区域输变电网故障防范措施

李 东 王友深

（大唐兴安盟新能源有限公司，内蒙古 兴安盟 137400）

传统的输变电网的线路主保护设备以及电网的后备保护方面存在着一些不足，诸如主保护设备的通道设备可用性、可靠性以及保护设备的灵敏度亟待加强。而后备保护的不足主要表现在单端信息测量导致的电网故障定位精度低方面。同时，随着环网光纤已经接入大部分的变电站，虽然不能完全确保任意两个变电站之间实现直接通信，但是可以建立起下层所有变电站与电力调度部门之间的直接通信网络，形成通信信息集成体系，且能够使得通信速度达到2MB/S以上，基本实现了所有保护设备与装置之间的信息共享，给电网故障的定位提供了对应的通信信息技术基础[1]。由此看来，当前电网的继电保护系统在保护原理以及实现手段方面都有了较大的发展和技术上的创新。在保证传统的主保护与后备保护功能实现的前提之下，在两者之间加设一道防线 (区域保护系统)。

利用该区域保护系统，将紧密关联的若干条线路作为一个整体的被保护区域，区域之中的各个保护装置通过通信光纤进行信息通信，协助传统的主保护以及后备保护设备工作，最终形成一个安全动作可靠的继电保护系统。该系统与传统意义下的继电保护系统存在的一个最大差别就是该系统的动作速度，本系统属于防护级别的动作速度，其反应速度比后备保护系统的速度响应快，能够在扰动发生之后的电磁暂态阶段进行迅速抑制。这与其他的必须等到扰动发展到机电暂态阶段才能动作存在着明显的速度差别，对区域电网的故障保护具有积极意义。

图1 分层式区域保护系统基本结构

1 分层式区域电网保护系统实现的基本原理

从信息论的角度来看，当一个系统从外界获得信息越多、信息的内容越详细时，该系统对信息进行再加工，诸如综合利用、采纳等行为的冗余程度、对外界信息的容错能力也就变得更强。而对于一个电力系统网络，当电力调度中心从所有的变电站获得对应的测量信息之后，更多、更详细的信息将使得其具有更加强大的能力对电网的故障部位进行定位。但是，这同时也容易给系统带来延迟、动作延缓等问题，尤其是对系统速动性能产生负面影响。同时，当大量的信息积聚到一个决策点时，将导致系统的中央信息决策单元受到“维数灾”的问题[2]，导致其求解决策不能实现。在实际的应用过程中，通常区域电网的发生一条故障线路时，与其紧密相关的线路只在那么一个小的区域当中，与整个区域电网之间的耦合关系并不太强，所以对局域电网故障线路的定位不需要对整个区域网络的信息进行分析处理。而是将整个电网划分成为几个关键区域，区域当中的保护装置与设备仅对本区域当中的设备负责，形成区域电网的故障防范与保护体系，其具体的系统结构如下图1所示。

该系统主要3个层次的结构，将若干条密切相关的线路构成一个整体的区域，在系统最底层的属于本地测量层LMU（Local Measure Unit），主要设置在该区域当中的相关变电站当中，其牵引出来的端口数根据被保护线路的具体情况决定。例如，LMU1包括LMU1-L1和LMU-L2两个端口，在图1中用小方块加以表示。LMU主要负责对变电站的信息进行实施才进，并确保对应的算法拥有对应的执行单元来保证其得到运输，并最终获得精确的故障测量信息，包括多条线路的具体故障方向、位置等信息。同时，这个系统还能够负责将从下层变电站获得的测量信息经过初步处理之后上传到决策网络层，并将网络决策层反馈的信息予以执行。

而中间层则是系统的区域决策层，主要包括RDU（Region Decision Unit）。通常，一个区域保护系统配备有一台 RDU，利用它来与本区域当中的LMU进行光纤通信。在正常的保护系统运行过程中，对本区域当中的LMU实时运行状况进行监控。一旦检测到扰动，将对LMU上传的信息进行综合分析与处理，并及时的作出对应的响应决策。之后，在将决策信息下传到LMU，执行对应的操作，诸如闭锁、切断断路器等的同时，将决策结果上传到系统的最顶层决策中心 SMC（System M onitor Center），该中心是调度通信中心，主要的工作是对各个区域的所有保护系统、电气量进行实时的监控，并加以显示，在这个基础上将对应的估值记录加以分析并进行保护定值的精确修改等工作。整个区域保护系统采用的是树形结构，通过明确的分工、分明的层次以及灵活的工作方式，使得各个区域的工作在独立、不相互干扰的前提下，与终端配合、协调工作。

