利用站域信息的智能变电站变压器后备保护方案

樊占峰, 刘 星, 刘益青, 高厚磊, 宋国兵, 邓茂军

(1. 西安交通大学电气工程学院, 陕西省西安市 710049; 2. 许继集团有限公司, 河南省许昌市 461000;3. 济南大学自动化与电气工程学院, 山东省济南市 250022; 4. 山东大学电气工程学院, 山东省济南市 250061)

利用站域信息的智能变电站变压器后备保护方案

樊占峰1, 刘 星2, 刘益青3, 高厚磊4, 宋国兵1, 邓茂军2

(1. 西安交通大学电气工程学院, 陕西省西安市 710049; 2. 许继集团有限公司, 河南省许昌市 461000;3. 济南大学自动化与电气工程学院, 山东省济南市 250022; 4. 山东大学电气工程学院, 山东省济南市 250061)

采用复压过流原理的变压器后备保护方案存在灵敏度不足、整定配合复杂、故障切除延时过长等问题。提出在智能变电站中采用主后备分离模式的变压器保护配置方案。单独配置的后备保护,利用站域共享信息,以方向比较原理为基础确定故障位置,实现对变压器内部故障、中低压母线故障、死区故障和断路器失灵的后备保护功能。对于不对称故障采用负序、零序方向元件,对于三相故障采用基于正序电流幅值相位比较的方向元件。通过在PSCAD中建立典型的110 kV变电站模型,对于各种故障类型进行仿真,验证了所研究的后备保护方案的有效性。

智能变电站; 变压器后备保护; 站域信息; 方向比较; 正序分量

0 引言

近年来,各类主保护的正确动作率虽然有了大幅提高[1],但是电网中各种复杂、罕有的故障却时有发生[2]。在数量庞大的110 kV变电站中,变压器后备保护作为变压器内部故障近后备和相邻元件的远后备仍具有不可替代的作用。

110 kV变压器主电源侧后备保护应作为变压器内部故障的近后备;中、低压侧后备保护应作为中、低压侧出线故障和本侧母线故障的近后备,以及中、低压侧出线的远后备[3]。

常规变电站中,变压器后备保护广泛采用复合电压闭锁的方向过流保护原理。不论是主后备一体化装置,还是主后备分离按侧配置后备保护,均存在以下问题需要解决[4-5]。

1)由于变压器等值阻抗大,变压器中、低压侧出线故障时,高压侧过流元件灵敏度不足,且短路电流随系统运行方式和故障类型不同而变化,各级保护间整定配合较困难。

2)当中、低压侧母线未配置独立的母线保护时,变压器后备保护实际上承担了中、低压侧母线的主保护任务,而后备保护需要与中、低压侧出线的主保护相配合,导致中、低压侧母线故障的切除时间过长。

3)在Yd接线的变压器d侧发生两相短路时,高压侧非故障相的90°接线的功率方向元件存在误判可能。

阻抗保护原理可以部分解决过流保护的不足,但是需要考虑振荡闭锁等环节,增加了复杂度[6]。为此,文献[7]提出一种基于补偿电压正序分量的变压器后备保护,以提高复压过流保护适应系统运行方式变化的能力。文献[8]则通过实时计算系统等值阻抗,并根据不同的故障类型选择故障电流系数来实现复压过流保护的自适应整定。

文献[9-10]提出了将纵联方向保护用于变压器保护和配电网保护的思路。在智能变电站中,采用主后备保护相分离的配置模式,利用过程层通用面向对象变电站事件(GOOSE)网络,可实现独立配置的变压器后备保护功能[11]。但该方案需要对现有主保护进行改造,使之可以输出方向元件判别结果。

另一方面,由于广域信息[12-13]或站域信息[14]较单一间隔信息能够更加准确地反映故障特征,因此借此来改善变压器后备保护的性能将存在较大空间。本文利用智能变电站的站域共享信息,基于方向比较原理,实现主后备分离模式下的变压器后备保护功能,为智能变电站变压器保护配置提供多种选择。

