電力系統(tǒng)站域保護(hù)的原理及其應(yīng)用

【摘 要】智能電網(wǎng)發(fā)展背景下，大量智能變電站興建，統(tǒng)一的IEC61850通信平臺和高速發(fā)展的信息交互技術(shù)為繼電保護(hù)的創(chuàng)新提供了條件。站域保護(hù)有利于克服現(xiàn)有繼電保護(hù)的一些固有缺陷，在設(shè)計理念、信息利用、整定配合方面都具有優(yōu)勢，本文詳細(xì)分析了電力系統(tǒng)站域保護(hù)的算法，并結(jié)合工程實踐探討了站域保護(hù)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；站域保護(hù)；原理應(yīng)用

0.引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，我國電網(wǎng)逐漸向著高電壓、大容量、交直流混連的方向發(fā)展，系統(tǒng)的運(yùn)行和控制特性日益復(fù)雜，大系統(tǒng)因故失穩(wěn)的風(fēng)險不斷增大，在此背景下，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定裝置已經(jīng)不再能夠完全滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，智能量測技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)建更加完善的保護(hù)和控制系統(tǒng)提供了有利條件，電力系統(tǒng)站域保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。

1.電力系統(tǒng)站域保護(hù)與傳統(tǒng)繼電保護(hù)的差異分析

智能變電站中，IEC61850規(guī)約的應(yīng)用使得全站信息實現(xiàn)共享，為站域保護(hù)的應(yīng)用提供了通訊基礎(chǔ)。站域保護(hù)采集智能變電站內(nèi)所有間隔的模擬量、斷路器、刀閘的開關(guān)量等實時信息，為智能變電站內(nèi)所有的一次設(shè)備提供集中的近后備保護(hù)。與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比，站域保護(hù)的關(guān)鍵價值在于對后備保護(hù)的完善。智能變電站中的主保護(hù)依然根據(jù)就地信息進(jìn)行故障判斷處理，以目前最常用的“直采直跳”方式跳閘。

1.1 保護(hù)設(shè)計理念不同

繼電保護(hù)裝置旨在反映被保護(hù)元件的故障狀態(tài)或不正常運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計理念立足于被保護(hù)設(shè)備的角度，采集被保護(hù)設(shè)備的安裝點量測信號，來進(jìn)行決策和判斷；站域保護(hù)基于全局視角，立足于智能變電站的信息交互和共享機(jī)制，根據(jù)劃分的冗余信息應(yīng)用范圍，使用多信息融合算法來實現(xiàn)故障識別，結(jié)合設(shè)計優(yōu)化邏輯策略實現(xiàn)斷路器跳閘，從而快速可靠切除變電站各一次設(shè)備保護(hù)范圍內(nèi)的故障。

1.2 信息利用效率不同

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)由于缺乏全局性的綜合視角，因此當(dāng)保護(hù)采集到的有效信息不足時難以給出最優(yōu)判斷，因此，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)在難以判斷信息有效性時多選擇犧牲保護(hù)范圍，即閉鎖保護(hù)的方式來應(yīng)對。例如，當(dāng)出現(xiàn)一側(cè)電流互感器斷線時，傳統(tǒng)的變壓器差動保護(hù)為了避免誤動而選擇退出運(yùn)行；站域保護(hù)基于全局視角，基于全站信息共享，引入了多源信息融合技術(shù)，從而能夠?qū)⒉顒颖Ｗo(hù)的范圍擴(kuò)大到站內(nèi)的相應(yīng)母線，使得變壓器保護(hù)不致于失去主保護(hù)。

1.3 整定配合不同

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)后備保護(hù)以距離保護(hù)和過流保護(hù)為主，均為階段式保護(hù)的配合，上下級保護(hù)之間通過動作時間和動作值整定來確保選擇性，因此，在某些復(fù)雜情況下，可能需要長達(dá)數(shù)秒的動作延時，當(dāng)主保護(hù)因故失去時，后備保護(hù)的切除較慢，不利于故障的快速恢復(fù)，還存在著擴(kuò)大故障范圍的可能。站域保護(hù)通過多源信息來改善后備保護(hù)性能，無需復(fù)雜的整定配合規(guī)則，能夠以盡可能快的速度動作切除故障，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.電力系統(tǒng)站域保護(hù)的保護(hù)算法分析

根據(jù)上文所述，電力系統(tǒng)站域保護(hù)能夠顯著改進(jìn)后備保護(hù)的動作性能，在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用具有較大優(yōu)勢。目前，電力系統(tǒng)站域保護(hù)的保護(hù)算法尚在不斷發(fā)展與成熟過程中。整體來講，站域保護(hù)有數(shù)據(jù)采集和計算模塊、故障位置判別模塊、保護(hù)跳閘決策模塊等3個功能模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集和計算模塊

