110 kV 智能變電站站域保護(hù)原理

趙蕾

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000)

1 站域保護(hù)概述

智能變電站采用的保護(hù)配置依然采用對(duì)各一次設(shè)備配置快速跳閘的主保護(hù)、多階段配合的后備保護(hù)、相關(guān)回路雙套配置且完全獨(dú)立的保護(hù)配置模式。由于這種模式主要采用分層分布式結(jié)構(gòu)，面向間隔，功能獨(dú)立，任何一個(gè)裝置發(fā)生故障不會(huì)影響到其它功能和對(duì)象，因此具有可靠性較高，可擴(kuò)展性和開(kāi)放性較好的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于缺乏信息的共享和統(tǒng)一的協(xié)調(diào)配置，該模式也暴露出硬件配置重復(fù)、電流互感器及電壓互感器負(fù)載重、接線復(fù)雜、缺乏整體協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化、投資成本大、運(yùn)行維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。

智能化的一次設(shè)備、發(fā)展成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)的IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用為信息共享和數(shù)字化變電站的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，也使站域保護(hù)的研究、實(shí)施成為可能。基于以上技術(shù)的發(fā)展，智能變電站通過(guò)信息采集數(shù)字化和信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了信息的高度共享，為從根本上提高和改善后備保護(hù)性能創(chuàng)造了條件，站域保護(hù)也應(yīng)運(yùn)而生。

2 站域保護(hù)的原理和優(yōu)勢(shì)

站域保護(hù)并不只是簡(jiǎn)單將距離保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)、線路三段式過(guò)電流保護(hù)等傳統(tǒng)保護(hù)功能集成到一個(gè)裝置中。通過(guò)集成全部站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行信息，站域保護(hù)將大大提高保護(hù)動(dòng)作的選擇性、靈敏性和可靠性，并且能夠克服過(guò)渡電阻等不良因素的影響。

站域保護(hù)一種是利用智能變電站統(tǒng)一采集的實(shí)時(shí)信息，以集中分析或分布協(xié)同方式判定故障，自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作決策的繼電保護(hù)方法。站域保護(hù)裝置集全站的設(shè)備自投、線路、主變和母差等保護(hù)功能于一體。與傳統(tǒng)的分布式保護(hù)相比，站域保護(hù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)可通過(guò)一套裝置實(shí)現(xiàn)多套獨(dú)立保護(hù)的功能，有效的減少保護(hù)配置的成本;

2)基于61850 通訊規(guī)約，采用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，接線簡(jiǎn)單高效;

3)能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的完全共享，能夠優(yōu)化保護(hù)原理，提高繼電保護(hù)的可靠性與快速性;

4)能夠作為一個(gè)子站為廣域保護(hù)系統(tǒng)提供本地保護(hù)與控制。

3 站域保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方案

3.1 總體方案

通過(guò)采用IEEE－1588 網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)以及各相關(guān)變電站間電氣量的同步采樣，采用IEC61850 通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)與各采集與執(zhí)行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，采用光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各相關(guān)設(shè)備之間的海量數(shù)據(jù)傳輸，采用集線路、母線、變壓器、站間備自投于一體的集中式保護(hù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)相關(guān)電氣設(shè)備的保護(hù)與控制。

整個(gè)系統(tǒng)主要由采集單元、智能控制單元、主站主時(shí)鐘、交換機(jī)、同步裝置、站域保護(hù)主機(jī)和維護(hù)工作站組成，主要實(shí)現(xiàn)110 kV 線路保護(hù)、35 kV 線路保護(hù)、10 kV 線路保護(hù)、110 kV 主變保護(hù)、簡(jiǎn)易母差保護(hù)以及站間備自投等保護(hù)功能。

子站由智能采集終端ICU、MU、交換機(jī)組成。合并單元(MU)負(fù)責(zé)模擬量采集，智能控制單元(ICU)負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)采集和控制，兩者分別通過(guò)多模光纖與子站交換機(jī)相連，辛街變和柯街變子站交換機(jī)通過(guò)單模光纖與永昌變單模交換機(jī)相連，永昌變單模交換機(jī)再和主站單模交換機(jī)相連。主站配置獨(dú)立的一套站域智能控制主機(jī)、千兆單模交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、規(guī)約轉(zhuǎn)化器。站域智能控制主機(jī)分別接收三個(gè)子站MU 和ICU數(shù)據(jù)，完成具體的保護(hù)控制功能，然后通過(guò)GOOSE 完成對(duì)子站各間隔開(kāi)關(guān)的控制。