1 利用站域信息的后备保护方案

1.1 变压器保护的主后备分离模式

智能变电站的变压器保护配置方案分为主后备一体化和主后备分离2种模式,本文方案适用于主后备分离模式。该模式下,采用电流差动原理的变压器主保护独立配置,另外再按每台变压器配置1台后备保护装置。图1所示为主后备分离的配置模式:主保护采用电流差动原理;后备保护采用其他原理,反映变压器内部故障、中低压侧母线及出线故障和断路器失灵。

图1 主后备分离的变压器保护配置方案Fig.1 Transformer protection configuration in separate mode of main and backup protections

图1的配置方案中,变压器后备保护所需的采样值(SV)和GOOSE信息列于表1。

表1 后备保护获取信息列表Table 1 Information list of backup protection

在智能变电站中,SV和GOOSE均能通过过程层网络方便地实现共享,这使得主后备一体化模式可以简化二次接线的优点不再突出。此外,主后备分离模式还具有以下优点:提高主保护的独立性和可靠性;便于定值整定和运行管理;减少主、后备保护之间的影响;防止一体化保护硬件异常时导致主、后备保护同时失效;即使主保护双重化时,后备保护也可以仅配置1台;利用站域信息的变压器后备保护,较易实现功能扩展升级,从而实现全站站域后备保护功能。

1.2 变压器后备保护方案

由于主保护采用电流差动原理,后备保护应采用不同的保护原理,以防止由于原理缺陷导致主、后备保护同时拒动的情况。本文后备保护方案利用同样具有绝对选择性的方向比较原理确定故障元件,并利用站域信息实现后备保护逻辑功能,达到在主后备分离模式下提高后备保护性能的目的。

采用方向比较原理的另一重要原因是:变压器后备保护应能够接入过程层网络,实现网采网跳,因此需要降低对SV同步性的敏感程度。方向比较原理对数据同步性的要求远低于电流差动原理。

下文对变压器后备保护实现的功能逐一阐述。

1.2.1 变压器内部故障的后备保护

变压器内部故障的后备保护逻辑如图2所示。首先利用变压器三侧的方向元件(以指向变压器为正方向)进行故障定位。确定为变压器内部故障后,监视主保护的跳闸GOOSE信号,若300 ms内未收到主保护跳闸信号则向三侧断路器发出后备保护跳闸命令。

图2 变压器内部故障的后备保护逻辑Fig.2 Backup protection logic for transformer inner fault

由于后备保护独立且具有完全选择性,因此在确定故障元件时无需与中、低压侧保护进行定值的时限配合。图2中差动主保护动作的闭锁信号,表示该逻辑仅完成主保护拒动时的后备功能,对于主保护动作后跳闸失败的情况,由1.2.3节中所述的断路器失灵保护实现后备功能。

该方案的保护性能与所采用的方向比较元件密切相关,要求具有足够的灵敏度和可靠性,既能反应于变压器任何类型的内部故障,又能保证在变压器外部故障时方向元件可靠判为反方向。方向元件及性能分析详见本文第3节。

1.2.2 中、低压侧母线故障的后备保护

中、低压侧母线故障的后备保护逻辑如图3所示。后备保护启动后,通过各侧的方向元件确定不是变压器内部故障(与门G1),经本侧出线故障信号闭锁(与门G3)后,延时150 ms跳本侧母线。

通过或门G2、与门G3的闭锁,实现中、低压侧母线故障的选择性。对于d侧经小电阻接地或Z型变接地的情况,出线含电源的情况和Y侧接地系统,闭锁条件除本侧出线过流Ⅱ段测量元件动作外,可增加出线正方向故障“与”逻辑,以母线流向线路为正方向。对于d侧不接地系统,闭锁条件可仅保留过流Ⅱ段测量元件。

图3 中、低压侧母线后备保护逻辑图Fig.3 Backup protection logic of middle-voltage and low-voltage bus

