基于傳統(tǒng)保護(hù)算法的配電所集中式保護(hù)方案

蔣 娜, 徐丙垠,2, 王敬華,2, 張新慧, 范開俊

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 山東 淄博 255091;2.山東科匯電力自動(dòng)化有限公司, 山東 淄博 255087;3.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

目前配電所的繼電保護(hù)裝置普遍采用分布式保護(hù),即采用一套保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備或一條線路的保護(hù)功能.這種方式存在一些問題:信息量有限,各保護(hù)功能之間相互獨(dú)立,缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化[1]，保護(hù)整定時(shí)間過長;硬件重復(fù)配置,接線復(fù)雜,建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用高,施工時(shí)間長[2].

相對傳統(tǒng)保護(hù),集中式保護(hù)具有明顯優(yōu)勢:集中式保護(hù)擁有豐富的信息,便于綜合分析決定保護(hù)是否動(dòng)作,響應(yīng)速度較快、可靠性較高;集中式保護(hù)用一臺(tái)裝置實(shí)現(xiàn)所有的保護(hù)功能,結(jié)構(gòu)簡單,可減少硬件配置,節(jié)省投資.早在20世紀(jì)60年代末期,Rockefeller就提出了利用電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)變電站集中式繼電保護(hù)功能的設(shè)想[3]，但受限于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度無法滿足技術(shù)要求.而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度已達(dá)到當(dāng)時(shí)的幾萬倍,具備高速處理大量數(shù)據(jù)的能力,加上通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件性能的提升為集中式保護(hù)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持和必要條件.近幾年國內(nèi)外學(xué)者以數(shù)字化變電站為實(shí)施平臺(tái)[4-5]，提出了一些帶有集中式性質(zhì)的保護(hù)方案,將多種保護(hù)功能集中到一個(gè)保護(hù)裝置中.文獻(xiàn)[6]提出了輸電線路集中式保護(hù)的概念,希望利用相鄰間隔的元件信息更準(zhǔn)確地反映故障狀態(tài).

本文根據(jù)配電所一次設(shè)備和繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),利用全所信息,設(shè)計(jì)出配電所集中式保護(hù)方案.該方案可實(shí)現(xiàn)配電所內(nèi)現(xiàn)有的保護(hù)功能,實(shí)現(xiàn)信息共享,并能夠準(zhǔn)確快速地切除故障,具有良好的性能,對高質(zhì)量地完成配電所的保護(hù)功能具有重要意義.

1 配電所傳統(tǒng)保護(hù)方案及存在問題

配電所的傳統(tǒng)保護(hù)配置如圖1所示,一般裝設(shè)下列保護(hù).

1)變壓器(1#變、2#變)裝設(shè)電流速斷保護(hù)作為主保護(hù),過電流保護(hù)作為后備保護(hù),帶時(shí)限動(dòng)作于跳閘.

2)傳統(tǒng)保護(hù)400V出線(L1～L4)主要采用熔斷器,上下級保護(hù)動(dòng)作特性間的定值和時(shí)間配合比較繁雜.當(dāng)前部分配電所裝設(shè)低壓開關(guān),配置電流速斷和過電流保護(hù).

3)在分段開關(guān)處Q9裝設(shè)帶短時(shí)限(一般為0.5s)的電流速斷和過電流保護(hù)以及備自投功能.傳統(tǒng)保護(hù)利用低壓側(cè)的過流保護(hù)作為低壓母線的后備保護(hù),沒有設(shè)置專門的母線保護(hù).

圖1 配電所保護(hù)配置圖

傳統(tǒng)保護(hù)雖然基本能夠滿足現(xiàn)場運(yùn)行的要求,但存在一些問題:信息有限、各保護(hù)功能之間獨(dú)立、缺乏有效的協(xié)調(diào)、保護(hù)之間通過定值和時(shí)間的配合來保證選擇性、動(dòng)作速度慢,常見以下兩種情況:

1)后備保護(hù)功能的動(dòng)作時(shí)限長,在某些情況下不能快速切除故障.

