相邻变电站交互型广域后备保护应对站用直流失压方法

李一泉，王增超，刘 玮，弯丹辉，梁 博，王育学，刘 琨，文明浩

（1.广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广州 510600；2.广东电网有限责任公司RTDS 继电保护仿真重点实验室，广州 510600；3.华中科技大学，武汉 430072）

0 引言

继电保护是电力系统“三道防线”中的第一道防线，传统基于就地信息的主后备保护目前仍然承担着保障电网安全的重任[1]。而变电站直流电源是维持继电保护系统正常可靠工作的基础[2-5]。发生站用直流失压后，变电站内的继电保护系统将失去工作电源，无法正常工作。此时一旦发生故障，站用直流失压的变电站无法响应，只能依靠相邻变电站长延时的远后备保护动作来切除故障[5]。但传统继电保护系统在运行方式变化时远后备保护整定配合困难，在超高压电网中甚至无法配合，只能实现近后备保护功能[6-7]。

近年来，随着智能电网变电站信息共享技术和光纤通信技术的发展，基于多源信息的站域保护、广域保护研究受到了持续关注[8]。因此考虑引入广域信息解决站用直流失压时故障切除的问题。广域保护在构建模式上主要可分为3 种：分布式、变电站集中式以及区域集中式[9-12]。理论上信息来源范围越广，越有利于系统决策，对决策中心信息交换的要求越高[8]。文献[12]提出一种基于相邻变电站信息融合的广域后备保护系统，采用变电站集中式广域保护。由于其仅与相邻变电站进行信息交互，方便实现并减轻了变电站决策中心的负担。

根据变电站二次设计规范要求，实际工程应用中变电站内的保护二次直流电源与通信电源回路需独立设计[2-5]。即使变电站发生站用直流失压造成二次直流电源回路失电，通信电源回路仍可正常工作，因此能将站用直流失压信号通过通信装置发送到相邻变电站。

本文以基于相邻变电站信息交互的变电站集中式广域保护为基础，在站内二次直流电源与通信电源相互独立的前提下，提出了一种应对变电站站用直流失压的广域后备保护方法，实现站用直流失压时保护快速可靠地切除故障。

1 广域后备保护系统结构

基于相邻变电站信息交互的变电站集中式广域保护由于仅与相邻变电站进行通信，其通信方式简单，布线清晰，对设备要求不高。同时，每个变电站自身都拥有独立的决策系统，在电力系统改扩建时适应性强。以文献[12]为例，其提出的基于相邻变电站信息交互的广域后备保护系统结构如图1 所示。电力系统发生故障时，变电站通过站内局域网收集本站内IED（智能电子设备）信息，同时与广域网内的其他相邻变电站交换电网故障信息、故障判断结果信息及断路器跳闸信息。

图1 广域后备保护系统结构

2 应对变电站站用直流失压的广域后备保护方法

为解决站用直流失压时故障切除的问题，在每个变电站的决策系统配置3 个功能模块：站用直流失压信号的检测与发送；能保护本线路全长的距离保护1（以下简称“距离保护1”）；能保护下一级线路全长的距离保护2（以下简称“距离保护2”）。

（1）站用直流失压信号的检测与发送

文献[5]给出的变电站站内接线如图2 所示。变电站A 发生站用直流失压时，其保护直流电源失电，但48 V 通信电源正常，变电站A 的通信装置可正常工作。通过检测失电节点获取本站失电信息，变电站A 的通信装置将本站的站用直流失压信号发送至变电站B 的决策系统。按照此方法，任一变电站发生站用直流失压后，所有相邻变电站都能收到其发出的站用直流失压信号。

（2）距离保护1

此功能模块配置的仍是常规距离保护算法，包括相间距离保护和接地距离保护。以接地距离保护为例，距离保护1 判据如式（1）所示。距离保护1 按照被保护线路末端发生金属性故障时仍有灵敏度整定，保护无延时，满足判据立即动作。

图2 变电站站内接线

距离保护1 的保护范围会延伸至下一级线路，但由于发生站用直流失压的相邻变电站保护无法动作跳闸，距离保护1 即使无延时也不会造成保护范围超越。

（3）距离保护2

如式（2）所示，距离保护2 判据与距离保护1类似，但保护动作存在延时Δt。距离保护2 按照下一级线路末端发生金属性故障时仍有灵敏度整定，满足判据经延时后动作。

式中：tIII为距离保护2 延时。

距离保护2 的保护范围会延伸至下两级线路，所以其延时需与距离保护2 保护范围内电气元件的快速主保护配合。例如：对于变压器，需与变压器差动保护配合；对于母线，需与母线差动保护配合；对于输电线路，需与全线速动保护配合。若配备有断路器失灵保护，则距离保护2延时需考虑一次断路器失灵时间，在此基础上增加时间级差。