中、低压侧母线故障的后备保护要求高压侧方向元件对变压器中、低压侧故障均有较高的灵敏度,且需要配置反应于中、低压侧出线故障的方向元件。

1.2.3 死区及断路器失灵保护

在发生如图4(a)所示的f2或f3处死区故障时,复压过流保护方案依靠各侧后备保护延时切除[15],本方案由于变压器内部故障时后备保护逻辑具有绝对选择性,因此需要专门处理死区保护与断路器失灵保护。图中：TA表示电流互感器;CB表示断路器。

图4 110 kV变压器死区故障Fig.4 110 kV transformer fault in dead zone

以f2处发生死区故障或者CB2拒动为例,保护流程如图4(b)所示。主保护或后备保护发出跳闸命令后,在300 ms的延时时间内,若开关一直有故障电流,则判为死区故障,联跳变压器各侧开关。再判断开关是否有跳位,如果未在跳位,判为断路器失灵,联跳其他电源支路开关。

1.2.4 中、低压侧出线的后备保护

传统后备方案中,中、低压侧出线后备保护的过流定值需要与出线中最大过流定值相配合,灵敏度较低。本方案中变压器内部故障和中、低压侧母线故障的后备保护均具有绝对选择性,因此需要单独设置对中、低压侧出线的近后备保护。

由于中、低压侧出线的电流信息已经全部获取,因此可在后备保护中冗余实现所有中、低压侧出线的过流保护,以此作为远后备保护,并能保证与各出线单独配置的过流保护具有相同灵敏度。

2 基于方向比较的故障位置确定方法

2.1 现有方向元件的适用性分析

由前述可知,本方案采用方向比较原理确定故障点位置是实现各种后备保护功能的前提,因此选择适合的方向元件是本方案的核心。

基于故障分量的方向元件因其优良的性能,在主保护中被广泛采用[16]。但是,由于故障分量仅能在故障发生初期准确获取,因此虽能用于快速主保护,却无法直接用于带延时的后备保护。

负序、零序方向元件对于不对称故障的灵敏度很高,且在故障持续期间可连续工作,但均不反应于三相故障。90°接线的功率方向元件虽然可以反应于三相故障,但在实际应用中仍存在以下缺陷。

1)受负荷电流、过渡电阻影响大,在变压器重负荷或经较大过渡电阻短路时,灵敏度不足。

2)在母线附近发生三相故障时,所采集的母线电压存在死区,需要借助记忆电压解决,记忆时间不宜过长,否则影响转换性故障时的方向判断结果。

3)线路、变压器的阻抗角不同,内角固定时,方向元件大多数情况下不工作在最大灵敏角。

4)在Yd接线的变压器d侧发生两相短路时,高压侧非故障相方向元件存在误动可能,简要分析参见附录A。

由于方向元件在本方案中用于故障元件精确定位,上述问题2)和4)引起的方向元件不正确动作,将导致后备保护拒动或误动,因此,不宜直接采用90°接线的功率方向元件。

2.2 利用方向比较原理确定故障元件的方案

由上述分析可知,单一方向元件均无法独立完成所有故障类型下确定故障点位置的任务,为此综合采用多个方向元件,整体方案流程如图5所示。图5方案的设计思路是,对于不对称故障,利用负序、零序方向元件确定故障位置。具体使用时,零序方向元件用于反应接地故障,负序方向元件用于反应相间故障,兼顾两相接地故障。利用基于正序电流幅值相位比较的方向元件来反应三相故障。

图5 利用方向比较确定故障元件方案Fig.5 Scheme of determining fault component by directional comparison

各侧故障方向确定后,即可按照1.2节中的保护逻辑图实现变压器后备功能。

2.3 基于正序电流幅值相位比较的方向元件

首先分析变压器内部或外部发生三相故障时,各侧正序电流之间的相位关系。

1)Yd11接线的两绕组变压器

发生外部故障,流经各侧的电流为穿越性质,正序电流的相位关系满足:

