利用本地信息實(shí)現(xiàn)新型站域保護(hù)方案

王媛，焦彥軍，馬葉芝

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定071003）

利用本地信息實(shí)現(xiàn)新型站域保護(hù)方案

王媛，焦彥軍，馬葉芝

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，保定071003）

針對傳統(tǒng)變電站基于元件信息的后備保護(hù)動作時限和定值配合繁雜的弊端，提出利用本地信息實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能的站域保護(hù)方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，采用基于PCI Express總線技術(shù)的同步采集單元實(shí)現(xiàn)信息采集的同步性和實(shí)時性，并采用雙重化配置，提高系統(tǒng)的可靠性；保護(hù)原理上，采用負(fù)序分量定位不對稱故障，采用單相電壓電流量定位對稱故障，滿足后備保護(hù)選擇性和靈敏性要求；保護(hù)方案上，提出分布式-集中決策的站域保護(hù)方案，由本地保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)啟動、選相、測量及執(zhí)行元件等功能，站域保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)集中決策的功能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了站域保護(hù)性能的優(yōu)越性。

站域保護(hù)；負(fù)序分量；分布式-集中決策；PCI Express總線

基于單端信息的后備保護(hù)為了保證選擇性，需要通過多段保護(hù)的動作時延、動作定值及動作區(qū)間的相互配合，因此后備保護(hù)存在延時長、故障定位不準(zhǔn)確等問題[1]。電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對稱故障（三相短路），而不對稱故障時反應(yīng)相電壓、相電流的保護(hù)裝置很難滿足靈敏度的要求，現(xiàn)在普遍采用反應(yīng)負(fù)序電壓、電流的保護(hù)，它具有較高的選擇性和靈敏性[2-5]。

針對不對稱故障，本文提出一種基于負(fù)序分量的故障定位方案，該方案采用負(fù)序電壓、負(fù)序方向元件作為測量元件，首先利用負(fù)序電壓確定故障區(qū)域，然后利用負(fù)序方向元件定位故障元件。針對三相短路故障，采用低電壓、過流元件作為測量元件，首先利用低電壓元件確定故障區(qū)域，然后利用過流元件定位故障元件；并提出分布式-集中決策的站域保護(hù)方案，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用雙重化配置，可靠性高。

1 站域保護(hù)系統(tǒng)

1.1 PCI-E總線技術(shù)

PCI-E總線被稱為第3代I/O總線技術(shù)，它可工作于各種不同的物理媒介上，從通用的銅線連接到光纖連接。它被公認(rèn)為下一代10年總線標(biāo)準(zhǔn)，具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢：①點(diǎn)對點(diǎn)串行連接，能夠?yàn)槊恳粔K設(shè)備分配獨(dú)享的通道帶寬，保障了各設(shè)備的帶寬資源；②采用雙通道傳輸模式，允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸，大大提高傳輸速率；③每個信道單方向具有2.5 Gb/s的傳輸速率，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時性的要求；④支持同步數(shù)據(jù)傳輸。已研制出的基于PCI-E總線技術(shù)的同步采集單元實(shí)現(xiàn)了信息的同步實(shí)時采集，能夠滿足繼電保護(hù)對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性、同步性要求。同時，同步采集單元具有通道失靈檢測功能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站域保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中以110/35/10kV變電站為例說明了本地保護(hù)單元的分布情況。圖中所示為一套完整的站域保護(hù)系統(tǒng)，備用系統(tǒng)完全相同，各部分的功能如下。

（1）本地保護(hù)單元LPU（local protection unit）包含啟動、選相、測量和執(zhí)行元件。利用選相元件確定故障類型，包括對稱故障和不對稱故障。測量元件分為故障域測量元件和故障點(diǎn)測量元件，前者用來定位故障區(qū)域，后者用來定位故障元件。LPU實(shí)現(xiàn)的功能有：①全站信息的實(shí)時采集，包括保護(hù)CT和PT的信息，以及開關(guān)量的信息；②對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、傅氏算法等；③形成本地保護(hù)算法，得到基波電壓、電流、負(fù)序電壓、負(fù)序電流、二次諧波電流、五次諧波電流等信息；④同步上傳信息，接收并執(zhí)行跳閘或閉鎖命令。

（2）同步采集單元SAU（synchrony acquisition unit）負(fù)責(zé)：①向本地保護(hù)單元發(fā)同步信號，保障數(shù)據(jù)采集和上傳的同步性；②接收并發(fā)送站域保護(hù)單元下達(dá)的命令。

