大电网实现信息冗余的广域后备保护系统

田聪聪,文明浩

(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉 430074)

随着互联大电网的发展,电力网络结构也日益复杂和庞大,传统的后备保护由于其复杂的配合关系和时间延时,已经成为大电网的安全隐患。北美电力可靠性委员会(NERC)统计了17年的事故数据,结果发现63%的电力系统事故与继电保护的不正确动作有关[1]。为了提高继电保护系统的性能,广域后备保护系统被越来越受到关注,随着测量、计算机及通信技术的快速发展,广域后备保护系统的研究工作也越来越深入[2-7],其中基于方向比较原理的广域后备保护算法[8-10],需要的信息量少而且算法简单,是一种目前研究较多的算法,但在故障信息缺失情况下会造成故障范围的扩大,切除故障的时间有一定的延迟。文献[11]和文献[12]在传统数字式线路保护基础上,采用了基于主保护和传统阶段式保护动作信息的专家系统,不仅简化了广域后备保护配置,而且算法简单和可靠。为了进一步简化广域后备保护配置和提高信息的冗余度角度,本文提出一种利用方向信息和线路保护装置距离I段信息的广域后备保护新算法。采用该算法的广域后备保护系统,在结构上采用变电站集中式,系统一旦发生故障,广域后备保护系统可以根据本站和相邻站的方向信息和距离信息及实时的网络拓扑结构形成一次设备和方向元件的关联矩阵,在信息缺失时利用信息的冗余,对保护范围内的一次设备进行故障判断。该算法需要的信息量少、原理简单,而且有很高的信息冗余度,可以适应信息缺失的情况,达到提高广域后备保护系统性能的目的。

1 广域后备保护系统

本文提出的广域后备保护系统,在结构上采用变电站集中式,即保护系统安装在变电站内;通过搜集保护系统所在变电站以及相邻变电站内保护装置内广域保护系统功能模块的信息,可以准确地判断故障元件。该广域继电保护系统的结构见图1。

图1 广域继电保护系统结构

广域后备保护系统的保护范围,包括变电站内所有的一次设备和出线,其中一次设备又包括了站内所有的母线和变压器。为了提高信息的冗余确保正确判断故障元件,每套保护装置的内部都安装了1个广域保护系统功能模块,用来测量保护安装处的故障方向和采集断路器的实时信息,以获取本保护装置的距离I段动作信息。在系统故障时,广域后备保护系统根据本变电站上传的故障信息,判断站内一次设备是否故障,并通过与相邻变电站决策中心交换信息,获取线路两侧的故障信息,判断线路是否故障。广域后备保护系统确定故障元件之后,由相应的保护装置跳开故障元件的断路器以隔离故障元件。由于后备保护系统利用的信息,是传统保护装置内广域保护系统功能模块内的信息,所以在实现线路、母线和变压器广域后备保护时,有关的信息是互相独立的。

方向信息是指保护装置内方向元件的判断信息,通常任何1个一次设备方向信息的缺失,都不会影响其他一次设备的方向信息,而且某个一次设备缺失的方向信息还可以用相邻一次设备对应的方向信息替补。方向信息传递的实例示意见图2。

图2 方向信息传递示意

图2中的元件1和元件2是线路L1的方向元件;元件2,元件3和元件5是母线B2的方向元件。在广域后备保护系统的运行中,当线路L1的方向元件2信息缺失时,由于母线B2上的方向元件2和线路L1的方向元件2的电压和电流,来自同1个电压互感器(TV)和电流互感器(TA),所以母线B2上的方向元件2的信息,可以作为线路L1上的方向元件2信息的替补,这样相当于一次设备的每个方向元件都冗余配置了另一套方向元件(母联断路器处方向元件除外),从而提高了后备保护系统的可靠性。

为了防止线路一侧信息缺失对线路故障判断造成的影响,新方案引入了线路保护装置距离I段的信息,可以依据就地信息实现故障的快速定位;由于该信息为线路保护装置已有距离I段保护的动作信息,信息来源简单可靠。由于广域后备保护系统在利用该信息时,通信系统只需传输距离I段是否动作的逻辑信号,因此通信的负担轻,有利于提高广域后备保护系统的性能。

2 广域后备的保护算法

广域后备保护采用方向信息与距离Ⅰ段信息共同作用实现故障判断。系统故障时,广域保护系统功能模块根据保护元件的判断信息,赋予保护元件输出值;广域后备保护系统根据收集到的方向元件输出值,结合一次设备和方向元件的原始关联矩阵,形成一次设备和方向元件的关联矩阵,利用关联矩阵对故障定位,同时利用线路保护装置内的距离Ⅰ段,实现对线路故障的快速定位。两种保护元件的相互辅助,共同实现故障的判断,从而提高了广域后备保护系统的可靠性。