以饋線(L1)保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)為例:在傳統(tǒng)保護(hù)技術(shù)下,饋線的遠(yuǎn)后備保護(hù)為主變低壓側(cè)的過電流保護(hù).當(dāng)饋線保護(hù)失效時(shí),低壓側(cè)過流保護(hù)將故障切除.為保證選擇性,考慮時(shí)限配合原則,低壓側(cè)過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限往往設(shè)為1s,當(dāng)變壓器低壓側(cè)母線發(fā)生故障時(shí),不能快速切除故障.

2)當(dāng)主變低壓側(cè)斷路器(1#變或2#變)無法正常動(dòng)作時(shí),遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)限過長.

以母線保護(hù)為例:傳統(tǒng)保護(hù)利用高壓側(cè)的過電流保護(hù)作為遠(yuǎn)后備保護(hù),不能快速切除故障.

2 配電所集中式保護(hù)設(shè)計(jì)方案

借鑒早期集中式保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)理念,改進(jìn)以上保護(hù)配置的缺陷,將集中式保護(hù)的思想運(yùn)用于配電所中.

2.1 集中式保護(hù)總體設(shè)計(jì)方案

集中式保護(hù)系統(tǒng)采用一體化平臺(tái),主體設(shè)計(jì)思想是利用軟件來實(shí)現(xiàn)所有的保護(hù)功能,用一臺(tái)裝置實(shí)現(xiàn)所有保護(hù)功能的一體化配置和集中管理,配電所內(nèi)電壓、電流等電氣量信息和開關(guān)狀態(tài)量信息傳送到保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的交互和信息共享,這是集中式保護(hù)的基礎(chǔ)條件,能避免單點(diǎn)監(jiān)測可能造成的誤判.依據(jù)保護(hù)算法運(yùn)行的結(jié)果檢測配電所內(nèi)各電氣設(shè)備是否發(fā)生故障,如果發(fā)生故障,則向相關(guān)斷路器發(fā)出跳閘命令,完成配電所的保護(hù)功能.為保證配電所安全穩(wěn)定運(yùn)行,保護(hù)裝置采用雙重化配置,每臺(tái)裝置均可實(shí)現(xiàn)配電所內(nèi)所有的保護(hù)功能,互為備用,可獨(dú)立投退.

2.2 集中式保護(hù)功能

配電所集中式保護(hù)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示,由一套集中式保護(hù)裝置完成配電所的所有保護(hù)功能.集中式保護(hù)將多種保護(hù)功能集于一體,裝置內(nèi)配有電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)和母線備自投功能,各保護(hù)功能模塊協(xié)調(diào)配合,與傳統(tǒng)保護(hù)只利用單點(diǎn)信息相比,多信息共享可更全面、更充分地發(fā)揮保護(hù)效能.

圖2 配電所集中式保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 配電所集中式保護(hù)硬件系統(tǒng)圖

2.3 集中式保護(hù)硬件系統(tǒng)

集中式保護(hù)采用嵌入式技術(shù),硬件系統(tǒng)如圖3所示,由高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、32位RISC微處理器(MCU)、大規(guī)模現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)等構(gòu)成,能夠適應(yīng)配電所對保護(hù)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求.其接口電路采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可根據(jù)工程需要靈活選配.設(shè)計(jì)高輸入阻抗、弱模擬信號(hào)接口電路與數(shù)字采樣值輸入接口電路,以實(shí)現(xiàn)電壓電流傳感器、數(shù)字式互感器的接入[7].

