一種保護失效檢測和動作判別特性匹配度評估方法

陳水耀，黃少鋒，陳 嶸，裘愉濤，楊松偉

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一種保護失效檢測和動作判別特性匹配度評估方法

陳水耀1,2，黃少鋒1，陳 嶸2，裘愉濤3，楊松偉2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206; 2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 313212;3.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江 杭州 310007)

電壓、電流二次回路異常將導(dǎo)致保護測量失真，影響保護的動作性能。微機保護具備較強的失效檢測能力，但失效檢測和動作判別特性失配仍將導(dǎo)致保護誤動。為提高保護的容錯能力，提出一種保護失效檢測和動作判別特性匹配度評估方法，在保護動作特性平面引入檢測閉鎖區(qū)、異常測量區(qū)和保護動作區(qū)，利用Venn圖分析三者關(guān)系對保護性能的影響。結(jié)果表明，檢測閉鎖區(qū)必須包含異常測量區(qū)和保護動作區(qū)的交集才能消除失效檢測盲區(qū)，防止保護誤動。實際案例驗證了該評估方法的有效性。

測量失真；誤動；容錯；匹配度；檢測盲區(qū)

0 引言

隨著微電子技術(shù)的不斷成熟，保護裝置自身的可靠性不斷提高，但二次回路涉及環(huán)節(jié)多、運行環(huán)境復(fù)雜，往往容易出現(xiàn)回路松動、絕緣降低等異常狀態(tài)。文獻[1-5]分析了電壓和電流回路斷線、兩點接地及刀閘位置異常對保護的影響，并提出了防范措施?？梢?，微機保護已具備較強的異常檢測和容錯能力。但在實際運行中，回路異常引發(fā)的保護誤動事件仍時有發(fā)生。究其原因保護失效檢測和動作判別特性沒有匹配，導(dǎo)致保護將測量失真誤判為系統(tǒng)故障。

為提高保護容錯能力，本文提出一種保護動作判別和異常檢測特性配合度評估方法，在保護動作特性平面引入保護動作區(qū)(PAZ)、異常測量區(qū)(AMZ)、檢測閉鎖區(qū)(DBZ)，利用Venn圖分析三者關(guān)系對保護性能的影響，提出保護動作特性設(shè)計應(yīng)遵循的匹配原則，并通過實際案例驗證了方法的有效性。

1 異常檢測和動作特性配合度分析

微機保護軟件包括主程序、采樣程序和故障計算程序(見圖1)。當保護啟動后，故障計算程序進行測量值運算。測量值是基于電壓、電流量的計算結(jié)果，用表示，對距離保護而言，是測量阻抗k；對差動保護而言，是(差動電流d，制動電流r)。動作判據(jù)是識別區(qū)內(nèi)故障的動作方程，對距離保護而言，是阻抗圓或多邊形特性；對差動保護而言，是比率制動特性。若測量值滿足動作判據(jù)則判斷為區(qū)內(nèi)故障，否則判斷為區(qū)外故障或異常擾動。

圖1微機保護程序簡化結(jié)構(gòu)圖

可見，動作特性設(shè)計是實現(xiàn)保護選擇性、可靠性的關(guān)鍵。不同原理的保護需考慮的因素不同，如距離保護主要考慮過渡電阻、分支電流、系統(tǒng)振蕩等因素[6-8]，比率制動差動保護主要考慮差動電流和制動電流的選取、比率系數(shù)、分段方式，以及CT飽和等因素[9],主要與電網(wǎng)運行方式和故障特征相關(guān)。問題研究時以電壓、電流回路正常(誤差在正常范圍之內(nèi))為前提。當電壓、電流回路異常時，還需考慮失效檢測和動作判別特性的匹配問題。