站域智能控制主機(jī)按照功能劃分，由采集板、保護(hù)控制板、通信板組成，三者均可靈活配置。針對(duì)本項(xiàng)目，可配置三塊采集板，用來(lái)接收處理永昌變?nèi)齻€(gè)不同電壓等級(jí)的智能終端數(shù)據(jù)和辛街變、柯街變備自投智能終端數(shù)據(jù);一塊保護(hù)控制板，實(shí)現(xiàn)變壓器保護(hù)功能、110 kV 線路保護(hù)功能、35 kV 簡(jiǎn)易母差保護(hù)功能和線路保護(hù)功能、10 kV 簡(jiǎn)易母差保護(hù)和線路保護(hù)功能、站間備用電源自投功能;一塊通信板，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和人機(jī)管理模塊通信。人機(jī)管理模塊屬于站域保護(hù)一部分，用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量開(kāi)關(guān)量顯示、定值管理、報(bào)文管理、錄波管理、IEC61850 站控層規(guī)約等功能。

3.2 保護(hù)配置

變壓器保護(hù)主要包括:

1)主保護(hù)功能:差流速斷保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、TA 斷線告警或閉鎖。

2)高壓側(cè)后備保護(hù):復(fù)壓方向閉鎖過(guò)流，復(fù)壓過(guò)流保護(hù);零序方向過(guò)流保護(hù)，間隙零序過(guò)流、中性點(diǎn)過(guò)壓，過(guò)負(fù)荷告警、過(guò)負(fù)荷啟動(dòng)風(fēng)冷、過(guò)負(fù)荷閉鎖有載調(diào)壓。

3)中壓側(cè)后備保護(hù):復(fù)壓方向閉鎖過(guò)流，復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，過(guò)負(fù)荷告警。

4)低壓側(cè)后備保護(hù):復(fù)壓方向閉鎖過(guò)流、過(guò)負(fù)荷告警。

110 kV 線路主要配置三段式相間、接地距離保護(hù)，四段式零序方向過(guò)流保護(hù)，TV 斷線過(guò)流、不對(duì)稱(chēng)故障相繼速動(dòng)、弱饋線路保護(hù)功能、故障錄波、過(guò)負(fù)荷告警、三相一次重合閘及后加速。

35 kV、10 kV 線路配置三段式復(fù)壓方向閉鎖過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、三相一次重合閘及后加速。

35 kV 及10 kV 簡(jiǎn)易母線保護(hù)配置基于GOOSE 報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)易母線保護(hù)站用電保護(hù)功能。

4 網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)易母線保護(hù)

基于GOOSE 的簡(jiǎn)易母線保護(hù)由嵌入在變壓器后備保護(hù)或母聯(lián)(分段)裝置中的動(dòng)作元件、嵌入在母聯(lián)(分段)或出線(包括線路、站用變、電容器、電抗器)保護(hù)裝置中的閉鎖元件組成，其關(guān)鍵在于能夠區(qū)分收到的閉鎖信號(hào)的出線源。若是正常出線發(fā)送的閉鎖信號(hào)，則進(jìn)行閉鎖保護(hù)，等待出線保護(hù)切除故障，在出線開(kāi)關(guān)失靈的情況下經(jīng)延時(shí)開(kāi)放簡(jiǎn)易母線保護(hù)跳開(kāi)變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān);若為小電源出線發(fā)送的閉鎖信號(hào)，那么不完全母線保護(hù)首先跳開(kāi)發(fā)送閉鎖信號(hào)的小電源出線，再加速跳開(kāi)變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，在變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)失靈的情況下經(jīng)小延時(shí)快速跳開(kāi)變壓器各側(cè)開(kāi)關(guān)。所采用的閉鎖跳閘信息為IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的GOOSE 信號(hào)。開(kāi)關(guān)量傳輸采用GOOSE 通道，模擬量的采用IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)SMV (Sampled Measured Values)服務(wù)報(bào)文傳輸。基于IEC61850 通信規(guī)范基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站，可以實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備之間互操作及信息共享，并實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。

