基于网络拓扑的电流差动站域保护

龚石林,曾臻,冯彦钊,张兆云,陈卫,王晨

(1.云南电网公司,昆明 650011；2.华中科技大学,强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074)

基于网络拓扑的电流差动站域保护

龚石林1,曾臻2,冯彦钊1,张兆云2,陈卫2,王晨2

(1.云南电网公司,昆明 650011；2.华中科技大学,强电磁工程与新技术国家重点实验室 武汉 430074)

介绍了国内外站域保护的故障定位原理,同时提出一种基于网络拓扑的电流差动站域保护原理,并通过仿真来验证此原理在简化现有保护配置的同时还能提高变电站保护的可靠性。

智能变电站；电流差动；集成式保护；扩展差动；PSCAD/EMTDC；断路器失灵

0 前言

近年来,基于网络通信、多点综合比较判断的广域保护研究成为继电保护热点课题之一[1-2]。随着以太网技术的逐渐发展,以及IEC 61850标准的颁布与实施,以过程层数字化、标准化为主要特征的新一代智能变电站受到了关注。利用以太网通信取代并行电缆,除了可有效简化设备连接方式和系统结构、降低经济成本、提高系统运行的可靠性,还能够集成原先面向某种应用或功能而设置的各种专用信息平台,形成统一的综合信息平台,实现系统在水平 (控制层内)和垂直 (控制层之间)两个方向上的信息共享与信息集成。

目前,提出了多种广域信息下后备保护理论：J.C.Tan[3]提出了收集电网多个距离保护元件的判断结果、依靠后备专家系统几种决策确定故障位置并切除故障,虽然缩短了动作延时、减小了故障切除范围,但依然无法解决传统后备保护整定复杂的问题。Y.Serizawa[4]等提出了广域电流差动后备保护的概念,将差动保护范围从独立的电器元件扩展到与该元件相邻的区域,能明显缩短后备保护系统的动作延时,但传输信息量大且时间同步问题的技术实现较为困难,出现了变电站集中式后备保护的概念[5],利用方向比较原理判别算法来故障定位,避免了传统后备保护复杂的整定配合问题,但是此方法在缺少一个或几个方向元件输出值的情况下很难判断故障位置,对于多点故障问题原理上无法故障定位。高厚磊、刘益青[6]等提出了基于电流差动原理的站域后备保护方法,通过建立边界差动区,站内差动区、搜索差动区和元件差动区来实现故障定位,此方法可以准确的确定故障元件实现断路器失灵保护功能,但是由于其建立了一个基于全变电站的站内差动区,其前提条件是各电压等级的边界CT的变比误差是可以忽略不计的,这个在现实中很难保证没有误差。

提出一种站域保护建构原理,变电站配置一套传统保护和两套集成保护,传统保护仅采用一套主保护,不再采用后备保护以及断路器失灵保护,集成保护采用相同原理的两套保护互为后备,这种传统+智能保护的构建方式除了可以简化传统变电站的配置之外,还能加快后备保护的动作速度以及准确性。

1 变电站站域保护构成

现有超高压电网中的电力设备广泛采用双重化的主保护加后备保护配置方式。主保护利用被保护设备两端信息即可准确判断内、外部故障,动作速度在10～25 ms之间,依然可以沿用。而传统的后备保护一般采用阶段式距离保护或零序过电流保护,通过定值和时间的配合来保证选择性,动作速度慢。当运行方式变化时为保证远后备保护的选择性,保护人员的定值计算工作量巨大,不得已采用近后备加断路器失灵保护方式。采用近后备保护存在当下级变电站的直流消失后,无法起到远后备作用。另外每个元件上配备多种后备保护,使得保护构成复杂化,在广域信息具备的情况下,从整个电网安全出发,有必要采用新的保护配置原则和构成原理。

为了能保证智能化配置的前提下保证变电站的可靠性,同时考虑到现有技术水平的因素,将变电站组建成传统+集成式保护的方式,具体方案如下：

1)传统保护,仅配置一套传统主保护,取消后备保护以及断路器失灵保护。主保护包括母线保护、线路保护和变压器保护,采用电流差动原理按间隔配置,基本沿用现有的成熟技术。

2)集成保护,通过同步收集系统内各断路器的电流、电压以及开关状态量信息,由决策中心利用差动保护原理及相关逻辑进行判别、决策,并依次向故障点相关就地保护单元发出跳闸命令。集成保护包括单元件差动保护以及作为后备的扩展差动保护。而双重配置集成保护,是为了检修集成保护1时,集成保护2与传统主保护依然可以构成变电站的双重保护。(同理,检修主保护时,集成保护1和2构成双重保护)因此传统主保护共享如下图1所示。