（3）站域保護(hù)單元SPU（substation-area protection unit）是集中決策中心，實(shí)現(xiàn)集中決策，為全站設(shè)備提供保護(hù)與控制功能。

圖1 站域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of substation-area protection system

2 站域保護(hù)原理

電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，利用傳統(tǒng)后備保護(hù)中的相電壓、相電流等測量信息定位故障元件存在諸多弊端，主要是測量元件靈敏度低導(dǎo)致保護(hù)拒動的問題，而基于負(fù)序分量的測量元件能夠滿足靈敏度要求，因此不對稱故障時采用基于序分量的故障定位方法。在線路、母線、變壓器出線端發(fā)生三相短路時，相電壓、相電流的靈敏度滿足要求，能夠安全、可靠動作，從保護(hù)繼承性考慮，對于對稱故障，延用傳統(tǒng)的相電壓、電流作為測量元件，通過制定新的故障定位策略來提高保護(hù)的整體性能。

2.1 不對稱故障

簡化的系統(tǒng)接線如圖1所示，得到圖2（a）所示的系統(tǒng)負(fù)序阻抗圖，ZS是系統(tǒng)負(fù)序阻抗，ZT1、ZT2、ZT3分別代表變壓器T高、中、低壓側(cè)負(fù)序阻抗，ZL1、ZL2、ZL3、ZL4分別是線路L1、L2、L3、L4的負(fù)序阻抗，Z1、Z2、Z3、Z4是負(fù)荷負(fù)序阻抗，圖2（b）、2（c）、2（d）分別是低壓側(cè)線路故障、低壓側(cè)母線故障、變壓器故障時的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖，U˙d2、U˙z2、U˙g2分別代表低、中、高壓母線的負(fù)序電壓，箭頭表示負(fù)序電流方向，斷路器與LPU對應(yīng)。下面以低壓側(cè)不對稱故障為例說明保護(hù)原理。

第1步確定故障區(qū)域

如圖2（b）、2（c）所示，在低壓側(cè)線路或母線故障時一定有Ud2＞Uz2、Ud2＞Ug2，如圖2（d）所示，變壓器內(nèi)部故障時也可能滿足上述條件[6]，因此通過比較高、中、低壓母線的負(fù)序電壓，負(fù)序電壓最高的即為故障區(qū)域。定義低壓側(cè)故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}。同理中壓側(cè)故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高壓側(cè)故障域Ωg={Bg、T}。

第2步確定故障元件

規(guī)定負(fù)序電流的正方向是流出母線，并定義負(fù)序方向元件如式（1）。

如圖2（b）所示，故障域內(nèi)只有故障線路的反方向負(fù)序元件動作；如圖2（c）所示，母線故障時故障域內(nèi)所有正方向負(fù)序元件都動作；如圖2（d）所示，變壓器故障時，母線側(cè)LPU反方向負(fù)序元件動作。

2.2 對稱故障

圖2 不同狀態(tài)下的系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2Negative sequence network diagram under different states

三相短路時，短路點(diǎn)電壓為0，越靠近短路點(diǎn)的母線電壓越低，因此可通過比較母線電壓確定故障區(qū)域。斷路器與LPU過流元件相對應(yīng)，下面以中壓側(cè)故障為例說明保護(hù)原理。

第1步確定故障區(qū)域

中壓側(cè)線路、母線故障時一定有Uz＜Ug、Uz＜Ud；變壓器會發(fā)生匝間、匝地等不對稱故障，只有出線處可能發(fā)生三相短路故障，因此變壓器中壓側(cè)三相短路時，也滿足上述條件[7]。因此通過比較高、中、低壓母線的電壓，電壓最低的就是故障區(qū)域。經(jīng)分析對稱故障的故障域集合分別為：低壓側(cè)故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}，中壓側(cè)故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高壓側(cè)故障域Ωg={Bg、T}。

第2步確定故障元件

定義過流元件經(jīng)分析可知：在故障域內(nèi)，若某線路過流元件動作，則該線路故障；若所有線路過流元件不動作，母線側(cè)過流元件動作，則母線故障；若線路、母線側(cè)過流元件都不動作，則變壓器故障。

3 站域保護(hù)方案

采用分布式-集中決策的保護(hù)方案，“分布式”是指本地保護(hù)單元LPU分布安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)啟動、選相、測量及執(zhí)行元件的功能，并能夠根據(jù)SPU下達(dá)的命令上傳所需信息，LPU上傳的信息量減少，避免了網(wǎng)絡(luò)的阻塞?！凹袥Q策”是指站域保護(hù)單元SPU作為集中決策中心，實(shí)現(xiàn)全站的后備保護(hù)功能。通過在LPU中增加軟件可完成各種算法，在SPU中增加軟件可實(shí)現(xiàn)多種故障定位策略，因此該方案具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性。下面以本文提出的站域保護(hù)原理為例說明分布式-集中決策的保護(hù)方案。

