相鄰變電站交互型廣域后備保護(hù)應(yīng)對(duì)站用直流失壓方法

李一泉，王增超，劉 瑋，彎丹輝，梁 博，王育學(xué)，劉 琨，文明浩

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 510600；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司RTDS 繼電保護(hù)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510600；3.華中科技大學(xué)，武漢 430072）

0 引言

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)“三道防線”中的第一道防線，傳統(tǒng)基于就地信息的主后備保護(hù)目前仍然承擔(dān)著保障電網(wǎng)安全的重任[1]。而變電站直流電源是維持繼電保護(hù)系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯幕A(chǔ)[2-5]。發(fā)生站用直流失壓后，變電站內(nèi)的繼電保護(hù)系統(tǒng)將失去工作電源，無(wú)法正常工作。此時(shí)一旦發(fā)生故障，站用直流失壓的變電站無(wú)法響應(yīng)，只能依靠相鄰變電站長(zhǎng)延時(shí)的遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除故障[5]。但傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行方式變化時(shí)遠(yuǎn)后備保護(hù)整定配合困難，在超高壓電網(wǎng)中甚至無(wú)法配合，只能實(shí)現(xiàn)近后備保護(hù)功能[6-7]。

近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)變電站信息共享技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于多源信息的站域保護(hù)、廣域保護(hù)研究受到了持續(xù)關(guān)注[8]。因此考慮引入廣域信息解決站用直流失壓時(shí)故障切除的問(wèn)題。廣域保護(hù)在構(gòu)建模式上主要可分為3 種：分布式、變電站集中式以及區(qū)域集中式[9-12]。理論上信息來(lái)源范圍越廣，越有利于系統(tǒng)決策，對(duì)決策中心信息交換的要求越高[8]。文獻(xiàn)[12]提出一種基于相鄰變電站信息融合的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)，采用變電站集中式廣域保護(hù)。由于其僅與相鄰變電站進(jìn)行信息交互，方便實(shí)現(xiàn)并減輕了變電站決策中心的負(fù)擔(dān)。

根據(jù)變電站二次設(shè)計(jì)規(guī)范要求，實(shí)際工程應(yīng)用中變電站內(nèi)的保護(hù)二次直流電源與通信電源回路需獨(dú)立設(shè)計(jì)[2-5]。即使變電站發(fā)生站用直流失壓造成二次直流電源回路失電，通信電源回路仍可正常工作，因此能將站用直流失壓信號(hào)通過(guò)通信裝置發(fā)送到相鄰變電站。

本文以基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護(hù)為基礎(chǔ)，在站內(nèi)二次直流電源與通信電源相互獨(dú)立的前提下，提出了一種應(yīng)對(duì)變電站站用直流失壓的廣域后備保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)站用直流失壓時(shí)保護(hù)快速可靠地切除故障。

1 廣域后備保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護(hù)由于僅與相鄰變電站進(jìn)行通信，其通信方式簡(jiǎn)單，布線清晰，對(duì)設(shè)備要求不高。同時(shí)，每個(gè)變電站自身都擁有獨(dú)立的決策系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)改擴(kuò)建時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)。以文獻(xiàn)[12]為例，其提出的基于相鄰變電站信息交互的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，變電站通過(guò)站內(nèi)局域網(wǎng)收集本站內(nèi)IED（智能電子設(shè)備）信息，同時(shí)與廣域網(wǎng)內(nèi)的其他相鄰變電站交換電網(wǎng)故障信息、故障判斷結(jié)果信息及斷路器跳閘信息。

圖1 廣域后備保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)對(duì)變電站站用直流失壓的廣域后備保護(hù)方法

為解決站用直流失壓時(shí)故障切除的問(wèn)題，在每個(gè)變電站的決策系統(tǒng)配置3 個(gè)功能模塊：站用直流失壓信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送；能保護(hù)本線路全長(zhǎng)的距離保護(hù)1（以下簡(jiǎn)稱“距離保護(hù)1”）；能保護(hù)下一級(jí)線路全長(zhǎng)的距離保護(hù)2（以下簡(jiǎn)稱“距離保護(hù)2”）。