图1 站域保护构成

2 集成保护系统原理及实现

2.1 保护原理

实现快速继电保护功能的关键是要快速判断出故障所在的位置。仍然采用电流差动的方法进行故障定位,其基本指导思想为：

1)对每个IED,都划定好自己的保护区域(变压器、母线、线路),以便与其它IED进行有目的的信息交换。

2)对于一次设备的描述要能反映电网的实际拓扑结构,能够清晰表达一次设备与IED之间的连接关系。因此对于IED和一次设备以及隔离开关的描述要遵循一定的规律,这样才方便实际定位时的IED间的相互定位。比如IED用以下格式进行表示：一次设备 (ID,设备类型,接线方式,设备名称,设备状态)。ID作为关键字是区分不同一次设备和IED的标志。

故障发生后,故障点所在间隔的IED都能够确切地判断出故障点所在位置,然后根据预定的逻辑执行相应的操作。

集成保护通过采集全站的电流、电压等SV方向信号以及开关状态的GOOSE信号来定位故障位置,考虑到智能后备保护系统要快速完成故障定位,又要对相邻设备提供快速后备保护,将每个IED的保护区域分为如下2部分：

a单元件差动保护

单元件差动保护原理和传统的纵联差动保护相同,以变电站各个最小保护单元作为研究对象,各自单独进行差动保护。其和差动主保护也存在不同之处,差动保护单元的差动电流不局限在两个,可以是多个。其动作方程如式 (1)所示：

其中K为差动制动系数,取值一般为0.4左右 (取母差保护作为参考),为差动保护单元的电流向量。

b.扩展差动保护

以差动保护原理为基础；利用整个保护区域的电气量信息来保证故障切除范围尽可能小；引入差动保护的支路数受扩展差动环的大小影响,明显多于差动主保护的支路数。扩展差动范围的形成是建立在单元件差动范围的基础上的,图2以K1点作为故障点,断路器CB2失灵后的扩展差动范围,对比说明了单元件差动范围与扩展差动范围之间的联系。

图2 扩展差动范围繁衍示意图

2.2 保护实现策略

图3 智能保护流程图

如图3所示,中断程序开始后,系统首先检测采样设备、通讯设备是否正常工作,否则报警；随后进行拓扑结构确认,对简单的单母线结构, IED的保护范围一经确定无需更改,但在分段式母线、双母线和一个半接线的结构中,拓扑结构经常变化,此时IED的保护范围不再是固定的,而是将随网络结构的变化而变化。对IED而言,此时只需关心保护范围内分段开关、母联开关的开闭状态,进而确定线路和母线的连接关系,根据线路和母线的连接关系确定保护区域。在拓扑结构确认后开始进行数据采样,若没有故障则进行正常运行程序,正常运行程序进行装置的自检,装置不正常时发告警信号,信号分为两种,一种是运行异常告警,此时不闭锁装置,而是提醒进行相应处理；另一种为闭锁告警信号,告警同时闭锁装置,保护退出。故障计算程序中则首先依据拓扑结构建立一次设备断路器关联矩阵,断路器状态矩阵。各个断路器上的电流向量组成的电流向量以及由各个电流向量的模值组成的电流模值向量其中I、 均为× ×××××n1维矩阵。从而MNI以及KMN均为m×1维矩阵 (其中K为差动制动系数),前一个列矩阵的每个行元素对应为各个保护单元进行差动的电流的向量和,后一个列矩阵的每个行元素对应为各个保护单元进行差动的制动量。通过对前一个列矩阵的元素取模值后和后一个矩阵形成的制动量进行比较即可得到每个保护元件的动作方程。当满足动作判据后则跳开相应的间隔。

3 仿真模型建立

为了实现对电流差动站域保护原理的仿真,需要建立继电保护仿真模型。本文利用PSCAD/ EMTDC提供的同步数据交互接口,直接编写C++和Fortran代码,嵌入PSCAD/EMTDC仿真平台,与相应电力系统仿真模型一起,构成与实际保护运行特性一致的,继电保护暂态特性仿真平台。图4为变电站内部故障时仿真图形。

图4 发生短路故障差动电流、制动电流以及短路处断路器状态量

4 集成保护特殊问题处理

电力系统发生故障后需要IED、通信系统、断路器等多个环节配合动作才能成功地将故障切除,所以难免会发生其中某一个甚至多个环节不正常工作,导致故障无法顺利切除的情况。

4.1 某个IED拒动

IED拒动分为两种情况：

1)IED不工作,它接受不到任何信息,也无法向其它IED发出信息；

2)IED无法完成保护算法,但其测量和通信功能均能正常工作。

此时IED拒动可能是由于直流电源故障或装置自身故障所导致。采用前文所述的扩展差动保护,可以解决此问题,因为此集成保护系统拥有一个中央处理单元,当其检测到IED故障时,则直接通过拓扑结构并且快速找到此IED扩展差动范围,在进行保护判据计算时,则不再利用此IED信息而采用扩展差动范围中其它所有IED来计算。