2.1 保护元件的赋值

保护元件在系统故障时要求能够灵敏地作出反应。广域后备保护系统采用的保护元件包括方向元件和距离元件。方向元件的方向信息指示明确、简单可靠,并且很容易从电网中获取,特别是采用逻辑量传输通信负担小。距离元件的Ⅰ段作为线路的主保护,故障定位信息明确,易于利用。

(1)方向元件 方向元件的值通常以指向被保护元件为正,但在广域后备保护系统中,母联断路器处的方向元件可以指向母线,则该母线的母联断路器方向元件值为正。这样,每个方向元件的输出值可能为:

为了提高方向元件判断的准确性,同时可以对某个方向元件采用多种算法,然后把各种算法的综合判断结果,作为该方向元件的判断结果。假设方向元件有零序、负序和工频变化量方向元件,广域后备保护系统将根据这些方向元件的综合判断结果,最终确定方向元件的判断结果。

(2)距离元件 由于距离保护的I段对线路故障的判断具有明确的方向性和定位性(设距离I段保护范围为线路全长的80%),不需要互相配合就可以依据单端量快速定位故障。因此每个距离元件的输出值可能为:

为了提高判断的准确性,距离元件可利用线路保护装置中工频变化量距离保护的动作信息来实现快速故障定位,进而快速切除距离I段保护范围内的故障。

2.2 故障的定位

广域后备保护系统先根据网络拓扑结构形成站内一次设备和方向元件的原始关联矩阵[7,13-14]存储于广域后备保护系统内。该关联矩阵有m× n个元素组成,其中m为广域后备保护系统范围内的一次设备数目,n为广域后备保护系统保护范围内的方向元件数目。

如图2例图所示,母线B2所在变电站的一次设备和方向元件的原始关联矩阵为:

式中的每1行代表1个一次设备,每1列代表1个方向元件;矩阵中的“+”表示一次设备与方向元件关联;“×”表示一次设备与方向元件不关联。

电力系统发生故障后,广域后备保护系统根据收集到的本站和相邻站的方向元件信息,对关联矩阵进行赋值。赋值时,将与一次设备关联的方向元件的输出值赋给原始关联矩阵中对应的元素,与一次设备不关联的方向元件对应元素赋值为0。如图2示例中的母线B2发生故障时,所在变电站一次设备和方向元件的关联矩阵应为:

从关联矩阵中可以看出,与同1列中的方向元件关联的一次设备是相邻的并“共用”该方向元件,所以该方向元件对故障的感受是相同的,但因规定为正方向的缘故,判断的方向相反。根据方向元件信息完整情况的不同,广域后备保护系统故障的判断可以分为几种情况。

(1)所有方向元件均有输出值时,广域后备保护系统依据方向元件的输出值,直接对一次设备进行故障判断。

(2)一次设备某一方向元件信息缺失而没有输出值时,广域后备保护系统进行冗余运算,即寻找关联矩阵对应列中其他一次设备关联的方向元件的输出值,以此值的负值作为该方向元件的输出值,然后再进行故障判断。

(3)母联断路器处方向元件信息缺失或连接母线与变压器的断路器处方向信息缺失(冗余运算后)时,广域后备保护系统将该两相邻一次设备保护区合并成一个新的保护区,由与新保护区关联的方向元件判断该新保护区是否故障。若新保护区故障,广域后备保护系统先将连接两相邻一次设备的断路器跳开,然后再由其各自关联的方向元件(此时不需要已跳开断路器处的方向元件)分别进行故障判断。

(4)输电线路一侧的断路器处方向信息缺失(冗余运算后)时,如果输电线路另一侧保护装置的距离I段动作,则该保护装置跳开本侧断路器。同时距离I段的动作信息通过广域保护系统功能模块上传至本侧决策中心,对侧决策中心通过与本侧决策中心交换信息,获取输电线路故障的信息,然后由对应的保护装置跳开该侧的断路器。这样,由线路两侧决策中心的互相通信,实现故障元件的切除。

广域后备保护系统可以依据方向信息对故障进行判断,只要形成的关联矩阵方向信息完整(包括经冗余运算后),广域后备保护系统就可以根据方向元件信息,确定一次设备的故障门槛值及故障综合值,再由判据式判断该一次设备是否为故障元件。一次设备为故障元件的判据为:

式中:Fout(i)为一次设备故障综合值,即系统故障时一次设备所对应的所有方向元件输出值之和;n为后备保护范围内方向元件个数;Tij为关联矩阵中第i行第j列的元素值;Fset(i)为一次设备对应的故障门槛值。

