分區(qū)域廣域繼電保護系統(tǒng)及故障識別方法分析

李鵬 楊岳霖

摘 要：本文首先分析了廣域繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對分區(qū)域廣域繼電保護系統(tǒng)的故障識別方法進行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣邚V域繼電保護系統(tǒng)的性能有所幫助。

關(guān)鍵詞：繼電保護系統(tǒng)；故障識別；判斷

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A

一、廣域繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

（一）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

按照廣域繼電保護系統(tǒng)所實現(xiàn)功能的不同以及相關(guān)功能對動作延時、范圍和可靠性要求的差別，可將廣域繼電保護系統(tǒng)分為以下三種結(jié)構(gòu)。

1 集成式結(jié)構(gòu)

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體是指在一個變電站當中只設(shè)置一臺IED（數(shù)字保護繼電器），其主要負責站內(nèi)相關(guān)信息的采集、與其它IED進行信息交互、保護算法執(zhí)行、控制策略生成、跳閘命令執(zhí)行等功能。具體而言，就是將站內(nèi)所有的保護及控制功能全部集中至一臺IED上，由其負責變電站運行的保護與控制。雖然這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低前期投資成本，并且還能使站內(nèi)接線得以簡化，但必須確保IED的運行穩(wěn)定可靠且具備足夠快的運算速度。

2 集中式結(jié)構(gòu)

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在變電站的每個測點位置處安裝一臺終端，并在區(qū)域主站內(nèi)設(shè)置中央控制單元，終端設(shè)備主要負責實現(xiàn)以下功能：信息采集和簡單處理；與中央控制單元通信，并按照指令完成跳合閘操作。該結(jié)構(gòu)形式僅在決策環(huán)節(jié)實現(xiàn)集中，如果從信息采集的角度上看，可將其歸入分層分布式結(jié)構(gòu)的范疇。

3 IED全部設(shè)置在站內(nèi)測點位置處，在整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，所有IED的地位是平等的，每個IED所需實現(xiàn)的基本功能為：安裝點信息的采集；與其它IED通信；依據(jù)相關(guān)信息執(zhí)行跳合閘操作。在該結(jié)構(gòu)當中，IED是保護與控制的核心，若是有特殊需要的話，也可設(shè)置上位PC機，它的作用是對分布在系統(tǒng)中IED進行監(jiān)管，但卻并不參與保護控制策略的形成。

（二）結(jié)構(gòu)比較

在上述三種結(jié)構(gòu)當中，集成式的優(yōu)點是可以節(jié)約投資成本、簡化線路布局，但由于系統(tǒng)對IED的依賴程度過高，若是IED出現(xiàn)故障問題，則會導(dǎo)致變電站處于無保護狀態(tài)，由此會造成十分嚴重的后果。故此，當采用集成式結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當對IED實行雙機或是多機備用；集中式結(jié)構(gòu)對中央控制單元具有較高的依賴性，所以必須對中央控制單元進行雙機或是多機備用。由于該結(jié)構(gòu)中，中央控制單元是憑借通信系統(tǒng)來獲取終端設(shè)備的信息，為了保證信息傳輸?shù)膶崟r性，必須采取有效的措施解決信息交互過程中的延遲問題，否則可能會對保護系統(tǒng)的性能造成影響；分布式結(jié)構(gòu)的保護與控制功能是由分布于變電站內(nèi)的各個IED來實現(xiàn)的，由于結(jié)構(gòu)中的IED較多，即便某個出現(xiàn)故障，也不會對系統(tǒng)的運行帶來太大的影響，在這一前提下，無需對IED進行雙機或是多機備用配置。該結(jié)構(gòu)中，只需要合理確定信息交互范圍，基本不會發(fā)生信息多次往返與IED之間的情況，所以通信延時不會很長。由此可見，分布式結(jié)構(gòu)是最為適合廣域繼電保護系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式。

二、分區(qū)域廣域繼電保護系統(tǒng)的故障識別方法

對分區(qū)域的廣域繼電保護系統(tǒng)而言，想要實現(xiàn)快速的繼電保護功能，就必須對故障區(qū)段進行快速判斷。下面本文基于故障方向信息比較的方法對廣域繼電保護系統(tǒng)中的故障進行識別。

（一）識別方法的設(shè)計思想

將可以測量故障方向的IED分別裝設(shè)在被保護系統(tǒng)的各個斷路器或是電流互感器的位置處；確定各個IED的保護區(qū)域，以此來確保故障發(fā)生后，IED之間能夠有目的進行信息交換；列出各個IED最大保護范圍內(nèi)的被保護設(shè)備與IED之間的對應(yīng)關(guān)系表；將IED回傳的故障方向信息與表中的對應(yīng)關(guān)系進行比較計算，最終確定故障區(qū)段。

（二）IED動作系數(shù)

在對故障識別算法進行研究前，應(yīng)當先對IED的動作系數(shù)AF進行定義：AF表征了IED中故障方向元器件的判斷輸出情況，其取值如下：

（1）

上式當中，1為方向元件i為正向故障；-1為反向故障；0為無輸出。具體而言，當故障出現(xiàn)之后，若是系統(tǒng)中某個IED判斷為正向故障，則AF取值為1，如果判斷為反向故障，則AF取值為-1，當認為無故障或是未能得出故障判斷結(jié)果時AF取值為0。對AF進行定義之后，便可對故障識別進行計算。

（三）故障識別的計算方法

本文所提出的計算方法歸屬于面向?qū)ο蟮姆懂牐唧w而言，就是以保護元件作為對象，如電力線路、母線、電氣設(shè)備等等，收集這些對象側(cè)IED的AF，通過運算獲得判斷結(jié)果，在利用對結(jié)果大小的比較確定故障位置。故障判斷結(jié)果可用下式進行計算：

Fouti= （2）

在上式當中，F(xiàn)outi代表與被保護對象i相對應(yīng)的故障判斷結(jié)果；N為保護對象i各側(cè)的IED實際數(shù)量。故障的判斷依據(jù)為：

|Fouti|≥Fthi （3）

在上式當中，|Fouti|代表故障判斷結(jié)果的絕對值；Fthi代表故障判斷的門檻值。當系統(tǒng)當中出現(xiàn)線路故障時，故障線路各側(cè)的IED全都判斷為正向故障，依據(jù)式（1），AF值應(yīng)當取1，再根據(jù)式（2）進行運算，可得Fouti應(yīng)為正值；若是系統(tǒng)中的母線發(fā)生故障，且故障母線各側(cè)IED全部判斷為反向故障時，AF值應(yīng)當取-1，通過式（2）的計算，F(xiàn)outi應(yīng)為負值。為了達到統(tǒng)一性的目的，本文以Fouti的絕對值作為最終的故障判斷結(jié)果。由于Fthi并非唯一，所以可按實際需要提供保護的范圍大小對其進行相應(yīng)的調(diào)整，本文中的門檻值可用下式表示：

Fthi|Foutiˊ|-1 （4）

在上式當中，F(xiàn)outiˊ代表被保護對象i出現(xiàn)了內(nèi)部故障且各側(cè)IED均為正確判斷后得出的故障判斷結(jié)果。

（四）結(jié)果與討論

由上述分析可得如下結(jié)論：

（1）當出現(xiàn)內(nèi)部故障、IED全都判斷正確時，|Fouti|值必然會大于Fthi，由此可判斷為被保護對象出現(xiàn)內(nèi)部故障。

（2）當i的外部出現(xiàn)故障、IED均判斷正確，計算結(jié)果勢必對小于Fthi，由此可判斷故障發(fā)生在i的外部。

參考文獻

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