4.2 IED误动

IED误动主要由测量元件误判、IED判断逻辑有误和通信系统干扰等因素导致。IED误动的后果很严重,要么造成故障无法切除,要么造成非故障元件的错误切除。

由测量元件误判导致的误动作可以通过自检程序在每个中断周期可以检测出来,或者可以采用新原理的故障方向元件及在一个IED中采用多种原理的故障方向判断算法,可通过多种算法优缺点的相互弥补来减小误动作的可能性,或采用负荷判据纠正误判,以从原理上减小测量元件误动作的可能性；

4.3 断路器失灵

在传统继电保护系统中设置了专门的断路器失灵保护,控制对象为接在同一母线上的所有电源支路开关。但如果在母线故障的同时出现断路器失灵,需要借助线路后备保护延时动作切除故障。

而在集成保护中需要跳开与失灵断路器相邻的所有断路器：IED发出跳闸命令后监视对应开关的状态,如果判断发生了断路器失灵,应立即向所有相邻IED(即扩展差动范围中的IED)发断路器失灵触发信号,这个信号本质上是跳闸允许信号,接收到断路器失灵触发信号的IED再根据各自测点是否存在故障电流确定是否跳闸。

4.4 多点故障

到现在为止,讨论更多的是变电站中单点故障问题,其实,由实际经验可知,变电站中经常会发生多点故障的情况,而母线的集成保护算法中,比如基于方向元件定位的保护算法,当单点故障时,变电站潮流方向改变使得各节点方向元件变换从而判断故障位置；但是当多点故障时,变电站潮流方向就回十分复杂,使得方向元件只能判断出单点故障。

而本集成保护算法就没有此顾虑,由于其采用间隔配置,相当于变电站最小单位,即使发生多点故障,仅仅是多个间隔有故障判定,因而可以避免多点故障误判的情况,提高保护的可靠性。

5 结束语

本文提出了一种变电站站域保护系统,该保护系统具有以下特点：

1)基于传统变电站进行一定改造即可实现,无需重建；

2)智能保护部分,简化了现有继电保护的配置方式；

3)以间隔为单位采用电流差动原理构建保护,避免多点故障无法正确故障定位的问题；通过扩展差动环来解决断路器失灵问题保证了可靠性。

[1] 蔡运清,汪磊,MORISON K,等.广域保护 (控制)技术的现状及展望 [J].电网技术,2004,28(8)：20-25.

[2] 丛伟,潘贞存,丁磊,等.满足”三道防线”要求的广域保护系统及其在电力系统中的应用 [J].电网技术, 2004,28(18)：29-33.

[3] Tan J.C,Crossley P.A,Mclaren P.G,et al.Application of a wide area backup ptotection expert system to prevent cascading outages[J].IEEE Trans on Power Delivery,2002,17 (2)：375-380.

[4] Serizawa Y,Imamura H,Sugaya N.Experimental examination of wide-area current diffenertial backup protection employing broadband communication and time transfer systems[C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting,Edmonton, Alta,1999：1070-1075.

[5] 张保会,周良才.变电站集中式后备保护 [J].电力自动化设备,2009,29(6)：1-5.

[6] 高厚磊,刘益青,苏建军,等.智能变电站新型站域后备保护研究 [J].电力系统保护与控制,2013,41(2).

[7] 丛伟,潘贞存,赵建国.基于电流差动原理的广域继电保护系统.电网技术 [J].2006,30(5).

[8] 董新洲,丁磊.数字化集成保护与控制系统结构设计方案研究 [J].电力系统保护与控制,2009,37(1).

曾臻 (1989),男,硕士研究生,华中科技大学,主要研究方向为智能变电站,微机继电保护与控制。

冯彦钊 (1968),男,工程师,云南电网公司,主要从事电力系统生产设备投运工作。

Research on Current Differential Protection Principle with Station Domain Based on Network Topology

GONG Shilin1,ZENG Zhen2,FENG Yanzhao1,ZHANG Zhaoyun2,CHEN Wei2,WANG Chen2
(1.Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 650011,China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

This paper introduces some fault location principle at home and broad and puts forward a current differential protection principle with station domain based on network topology.We also simulate the principle with PSCAD/EMTDC to make sure that the principle will simplify the existing protection configuration and improve the reliability of the protection of substation.

smart substation；current differential；integrated protection；extended differential；PSCAD/EMTDC；breaker failure.

TM76

B

1006-7345(2015)01-0043-04

2014-09-10

龚石林 (1979),男,工程师,云南电网公司,主要从事电力系统生产设备投运工作 (e-mail)8323072＠qq.com。