一次设备故障门槛值,取决于与一次设备关联的方向元件数目,可以根据一次设备和方向元件的关联矩阵求得。例如普通两端线路故障门槛值为2,对于T形线路为3,三圈变压器为3,母线的故障门槛值则由其关联的方向元件数而定。

3 算例分析

图3为某220 kV变电站的结构示意图。图中数字1—17表示保护装置对应的方向元件的编号(对于线路还表示对应的距离元件的编号,与断路器一一对应),L1—L4表示输电线路,B1—B9表示母线,T1和T2为三圈变压器。

图3 某220 kV变电站的结构示意

以图3所示的变电站1为例,对广域后备保护的新算法进行验证。这里仅介绍方向元件信息缺失时,广域后备保护系统对故障的判断及切除策略。

通常,在所有方向元件输出值都正确的情况下,利用一般的算法,广域后备保护系统是可以准确判断故障元件的[7,9]。但是,方向元件信息缺失时,传统算法将无法正确判断故障。本文提出的算法,可以通过与相邻元件的“共用”方向信息,修正缺失的方向信息,同时还可通过距离Ⅰ段的信息,实现线路故障的快速定位,很好地改善了信息缺失对广域后备保护故障判断的影响。

(1)线路L1在K 1点发生故障,但是由于某些原因线路L1的方向元件2信息缺失(对应元素的值为0),所得变电站内一次设备和方向元件的关联矩阵为:

在关联矩阵方向元件2对应的列中,母线B1的方向元件2的值为-1,根据上述“共用”的概念,可以认为线路L1的方向元件2的值应为1,从而将其从0修正为1,再进行故障判断。利用式(1)和式(2)进一步判断,可以判断线路L1为故障元件。由此可以看出,利用信息的冗余可以提高后备保护的性能。

(2)当母线B1在K 2点发生故障同时母联断路器5处方向元件5信息缺失时,决策中心将母线B1和母线B2这两个保护区合并,利用方向元件2,元件6,元件4和元件9判断新的合并区故障。由于采用这种方法,决策中心无法确定故障发生在母线B1还是母线B2,需要先发跳闸命令将母联断路器5跳开,然后根据各自关联的方向元件,分别对母线B1和B2进行故障判断。若母线关联的方向元件(此时不需要方向元件5)都判断为母线故障,则该母线为故障元件。相关的关联矩阵为:

可以看出,当母联断路器5跳开后,母线B1的两个方向元件均判断母线B1故障,而母线B2的方向元件4判为母线B2外故障,所以广域后备保护系统判断为母线B1故障。母线B1在K2点发生故障,连接母线B1和变压器T1的断路器6处方向信息缺失时,广域后备保护系统进行同样的处理。

(3)变电站出线发生故障而线路一侧断路器处方向信息缺失时,广域后备保护系统依据线路的距离元件进行故障的判断和切除。当线路L1在K 1点发生故障(假设K 1点在断路器2的距离I段保护范围内),并且断路器1处方向信息缺失时,断路器2的距离I段判断出本线路故障后迅速跳开断路器2,本装置距离I段信息同时上传至本站决策中心;变电站2的决策中心通过与变电站1的决策中心互通信息,获取线路L 1故障的信息及断路器2的跳闸信息后,通过相应的保护装置跳开断路器1,从而切除故障线路。

如果K1点在断路器2的距离I段保护范围之外,此时变电站1和变电站2互通信息,根据网络拓扑结构,由方向元件1、元件15和元件16,判断出新的保护区故障后,由变电站2的决策中心通过相应的保护装置跳开断路器1,然后线路L1根据方向元件2判断出线路故障,母线B1根据方向元件15和元件16判断出没有故障。这样,在某处方向信息缺失时,广域后备保护系统仍保证了保护的选择性。

4 结论

本文提出了一种利用方向信息和距离I段信息实现广域后备保护的广域后备保护系统,该系统具有以下特点:

(1)新系统建立在传统保护的基础之上,使广域后备保护的实现不需要对现有保护配置做很大的改造,投资少易于实现,而且后备保护的实现是利用动作信息,需要的信息量少,系统结构简单。

(2)方向元件的“双重化”配置,提高了信息的冗余,1套保护装置内方向信息缺失时,可由相邻设备保护装置内的方向信息替补,极大地提高了广域后备保护系统的性能。

(3)引入了线路保护装置的距离I段信息,在线路发生故障而一侧信息缺失时,可依据线路另一侧距离I段信息判断出线路故障,依据单端量实现了故障的快速定位。

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