利用本地信息实现新型站域保护方案

2014-08-02王媛焦彦军马叶芝

电力系统及其自动化学报 2014年8期

关键词：负序元件短路

王媛，焦彦军，马叶芝

（华北电力大学电气与电子工程学院，保定071003）

利用本地信息实现新型站域保护方案

王媛，焦彦军，马叶芝

（华北电力大学电气与电子工程学院，保定071003）

针对传统变电站基于元件信息的后备保护动作时限和定值配合繁杂的弊端，提出利用本地信息实现后备保护功能的站域保护方案。系统结构上，采用基于PCI Express总线技术的同步采集单元实现信息采集的同步性和实时性，并采用双重化配置，提高系统的可靠性；保护原理上，采用负序分量定位不对称故障，采用单相电压电流量定位对称故障，满足后备保护选择性和灵敏性要求；保护方案上，提出分布式-集中决策的站域保护方案，由本地保护单元实现启动、选相、测量及执行元件等功能，站域保护单元实现集中决策的功能。仿真结果验证了站域保护性能的优越性。

站域保护；负序分量；分布式-集中决策；PCI Express总线

基于单端信息的后备保护为了保证选择性，需要通过多段保护的动作时延、动作定值及动作区间的相互配合，因此后备保护存在延时长、故障定位不准确等问题[1]。电力系统发生不对称故障的概率远远大于对称故障（三相短路），而不对称故障时反应相电压、相电流的保护装置很难满足灵敏度的要求，现在普遍采用反应负序电压、电流的保护，它具有较高的选择性和灵敏性[2-5]。

针对不对称故障，本文提出一种基于负序分量的故障定位方案，该方案采用负序电压、负序方向元件作为测量元件，首先利用负序电压确定故障区域，然后利用负序方向元件定位故障元件。针对三相短路故障，采用低电压、过流元件作为测量元件，首先利用低电压元件确定故障区域，然后利用过流元件定位故障元件；并提出分布式-集中决策的站域保护方案，在系统结构上采用双重化配置，可靠性高。

1 站域保护系统

1.1 PCI-E总线技术

PCI-E总线被称为第3代I/O总线技术，它可工作于各种不同的物理媒介上，从通用的铜线连接到光纤连接。它被公认为下一代10年总线标准，具有鲜明的技术优势：①点对点串行连接，能够为每一块设备分配独享的通道带宽，保障了各设备的带宽资源；②采用双通道传输模式，允许数据在两个方向上同时传输，大大提高传输速率；③每个信道单方向具有2.5 Gb/s的传输速率，满足数据实时性的要求；④支持同步数据传输。已研制出的基于PCI-E总线技术的同步采集单元实现了信息的同步实时采集，能够满足继电保护对数据采集的实时性、同步性要求。同时，同步采集单元具有通道失灵检测功能。

1.2 系统结构

站域保护系统的结构如图1所示，图中以110/35/10kV变电站为例说明了本地保护单元的分布情况。图中所示为一套完整的站域保护系统，备用系统完全相同，各部分的功能如下。

（1）本地保护单元LPU（local protection unit）包含启动、选相、测量和执行元件。利用选相元件确定故障类型，包括对称故障和不对称故障。测量元件分为故障域测量元件和故障点测量元件，前者用来定位故障区域，后者用来定位故障元件。LPU实现的功能有：①全站信息的实时采集，包括保护CT和PT的信息，以及开关量的信息；②对数据进行预处理，包括模数转换、滤波、傅氏算法等；③形成本地保护算法，得到基波电压、电流、负序电压、负序电流、二次谐波电流、五次谐波电流等信息；④同步上传信息，接收并执行跳闸或闭锁命令。

（2）同步采集单元SAU（synchrony acquisition unit）负责：①向本地保护单元发同步信号，保障数据采集和上传的同步性；②接收并发送站域保护单元下达的命令。

（3）站域保护单元SPU（substation-area protection unit）是集中决策中心，实现集中决策，为全站设备提供保护与控制功能。

图1 站域保护系统结构Fig.1Structure of substation-area protection system

2 站域保护原理

电力系统发生不对称故障时，利用传统后备保护中的相电压、相电流等测量信息定位故障元件存在诸多弊端，主要是测量元件灵敏度低导致保护拒动的问题，而基于负序分量的测量元件能够满足灵敏度要求，因此不对称故障时采用基于序分量的故障定位方法。在线路、母线、变压器出线端发生三相短路时，相电压、相电流的灵敏度满足要求，能够安全、可靠动作，从保护继承性考虑，对于对称故障，延用传统的相电压、电流作为测量元件，通过制定新的故障定位策略来提高保护的整体性能。