為分析方便，在動作特性平面中引入異常測量區(qū)(AMZ)和檢測閉鎖區(qū)(DBZ)?？紤]到各廠家保護的異常檢測和保護動作判據(jù)不同，將保護動作區(qū)(PAZ)、異常測量區(qū)(AMZ)、檢測閉鎖區(qū)(DBZ)抽象為集合，測量值是集合中的元素。其中保護動作區(qū)是符合動作判據(jù)的測量值集合，用A表示，異常測量區(qū)是在回路異常情況下測量值的集合，用M表示，檢測閉鎖區(qū)是符合異常檢測判據(jù)的測量值集合，用B表示。這樣，保護動作特性平面可以用Venn圖表示(見圖2)。

若失效檢測在啟動前已完成，則保護將閉鎖可能誤動的元件(相當于A為空集)，如PT斷線判別功能。如保護啟動后發(fā)生回路異常，則故障計算程序同時進行失效檢測和動作判別。此時，保護動作區(qū)、異常測量區(qū)、檢測閉鎖區(qū)不同的配合關(guān)系，導(dǎo)致保護不同的動作行為。

當滿足式(1)時，動作特性平面表現(xiàn)為圖2(a)，保護不會誤動。

圖 2 動作特性平面維恩圖

當滿足式(2)時，動作特性平面表現(xiàn)為圖2(b)中陰影部分即為異常檢測死區(qū)，定義為集合S。

當滿足式(3)時，動作特性平面表現(xiàn)為圖2(c)。

分析結(jié)果表明，要防止回路異常導(dǎo)致保護誤動，失效檢測和動作判別特性滿足式(1)或式(3)的匹配條件，才能消除檢測盲區(qū)。

2 實際案例分析

某變電站并聯(lián)電抗器(以下簡稱高抗)保護先后發(fā)生兩次電流回路異常(兩點接地)，導(dǎo)致差動保護動作和TA斷線告警，裝置事件記錄見表1。

高抗保護差動動作特性為二段式比率制動特性,見式(4)，啟動值為0.4n，拐點為n，斜率為0.6。n為電抗器首端二次額定電流(0.55 A)。

表1 電抗器保護裝置報告

A相為例，對應(yīng)的差動電流和制動電流為

1a，2a為并聯(lián)電抗器A相兩端電流。

從裝置事件記錄看，2013年7月26日高抗保護動作時的差動電流為0.261 A(對應(yīng)于0.47n)。根據(jù)錄波數(shù)據(jù)，2014年1月19日高抗保護CT斷線告警時差流電流約為0.32 A(對應(yīng)0.58n)。兩起電流回路異常時，高抗保護測量值都在保護動作區(qū)，如圖3所示?？梢?，高抗保護是否會誤動，關(guān)鍵取決于CT斷線判別功能能否發(fā)揮作用，即CT斷線判別是否存在盲區(qū)。

該高抗保護的TA斷線判別以高抗兩端零序電流作為判據(jù)，只考慮單側(cè)單相 CT 斷線，判別條件(5個條件同時滿足)為

圖3比率制動差動保護動作特性

下面，以兩個實測參數(shù)代入上述的判別條件，確定是否屬于TA斷線。

1) 2013年7月26日高抗保護采集的電氣量信息分別為

(2) 高端零序電流為零；

2) 2014年1月19日高抗保護采集的電氣量信息分別為

(2) 高端零序電流為零；

實際案例表明第2節(jié)關(guān)于保護失效檢測和動作判別特性配合關(guān)系的分析結(jié)論是正確的。

3 異常檢測與動作特性配合度校核

異常測量區(qū)與回路異常的性質(zhì)和程度相關(guān)，保護動作區(qū)與動作判據(jù)相關(guān)，檢測閉鎖區(qū)與失效檢測判據(jù)相關(guān)，不同廠家的異常測量區(qū)、保護動作區(qū)、檢測閉鎖區(qū)范圍并不相同，需針對特定保護裝置進行分析。下面仍以案例中涉及的高抗保護為例，闡述失效檢測和動作判別特性配合度校核方法。

