基于信息分布收集集中决策的预制舱变电站综合保护系统设计

张连超

(中国电建集团贵州工程有限公司，贵州 贵阳)

使用预制舱变电站能够在短时间内，使用较小的占地面积完成建设，而且能满足一定范围内的变电需求，所以具有比较高的性价比。同时，预制舱变电站也具有高度集成的特性，所以对变电站的控制、保护，需要结合其高度集成的特点，进行信息收集和控制，使得目前信息分布收集集中决策的综合保护系统设计成为预制舱变电站的主要发展方向。

1 预制舱变电站综合保护系统基本功能和设计分析

1.1 预制舱变电站综合保护系统功能

1.1.1 实现预制舱变电站内各个间隔的全部保护

110 kV 线路需要进行变电站建立联机保护，很多变压器设备已经配置了非电量保护，在制定保护策略时，可以结合采气量、开关量制定保护策略，完成保护工作[1]。通过使用信息集中的特点，实现对保护策略的优化，有效改善保护机制。

1.1.2 整合集成控制

在集成化综合设计的前提下，能让变电站结构简化，减少系统二次设备数量，提升变电站的变电效率，也进一步降低预制舱变电站对空间的占用。

1.2 系统结构

图1 为系统结构框图，使用IEC61850 协议建立GOOSE 网和SV 网，在系统线路中，GIS 舱、变压器仓、10 kV 线路仓的信息会被发送到综合保护系统，为了达到简化目的，可以直接取消10 kV 线路仓，利用系统的综合保护达到控制安全的目的[2]。各个单元和终端都和系统网络相连，使用综合保护系统对整个变电站的运行信息进行收集，并根据情况对负荷等参数进行调整，实现对变电站的保护控制[2]。

图1 综合保护系统结构框图

2 基于信息集中决策的变压器过负荷保护策略

2.1 常见变压器过负荷保护方法原理

对于无人看守的变电站，符合保护可以通过出口跳闸保护变电站的安全。令过负荷保护电流整定值为Iset，应躲过变压器的额定电流为IN，有：

式中：Krel是可靠系数，一般为1.05；Kre为返回系数，一般为0.85，过负荷保护动作的时间需要大于同间隔的电流保护动作时间，一般为8～10 s。

2.2 变压器过负荷保护改进原理和实现路径

利用馈线的开关状态和馈线电流大小，可以实现对断路器运行状态的判断，之后可以将各个馈线的重要级别进行排序，以及针对馈线的运行负荷进行排序，确定重要的高级别馈线，制定保障重要符合运行的控制策略，之后选择中等重要的馈线，并确定切除负荷的最合理组合，计算分析所选组合能否满足切除负荷后达到保护目的的要求[3]。

图2 是某110 kV 变电站的示意，在该变电站中，变压器的容量为SN，图中的DL104 和DL201 是主变高压侧断路器和主变低压侧断路器。L1-L7 是7 个10 kV 馈线，其实施负荷量和重要性级别如表1 所示。

表1 馈线实时负荷量和重要性级别

图2 110 kV 变电站连接示意

结合过负荷保护动作定值按照电流整定，保护定值Sset整定为电容进行计算，以降低判断难度，则：

试验中将负荷一次投入，之后7 条馈线逐渐达到满载运行状态。运行过程中，系统可能会发生过负荷，

3 低频减载改进策略

3.1 减载线路选择方法

目前的低频减载方案并不能满足实时负荷的需求，会造成负荷出现过切或者欠切的情况，为了避免这类问题，应该针对传统低频减载策略进行改进[4]。为了能更好地选择线路，并避免重要线路切断，可以从保留线路的角度进行选择，选择过程中以负荷量为基础进行选择，如以下公式，保留负荷量Ph的计算方法为：

式中：Pij是馈线的实时负荷；Pxq为需要切除的负荷量。结合管理需要，切除和保留负荷量时应该遵从切除低重要性负荷，保留高重要性负荷的基本原则，然后继续对系统负荷进行优化，以P*h为进一步调整的负荷量，则计算方法为：