在这里，需要注意的一点就是不能被系统所覆盖的地方都有可能存在着误动作或者是拒动作的问题，因此最好的方式就是要使得RDU能够完全覆盖整个系统。但是，由于受到硬件条件的限制，尤其是在通信量以及数据处理能力方面的制约，一般只能够在能量交汇处的关键区域设置RDU。加之整个系统的实际大小并不能确定，因此不可能通过固定的判据来来对能量交汇处的关键区域进行判断，通常是通过调度人员依靠经验以及系统自主的运行方式。所以，整个区域保护系统一般是由包括系统规划人员、运行人员以及保护整定人员在内的三方进行确定。

2 LMU中各个部件的具体功能

2.1 起动部件

可以将整个系统的起动部件分为突变量起动部件零序电流起动部件两种。一旦系统检测到其中一个点出现故障，与故障点最近的那个 LMU将会及时的检测到故障并马上自主起动，而其他与故障点距离较远的 LMU则会因为设备的整体灵敏度达不到检测范围而不能起动。因此，一旦某一个 LMU起动，应该将起动信息上传到 RDU，并通过 RDU将信息通知到该区域电网的其他LMU，开始进行故障处理。这种起动方式必将导致通信速度的降低，导致动作的延迟[3]。而导致动作延缓时间的长短则主要是与系统所采用的硬件条件、通信网络的网际通信协议等直接相关。因此，这时控制系统中的LMU对电网当中突变量的提取工作就会变得不那么稳定。此时的部件测量工作将会采用基于稳态量的方向测量方式来进行、判断。

2.2 测量部件

系统的序分量保护是故障分量中稳态分量的保护部分，具体包括这样两个基本特点：

1) 只有当故障出现时才会出现，而正常时则为零。在振荡的过程中，由于三相电气量同时发生变化，这时测量部件也不会对振荡发生反应。

2) 只会从施加在一个故障点的电动势产生，所以其动作行为不会受到来自过渡电阻的影响与控制。

正是基于零负序方向元件具有这方面的优越性，其得到了广泛的应用。当使用零序方向元件时，在故障出现在保护的正方向时：

而线路的末端发生故障时，故障的分量电流通常比较小，且不够灵敏，这时将单一的U0补偿成为U0-I0ZY，将有利于故障灵敏度不足问题的消除。当在反方向发生故障时，加入的不错可能导致极化电压下降，这时就不需要对之进行补偿，直接利用下面的式子：

负序方向元件的工作原理与零序元件的工作原理类似，在这里不再赘述。

2.3 选相部件

由于序分量的方向部件所获得的测量信息并不能完全指示出对应的估值部位，尤其是在要求达到分相跳闸、分相重合的目的时，需要与选相部件配合使用才能达到目的。当前，广泛使用的选相部件主要包括：两相电流差突变量选相部件、阻抗选相部件以及序分量选相部件。从上文的分析来看，在分层区域保护系统的整体模式之下，由于灵敏度的问题，系统的突变量可能不能持续而稳定的得到，所以这里只采用考虑序分量和阻抗即能够达到选相的目的[4-5]。但是，在系统进行选相的过程中，序分量的选相部件工作过程中容易发生一些问题，尤其是在区域网络中出现多点故障问题时，区域网络的序分量选相部件所获得的比相结果将变得不可靠，选相将变得不正确。

所以，分层区域电网保护系统的选相部件采用的是阻抗选相方式，使得距离继电器的测量方式得到了可靠保证。只需要故障线路中的各个故障点与被保护处之间没有存在其他的分支线路即可，这样就可以完全保证所测量得到的方向结果是完全正确的。但是，阻抗选相元件在采用单项高阻抗接地方式时，对应的灵敏度将不足，而高阻故障通常是区域电网故障处理中必须进行的反应。由此看来，两种选相部件都有其对应的优点与缺点，系统在采用的过程中可以考虑采用逻辑组合额的方式实现特性互补，最终得到一个适合分层区域电网保护系统的选相组合部件。

当将系统的保护功能起动完成之后，各个LMU都应该及时的显示出序分量的实时选相和阻抗选相过程中存在的故障相别，并立即将这些信息上传到RDU中。在RDU中对比线路两侧的阻抗选相结果，当结果相同时则判断该点为故障相。