圖4動作判別和異常檢測特性配合度校核圖

假設(shè)高抗工作電壓范圍為0~1.1n。

第一步，確定異常測量區(qū)。

當電抗器在額定工況下，高抗低端電流存在分流，最嚴重時差動電流值為n，制動電流也為n，則閉鎖區(qū)為(0, 0)、(1.1n, 0)、(0, 1.1n)構(gòu)成的區(qū)域(見圖4三角形區(qū)域)。

第二步，確定檢測閉鎖區(qū)。

根據(jù)CT斷線判斷條件差動電流上限為1.2n，下限為0.5n，因此閉鎖區(qū)為(0, 0.5n)、(0, 1.2n)、(1.1n, 1.2n)、(1.1n, 0.5n)構(gòu)成的區(qū)域(見圖4矩形區(qū)域)。

第三步，確定是否存在檢測死區(qū)。

保護動作區(qū)、異常測量區(qū)、檢測閉鎖區(qū)確定后，容易看出檢測閉鎖區(qū)并沒有包含保護動作區(qū)和異常測量區(qū)的交集，存在檢測死區(qū)(見圖4陰影部分)，這正是導(dǎo)致高抗保護誤動的原因。

第四步，采取措施消除檢測死區(qū)。

由于異常測量區(qū)已固定，只能調(diào)整保護動作區(qū)和檢測閉鎖區(qū)。將差動保護動作門檻抬高到以上或調(diào)整CT斷線判別條件(都可以消除檢測死區(qū)。

4 結(jié)論

繼電保護規(guī)程規(guī)定[10]，除出口繼電器外，裝置內(nèi)的任一元件損壞時，裝置不應(yīng)誤動作跳閘，自動檢測回路應(yīng)能發(fā)出告警信號。微機保護應(yīng)具備更強的糾錯和容錯能力，在單一回路異常時也能發(fā)出告警信號，閉鎖可能誤動的保護，具體要求包括：

1) 保護程序設(shè)計時，啟動元件具備單一回路異常的容錯能力，啟動前完成失效檢測[12]。

2) 動作特性設(shè)計時，在滿足保護靈敏度的前提下，保護動作區(qū)盡可能躲過異常測量區(qū)[13]。

3) 若保護動作區(qū)和異常測量區(qū)存在交集，需對保護動作判別和失效檢測特性配合度進行校核，確保不存在檢測盲區(qū)。在難以區(qū)分二者是否匹配的情況下，還可以采取增加時間延時的辦法進行識別。

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(編輯 張愛琴)

An evaluation method of match degree between failure detection and action discrimination characteristics of relay protection

CHEN Shuiyao1, 2, HUANG Shaofeng1, CHEN Rong2, QIU Yutao3, YANG Songwei2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Maintenance Branch, Hangzhou 313212, China;3. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310007, China)

Secondary circuit failure of voltage and current will lead to measurement distortion of relay protection which affects its action performance. Microprocessor-based protection has strong self-checking capability, but mismatch between failure detection and action discrimination characteristics of relay protection will lead to unwanted trip. In order to improve its fault-tolerant ability, an evaluation method of match degree between failure detection and action discrimination characteristics is proposed in the paper. Detection blocking zone, abnormal measurement zone and protection action zone are introduced into the action characteristics plane and the effect of their relationship on the performance of relay protection is analyzed based on Venn diagram. The result indicates that non-detection zone can be eliminated to prevent unwanted trip only when detecting blocking zone contains the intersection of abnormal measuring zone and protection action zone. The effectiveness of this method is verified by an actual case.

measurement distortion; unwanted trip; failure-tolerant; match degree; non-detection zone

10.7667/PSPC160263

2016-03-01；

2016-04-20

陳水耀(1976-)，男，通信作者，博士生，高級工程師，從事繼電保護技術(shù)管理工作；E-mail: csy302@126.com

黃少鋒(1958-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，長期從事繼電保護和故障分析的理論研究。E-mail: huangsf@sf-auto.com