2.4 集中式保護(hù)軟件框架

軟件程序是實(shí)現(xiàn)集中式保護(hù)的核心,所有算法均在軟件架構(gòu)上實(shí)現(xiàn),如圖4所示,采用Linux實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和C語言編程實(shí)現(xiàn).根據(jù)保護(hù)對象的不同,建立不同的保護(hù)模塊,如線路保護(hù)功能模塊、母線保護(hù)功能模塊、主變保護(hù)功能模塊等.啟動(dòng)元件通過檢測電壓、電流信號(hào)變化來判斷系統(tǒng)是否有故障發(fā)生,并以此啟動(dòng)保護(hù)算法.各保護(hù)功能模塊按照各自的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷,一旦滿足程序設(shè)定的保護(hù)判斷邏輯及判據(jù),即可發(fā)送相應(yīng)命令.為提高計(jì)算效率和程序的并發(fā)度、運(yùn)行效率以及保護(hù)響應(yīng)時(shí)間,采用多線程設(shè)計(jì).

圖4 集中式保護(hù)軟件框架圖

3 性能測試與分析

3.1 保護(hù)配置比較

配電所保護(hù)配置比較表見表1,可知集中式保護(hù)不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的保護(hù)功能,還可快速識(shí)別母線故障,無需另設(shè)測量設(shè)備,經(jīng)濟(jì)性較好.與變電站相比,配電所的保護(hù)配置相對簡單,更易于實(shí)現(xiàn)集中式保護(hù),從而優(yōu)化保護(hù)性能[8-11].

表1 保護(hù)配置比較表

3.2 動(dòng)作時(shí)限比較

目前配電所的后備保護(hù)基本采用電流保護(hù),并按照上下級關(guān)系進(jìn)行定值和時(shí)限配合.本文依據(jù)圖1保護(hù)配置結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)保護(hù)和集中保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限進(jìn)行比較.

3.2.1 傳統(tǒng)保護(hù)分析與驗(yàn)證

饋線的電流保護(hù)時(shí)限最短,低壓側(cè)的母線電流保護(hù)作為其遠(yuǎn)后備保護(hù),時(shí)限延遲一個(gè)Δt,Δt可取0.3～0.5s,動(dòng)作整定值為躲過系統(tǒng)的最大負(fù)荷電流.以較為典型的A相單相接地故障(設(shè)為金屬性接地故障)為例,設(shè)0.05s時(shí)發(fā)生故障,持續(xù)到仿真過程結(jié)束,此處Δt取0.3s.由于兩條低壓側(cè)母線結(jié)構(gòu)、功能和連接的設(shè)備相同,建立如圖5所示的仿真模型.限于篇幅,只給出A相電壓電流的仿真結(jié)果.

1)饋線故障:當(dāng)饋線L1發(fā)生A相短路接地故障時(shí),保護(hù)啟動(dòng),出口動(dòng)作時(shí)限為0.057s,切斷故障電路,如圖6(a)所示.

2)低壓母線故障:當(dāng)?shù)蛪耗妇€I段發(fā)生故障時(shí)保護(hù)啟動(dòng),出口動(dòng)作時(shí)限為0.359s,延遲了0.3s,如圖6(b)所示.

圖5 配電所仿真模型圖

(a)傳統(tǒng)保護(hù)饋線故障仿真波形圖

(b) 傳統(tǒng)保護(hù)母線故障仿真波形圖圖6 傳統(tǒng)保護(hù)仿真結(jié)果圖

由以上分析可知,由于傳統(tǒng)保護(hù)中的時(shí)限配合關(guān)系,低壓母線的過電流保護(hù)為保證選擇性,無法迅速切除故障,設(shè)備將長時(shí)間流過很大的短路故障電流,損壞電氣元件.

3.2.2 集中式保護(hù)分析與驗(yàn)證

利用實(shí)驗(yàn)室的保護(hù)裝置測試平臺(tái)進(jìn)行分析驗(yàn)證,如圖7所示,主要包括:保護(hù)裝置一臺(tái),核心部分采用科匯公司自主研制的mk-920a高性能平臺(tái);PC機(jī)兩臺(tái),一臺(tái)裝有虛擬開發(fā)環(huán)境,運(yùn)行保護(hù)程序,一臺(tái)裝有繼電保護(hù)測試儀環(huán)境;繼電保護(hù)測試儀一臺(tái),為測試提供激勵(lì)信號(hào)(電壓、電流信號(hào))驅(qū)動(dòng)保護(hù)裝置.在該平臺(tái)上對所編寫的C語言模塊程序進(jìn)行測試,各保護(hù)功能模塊依據(jù)采樣信息計(jì)算結(jié)果綜合判斷是否動(dòng)作,完成相應(yīng)的保護(hù)功能.以配電所內(nèi)典型的線路電流保護(hù)為例分析集中式保護(hù)技術(shù)方案,將程序下載到設(shè)備中,運(yùn)行信息如圖8所示.

