基于電流差動原理的智能變電站層次化保護策略研究

金恩淑，馬仲濤，陳亞瀟，吳 穎，趙 宇

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012;2.山東省聊城市供電公司，山東 聊城252000;3.國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司)

近年來，大電網(wǎng)的發(fā)展給變電站安全帶來更高的標準，對變電站的繼電保護提出更為苛刻的要求。但是，傳統(tǒng)繼電保護存在著動作時間長、整定配合難、連鎖跳閘導致大停電等問題［1］。廣域信息的廣泛運用為繼電保護算法處理以上問題提供了有效的手段?；趶V域信息共享的繼電保護裝置能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行狀況的全面了解并能為電網(wǎng)提供更加全面有效的控制措施，實現(xiàn)電網(wǎng)保護的職能全面化。智能變電站不僅能達到信息采集數(shù)字化及信息傳輸網(wǎng)絡化，還可以實現(xiàn)信息全局共享化，從而為后備保護提供了一個全新的發(fā)展方向。

從上世紀九十年代開始，國內(nèi)外學者相繼對把廣域運用在繼電保護中進行了研究［2－5］。文獻［6］運用專家系統(tǒng)的思想，可以準確識別變電站內(nèi)的故障元件，建立了結合故障點與故障電流方向的故障元件判別矩陣，通過對故障特征量的矩陣運算來達到對故障元件的快速判別。然而對于大網(wǎng)絡，這類規(guī)則庫的建立十分復雜且龐大，并引發(fā)了專家系統(tǒng)知識庫的維護難度大等問題。文獻［7］提出一種廣域繼電保護算法利用的是縱聯(lián)比較原理，該算法通過比較故障相鄰區(qū)域多個測量點的測量信息，來達到準確地判斷故障位置并采取相應的動作策略的目的。但由于方向元件本身存在一定缺陷即在特定的條件下如系統(tǒng)震蕩時可能會發(fā)生誤動，則影響保護的正確動作性［8－9］。

針對廣域后備保護存在的問題，利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢［10］，提出了基于改進電流差動保護的層次化保護新算法，對提高智能變電站繼電保護性能，特別是提高后備保護性能方面具有重大的意義。

1 層次劃分

以KCL定律為基礎的傳統(tǒng)電流差動保護憑借其原理簡單，性能可靠，靈敏度高，被廣泛運用在線路、母線以及電氣設備的主保護中，在實際運用中成果顯著。常規(guī)差動保護與廣域電流差動保護在原理上基本一樣，所不同的是，傳統(tǒng)電流差動保護的對象是單個電氣元件且無法獲取其他元件信息，而廣域電流差動保護［11］的保護對象可以是一整個區(qū)域。

為了更清晰的解釋廣域差動保護的作用范圍，本文把變電站根據(jù)保護作用范圍從大到小排列劃分為3層，分別是:廣域層、站域層和集成層。

圖1 典型的廣域系統(tǒng)

如圖1所示典型的廣域系統(tǒng)包含變電站以及相連系統(tǒng)，廣域層差動區(qū)包含所能涉及的最大保護范圍，廣域層差動區(qū)是獲取變電站全部出線的對端電流進行差動計算，即斷路器 CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7、CB8、CB9、CB10、CB11、CB12，如圖1中CD1區(qū)域所示。站域層差動區(qū)則是選取本變電站的全部出線電流參與差動計算，即 CB13、CB14、CB15、CB16、CB17、CB18、CB19、CB20、CB21、CB22、CB23、CB24，如圖1中CD2區(qū)域所示。集成層差動區(qū)由多個元件差動區(qū)組成，每個元件差動區(qū)所保護的是變壓器及其一側母線，圖1中的CD3、CD4、CD5皆為元件差動區(qū)。

層次化差動保護原理如下:

(1)當保護區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，廣域層CD1區(qū)域的保護動作;正常運行或保護區(qū)外發(fā)生故障時，則CD1差動區(qū)保護不動作。所以，CD1差動區(qū)保護動作情況可作為變電站內(nèi)部故障的啟動判據(jù)。

(2)站域層CD2差動區(qū)保護對象為本變電站內(nèi)的元件，當CD1差動區(qū)保護動作而CD2差動區(qū)保護處于制動狀態(tài)，此時可以確定故障發(fā)生在變電站出線位置。當CD1差動區(qū)保護動作且CD2差動區(qū)保護也動作時，可以確定為變電站內(nèi)部故障。

(3)當CD1、CD2區(qū)域同時為動作狀態(tài)時，各元件差動區(qū)進行差動計算，如果元件差動區(qū)保護都動作則判斷為變壓器故障，否則為動作的元件差動區(qū)域內(nèi)母線故障。

2 各層后備保護原理

2.1 廣域層電流差動保護

由于廣域層保護差動區(qū)CD1包含有多條線路，在外部故障時廣域電流差動保護可能會受線路電容電流的影響而導致誤動。因此，廣域電流差動保護需要消除電容電流造成的影響。

傳統(tǒng)的電流差動保護并沒有考慮電容電流的影響，因此當電容電流足夠大時，差動電流將超過門檻值而導致保護誤動。改進的電流差動保護考慮了電容電流的影響，制動電流和動作判據(jù)仍采用傳統(tǒng)差動保護的，但差動電流是經(jīng)過修正的，從而能夠保證在外部故障時保護可靠不動作。

考慮電容電流影響的廣域電流差動保護修正的差動電流為:

制動電流為:

動作判據(jù)為:

式中:Id0為差動電流的啟動值，值可取為0.5IN，IN是額定電流，k是制動系數(shù)，本文取0.5。

圖2 π型等值電路

對于長線路而言，有:

式中:Zπ為π型等值電路的等值阻抗;Yπ為π型等值電路的等值導納為π型等值電路的線路波阻抗為π型等值電路的線路傳輸系數(shù);l為線路長度。

對于圖2中電容支路的icm(t)、icn(t)有:

式中:C=Yπ/jω為線路等值電容。

對m點應用基爾霍夫電流定律，有:

式中:iz(t)為Zπ上流過的電流。

對n點應用基爾霍夫電流定律，有:

將式(7)與式(8)相加，并將式(5)、式(6)代入得:

將計算各條線路得到的i'n(t)折算到高壓側后相加即為icj(t)，將其代入式(1)中，即可得到改進后的差動電流。

2.2 站域層電流差動保護

站域層差動區(qū)采用廣域電流差動保護，即選取 CB13、CB14、CB15、CB16、CB17、CB18、CB19、CB20、CB21、CB22、CB23、CB24 處電流參與差動計算。

差動保護動作電流為:

制動電流、動作判據(jù)同公式(2)、(3)。

2.3 集成層電流差動保護

集成層差動區(qū)采用的基于變電站全站信息的集成保護算法可以加強各個保護之間的配合，提高效率，增強可靠性。

如圖1中變壓器T2側集成層有三個元件差動區(qū):CD3、CD4和CD5差動區(qū)。

CD3區(qū)域選取CB13、CB25、CB28、CB29處的電流參與差動計算。

差動保護動作電流為:

制動電流、動作判據(jù)同公式(2)、(3)。

CD4區(qū)域選取CB23、CB24、CB27、CB29處的電流參與差動計算。動作電流、制動電流、動作判據(jù)分別同公式(11)、(2)、(3)。

CD5 區(qū)域選取 CB20、CB21、CB22、CB27、CB28 處的電流參與差動計算。動作電流、制動電流、動作判據(jù)分別同公式(11)、(2)、(3)。

如果CD3、CD4、CD5區(qū)域電流差動保護同時出現(xiàn)跳閘信號，則判斷為變壓器T2發(fā)生故障;如果僅有其中一個區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號，則為該區(qū)域內(nèi)母線發(fā)生故障，例如，僅CD3區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號，則判斷為CD3區(qū)域內(nèi)220 kV母線發(fā)生故障。

該集成保護算法實現(xiàn)了變電站后備保護原理和功能模塊的統(tǒng)一，使原來分散到變壓器、母線的重復設置的后備保護得到簡化，可以充分利用站域信息，快速檢測到故障位置，發(fā)出故障信號，保護非故障元件。

圖3 算法流程圖

2.4 算法流程

利用三類差動區(qū)的特點，可以準確地確定故障元件，圖3給出了其運行流程圖。首先判斷CD1差動區(qū)、CD2差動區(qū)是否同時滿足差動判據(jù)，區(qū)分變電站內(nèi)部元件故障和出線故障，然后進行元件故障判斷或者進行故障選線。

3 PSCAD仿真驗證

為了驗證本文提出的保護算法的有效性和可行性，以圖1為例搭建PSCAD仿真模型。針對系統(tǒng)正常運行和各處發(fā)生故障情況進行全面仿真。限于篇幅，以下給出典型算例結果。

圖4 變壓器故障時各層保護區(qū)動作情況

(1)變壓器T2故障

在0.2 s時刻，變壓器T2引出線發(fā)生單相接地故障時，廣域層CD1差動區(qū)、站域層CD2差動區(qū)和集成層CD3、CD4、CD5差動區(qū)差動電流和動作信號分別如圖4(a)、4(b)、4(c)、4(d)和4(e)所示。

由圖4(a)、4(b)可以看出，在0.2s變壓器T2處發(fā)生單相接地接地故障后，CD1、CD2差動區(qū)電流差動保護可靠動作。

由于發(fā)生故障后CD1區(qū)域、CD2區(qū)域同時處于動作狀態(tài)，集成層各元件差動區(qū)同時進行差動。如圖4(c)、4(d)和4(e)所示，CD3、CD4、CD5差動區(qū)電流差動保護均可靠動作，由此判斷出為變壓器T2發(fā)生故障。

(2)廣域層CD1區(qū)域外部故障

在0.2 s時刻，線路L1上靠近電源側發(fā)生單相接地故障時，CD1、CD2差動區(qū)差動電流和動作信號分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5 CD1區(qū)域外部故障時各區(qū)域動作情況

由圖5(a)、5(b)可知，在0.2 s時刻發(fā)生外部故障時，廣域層、站域層差動區(qū)電流差動保護均可靠不動作。

仿真結果表明，基于差動原理的層次化保護策略在各種故障情況下均能正確區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障，而且可以快速確定故障位置，是可靠穩(wěn)定的后備保護。

4 結 語

本文在分析了傳統(tǒng)后備保護不足的基礎上，提出了智能變電站站域后備保護的新方案。該方案以整個變電站內(nèi)部及對外出線為保護對象，并劃分為三層不同作用的保護區(qū)，將廣域層電流差動作為保護啟動的判據(jù)，根據(jù)廣域層差動區(qū)與站域層差動區(qū)是否同時處于動作狀態(tài)區(qū)分線路故障和元件故障，而且對廣域層電流差動保護進行了改進，并利用共享信息構成變電站集成層保護區(qū)，準確定位故障元件，發(fā)送跳閘信號，保護非故障元件。

由PSCAD仿真實驗表明，此方案的后備保護算法正確判斷各層故障狀態(tài)，在各種情況下均能夠準確定位故障元件，在廣域層保護區(qū)外部故障時不會因電容電流影響而誤動，并具有足夠的靈敏度。經(jīng)仿真結果證實該方案可行，并具有推廣的價值。

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