(1)

发生内部故障,理想情况下高、低压侧的正序电流相量接近同相位。考虑变压器两侧系统的正序等值阻抗较稳定,阻抗角一般不大于15°;而两侧等值电源相位差与变压器输送有功功率大小有关,其变化范围不会超过70°。因此,内部故障时高、低压侧正序电流的相位关系满足:

(2)

2)Yyd11接线的三绕组变压器

发生外部故障,正序电流的相位关系满足下列三个条件之一,依次对应高、中、低压侧外部故障。

(3)

(4)

(5)

发生变压器内部故障时,各侧正序电流的相位关系必然同时满足:

(6)

以上分析变压器区内外故障时的正序电流相位关系,是各侧均有电源的情况,实际的降压变压器,考虑中、低压侧无电源的情况,则需要增加正序电流幅值判断条件。完整的方向比较流程如图6所示,对应图5中的模块A。

图6 基于正序电流幅值相位比较的方向元件Fig.6 Directional comparison element using phase and amplitude of positive sequence current

故障启动并判为三相故障后,若三侧正序电流幅值均高于0.1In(In为电流互感器的二次额定值),则直接利用式(3)至式(6)进行相位比较,确定故障方向。

检测到中、低压侧的正序电流幅值高于门槛值,但本侧无电源时,则说明该正序故障电流由其他侧电源提供,直接判定为本侧反方向故障。若中压或低压侧的正序电流幅值低于门槛值,则在式(3)至式(6)中退出该侧正序电流相位比较,仅保留其余两侧的相位比较条件。对于降压变压站,无论中、低压侧有无电源,只要高压侧正序电流幅值低于门槛值,则直接判为高压侧反向故障。

应注意到,变压器中、低压侧是否有电源可能与现场运行方式有关,不易完全离线确定,因此需要研究变压器各侧是否有电源的在线判别方法。

此外,电流互感器断线、饱和等异常工况对方向元件会产生一定影响。但电流互感器饱和对方向元件的影响远小于对电流差动的影响。由衰减直流分量导致的暂态电流互感器饱和持续时间远小于后备保护动作时间,影响较小;对于电流互感器的稳态饱和可增加谐波闭锁判别,防止误判。

2.4 数据同步性影响分析

对于电流差动原理,一旦各侧电流相量不同步,必然产生差动电流,当各侧采集时刻偏差增大时,由于不同步采样造成的虚假差电流相应增大,可能会将区外故障误判为区内故障。

对于正序电流幅值相位比较方向元件而言,变压器各侧采集时刻偏差增大时,仅影响从故障时刻开始到作出判为区内故障的结果之间的延时,而不会对该结果的正确性产生影响。

假设已知各侧采集时刻的最大偏差为Δt,在发生区内故障初瞬间,由于各侧SV存在时间差,可能同时出现判为区外故障的情况。但是延时Δt时间后,各侧判断结果必然会出现均为区内的情况,因为此时虽然使用的SV绝对时刻不同,但是均为区内故障持续时间段内的电流SV数据。加上考虑到该元件用于站域后备保护,真正出口跳闸均至少300 ms,而Δt的实际情况一般不会超过20 ms,因此造成的影响至多存在延迟20 ms出口跳闸,这对站域后备保护的影响可以忽略。

3 仿真验证

在PSCAD中建立图1所示的典型110 kV变电站模型,包含两台降压变压器,两台变压器的后备保护配置一致,对其中一台变压器的后备保护进行仿真。故障点分别设置于变压器高、中、低压侧的区内和区外,其中高压侧区内故障包括绕组匝间故障(5%)及匝地故障[17]。

首先由图5所示的流程,根据各侧负序、零序电流的有效值是否超过门槛值来判断故障类型,从而选择所使用的方向元件。以高压侧故障为例,仿真结果列于附录B表B1。仿真算例中各侧额定一次电流分别为0.239,0.750,2.740 kA;故障时刻为0.2 s;负序门槛值取为0.08In,零序门槛值取为0.10In。