1)低壓母線故障[12]:當(dāng)變壓器低壓側(cè)尤其是母線故障時(shí),低壓側(cè)過流,但饋線端沒有短路電流通過.故低壓側(cè)的過流保護(hù)判據(jù)為

(1)

式中,Id、Ia1、Ia2分別指變壓器低壓側(cè)、饋線1、饋線2處的電流值;Isetd、Iset1、Iset2分別指變壓器低壓側(cè)、饋線1、饋線2處的過電流整定值.

圖7 集中式保護(hù)測試平臺(tái)圖

其仿真和程序運(yùn)行動(dòng)作信息如圖8(a)所示,可知在低壓側(cè)電流超過整定值,同時(shí)饋線1、2處電流小于整定值時(shí),母線保護(hù)出口無時(shí)限地動(dòng)作,驗(yàn)證了判據(jù)(1)的正確性.

2)饋線1故障:當(dāng)饋線1故障時(shí),低壓側(cè)和饋線1過流,而饋線2處沒有短路電流通過.故饋線1處的過流保護(hù)判據(jù)為

(2)

其仿真和程序運(yùn)行動(dòng)作信息如圖8(b)所示,可知在低壓側(cè)和饋線1處電流超過整定值,同時(shí)饋線2處電流小于整定值時(shí),饋線保護(hù)出口無時(shí)限地動(dòng)作,驗(yàn)證了判據(jù)(2)的正確性.

3)饋線2故障:當(dāng)饋線2故障時(shí),低壓側(cè)和饋線2過流,而饋線1處沒有短路電流通過.故饋線2處的過流保護(hù)判據(jù)為

(3)

其程序運(yùn)行動(dòng)作信息如圖8(c)所示,可知在低壓側(cè)和饋線2處電流超過整定值,同時(shí)饋線2處電流小于整定值時(shí),饋線保護(hù)出口無時(shí)限地動(dòng)作,驗(yàn)證了判據(jù)(3)的正確性.

(a)集中式保護(hù)低壓母線故障仿真和程序運(yùn)行圖

(b)集中式保護(hù)饋線1故障程序運(yùn)行圖

(c)集中式保護(hù)饋線2故障程序運(yùn)行圖圖8 集中式保護(hù)仿真和程序運(yùn)行結(jié)果圖

4 結(jié)束語

根據(jù)配電所集中式保護(hù)所要完成的功能進(jìn)行合理的任務(wù)劃分,基于Linux操作系統(tǒng)多線程多任務(wù)并行運(yùn)行的特點(diǎn),對集中式保護(hù)硬件構(gòu)成和軟件進(jìn)行開發(fā),提出了一種配電所的集中式保護(hù)方案.通過仿真和測試試驗(yàn),驗(yàn)證了模塊設(shè)計(jì)的正確性和集中式保護(hù)方案的可行性、優(yōu)越性.并從測試結(jié)果表2中可知切除母線故障較傳統(tǒng)保護(hù)縮短了一個(gè)時(shí)限0.3s.集中式保護(hù)克服了傳統(tǒng)保護(hù)信息有限的缺點(diǎn),使得各保護(hù)之間靈活配合,既保證了保護(hù)正確動(dòng)作,又能夠保證保護(hù)的選擇性、快速性,提升了保護(hù)的整體性能,為配電所的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障.該方案經(jīng)濟(jì)性較好,是一套簡單易用的工程實(shí)用保護(hù)方案.

表2 保護(hù)動(dòng)作測試結(jié)果比較表

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