基于智能变电站的站域保护原理和实现

蔡小玲， 王礼伟， 林传伟， 张继芬， 黄卫平

(福建省电力勘测设计院， 福州 350003)

基于智能变电站的站域保护原理和实现

蔡小玲， 王礼伟， 林传伟， 张继芬， 黄卫平

(福建省电力勘测设计院， 福州 350003)

为了克服现有继电保护系统配置无法发挥智能变电站本身优势的缺点，该文针对三层式的继电保护体系架构，分析了智能变电站站域保护的功能、实现方式、算法及原理。基于反序网络中母线电压为零的特点，提出了并联电抗电流的出线故障性质判别新方法和基于反序网的双回线路故障测距方法。将高压线路并联电抗器电流引入线路保护，形成了智能变电站带并联电抗器线路保护的新方案。该保护方案具有通过所获取的信息弥补该间隔缺失的保护功能，从而能够快速切除故障。

保护配置方案； 站域保护； 智能变电站； 电力系统

现阶段国内智能变电站应用逐渐增多，但保护的配置还是继承了传统继电保护的特点，对各一次设备配置快速跳闸的主保护和多阶段配合的后备保护，保护及其相关回路双套配置且完全独立[1]。从目前状况看来，当前智能变电站的保护配置并没有利用智能变电站的一些技术优势对后备保护进行优化，仍然存在传统的后备保护所固有的缺陷[2～6]：通过定值和时间的配合来保证选择性，动作速度慢；每一元件均配置多种后备保护，保护系统结构复杂，设备投资高。

展望未来智能变电站的发展，为了提高继电保护的自动化水平、提高继电保护的可靠性，有必要提出新一代智能变电站继电保护的配置方案，打造全新的继电保护系统，构筑坚强的继电保护防线。

1 新一代智能变电站继电保护系统的架构和配置

新一代智能变电站继电保护配置方案中，将变电站继电保护系统分成三层：就地保护层、站域保护层和广域保护层。

就地保护层针对一次设备独立配置主保护，这里需要分为两种情况：对于一次设备本身即为智能设备，保护设备可以集成安装在智能设备内部；如果一次设备的智能化程度不高或者仍为常规的一次设备，可将保护、合并器、测控等功能就近安装在一次设备附近的汇控柜或者保护小室中，以达到运行维护简化的目的。制造报文规范MMS(manufacturing message specification)报文、采样值SV(sampled value)报文和GOOSE(generic object oriented substation event)报文均通过同一以太网传输，全站统一采用IEEE 1588对时，但是分布式保护间的数据同步可不依赖于全站统一对时系统。

站域保护层收集全站内所有间隔的电压、电流及断路器、刀闸位置实时信息，针对变电站内一次设备配置集中的近后备保护，保护范围包括全站所有母线和直接出线。由于能够共享全站信息，可更好地改进继电保护现有原理算法，对后备保护功能进行优化。同时，也可集成变电站内所有的低频/低压减载、备用自投装置、过负荷联切等自动装置功能，避免重复投资。

广域保护层同时利用全站和相邻变电站的信息，为变电站提供远后备保护，保护范围包括直接出线的对端母线及对端母线所连的所有线路。广域保护可以改善现有后备保护的性能，减小故障切除范围，甚至在就地主保护故障时可以对线路的就地主保护进行替代。

三层继电保护结构图如图1所示。

图1 三层式继电保护系统结构

受到篇幅的限制，本文着重论述站域保护的实现原理。

2 站域保护的功能及实现方式

2.1 站域保护功能

由于智能变电站采用IEC61850规约通信，能够很容易地实现全站信息共享。智能变电站内站域保护收集全站内所有间隔的电压、电流及断路器、刀闸位置实时信息，可为变电站内所有一次设备提供集中的近后备保护，即具备线路近后备、母联后备、母线后备、断路器失灵后备和主变后备等保护功能。

这些保护功能的体现是一个个独立的功能模块，模块之间通过站域保护的整体逻辑来相互配合，配合关系与传统的继电保护类似，但站域保护不与就地保护有功能和定值上的配合关系。