將GOOSE 應(yīng)用于簡(jiǎn)易母線差動(dòng)保護(hù)，解決了傳統(tǒng)簡(jiǎn)易母線差動(dòng)保護(hù)閉鎖信號(hào)交互多、二次回路接線復(fù)雜的問(wèn)題。母線保護(hù)二次回路的監(jiān)視可以利用GOOSE 報(bào)文實(shí)現(xiàn)，大大提高了不完全母線的可靠性，解決了變壓器低壓側(cè)故障切除時(shí)間較長(zhǎng)情況下易損毀、變壓器后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)會(huì)造成事故范圍擴(kuò)大的問(wèn)題，保證了變壓器和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 利用電流差動(dòng)實(shí)現(xiàn)的站域保護(hù)

總體來(lái)說(shuō)，此實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目站域保護(hù)的范圍為變電站與其相連其余變電站出線斷路器內(nèi)的范圍，包括母線和與之相連的開(kāi)關(guān)。通過(guò)分析變電站相關(guān)主設(shè)備發(fā)生故障的情況，對(duì)故障電氣量特征進(jìn)行分析后，基于電流差動(dòng)原理，利用站域冗余信息建立保護(hù)判據(jù)，提出了一套變電站站域電流差動(dòng)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方案。

利用差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單、使用電氣量單純、保護(hù)范圍明確、動(dòng)作不需延時(shí)的特點(diǎn)，通過(guò)采集變電站母線、變壓器、線路等主設(shè)備各側(cè)的電流量，組成不同的保護(hù)原理和范圍大小的差動(dòng)區(qū)域，與現(xiàn)有母線、變壓器、線路差動(dòng)保護(hù)配合，選定永昌變出線線路電流量作為站內(nèi)區(qū)域、相連辛街、柯街變電站全部出線線路電流量作為站外區(qū)域參與差動(dòng)計(jì)算，故障位置由站外或站內(nèi)總差動(dòng)排除主保護(hù)元件確定。

發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)采集電流量確定故障位置，通過(guò)站內(nèi)區(qū)域電流差動(dòng)計(jì)算、站外區(qū)域電流差動(dòng)計(jì)算與主保護(hù)元件差動(dòng)量比較得出。此時(shí)主保護(hù)與站域保護(hù)配合工作，在確定故障元件后，經(jīng)過(guò)延時(shí)等待主保護(hù)動(dòng)作和斷路器跳閘，其中延時(shí)時(shí)間應(yīng)考慮主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器跳閘時(shí)間。同時(shí)判斷檢測(cè)主保護(hù)是否動(dòng)作、站域保護(hù)故障元件是否仍持續(xù)存在差流情況。若在相應(yīng)延時(shí)內(nèi)采集到故障元件主保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，則判斷主保護(hù)拒動(dòng)，由站域差動(dòng)保護(hù)發(fā)出跳閘指令跳開(kāi)故障元件。繼續(xù)檢測(cè)故障是否切除，若發(fā)出保護(hù)跳閘指令后故障仍存在，則認(rèn)為故障元件斷路器拒動(dòng)，則由站域差動(dòng)保護(hù)發(fā)失靈跳閘指令至故障切除。

6 結(jié)束語(yǔ)

站域保護(hù)是解決智能變電站中傳統(tǒng)繼電保護(hù)原理和配置缺陷的有效途徑。本文在分析傳統(tǒng)保護(hù)配置缺陷的基礎(chǔ)上，闡述了站域保護(hù)原理和優(yōu)勢(shì)，以及站域保護(hù)的總體實(shí)現(xiàn)方案。最后，結(jié)合站域保護(hù)在110 kV 永昌智能變電站的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)基于GOOSE 報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)易母線保護(hù)進(jìn)行了介紹，為站域保護(hù)的應(yīng)用和推廣，以及智能變電站技術(shù)的發(fā)展提供參考依據(jù)。

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