2.1 不对称故障

简化的系统接线如图1所示，得到图2（a）所示的系统负序阻抗图，ZS是系统负序阻抗，ZT1、ZT2、ZT3分别代表变压器T高、中、低压侧负序阻抗，ZL1、ZL2、ZL3、ZL4分别是线路L1、L2、L3、L4的负序阻抗，Z1、Z2、Z3、Z4是负荷负序阻抗，图2（b）、2（c）、2（d）分别是低压侧线路故障、低压侧母线故障、变压器故障时的负序网络图，U˙d2、U˙z2、U˙g2分别代表低、中、高压母线的负序电压，箭头表示负序电流方向，断路器与LPU对应。下面以低压侧不对称故障为例说明保护原理。

第1步确定故障区域

如图2（b）、2（c）所示，在低压侧线路或母线故障时一定有Ud2＞Uz2、Ud2＞Ug2，如图2（d）所示，变压器内部故障时也可能满足上述条件[6]，因此通过比较高、中、低压母线的负序电压，负序电压最高的即为故障区域。定义低压侧故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}。同理中压侧故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高压侧故障域Ωg={Bg、T}。

第2步确定故障元件

规定负序电流的正方向是流出母线，并定义负序方向元件如式（1）。

如图2（b）所示，故障域内只有故障线路的反方向负序元件动作；如图2（c）所示，母线故障时故障域内所有正方向负序元件都动作；如图2（d）所示，变压器故障时，母线侧LPU反方向负序元件动作。

2.2 对称故障

图2 不同状态下的系统负序网络图Fig.2Negative sequence network diagram under different states

三相短路时，短路点电压为0，越靠近短路点的母线电压越低，因此可通过比较母线电压确定故障区域。断路器与LPU过流元件相对应，下面以中压侧故障为例说明保护原理。

第1步确定故障区域

中压侧线路、母线故障时一定有Uz＜Ug、Uz＜Ud；变压器会发生匝间、匝地等不对称故障，只有出线处可能发生三相短路故障，因此变压器中压侧三相短路时，也满足上述条件[7]。因此通过比较高、中、低压母线的电压，电压最低的就是故障区域。经分析对称故障的故障域集合分别为：低压侧故障域Ωd={L1、L2、Bd、T}，中压侧故障域Ωz={L3、L4、Bz、T}，高压侧故障域Ωg={Bg、T}。

第2步确定故障元件

定义过流元件经分析可知：在故障域内，若某线路过流元件动作，则该线路故障；若所有线路过流元件不动作，母线侧过流元件动作，则母线故障；若线路、母线侧过流元件都不动作，则变压器故障。

3 站域保护方案

采用分布式-集中决策的保护方案，“分布式”是指本地保护单元LPU分布安装，能够实现启动、选相、测量及执行元件的功能，并能够根据SPU下达的命令上传所需信息，LPU上传的信息量减少，避免了网络的阻塞。“集中决策”是指站域保护单元SPU作为集中决策中心，实现全站的后备保护功能。通过在LPU中增加软件可完成各种算法，在SPU中增加软件可实现多种故障定位策略，因此该方案具有很强的灵活性和可扩展性。下面以本文提出的站域保护原理为例说明分布式-集中决策的保护方案。

（1）各LPU实时采集信息，启动、选相元件在工作状态，测量、执行元件在闭锁状态。

（2）各LPU上传启动、选相元件的信息，SPU接收到信息后做例行判断，若所有启动元件都未动作，则SPU判断为全站无故障。若某个启动元件动作，则SPU根据选相元件的信息判断出故障类型（对称故障或不对称故障）。

（3）SPU判断出系统发生对称故障。首先，SPU发信息解除全站LPU中对称故障测量元件（低电压、过电流元件）的闭锁。然后，全站LPU上传测量元件的信息至SPU，并进入SPU中的对称故障处理程序，做例行判断，确定出故障元件。最后，SPU制定出跳闸策略并下达命令至相应的LPU，由LPU中的执行元件动作切除故障。

（4）SPU判断出系统发生不对称故障。首先，SPU发信息解除全站LPU中不对称故障测量元件（负序电压、负序方向元件）的闭锁。然后，全站LPU上传测量元件的信息至SPU，并进入SPU中的不对称故障处理程序，做例行判断，确定出故障元件及故障相别。最后，SPU制定出跳闸策略并下达命令至相应的LPU，由LPU中的执行元件动作切除故障。

4 保护相关算法

4.1 启动元件

以相电流突变量为主要的启动元件，突变量在故障后存在40 ms，启动判据为

式中，istart-set为门槛值，虽然采用低门槛值时，系统波动可能导致启动元件误启动，但是负序电压元件（或低电压元件）不会误动作，所以在站域保护原理的第1步就判断出系统无故障。因此，启动元件可以采用低门槛值以提高灵敏性。