（1）站用直流失壓信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送

文獻(xiàn)[5]給出的變電站站內(nèi)接線如圖2 所示。變電站A 發(fā)生站用直流失壓時(shí)，其保護(hù)直流電源失電，但48 V 通信電源正常，變電站A 的通信裝置可正常工作。通過(guò)檢測(cè)失電節(jié)點(diǎn)獲取本站失電信息，變電站A 的通信裝置將本站的站用直流失壓信號(hào)發(fā)送至變電站B 的決策系統(tǒng)。按照此方法，任一變電站發(fā)生站用直流失壓后，所有相鄰變電站都能收到其發(fā)出的站用直流失壓信號(hào)。

（2）距離保護(hù)1

此功能模塊配置的仍是常規(guī)距離保護(hù)算法，包括相間距離保護(hù)和接地距離保護(hù)。以接地距離保護(hù)為例，距離保護(hù)1 判據(jù)如式（1）所示。距離保護(hù)1 按照被保護(hù)線路末端發(fā)生金屬性故障時(shí)仍有靈敏度整定，保護(hù)無(wú)延時(shí)，滿足判據(jù)立即動(dòng)作。

圖2 變電站站內(nèi)接線

距離保護(hù)1 的保護(hù)范圍會(huì)延伸至下一級(jí)線路，但由于發(fā)生站用直流失壓的相鄰變電站保護(hù)無(wú)法動(dòng)作跳閘，距離保護(hù)1 即使無(wú)延時(shí)也不會(huì)造成保護(hù)范圍超越。

（3）距離保護(hù)2

如式（2）所示，距離保護(hù)2 判據(jù)與距離保護(hù)1類似，但保護(hù)動(dòng)作存在延時(shí)Δt。距離保護(hù)2 按照下一級(jí)線路末端發(fā)生金屬性故障時(shí)仍有靈敏度整定，滿足判據(jù)經(jīng)延時(shí)后動(dòng)作。

式中：tIII為距離保護(hù)2 延時(shí)。

距離保護(hù)2 的保護(hù)范圍會(huì)延伸至下兩級(jí)線路，所以其延時(shí)需與距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)電氣元件的快速主保護(hù)配合。例如：對(duì)于變壓器，需與變壓器差動(dòng)保護(hù)配合；對(duì)于母線，需與母線差動(dòng)保護(hù)配合；對(duì)于輸電線路，需與全線速動(dòng)保護(hù)配合。若配備有斷路器失靈保護(hù)，則距離保護(hù)2延時(shí)需考慮一次斷路器失靈時(shí)間，在此基礎(chǔ)上增加時(shí)間級(jí)差。

綜上所述，應(yīng)對(duì)變電站站用直流失壓的廣域后備保護(hù)方法為：變電站決策系統(tǒng)持續(xù)檢測(cè)是否接收到相鄰變電站發(fā)出的站用直流失壓信號(hào)；若收到站用直流失壓信號(hào)，則判斷是否滿足距離保護(hù)1 判據(jù)，滿足則立即發(fā)出跳閘指令；不滿足則繼續(xù)判斷是否滿足距離保護(hù)2 判據(jù)，滿足則經(jīng)延時(shí)發(fā)出跳閘指令。保護(hù)處理流程如圖3 所示。變電站站用直流失壓時(shí)，相鄰變電站決策系統(tǒng)依據(jù)此保護(hù)方法可實(shí)現(xiàn)故障的快速可靠切除。

3 算例分析

圖3 保護(hù)處理流程

圖4 為220 kV 電力系統(tǒng)示意圖，各線路配有全線速動(dòng)保護(hù)，設(shè)置故障點(diǎn)F1—F5，其中故障點(diǎn)F2在變電站A 和變電站B 距離保護(hù)1 保護(hù)范圍內(nèi)；故障點(diǎn)F3在變電站A 和變電站B 距離保護(hù)1 保護(hù)范圍之外，在距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)；故障點(diǎn)F4在變電站A 距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)；故障點(diǎn)F5在變電站A 距離保護(hù)2 保護(hù)范圍之外。若變電站C 發(fā)生站用直流失壓，分別就故障發(fā)生后單個(gè)變電站的跳閘策略和故障發(fā)生后系統(tǒng)切除故障的過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)本文提出的廣域后備保護(hù)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 220 kV 電力系統(tǒng)

