分区域广域继电保护系统及故障识别方法分析

李　鹏杨岳霖（1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京 1006；．北京电力工程公司，北京 100070）

分区域广域继电保护系统及故障识别方法分析

李鹏1， 2杨岳霖2
（1．华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2．北京电力工程公司，北京 100070）

摘要：本文首先分析了广域继电保护系统结构，并在此基础上对分区域广域继电保护系统的故障识别方法进行论述。期望通过本文的研究能够对提高广域继电保护系统的性能有所帮助。

关键词：继电保护系统；故障识别；判断

一、广域继电保护系统结构分析

（一）系统的结构形式

按照广域继电保护系统所实现功能的不同以及相关功能对动作延时、范围和可靠性要求的差别，可将广域继电保护系统分为以下三种结构。

1 集成式结构

这种系统结构具体是指在一个变电站当中只设置一台IED（数字保护继电器），其主要负责站内相关信息的采集、与其它IED进行信息交互、保护算法执行、控制策略生成、跳闸命令执行等功能。具体而言，就是将站内所有的保护及控制功能全部集中至一台IED上，由其负责变电站运行的保护与控制。虽然这种结构可以显著降低前期投资成本，并且还能使站内接线得以简化，但必须确保IED的运行稳定可靠且具备足够快的运算速度。

2 集中式结构

这种系统结构是在变电站的每个测点位置处安装一台终端，并在区域主站内设置中央控制单元，终端设备主要负责实现以下功能：信息采集和简单处理；与中央控制单元通信，并按照指令完成跳合闸操作。该结构形式仅在决策环节实现集中，如果从信息采集的角度上看，可将其归入分层分布式结构的范畴。

3 IED全部设置在站内测点位置处，在整个系统结构中，所有IED的地位是平等的，每个IED所需实现的基本功能为：安装点信息的采集；与其它IED通信；依据相关信息执行跳合闸操作。在该结构当中，IED是保护与控制的核心，若是有特殊需要的话，也可设置上位PC机，它的作用是对分布在系统中IED进行监管，但却并不参与保护控制策略的形成。

（二）结构比较

在上述三种结构当中，集成式的优点是可以节约投资成本、简化线路布局，但由于系统对IED的依赖程度过高，若是IED出现故障问题，则会导致变电站处于无保护状态，由此会造成十分严重的后果。故此，当采用集成式结构时，应当对IED实行双机或是多机备用；集中式结构对中央控制单元具有较高的依赖性，所以必须对中央控制单元进行双机或是多机备用。由于该结构中，中央控制单元是凭借通信系统来获取终端设备的信息，为了保证信息传输的实时性，必须采取有效的措施解决信息交互过程中的延迟问题，否则可能会对保护系统的性能造成影响；分布式结构的保护与控制功能是由分布于变电站内的各个IED来实现的，由于结构中的IED较多，即便某个出现故障，也不会对系统的运行带来太大的影响，在这一前提下，无需对IED进行双机或是多机备用配置。该结构中，只需要合理确定信息交互范围，基本不会发生信息多次往返与IED之间的情况，所以通信延时不会很长。由此可见，分布式结构是最为适合广域继电保护系统的一种结构形式。

二、分区域广域继电保护系统的故障识别方法

对分区域的广域继电保护系统而言，想要实现快速的继电保护功能，就必须对故障区段进行快速判断。下面本文基于故障方向信息比较的方法对广域继电保护系统中的故障进行识别。

（一）识别方法的设计思想

将可以测量故障方向的IED分别装设在被保护系统的各个断路器或是电流互感器的位置处；确定各个IED的保护区域，以此来确保故障发生后，IED之间能够有目的进行信息交换；列出各个IED最大保护范围内的被保护设备与IED之间的对应关系表；将IED回传的故障方向信息与表中的对应关系进行比较计算，最终确定故障区段。

（二）IED动作系数

在对故障识别算法进行研究前，应当先对IED的动作系数AF进行定义：AF表征了IED中故障方向元器件的判断输出情况，其取值如下：

上式当中，1为方向元件i为正向故障；-1为反向故障；0为无输出。具体而言，当故障出现之后，若是系统中某个IED判断为正向故障，则AF取值为1，如果判断为反向故障，则AF取值为-1，当认为无故障或是未能得出故障判断结果时AF取值为0。对AF进行定义之后，便可对故障识别进行计算。

（三）故障识别的计算方法

本文所提出的计算方法归属于面向对象的范畴，具体而言，就是以保护元件作为对象，如电力线路、母线、电气设备等等，收集这些对象侧IED的AF，通过运算获得判断结果，在利用对结果大小的比较确定故障位置。故障判断结果可用下式进行计算：

在上式当中，Fouti代表与被保护对象i相对应的故障判断结果；N为保护对象i各侧的IED实际数量。故障的判断依据为：

在上式当中，｜Fouti｜代表故障判断结果的绝对值；Fthi代表故障判断的门槛值。当系统当中出现线路故障时，故障线路各侧的IED全都判断为正向故障，依据式（1），AF值应当取1，再根据式（2）进行运算，可得Fouti应为正值；若是系统中的母线发生故障，且故障母线各侧IED全部判断为反向故障时，AF值应当取-1，通过式（2）的计算，Fouti应为负值。为了达到统一性的目的，本文以Fouti的绝对值作为最终的故障判断结果。由于Fthi并非唯一，所以可按实际需要提供保护的范围大小对其进行相应的调整，本文中的门槛值可用下式表示：

在上式当中，Foutiˊ代表被保护对象i出现了内部故障且各侧IED均为正确判断后得出的故障判断结果。

（四）结果与讨论

由上述分析可得如下结论：

（1）当出现内部故障、IED全都判断正确时，｜Fouti｜值必然会大于Fthi，由此可判断为被保护对象出现内部故障。

（2）当i的外部出现故障、IED均判断正确，计算结果势必对小于Fthi，由此可判断故障发生在i的外部。

参考文献

[1]易俊．电力系统广域保护与控制技术[J]．电网技术，2010（06）．

[2]袁季修．电力系统安全稳定控制的规划和应用[J]．中国电力，2011（01）．

中图分类号：TM77

文献标识码：A