4.2 选相元件

4.3 测量元件

负序电压元件的动作判据为

式中，U2.set为负序电压元件的门槛值，按躲过正常运行时的最大负序电压整定，通常取U2.set=（0.06～0.12）UN[9]。

负序方向元件的动作判据为

基于负序电压、负序电流的保护算法得到普遍应用，但是也有不足。正常运行时局部出现不对称，可能导致保护误动；保护区内短路时，若非故障部分不对称产生的负序电流方向与短路产生的负序电流方向相反，可能降低保护灵敏度，甚至造成保护误动。因此，可以考虑基于故障分量的负序电压元件及负序方向元件，能够躲过不对称负荷及非全相运行[10]。

低电压元件动作判据为

式中，Uset为低电压元件的门槛值，按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定[9]。

过流元件的动作判据为

式中：Krel为可靠系数；Kre为返回系数；Igh为系统运行时可能出现的过负荷电流。

5 仿真验证

5.1 仿真模型

随着电力系统不断增大，500 kV成为系统的主网架，各地区220 kV联络线路大部分已断开，110 kV输电线路过渡为配电线路，新建的110 kV变电站大部分为终端变电站，且一般是小电流接地系统[11]。以图1所示110 kV变电站为例，利用Simulink建立仿真系统。变压器参数如表1所示；电源输出电压为110 kV，内电阻为0.005 29 Ω，内电感为0.000 14 H，通过架空线路向变电站供电，架空线路长为30 km，x=0.4 Ω/km，r=0.17 Ω/km；35 kV架空线路参数为x=0.425 Ω/km，r=0.19 Ω/ km，线路长分别为15 km、8 km，线路负荷分别为14 MW、8.68 Mvar，15 MW、9.30 Mvar；10 kV架空线路参数为x=0.41 Ω/km，r=0.17 Ω/km，线路长分别为5 km、7 km，线路负荷分别为6.9 MW、4.45 Mvar，4.1 MW、2.74 Mvar。采样频率为5 kHz。

表1 变压器参数Tab.1Parameters of transformer

5.2 仿真结果

该变电站是小电流接地系统，不对称故障主要考虑两相短路，表2所示的是AB两相短路的仿真结果，其中Td、Tz、Tg分别指变压器低、中、高压侧，表3所示的是三相短路的仿真结果。

表2的结果表明：不对称故障时，通过比较高、中、低压母线的负序电压确定了故障区域，然后根据故障域内的负序方向元件信息确定故障元件。

表3的结果表明：对称故障时，通过比较高、中、低压母线的相电压确定了故障区域，然后根据故障域内的过流元件信息确定出故障元件。

表2 两相短路仿真结果Tab.2Simulation results for two-phase short circuit

表3 三相短路仿真结果Tab.3Simulation results for three-phase short circuit

综上所述，站域保护原理能够准确定位到故障元件，实现后备保护功能。

6 结语

基于站域保护思想，从系统结构、保护原理、保护算法、保护方案等多方面进行了阐述。仿真结果验证了站域保护的可行性和优越性，体现在以下几点。

（1）结构方面，采用基于PCI-E总线技术的同步采集单元，能够保证全站信息采集的实时性和同步性，满足继电保护要求。站域保护系统采用双重化配置，两套系统互为备用，提高了可靠性。

（2）保护原理方面，不对称故障和对称故障采用不同的故障定位方法，不对称故障时采用基于负序分量的定位方法；从保护继承性角度考虑，对称故障时基于相电压、相电流，定位故障元件；两者都能够满足灵敏度和选择性的要求。

（3）采用分布式-集中决策的保护方案，分布在本地的保护单元LPU分担部分功能，站域保护单元SPU实现集中决策，能够避免网络阻塞，减小SPU的负担。

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Research on Substation-area Protection Scheme Based on Local Information

WANG Yuan，JIAO Yan-jun，MA Ye-zhi
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Traditional backup protection in substation is based on component information，and cooperation of movement time limit and fixed value is complicated.Substation-area protection based on local information that can provide protection functions for the whole station is proposed.Its system structure uses synchronous acquisition unit based on PCI Express Bus to realize synchronal real-time data acquisition.System reliability is improved according to structure's double configuration.Protection principles based on negative sequence to locate asymmetric faults and phase components to locate symmetrical faults are proposed meeting backup protection requirements of selectivity and sensitivity. Protection scheme of distributed-concentration decision is suggested.Local protection unit includes starting elements，phase-selecting elements，measuring elements and executive elements while substation-area protection unit is the decision-making center.Simulation results indicate the superiority of substation-area protection.

substation-area protection；negative sequence；distributed-concentration decision；PCI Express Bus

TM77

1003-8930（2014）08-0060-05

王媛（1987—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：hddianqihua0608@126.com

2012-08-16；

2012-09-27

焦彦军（1963—），男，博士，教授，研究方向为电力系统分析与控制、电力系统继电保护等。Email：jiao_yanjun@126.net

马叶芝（1987—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。Email：myz-ma1022@163.com