式中：Psj是j 重要程度所有负荷的总负荷量，计算结果作为调整后的保留负荷，并以此为基础继续计算下一个重要性等级所需要保留的负荷，最后进一步调整的负荷量为零，或者全部等级的负荷都完成了调整，完成所有计算。

3.2 低频减载方案

为了确保低频减载的过程中保证系统的稳定性，应结合系统特性进行调节，由于负荷具有一定的自身调节能力，可以跟随系统状况开展调节工作[5]，可以将负荷的调节特性表示为：

式中：P 为频率为f 时系统的有功负荷；PDN是频率fN状态下系统的有功负荷，即额定负荷；α0、α1、α2、...αn是频率在0，1，2，...n 次方程正比的负荷占PDN的百分数。系统频率稳定在额定范围内时，负荷频率调节特性曲线接近直线，可以用以此函数表示，计算方法为：

结合频率调节特性因素，系统可以进行低频减载方案的优化调整。系统中，重要程度为j 的第i 条馈线负荷量为Pij，并且系统频率为f。在低频减载的过程中，系统会利用减载机制使系统的频率恢复到fres，负荷会受到系统的影响，转变有功频率，变为P*ij，计算方法为：

通过将上述虚拟有功频率带入到前文的Ph中，就可以得到经过调整的Ph，通过该方案进行修复，会通过改变负荷量恢复核定频率，经过低频减载后，能够获得更接近额定频率的调整后频率，并且可以避免过切超调的问题，提升预制舱变压器的稳定性。

4 预制舱变电站综合保护系统性能仿真验证

4.1 过负荷保护方案验证

改进前的负荷保护策略如图2 所示，在保护调节过程中，其整定值为0.259 kA，图3 中，实线是高压侧电流，1 s 开始线路运行，经过20 ms 后，电流高出整定值，系统采用传统变压器过负荷保护模式，转变侧开关会在一定延时之后跳开。

图3 传统模式下过负荷保护电流的变化

预制舱变压器具有信息集中的特点，采用经过改进后的过负荷保护动作，并进行模拟，在负荷达到线路保护的整定值Iset后，开始启动过负荷保护策略，进行个条馈线实时负荷、重要性的排序，计算出整体过负荷保护量为0.579 MVA，综合负荷的大小和重要性程度，需要从3 级馈线开始计算是否切除，由于L5 负荷为1.4 MVA，单独切除L5 就可以满足保护要求，因此采用了切除L5 的策略，改进后的电流变化如图4所示。

图4 综合保护模式下过负荷保护电流的变化

4.2 低频减载方案验证

图5 是传统低频减载方案和利用综合保护系统下，模拟出的频率曲线变化。通过进行改进，能够在规定时间内完成对频率的恢复，与传统方法相比，相同耗时的情况下更为稳定，避免了由于使用传统方法出现的超调问题，可以避免对负荷切除的选择不合理，出现了负荷过切的问题，最终使频率恢复到50.2 Hz。适用综合保护系统后，能够避免由于过切导致频率超调的情况，而且重要性较高的负荷也能保持运行，频率恢复效果相对也更好，更接近50 Hz 的额定频率。与传统保护方法相比，通过信息集中决策综合保护可以获得更好的低频减载效果，能避免过切超调的情况，可以保证系统的稳定性，并且恢复的频率更接近额定频率。

图5 综合保护系统和传统模式下的低频减载效果

结束语

预制舱变电站具有信息集中的特点，能够综合利用信息实现对变电系统的保护，在设计变电站综合保护系统时，应该充分结合这一特点进行设计，实现对变电站保护的优化，也能进一步提升变电站的集成性，满足保护需求。针对变压器过负荷保护和低频减载策略的设计，应充分考虑变电站的特点和实时数据，并发挥负荷自身的调节特性，形成更为有效的综合保护机制，满足变电站的综合保护需要。