2.2 站域保护硬件配置方案

每套站域保护由数据采集及计算模块、故障位置判别模块、保护跳闸决策模块等3个功能模块组成，站域保护装置结构图如图2 所示。

图2 站域保护装置结构图

各个模块的功能简单描述如下。

1)数据采集模块：通过IEC61850规约从智能变电站过程层网络上采集保护所需的电压、电流电气量，采集站内各断路器状态信息。

2)故障判别模块：利用本变电站元件的故障方向信息和故障距离信息，计算各元件的故障方向信息和故障距离信息，执行故障判别算法，确定故障位置。

3)跳闸决策模块：站域保护集成母差保护、变压器保护、线路保护、断路器失灵保护和低频低压减载等功能于一体，根据就地电气量完成相关的保护逻辑判断，并将判断结果以GOOSE方式通过过程层网络将跳闸策略发送到相应间隔的智能终端。

由于站域保护采用集中式结构，为了保证站域保护动作的可靠性，建议在220 kV及以上的变电站中站域保护采用冗余配置。

2.3 站域保护的优势

由于智能变电站能够共享全站信息，站域保护可方便地通过过程层网络收集全站内所有间隔的电压、电流、断路器和刀闸位置的实时信息，可更好地改进继电保护现有原理算法，对现有后备保护功能进行补充，可解决同杆双回线保护所存在的各类难题，并可对带并联电抗器线路故障进行判别。

3 站域保护的方案研究

3.1 改进的双回线线路保护方案

智能变电站的信息共享性为双回线保护原理的优化提供了最有利的支持。共享两回线信息的双回线路保护可解决传统保护中所存在的难题，具体方法如下。

(1)跨线故障保护选相，由于共享了两回线的交流信息，保护可采用六序分量原理实现准确选相，也可以共享双回线的差动继电器动作信息实现后备保护的辅助选相；

(2)双回线路纵联零序保护易受零序互感影响而误动，在共享双回线信息后可综合两回线信息进行故障判别，可采用邻线故障信息闭锁本线纵联零序的方案防止其误动；

(3)阻抗继电器动作范围受邻线运行方式影响大，容易超越或拒动，此处可采用邻线零序电流补偿方案实现阻抗的准确测量。同时保护还可收集两回线开关位置、接地刀闸等信息，实时判别邻线运行状态，实现距离I段定值的自适应调整；

(4)两回线的保护独立完成自适应重合闸功能相当困难，在获得邻线的电气量和保护跳闸信息后能采用更多的新方法实现故障性质准确判别。

3.2基于并联电抗电流的出线故障性质判别新方法

高压线路并联电抗器电流在常规变电站中是不引入线路保护的，但是站域保护可以很容易地获取这些信息，从而为自适应重合闸的使用提供了途径。可以利用在线路瞬时性故障和永久性故障情况下电抗器电流的不同特征来识别线路故障的性质。

3.2.1 一端带并联电抗器的线路

图3 瞬时性故障电流示意图

图4 永久性故障电流示意图

(1)

当实测电抗器电流满足式(2)时判为瞬时性故障，允许重合。

(2)

3.2.2 双端带并联电抗器的线路

对于两端带并联电抗器的线路而言，其故障识别方案类似于单端并联电抗器线路。其区别就在于对端不但有接地电容，而且有电感支路。该支路的存在只是增加了判据定值设置的难度，不存在原理问题。

3.3 基于反序网的双回线路故障测距方法

任何基于阻抗原理的单端量或者双端量故障测距原理都受双回线间零序互感的影响，原理上无法实现准确测距。跨线故障情况下，传统的测距原理更是无能为力。

同杆双回线内部故障时的电流可以分为同序电流和反序电流两个部分[7～10]。其中反序电流的存在是双回线的显著特点，对反序电流的研究有利于深入了解同杆双回线的特点。利用反序网络中母线电压为零的特点，从线路两侧往故障点计算沿线电压，利用由两侧计算所得故障点电压必须相等的特点建立测距方程。以IAIIB故障为例，此处选择B相或者A相反序网建立的测距方程如下：

(3)

或者

(4)

其中：p为M端到故障点之间的距离(占线路全长的百分数)；IMIB，IMIIB，INIB，INIIB分别为本侧(M侧)和对侧(N侧)的Ⅰ线、Ⅱ线的B相电流值；IMIA，IMIIA，INIA，INIIA分别为本侧(M侧)和对侧(N侧)的Ⅰ线、Ⅱ线的A相电流值。