數(shù)據(jù)采集模塊通過IEC61850規(guī)約采集并計算站域保護(hù)所需要的各類信息，包括智能變電站中的電壓電流等模擬量和斷路器開關(guān)位置等狀態(tài)欄信息。

2.2 故障位置判別模塊

故障位置判別模塊是站域保護(hù)的核心模塊，利用采集到的各類故障方向信息和故障距離信息來進(jìn)行故障位置判別。目前，常見的故障位置判別算法有：

2.2.1基于故障電壓分布的故障位置判別

基于IEC61850通信規(guī)約，站域保護(hù)能夠同時獲得系統(tǒng)兩側(cè)的電壓故障分量，并通過其中一側(cè)的電壓和電流故障分量來估算另一側(cè)的電壓故障分量，如果兩側(cè)的電壓故障分量一致，則屬于區(qū)外故障；如果預(yù)估的另一側(cè)電壓故障分量與本次的實測值相差較大，則屬于區(qū)內(nèi)故障，這種算法對于邊界元件的故障識別具備良好的適應(yīng)性，是目前站域保護(hù)內(nèi)常用的一種保護(hù)算法。

2.2.2基于遺傳信息融合技術(shù)的故障位置判別

遺傳信息技術(shù)屬于近年來興起的人工智能技術(shù)，站域保護(hù)以故障方向為遺傳算法的處理對象，結(jié)合其它多種保護(hù)判據(jù)信息和狀態(tài)判別方法，分析當(dāng)前狀態(tài)值與保護(hù)期望值之間的差異，建立差異構(gòu)造極大值的適應(yīng)度函數(shù)，利用遺傳信息技術(shù)的快速搜索和收斂判據(jù)尋找函數(shù)的最優(yōu)解，實現(xiàn)故障方向決策和故障元件判別。基于遺傳信息融合技術(shù)的故障位置判別具有較高的容錯性和可靠度，增強(qiáng)了保護(hù)的大范圍抗干擾能力，能夠準(zhǔn)確定位故障，不過人工智能技術(shù)尚不成熟，工程實用性需要進(jìn)一步考察。

2.3 跳閘決策模塊

站域保護(hù)完成故障位置判別和定位邏輯判斷后，將判斷結(jié)果以GOOSE報文的形式，通過智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)將跳閘策略發(fā)送到相應(yīng)間隔的智能終端，執(zhí)行跳閘決策，跳開故障元件，將系統(tǒng)內(nèi)故障切除。目前，站域保護(hù)的跳閘方式有利用動作時限進(jìn)行跳閘配合、根據(jù)故障識別的跳閘決策等。

3.電力系統(tǒng)站域保護(hù)的應(yīng)用

目前，包括南瑞、南自、許繼等在內(nèi)的繼電保護(hù)廠家都開始了對站域保護(hù)的研究，并有相應(yīng)的產(chǎn)品推出，站域保護(hù)目前主要應(yīng)用于智能變電站的后備保護(hù)中。如下圖1為一個典型的變電站站域保護(hù)控制系統(tǒng)圖：

如上圖1，220kV電氣主接線采用雙母線接線，共由六個分支單元構(gòu)成，Ⅰ母固定接T1主變分支和電源以及220kV分支L2，Ⅱ母固定接T2主變分支和220kV線路L1分支。L1和L2為與220kV變電站N站的雙回?zé)o互感輸電線路，N站接入地區(qū)電網(wǎng)。

110kV電氣主接線采用單母線分段接線，T1主變中壓側(cè)接于Ⅰ母，T2主變中壓側(cè)接于Ⅱ母，Ⅱ母接與110kV變電站站終端站相連的L3和L4出線。

10kV電氣主接線采用單母四分段接線，1#主變低壓側(cè)雙分支分別帶Ⅰ母、Ⅱ母，2#主變低壓側(cè)雙分支分別帶Ⅲ母、Ⅳ母。Ⅰ母接出線L7和L8，Ⅱ母接出線L9，Ⅲ母接出線L10，Ⅳ母接出線L11和L12，L7為小電源并網(wǎng)線。

該站域保護(hù)集成母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和低頻低壓減載等功能于一體，對變電站各元件保護(hù)范圍內(nèi)的故障，均應(yīng)該正確動作，包括110kV線路保護(hù)，母聯(lián)（分段）過流保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、加速后備保護(hù)、簡易母線保護(hù)、低周低壓減載、備自投、主變過負(fù)荷聯(lián)切、互感器斷線等。

4.結(jié)語

隨著我國電網(wǎng)輸電等級不斷升高、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、系統(tǒng)交直流互聯(lián)發(fā)展，以站域保護(hù)為代表的廣域保護(hù)與控制技術(shù)不斷發(fā)展，成為確保大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的有效手段，站域保護(hù)有利于克服傳統(tǒng)保護(hù)的局限性，是未來繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向之一。

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