由附录B表B1结果可知,在发生不对称故障时投入负序方向元件,发生三相故障时投入正序电流幅值相位比较元件。对于中、低压侧的故障进行仿真,均能正确选择方向元件。

附录B表B2列出了发生不对称故障时,负序方向元件的仿真结果。附录B表B3列出了正序电流幅值相位比较的方向元件在发生三相故障时的仿真结果。

附录B图B1至图B3给出了典型的故障仿真图。其中,图B1为高压侧区内发生BC相故障的负序方向元件仿真结果,故障发生时刻为0.20 s。图B2为高压侧区外故障转为区内A相匝间故障时,负序方向元件的仿真结果,区外故障发生时刻为0.20 s,持续时间0.10 s,匝间故障发生时刻为0.25 s。图B3为中压侧区外三相故障的正序电流比相元件仿真结果,故障发生时刻为0.20 s。

由附录B表B1至表B3及图B1至图B3的仿真结果可以看出,变压器各侧发生区内外故障及区内外转换性故障时,方向比较原理的变压器后备保护方案均能准确定位故障位置,从而实现无需时限和定值配合的快速后备保护。

4 结语

本文提出一种适用于智能变电站的主后备分离模式变压器保护配置方案。以方向比较原理为基础,利用站域共享信息确定故障位置,并与主保护动作信号、开关位置相配合,实现变压器内部故障、中低压侧母线故障、死区故障及断路器失灵等后备保护功能。采用负序、零序方向元件反应于不对称故障,采用基于正序电流幅值相位比较的方向元件反应于三相故障。该方案可实现主保护拒动或断路器拒动情况下的快速动作,与各级出线保护的配合简单,动作时限固定。通过数字仿真,验证了方案的有效性和适应性,可以作为现有智能变电站变压器保护配置方案的有益补充。

基于正序电流幅值相位比较的方向元件需要预先确定中、低压侧是否有电源,但中、低压侧是否有电源又不易完全离线确定,需要进一步研究中、低压侧是否有电源的在线判别方法。

本文得到许继集团科研项目(SGTYHT/14-JS-190)资助,特此致谢!

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Scheme for Transformer Backup Protection Using Substation-area Information in Smart Substation

FANZhanfeng1,LIUXing2,LIUYiqing3,GAOHoulei4,SONGGuobing1,DENGMaojun2

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China; 3. School of Electrical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China; 4. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

For defects in the transformer backup protection based on the over-current principle and compound voltage blocking such as insufficient sensitivity, complicated cooperation and long fault clearing time-delay, a transformer protection scheme is proposed with the main protection separated from the backup protection in the smart substation. The independent backup protection employs the directional comparison principle to locate the fault position by the substation-area shared information. The backup protection provides the protective functions for transformer inner faults, medium- and low-voltage bus-bar faults, dead-zone faults and the situation where the breaker refuses to act. The negative-sequence directional element and zero-sequence directional element are used to reflect unbalanced faults, and the directional element by comparing the amplitude and phase of positive-sequence current is used to reflect the three-phase fault. A typical 110 kV substation is established in PSCAD to facilitate simulation of various types of faults.

This work is supported by Shandong Provincial Natural Science Foundation of China (No. ZR2014EEM039).

smart substation; transformer backup protection; substation-area information; directional comparison; positive component

2017-04-06;

2017-06-22。

上网日期: 2017-08-22。

山东省自然科学基金资助项目(ZR2014EEM039)。

樊占峰(1974—),男,在职博士研究生,高级工程师,主要研究方向:电力系统保护与控制。E-mail： 13937416180@139.com

刘 星(1972—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:电力系统保护与控制。E-mail: 13938918099@139.com

刘益青(1977—),男,博士,副教授,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护。E-mail: cse_liuyq@ujn.edu.cn

邓茂军(1975—),男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向:继电保护。E-mail: maojundeng@sohu.com

(编辑 章黎)