4 站域保护的功能迁移实现原理

在智能变电站中，如果遵循传统变电站的保护配置原则，一旦某一间隔的电子式互感器等一次设备出现异常，就会造成该间隔的继电保护功能缺失。出现这种情况只能通过相邻变电站的远后备保护来跳开相关的线路，达到切除故障的目的。但是这样造成的延时较长，该间隔可能会需要停电检修，从而影响系统的供电可靠性。若该站配置有站域保护，则可通过站域保护所获取的大量信息来弥补该间隔缺失的保护功能，下面通过线路间隔与变压器间隔来说明站域保护在电子式互感器异常时继电保护不间断运行的优势。

4.1 线路间隔

以图5中间隔2为例。当间隔2的电子式互感器失效，间隔2的电流无效，但是间隔1、间隔3、间隔Q的电流有效，且满足基尔霍夫定律。将间隔1、间隔3电流合成，形成一个新的虚拟间隔P，如图6所示。

令IP=-(I1+I3)，那么母线和线路无故障，则IP+IQ=0，否则不为零。从图中可看出通过虚拟间隔P与间隔Q保护动作逻辑的配合方式来保护线路和母线。为缩小保护切除范围，此站域保护中的纵联保护判出故障后可先切除间隔2的开关，此后的保护逻辑即退化成正常的母线保护和线路保护逻辑。

图6 线路虚拟间隔示意图

4.2 变压器间隔

以图7中变压器高压侧M为例，当电子式互感器失效，变压器高压侧M的电流无效，但是间隔1、间隔2、低压侧Q的电流有效，同样满足基尔霍夫定律。将间隔1、间隔3电流合成，形成一个新的虚拟间隔P，如图8。

图7 变压器间隔示意图

图8 变压器虚拟间隔示意图

令IP=-(I1+I3)，那么母线和变压器无故障，则IP+IQ=0，否则不为零。从图中可看出通过虚拟间隔P与间隔Q的差动保护的方式来保护变压器和母线。为保护变压器此时首先切除变压器高低压侧开关，此后的保护逻辑即退化成正常的母线保护。

5 结语

本文提出了一种基于智能变电站的站域保护架构和算法，用于智能变电站集中式的近后备保护，具有以下特点。

(1)站域保护通过过程层网络同时引入两回线路的电流、电压量，结合就地线路的主保护功能，可解决现有变电站中双回线保护所存在的各类困难和问题。若同时引入线路高抗电流，既可以为线路故障性质判别提供方便，也为差动保护电容电流补偿问题提供新的解决方案。

(2)站域保护利用反序网络中母线电压为零的特点，从线路两侧往故障点计算沿线电压，利用由两侧计算所得故障点电压必须相等的特点建立测距方程，可以解决单端量或双端量故障测距原理都受双回线间零序互感的影响而无法实现准确测距的缺陷。

(3)通过站域保护所获取的信息量，可弥补电子式互感器等一次设备异常时造成的该间隔保护功能的缺失，达到快速切除故障的目的。

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蔡小玲(1977-)，女，高级工程师，研究方向为继电保护及安全自动控制的设计及研究。Email:caixiaoling@126.com

王礼伟(1981-)，男，工程师，研究方向为电力系统及其自动化。Email:wlw6@sina.com

林传伟(1977-)，男，高级工程师，研究方向为继电保护及安全自动控制的设计及研究。Email:lincw2000@163.com

关于参考文献著录格式

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摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》(修订版)

PrincipleandRealizationofSubstation-areaProtectionBasedonSmartSubstation

CAI Xiao-ling， WANG Li-wei， LIN Chuan-wei， ZHANG Ji-fen， HUANG Wei-ping

(Fujian Electric Power Survey amp; Design Institute, Fuzhou 350003, China)

According to the characteristics of smart substation, a three layer type relay protection system was introduced, and the function, realization way, arithmetic and principle of substation-area protection were discussed. Based on the fact that bus voltage of the inverted sequence is zero, a failure discrimination method for shunt reactor current and a fault location method for reverse order double circuit line were proposed. Importing the current of shunt reactor to line protection, a new line protection scheme on the line with shunt reactor for smart substation was put forward. The proposed protection scheme makes up lack protection with the acquired information, and has the ability to rapid removal of faults.

protection configuration scheme； substation-area protection； smart substation； power system

TM771； TM773

A

1003-8930(2012)06-0128-06

2012-05-09；

2012-08-20