（1）各LPU實(shí)時采集信息，啟動、選相元件在工作狀態(tài)，測量、執(zhí)行元件在閉鎖狀態(tài)。

（2）各LPU上傳啟動、選相元件的信息，SPU接收到信息后做例行判斷，若所有啟動元件都未動作，則SPU判斷為全站無故障。若某個啟動元件動作，則SPU根據(jù)選相元件的信息判斷出故障類型（對稱故障或不對稱故障）。

（3）SPU判斷出系統(tǒng)發(fā)生對稱故障。首先，SPU發(fā)信息解除全站LPU中對稱故障測量元件（低電壓、過電流元件）的閉鎖。然后，全站LPU上傳測量元件的信息至SPU，并進(jìn)入SPU中的對稱故障處理程序，做例行判斷，確定出故障元件。最后，SPU制定出跳閘策略并下達(dá)命令至相應(yīng)的LPU，由LPU中的執(zhí)行元件動作切除故障。

（4）SPU判斷出系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障。首先，SPU發(fā)信息解除全站LPU中不對稱故障測量元件（負(fù)序電壓、負(fù)序方向元件）的閉鎖。然后，全站LPU上傳測量元件的信息至SPU，并進(jìn)入SPU中的不對稱故障處理程序，做例行判斷，確定出故障元件及故障相別。最后，SPU制定出跳閘策略并下達(dá)命令至相應(yīng)的LPU，由LPU中的執(zhí)行元件動作切除故障。

4 保護(hù)相關(guān)算法

4.1 啟動元件

以相電流突變量為主要的啟動元件，突變量在故障后存在40 ms，啟動判據(jù)為

式中，istart-set為門檻值，雖然采用低門檻值時，系統(tǒng)波動可能導(dǎo)致啟動元件誤啟動，但是負(fù)序電壓元件（或低電壓元件）不會誤動作，所以在站域保護(hù)原理的第1步就判斷出系統(tǒng)無故障。因此，啟動元件可以采用低門檻值以提高靈敏性。

4.2 選相元件

針對不同的故障類型（對稱故障和不對稱故障）采用不同原理的故障定位方法，同時為了實(shí)現(xiàn)選相跳閘，需要設(shè)置選相元件。電流突變量選相元件具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，通過計(jì)算和比較3個相電流差的有效值|I˙A-I˙B|、|I˙B-I˙C|、|I˙C-I˙A|，可實(shí)現(xiàn)故障類型、故障相別的判斷[8]。同時可根據(jù)實(shí)際情況增加其他輔助的選相元件。

4.3 測量元件

負(fù)序電壓元件的動作判據(jù)為

式中，U2.set為負(fù)序電壓元件的門檻值，按躲過正常運(yùn)行時的最大負(fù)序電壓整定，通常取U2.set=（0.06～0.12）UN[9]。

負(fù)序方向元件的動作判據(jù)為

基于負(fù)序電壓、負(fù)序電流的保護(hù)算法得到普遍應(yīng)用，但是也有不足。正常運(yùn)行時局部出現(xiàn)不對稱，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動；保護(hù)區(qū)內(nèi)短路時，若非故障部分不對稱產(chǎn)生的負(fù)序電流方向與短路產(chǎn)生的負(fù)序電流方向相反，可能降低保護(hù)靈敏度，甚至造成保護(hù)誤動。因此，可以考慮基于故障分量的負(fù)序電壓元件及負(fù)序方向元件，能夠躲過不對稱負(fù)荷及非全相運(yùn)行[10]。

