確判別。

3.2基于并聯電抗電流的出線故障性質判別新方法

高壓線路并聯電抗器電流在常規變電站中是不引入線路保護的，但是站域保護可以很容易地獲取這些信息，從而為自適應重合閘的使用提供了途徑。可以利用在線路瞬時性故障和永久性故障情況下電抗器電流的不同特征來識別線路故障的性質。

3.2.1 一端帶并聯電抗器的線路

圖3 瞬時性故障電流示意圖

圖4 永久性故障電流示意圖

(1)

當實測電抗器電流滿足式(2)時判為瞬時性故障，允許重合。

(2)

3.2.2 雙端帶并聯電抗器的線路

對于兩端帶并聯電抗器的線路而言，其故障識別方案類似于單端并聯電抗器線路。其區別就在于對端不但有接地電容，而且有電感支路。該支路的存在只是增加了判據定值設置的難度，不存在原理問題。

3.3 基于反序網的雙回線路故障測距方法

任何基于阻抗原理的單端量或者雙端量故障測距原理都受雙回線間零序互感的影響，原理上無法實現準確測距。跨線故障情況下，傳統的測距原理更是無能為力。

同桿雙回線內部故障時的電流可以分為同序電流和反序電流兩個部分[7～10]。其中反序電流的存在是雙回線的顯著特點，對反序電流的研究有利于深入了解同桿雙回線的特點。利用反序網絡中母線電壓為零的特點，從線路兩側往故障點計算沿線電壓，利用由兩側計算所得故障點電壓必須相等的特點建立測距方程。以IAIIB故障為例，此處選擇B相或者A相反序網建立的測距方程如下：

(3)

或者

(4)

其中：p為M端到故障點之間的距離(占線路全長的百分數)；IMIB，IMIIB，INIB，INIIB分別為本側(M側)和對側(N側)的Ⅰ線、Ⅱ線的B相電流值；IMIA，IMIIA，INIA，INIIA分別為本側(M側)和對側(N側)的Ⅰ線、Ⅱ線的A相電流值。

4 站域保護的功能遷移實現原理

在智能變電站中，如果遵循傳統變電站的保護配置原則，一旦某一間隔的電子式互感器等一次設備出現異常，就會造成該間隔的繼電保護功能缺失。出現這種情況只能通過相鄰變電站的遠后備保護來跳開相關的線路，達到切除故障的目的。但是這樣造成的延時較長，該間隔可能會需要停電檢修，從而影響系統的供電可靠性。若該站配置有站域保護，則可通過站域保護所獲取的大量信息來彌補該間隔缺失的保護功能，下面通過線路間隔與變壓器間隔來說明站域保護在電子式互感器異常時繼電保護不間斷運行的優勢。

4.1 線路間隔

以圖5中間隔2為例。當間隔2的電子式互感器失效，間隔2的電流無效，但是間隔1、間隔3、間隔Q的電流有效，且滿足基爾霍夫定律。將間隔1、間隔3電流合成，形成一個新的虛擬間隔P，如圖6所示。

令IP=-(I1+I3)，那么母線和線路無故障，則IP+IQ=0，否則不為零。從圖中可看出通過虛擬間隔P與間隔Q保護動作邏輯的配合方式來保護線路和母線。為縮小保護切除范圍，此站域保護中的縱聯保護判出故障后可先切除間隔2的開關，此后的保護邏輯即退化成正常的母線保護和線路保護邏輯。

圖6 線路虛擬間隔示意圖

4.2 變壓器間隔

以圖7中變壓器高壓側M為例，當電子式互感器失效，變壓器高壓側M的電流無效，但是間隔1、間隔2、低壓側Q的電流有效，同樣滿足基爾霍夫定律。將間隔1、間隔3電流合成，形成一個新的虛擬間隔P，如圖8。

圖7 變壓器間隔示意圖

圖8 變壓器虛擬間隔示意圖

令IP=-(I1+I3)，那么母線和變壓器無故障，則IP+IQ=0，否則不為零。從圖中可看出通過虛擬間隔P與間隔Q的差動保護的方式來保護變壓器和母線。為保護變壓器此時首先切除變壓器高低壓側開關，此后的保護邏輯即退化成正常的母線保護。

5 結語

本文提出了一種基于智能變電站的站域保護架構和算法，用于智能變電站集中式的近后備保護，具有以下特點。

(1)站域保護通過過程層網絡同時引入兩回線路的電流、電壓量，結合就地線路的主保護功能，可解決現有變電站中雙回線保護所存在的各類困難和問題。若同時引入線路高抗電流，既可以為線路故障性質判別提供方便，也為差動保護電容電流補償問題提供新的解決方案。

(2)站域保護利用反序網絡中母線電壓為零的特點，從線路兩側往故障點計算沿線電壓，利用由兩側計算所得故障點電壓必須相等的特點建立測距方程，可以解決單端量或雙端量故障測距原理都受雙回線間零序互感的影響而無法實現準確測距的缺陷。

(3)通過站域保護所獲取的信息量，可彌補電子式互感器等一次設備異常時造成的該間隔保護功能的缺失，達到快速切除故障的目的。

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蔡小玲(1977-)，女，高級工程師，研究方向為繼電保護及安全自動控制的設計及研究。Email:caixiaoling@126.com

王禮偉(1981-)，男，工程師，研究方向為電力系統及其自動化。Email:wlw6@sina.com

林傳偉(1977-)，男，高級工程師，研究方向為繼電保護及安全自動控制的設計及研究。Email:lincw2000@163.com

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1.連續出版物

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摘編于《中國高等學校自然科學學報編排規范》(修訂版)

PrincipleandRealizationofSubstation-areaProtectionBasedonSmartSubstation

CAI Xiao-ling， WANG Li-wei， LIN Chuan-wei， ZHANG Ji-fen， HUANG Wei-ping

(Fujian Electric Power Survey amp; Design Institute, Fuzhou 350003, China)

According to the characteristics of smart substation, a three layer type relay protection system was introduced, and the function, realization way, arithmetic and principle of substation-area protection were discussed. Based on the fact that bus voltage of the inverted sequence is zero, a failure discrimination method for shunt reactor current and a fault location method for reverse order double circuit line were proposed. Importing the current of shunt reactor to line protection, a new line protection scheme on the line with shunt reactor for smart substation was put forward. The proposed protection scheme makes up lack protection with the acquired information, and has the ability to rapid removal of faults.

protection configuration scheme； substation-area protection； smart substation； power system

TM771； TM773

A

1003-8930(2012)06-0128-06

2012-05-09；

2012-08-20