3.1 變電站A 動(dòng)作情況分析

（1）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)1處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號(hào)，檢測(cè)斷路器D1 處電壓、電流，計(jì)算距離信息。由于故障F1位于線路L1，滿足距離保護(hù)1判據(jù)，變電站A 的決策系統(tǒng)立即向斷路器D1 發(fā)送跳閘指令。

（2）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)2處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號(hào)，由于故障F2位于距離保護(hù)1 保護(hù)范圍內(nèi)，變電站A 的決策系統(tǒng)立即向斷路器D1 發(fā)送跳閘指令。由于此時(shí)變電站C 發(fā)生站用直流失壓，所有保護(hù)無(wú)法動(dòng)作，斷路器D3 無(wú)法跳開(kāi)，所以由變電站A 跳開(kāi)斷路器D1 不會(huì)造成保護(hù)超越。

（3）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)3處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號(hào)，由于故障F3位于變電站A 下一級(jí)線路L2，計(jì)算不滿足距離保護(hù)1 判據(jù)，但滿足距離保護(hù)2判據(jù)，變電站A 的決策系統(tǒng)經(jīng)延時(shí)向斷路器D1發(fā)送跳閘指令。

（4）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)4處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號(hào)，由于故障F4位于距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)，變電站A 的決策系統(tǒng)將經(jīng)延時(shí)向斷路器D1 發(fā)送跳閘指令。但由于故障F4位于線路L3，且變電站D 和E 正常未發(fā)生站用直流失壓，故變電站D和E 的全線速動(dòng)保護(hù)立即動(dòng)作，分別向斷路器D5 和D6 發(fā)送跳閘指令，切除故障。此時(shí)變電站A 決策系統(tǒng)仍在等待延時(shí)，故障切除后由于不再滿足距離保護(hù)2 判據(jù)，變電站A 決策系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出跳閘指令，即不會(huì)造成保護(hù)超越。

（5）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)5處故障

變電站A 接收到變電站C 的站用直流失壓信號(hào)，但由于故障F5位于距離保護(hù)2 保護(hù)范圍外，變電站A 的決策系統(tǒng)不發(fā)出跳閘指令。故障由變電站D 和E 的全線速動(dòng)保護(hù)動(dòng)作切除。

3.2 故障切除過(guò)程分析

（1）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)2處故障

故障F2位于變電站A，B 和D 距離保護(hù)1 保護(hù)范圍內(nèi)。由3.1 節(jié)的算例分析可知，此時(shí)變電站A，B 和D 均無(wú)延時(shí)，分別向斷路器D1，D8和D4 發(fā)送跳閘指令，故障無(wú)延時(shí)切除。

（2）變電站C 站用直流失壓，F(xiàn)3處故障

故障F3位于變電站A 和B 距離保護(hù)1 保護(hù)范圍外、距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)，變電站D 距離保護(hù)1 保護(hù)范圍內(nèi)。由3.1 節(jié)的算例分析可知，變電站A 和B 經(jīng)延時(shí)分別向斷路器D1 和D8 發(fā)送跳閘指令，變電站D 立即向斷路器D4 發(fā)送跳閘指令。故障的隔離需要等待距離保護(hù)2 的延時(shí)。

由上述分析可知，對(duì)于站用直流失壓狀況，本文提出的廣域后備保護(hù)方法最快可以無(wú)延時(shí)切除故障，最慢也只需等待距離保護(hù)2 延時(shí)（與距離保護(hù)2 保護(hù)范圍內(nèi)電氣元件的快速主保護(hù)配合）即可切除故障，實(shí)現(xiàn)站用直流失壓時(shí)保護(hù)快速可靠切除故障。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決站用直流失壓時(shí)故障切除的問(wèn)題，本文考慮引入多源信息，以基于相鄰變電站信息交互的變電站集中式廣域保護(hù)為基礎(chǔ)，在站內(nèi)二次直流電源與通信電源相互獨(dú)立的情況下，提出了一種廣域后備保護(hù)方法。此保護(hù)檢測(cè)到相鄰變電站發(fā)送的站用直流失壓信號(hào)后，投入無(wú)延時(shí)的距離保護(hù)1 和帶延時(shí)的距離保護(hù)2。 算例分析表明，變電站站用直流失壓時(shí)，本文提出的廣域后備保護(hù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)故障的快速可靠切除。