低電壓元件動作判據(jù)為

式中，Uset為低電壓元件的門檻值，按躲過正常運(yùn)行時可能出現(xiàn)的最低工作電壓整定[9]。

過流元件的動作判據(jù)為

式中：Krel為可靠系數(shù)；Kre為返回系數(shù)；Igh為系統(tǒng)運(yùn)行時可能出現(xiàn)的過負(fù)荷電流。

5 仿真驗(yàn)證

5.1 仿真模型

隨著電力系統(tǒng)不斷增大，500 kV成為系統(tǒng)的主網(wǎng)架，各地區(qū)220 kV聯(lián)絡(luò)線路大部分已斷開，110 kV輸電線路過渡為配電線路，新建的110 kV變電站大部分為終端變電站，且一般是小電流接地系統(tǒng)[11]。以圖1所示110 kV變電站為例，利用Simulink建立仿真系統(tǒng)。變壓器參數(shù)如表1所示；電源輸出電壓為110 kV，內(nèi)電阻為0.005 29 Ω，內(nèi)電感為0.000 14 H，通過架空線路向變電站供電，架空線路長為30 km，x=0.4 Ω/km，r=0.17 Ω/km；35 kV架空線路參數(shù)為x=0.425 Ω/km，r=0.19 Ω/ km，線路長分別為15 km、8 km，線路負(fù)荷分別為14 MW、8.68 Mvar，15 MW、9.30 Mvar；10 kV架空線路參數(shù)為x=0.41 Ω/km，r=0.17 Ω/km，線路長分別為5 km、7 km，線路負(fù)荷分別為6.9 MW、4.45 Mvar，4.1 MW、2.74 Mvar。采樣頻率為5 kHz。

表1 變壓器參數(shù)Tab.1Parameters of transformer

5.2 仿真結(jié)果

該變電站是小電流接地系統(tǒng)，不對稱故障主要考慮兩相短路，表2所示的是AB兩相短路的仿真結(jié)果，其中Td、Tz、Tg分別指變壓器低、中、高壓側(cè)，表3所示的是三相短路的仿真結(jié)果。

表2的結(jié)果表明：不對稱故障時，通過比較高、中、低壓母線的負(fù)序電壓確定了故障區(qū)域，然后根據(jù)故障域內(nèi)的負(fù)序方向元件信息確定故障元件。

表3的結(jié)果表明：對稱故障時，通過比較高、中、低壓母線的相電壓確定了故障區(qū)域，然后根據(jù)故障域內(nèi)的過流元件信息確定出故障元件。

表2 兩相短路仿真結(jié)果Tab.2Simulation results for two-phase short circuit

表3 三相短路仿真結(jié)果Tab.3Simulation results for three-phase short circuit

綜上所述，站域保護(hù)原理能夠準(zhǔn)確定位到故障元件，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能。

6 結(jié)語

基于站域保護(hù)思想，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)原理、保護(hù)算法、保護(hù)方案等多方面進(jìn)行了闡述。仿真結(jié)果驗(yàn)證了站域保護(hù)的可行性和優(yōu)越性，體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)方面，采用基于PCI-E總線技術(shù)的同步采集單元，能夠保證全站信息采集的實(shí)時性和同步性，滿足繼電保護(hù)要求。站域保護(hù)系統(tǒng)采用雙重化配置，兩套系統(tǒng)互為備用，提高了可靠性。

（2）保護(hù)原理方面，不對稱故障和對稱故障采用不同的故障定位方法，不對稱故障時采用基于負(fù)序分量的定位方法；從保護(hù)繼承性角度考慮，對稱故障時基于相電壓、相電流，定位故障元件；兩者都能夠滿足靈敏度和選擇性的要求。

（3）采用分布式-集中決策的保護(hù)方案，分布在本地的保護(hù)單元LPU分擔(dān)部分功能，站域保護(hù)單元SPU實(shí)現(xiàn)集中決策，能夠避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，減小SPU的負(fù)擔(dān)。

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Research on Substation-area Protection Scheme Based on Local Information

WANG Yuan，JIAO Yan-jun，MA Ye-zhi
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Traditional backup protection in substation is based on component information，and cooperation of movement time limit and fixed value is complicated.Substation-area protection based on local information that can provide protection functions for the whole station is proposed.Its system structure uses synchronous acquisition unit based on PCI Express Bus to realize synchronal real-time data acquisition.System reliability is improved according to structure's double configuration.Protection principles based on negative sequence to locate asymmetric faults and phase components to locate symmetrical faults are proposed meeting backup protection requirements of selectivity and sensitivity. Protection scheme of distributed-concentration decision is suggested.Local protection unit includes starting elements，phase-selecting elements，measuring elements and executive elements while substation-area protection unit is the decision-making center.Simulation results indicate the superiority of substation-area protection.

substation-area protection；negative sequence；distributed-concentration decision；PCI Express Bus

TM77

A

1003-8930（2014）08-0060-05

王媛（1987—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。Email：hddianqihua0608@126.com

2012-08-16；

2012-09-27

焦彥軍（1963—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等。Email：jiao_yanjun@126.net

馬葉芝（1987—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。Email：myz-ma1022@163.com