基于传统保护算法的配电所集中式保护方案

蒋 娜, 徐丙垠,2, 王敬华,2, 张新慧, 范开俊

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255091;2.山东科汇电力自动化有限公司, 山东 淄博 255087;3.山东大学 电气工程学院, 山东 济南 250061)

目前配电所的继电保护装置普遍采用分布式保护,即采用一套保护装置实现一台设备或一条线路的保护功能.这种方式存在一些问题:信息量有限,各保护功能之间相互独立,缺乏整体的协调和功能优化[1]，保护整定时间过长;硬件重复配置,接线复杂,建设与维护费用高,施工时间长[2].

相对传统保护,集中式保护具有明显优势:集中式保护拥有丰富的信息,便于综合分析决定保护是否动作,响应速度较快、可靠性较高;集中式保护用一台装置实现所有的保护功能,结构简单,可减少硬件配置,节省投资.早在20世纪60年代末期,Rockefeller就提出了利用电子计算机实现变电站集中式继电保护功能的设想[3]，但受限于计算机运算速度无法满足技术要求.而现代计算机运算速度已达到当时的几万倍,具备高速处理大量数据的能力,加上通信技术和计算机软硬件性能的提升为集中式保护的实现提供了技术支持和必要条件.近几年国内外学者以数字化变电站为实施平台[4-5]，提出了一些带有集中式性质的保护方案,将多种保护功能集中到一个保护装置中.文献[6]提出了输电线路集中式保护的概念,希望利用相邻间隔的元件信息更准确地反映故障状态.

本文根据配电所一次设备和继电保护系统的运行特点,利用全所信息,设计出配电所集中式保护方案.该方案可实现配电所内现有的保护功能,实现信息共享,并能够准确快速地切除故障,具有良好的性能,对高质量地完成配电所的保护功能具有重要意义.

1 配电所传统保护方案及存在问题

配电所的传统保护配置如图1所示,一般装设下列保护.

1)变压器(1#变、2#变)装设电流速断保护作为主保护,过电流保护作为后备保护,带时限动作于跳闸.

2)传统保护400V出线(L1～L4)主要采用熔断器,上下级保护动作特性间的定值和时间配合比较繁杂.当前部分配电所装设低压开关,配置电流速断和过电流保护.

3)在分段开关处Q9装设带短时限(一般为0.5s)的电流速断和过电流保护以及备自投功能.传统保护利用低压侧的过流保护作为低压母线的后备保护,没有设置专门的母线保护.

图1 配电所保护配置图

传统保护虽然基本能够满足现场运行的要求,但存在一些问题:信息有限、各保护功能之间独立、缺乏有效的协调、保护之间通过定值和时间的配合来保证选择性、动作速度慢,常见以下两种情况:

1)后备保护功能的动作时限长,在某些情况下不能快速切除故障.

以馈线(L1)保护的远后备保护为例:在传统保护技术下,馈线的远后备保护为主变低压侧的过电流保护.当馈线保护失效时,低压侧过流保护将故障切除.为保证选择性,考虑时限配合原则,低压侧过流保护的动作时限往往设为1s,当变压器低压侧母线发生故障时,不能快速切除故障.

2)当主变低压侧断路器(1#变或2#变)无法正常动作时,远后备保护动作时限过长.

以母线保护为例:传统保护利用高压侧的过电流保护作为远后备保护,不能快速切除故障.

2 配电所集中式保护设计方案

借鉴早期集中式保护装置的设计理念,改进以上保护配置的缺陷,将集中式保护的思想运用于配电所中.

2.1 集中式保护总体设计方案

集中式保护系统采用一体化平台,主体设计思想是利用软件来实现所有的保护功能,用一台装置实现所有保护功能的一体化配置和集中管理,配电所内电压、电流等电气量信息和开关状态量信息传送到保护装置,实现各部分数据的交互和信息共享,这是集中式保护的基础条件,能避免单点监测可能造成的误判.依据保护算法运行的结果检测配电所内各电气设备是否发生故障,如果发生故障,则向相关断路器发出跳闸命令,完成配电所的保护功能.为保证配电所安全稳定运行,保护装置采用双重化配置,每台装置均可实现配电所内所有的保护功能,互为备用,可独立投退.

2.2 集中式保护功能

配电所集中式保护功能结构如图2所示,由一套集中式保护装置完成配电所的所有保护功能.集中式保护将多种保护功能集于一体,装置内配有电流速断保护、限时电流速断保护、过电流保护和母线备自投功能,各保护功能模块协调配合,与传统保护只利用单点信息相比,多信息共享可更全面、更充分地发挥保护效能.

图2 配电所集中式保护系统结构图

图3 配电所集中式保护硬件系统图

2.3 集中式保护硬件系统

集中式保护采用嵌入式技术,硬件系统如图3所示,由高性能数字信号处理器(DSP)、32位RISC微处理器(MCU)、大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)等构成,能够适应配电所对保护实时性和可靠性的要求.其接口电路采用模块化、标准化设计,可根据工程需要灵活选配.设计高输入阻抗、弱模拟信号接口电路与数字采样值输入接口电路,以实现电压电流传感器、数字式互感器的接入[7].