3 RDU的决策原理

3.1 决策的基本程序

保护系统的两个测量指标就是动作的响应快慢以及可靠程度，所以在分层区域电网的保护系统当中，尤其是系统的指令决策过程中，应该尽可能的避免使用复杂而繁琐的逻辑判断指令。其具体的实现程序包括如下两步：

其一，当电网发生故障之后，RDU应该迅速的通知各个 LMU立即进入估值计算状态，而各个LMU则将方向部件检测得到的结果上传到 RDU中，然后RDU对这些上传的结果进行对比分析。当发现某条线路的两端方向部件检测值都是正方向，则立即判断该线路即为故障线路，然后进入下一步的操作程序；而该条线路两端的方向部件检测值所

3.2 退出重构设置

图2 保护区域重构基本程序

获得的方向是一正一反时，则判断该线路并不存在故障，系统的RDU也会命令LMU跳出故障处理流程，不会进入第二步的决策过程。

其二，RDU将故障线路中获得的综合信息为基础，从选相元件中获取故障相的具体值。之后，RDU将决策信息下传到LMU，之后利用LMU闭锁以及对应的断路操作。考虑到重合闸操作以及线路可能存在的故障问题，这个时候的 RDU将不会继续决策，则会自动进入第一步，直到确定该区域当中的所有线路不再出现故障为止。

当 RDU对被保护电网区域中的所有线路进行决策分析是，需要将该区域电网当中的所有 LMU测量部件的信息结构进行汇总。但是，由于各个LMU以及RDU之间的传输距离并不相同，加之信息的传输距离、通信数据多少以及 LMU自身的工作状态不同，导致 LMU传输数据通信中存在着一定的延迟。所以，当某一个时间段内，RDU不能将区域电网中所有的 LMU测量部件信息获得时，就需要考虑到区域保护系统的退出与重构，这时就需要设置对应的重构设置程序。

该系统的退出重构设置程序步骤如下图2所示。在故障系统检测功能起动之后，RDU将会提前辟出专门用于存放从测量部件中所获得的信息区域，其大小根据区域当中的 LMU测量部件信息量来决定。同时，还将起动一个对应的延时部件，将所有从 LMU上传过来的数据按照预先编制好的顺序来存储在对应的数据区域当中。当延时部件到达之后，RDU将在数据存储区域当中的所有信息结构中对这部分信息进行拓扑重构，按照对应的顺序将线路中两端的部件结果进行一一的对比。当线路两端的所有信息都准时到达RDU之后，这时线路的状态将得到确认；而单端或者是双端信息都没有得到及时确认时，将重新形成对应的结构，并将之从该结构中剔除，不参与对应的RDU决策[6]。

值得注意的一点是，在该系统中对于任何依赖通道的保护系统而言，通道的失灵是必然存在的。因此，当通信通道中断之后，就应该考虑进行适时的保护机制退出。通过实时的拓朴分析之后，对没有故障点的区域电网进行重组，保证重组之后的区域电网能够正常的工作。这样，才可以保证该保护系统在正确决策的同时敖征其有足够多的保护区域。

4 结论

本文针对区域输变电网的故障处理问题，从继电保护措施的角度对如何利用分层区域电网保护系统进行电网故障处理进行了论述。重点对分层区域电网保护系统的具体实现进行分析，形成了区域输变电网继电保护的基本途径。

[1]吴科成. 分层式电网区域保护系统的原理和实现[D].武汉：华中科技大学, 2007.2.

[2]申双葵, 黄军, 周晋, 等. 应用于小电流接地电网单相接地故障定位的探测器节点设计[J]. 电气技术，2009(2)：38-41.

[3]LIN X N, ZOU Q, LU W J, WU K CH, WENG H L. A fast unblockingscheme for distance protection to identify symmetrical fault occurring during power swings[C], Proceedings of 2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2006.

[4]徐德丰. 区域电网安全保护技术的研究[D]. 贵州：贵州大学，2008.5.

[5]刘泊辰. 分布式电源对配电网保护的影响[J]. 电气技术，2012(1)：47-50.

[6]王珣, 刘亚新, 邓春, 等. 智能输电网分析管控系统开发与应用[J]. 中国电机工程学报，2011, 31(z1):50-54.