综上所述，应对变电站站用直流失压的广域后备保护方法为：变电站决策系统持续检测是否接收到相邻变电站发出的站用直流失压信号；若收到站用直流失压信号，则判断是否满足距离保护1 判据，满足则立即发出跳闸指令；不满足则继续判断是否满足距离保护2 判据，满足则经延时发出跳闸指令。保护处理流程如图3 所示。变电站站用直流失压时，相邻变电站决策系统依据此保护方法可实现故障的快速可靠切除。

3 算例分析

图3 保护处理流程

图4 为220 kV 电力系统示意图，各线路配有全线速动保护，设置故障点F1—F5，其中故障点F2在变电站A 和变电站B 距离保护1 保护范围内；故障点F3在变电站A 和变电站B 距离保护1 保护范围之外，在距离保护2 保护范围内；故障点F4在变电站A 距离保护2 保护范围内；故障点F5在变电站A 距离保护2 保护范围之外。若变电站C 发生站用直流失压，分别就故障发生后单个变电站的跳闸策略和故障发生后系统切除故障的过程进行分析，对本文提出的广域后备保护方法进行验证。

图4 220 kV 电力系统

3.1 变电站A 动作情况分析

（1）变电站C 站用直流失压，F1处故障

变电站A 接收到变电站C 的站用直流失压信号，检测断路器D1 处电压、电流，计算距离信息。由于故障F1位于线路L1，满足距离保护1判据，变电站A 的决策系统立即向断路器D1 发送跳闸指令。

（2）变电站C 站用直流失压，F2处故障

变电站A 接收到变电站C 的站用直流失压信号，由于故障F2位于距离保护1 保护范围内，变电站A 的决策系统立即向断路器D1 发送跳闸指令。由于此时变电站C 发生站用直流失压，所有保护无法动作，断路器D3 无法跳开，所以由变电站A 跳开断路器D1 不会造成保护超越。

（3）变电站C 站用直流失压，F3处故障

变电站A 接收到变电站C 的站用直流失压信号，由于故障F3位于变电站A 下一级线路L2，计算不满足距离保护1 判据，但满足距离保护2判据，变电站A 的决策系统经延时向断路器D1发送跳闸指令。

（4）变电站C 站用直流失压，F4处故障

变电站A 接收到变电站C 的站用直流失压信号，由于故障F4位于距离保护2 保护范围内，变电站A 的决策系统将经延时向断路器D1 发送跳闸指令。但由于故障F4位于线路L3，且变电站D 和E 正常未发生站用直流失压，故变电站D和E 的全线速动保护立即动作，分别向断路器D5 和D6 发送跳闸指令，切除故障。此时变电站A 决策系统仍在等待延时，故障切除后由于不再满足距离保护2 判据，变电站A 决策系统不会发出跳闸指令，即不会造成保护超越。

（5）变电站C 站用直流失压，F5处故障

变电站A 接收到变电站C 的站用直流失压信号，但由于故障F5位于距离保护2 保护范围外，变电站A 的决策系统不发出跳闸指令。故障由变电站D 和E 的全线速动保护动作切除。

3.2 故障切除过程分析

（1）变电站C 站用直流失压，F2处故障

故障F2位于变电站A，B 和D 距离保护1 保护范围内。由3.1 节的算例分析可知，此时变电站A，B 和D 均无延时，分别向断路器D1，D8和D4 发送跳闸指令，故障无延时切除。

（2）变电站C 站用直流失压，F3处故障

故障F3位于变电站A 和B 距离保护1 保护范围外、距离保护2 保护范围内，变电站D 距离保护1 保护范围内。由3.1 节的算例分析可知，变电站A 和B 经延时分别向断路器D1 和D8 发送跳闸指令，变电站D 立即向断路器D4 发送跳闸指令。故障的隔离需要等待距离保护2 的延时。

由上述分析可知，对于站用直流失压状况，本文提出的广域后备保护方法最快可以无延时切除故障，最慢也只需等待距离保护2 延时（与距离保护2 保护范围内电气元件的快速主保护配合）即可切除故障，实现站用直流失压时保护快速可靠切除故障。

4 结语

为解决站用直流失压时故障切除的问题，本文考虑引入多源信息，以基于相邻变电站信息交互的变电站集中式广域保护为基础，在站内二次直流电源与通信电源相互独立的情况下，提出了一种广域后备保护方法。此保护检测到相邻变电站发送的站用直流失压信号后，投入无延时的距离保护1 和带延时的距离保护2。 算例分析表明，变电站站用直流失压时，本文提出的广域后备保护方法能够实现故障的快速可靠切除。