2.4 集中式保护软件框架

软件程序是实现集中式保护的核心,所有算法均在软件架构上实现,如图4所示,采用Linux实时多任务操作系统和C语言编程实现.根据保护对象的不同,建立不同的保护模块,如线路保护功能模块、母线保护功能模块、主变保护功能模块等.启动元件通过检测电压、电流信号变化来判断系统是否有故障发生,并以此启动保护算法.各保护功能模块按照各自的计算结果进行判断,一旦满足程序设定的保护判断逻辑及判据,即可发送相应命令.为提高计算效率和程序的并发度、运行效率以及保护响应时间,采用多线程设计.

图4 集中式保护软件框架图

3 性能测试与分析

3.1 保护配置比较

配电所保护配置比较表见表1,可知集中式保护不仅能实现传统的保护功能,还可快速识别母线故障,无需另设测量设备,经济性较好.与变电站相比,配电所的保护配置相对简单,更易于实现集中式保护,从而优化保护性能[8-11].

表1 保护配置比较表

3.2 动作时限比较

目前配电所的后备保护基本采用电流保护,并按照上下级关系进行定值和时限配合.本文依据图1保护配置结构对传统保护和集中保护的动作时限进行比较.

3.2.1 传统保护分析与验证

馈线的电流保护时限最短,低压侧的母线电流保护作为其远后备保护,时限延迟一个Δt,Δt可取0.3～0.5s,动作整定值为躲过系统的最大负荷电流.以较为典型的A相单相接地故障(设为金属性接地故障)为例,设0.05s时发生故障,持续到仿真过程结束,此处Δt取0.3s.由于两条低压侧母线结构、功能和连接的设备相同,建立如图5所示的仿真模型.限于篇幅,只给出A相电压电流的仿真结果.

1)馈线故障:当馈线L1发生A相短路接地故障时,保护启动,出口动作时限为0.057s,切断故障电路,如图6(a)所示.

2)低压母线故障:当低压母线I段发生故障时保护启动,出口动作时限为0.359s,延迟了0.3s,如图6(b)所示.

图5 配电所仿真模型图

(a)传统保护馈线故障仿真波形图

(b) 传统保护母线故障仿真波形图图6 传统保护仿真结果图

由以上分析可知,由于传统保护中的时限配合关系,低压母线的过电流保护为保证选择性,无法迅速切除故障,设备将长时间流过很大的短路故障电流,损坏电气元件.

3.2.2 集中式保护分析与验证

利用实验室的保护装置测试平台进行分析验证,如图7所示,主要包括:保护装置一台,核心部分采用科汇公司自主研制的mk-920a高性能平台;PC机两台,一台装有虚拟开发环境,运行保护程序,一台装有继电保护测试仪环境;继电保护测试仪一台,为测试提供激励信号(电压、电流信号)驱动保护装置.在该平台上对所编写的C语言模块程序进行测试,各保护功能模块依据采样信息计算结果综合判断是否动作,完成相应的保护功能.以配电所内典型的线路电流保护为例分析集中式保护技术方案,将程序下载到设备中,运行信息如图8所示.

1)低压母线故障[12]:当变压器低压侧尤其是母线故障时,低压侧过流,但馈线端没有短路电流通过.故低压侧的过流保护判据为

(1)

式中,Id、Ia1、Ia2分别指变压器低压侧、馈线1、馈线2处的电流值;Isetd、Iset1、Iset2分别指变压器低压侧、馈线1、馈线2处的过电流整定值.

图7 集中式保护测试平台图

其仿真和程序运行动作信息如图8(a)所示,可知在低压侧电流超过整定值,同时馈线1、2处电流小于整定值时,母线保护出口无时限地动作,验证了判据(1)的正确性.

2)馈线1故障:当馈线1故障时,低压侧和馈线1过流,而馈线2处没有短路电流通过.故馈线1处的过流保护判据为

(2)

其仿真和程序运行动作信息如图8(b)所示,可知在低压侧和馈线1处电流超过整定值,同时馈线2处电流小于整定值时,馈线保护出口无时限地动作,验证了判据(2)的正确性.

3)馈线2故障:当馈线2故障时,低压侧和馈线2过流,而馈线1处没有短路电流通过.故馈线2处的过流保护判据为

(3)

其程序运行动作信息如图8(c)所示,可知在低压侧和馈线2处电流超过整定值,同时馈线2处电流小于整定值时,馈线保护出口无时限地动作,验证了判据(3)的正确性.

(a)集中式保护低压母线故障仿真和程序运行图

(b)集中式保护馈线1故障程序运行图

(c)集中式保护馈线2故障程序运行图图8 集中式保护仿真和程序运行结果图

4 结束语

根据配电所集中式保护所要完成的功能进行合理的任务划分,基于Linux操作系统多线程多任务并行运行的特点,对集中式保护硬件构成和软件进行开发,提出了一种配电所的集中式保护方案.通过仿真和测试试验,验证了模块设计的正确性和集中式保护方案的可行性、优越性.并从测试结果表2中可知切除母线故障较传统保护缩短了一个时限0.3s.集中式保护克服了传统保护信息有限的缺点,使得各保护之间灵活配合,既保证了保护正确动作,又能够保证保护的选择性、快速性,提升了保护的整体性能,为配电所的安全稳定运行提供保障.该方案经济性较好,是一套简单易用的工程实用保护方案.

表2 保护动作测试结果比较表

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