一种智能变电站集成保护算法

魏冀东，王润之，金雨薇，张军

（1.国网蒙东电力通辽供电公司，通辽 028000；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林132012）

一种智能变电站集成保护算法

魏冀东1，王润之2，金雨薇2，张军1

（1.国网蒙东电力通辽供电公司，通辽 028000；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林132012）

提出了一种智能变电站集成保护算法。利用故障时元件两端的正序故障分量电流相位相差不大，而外部故障时其相位几乎相反的特点，构成故障元件判别原则，结合智能电子设备（Intelligent Electric Device，IED）采集的相位信息判别故障元件。当IED采集的相位信息缺失时，根据容错策略，仍能准确地判别故障元件。该保护算法简单可靠，有一定的容错能力，并通过仿真验证了该算法的有效性。

集成保护；故障分量；相位信息；容错策略

随着我国电力需求日益增加，互联的大电网格局逐渐形成，继电保护作为保证电网安全稳定运行的“第一道防线”，面临着由此带来的巨大挑战［1，2］。变电站作为电力系统，是电能传输和信息交互的枢纽，也是电网运行必不可少的组成部分。

目前，与传统变电站相同，智能变电站多数采用保护配置，鲜少利用全站信息共享为基础对保护算法加以创新。然而智能变电站在实现数字化采集数据、网络化信息交互、集成化信息应用等功能的同时［3，4］，也可能会出现数据丢失，因此，传统的保护算法不再适应电网发展的要求。

随着微处理器技术的快速发展以及数字化变电站概念的推广和实施，集成保护的实现条件开始具备，也逐渐成为研究热点［5，6］。然而现有的“集成保护”只是硬件或软件上的简单集合，在保护原理和算法上未有突破。因此，利用现有的技术优势，提出新的思路和方法［7-9］，保障变电站的安全稳定运行对电力系统有着重要的意义。

本文提出了一种智能变电站集成保护算法：利用故障时元件两端的正序故障分量与电流相位特点构成故障判别原则，结合IED采集的相位信息判别故障元件。当IED采集的相位信息缺失时，通过容错策略，仍能准确地判别故障元件。该保护算法简单可靠，有一定的容错能力。并通过大量的仿真实验，验证了该算法的有效性。

1 基于正序故障分量电流相位比较原理的集成保护算法

1.1 故障元件的正序故障分量电流相位特点

若规定流过保护的正序故障分量电流正方向是从母线指向线路；当变电站内某元件发生故障时，其两端的正序故障分量电流向量图如图1所示，从图1可以看出，故障元件两端的正序故障分量电流相位相差不大。

图1 故障元件两端的正序故障分量电流向量图

图2给出当发生外部故障时，该元件两端的正序故障分量电流向量图。从图2可以看出外部故障时，元件两端正序故障分量电流相位几乎相反；因此，可以利用正序故障分量电流的相位特点来区分故障和非故障元件［10］。

图2 外部故障时正序故障分量电流向量图

1.2 故障元件判别原则

分别选取线路两端、变压器两端、母线靠近变压器一侧与其相连馈线和母联上的正序故障分量电流进行相位比较，若电流相位相差不大，则说明该元件发生故障；判据如式（1）所示。

若电流相位相差接近180°，则说明发生区外故障，判据如式（2）所示。

式中，ΔIi、ΔIj分别为元件两端的正序故障分量电流。

2 容错策略

智能变电站在实现高度信息共享的同时，会给通信系统带来一些压力，可能会出现数据丢失的情况。数据异常很可能导致保护的勿动或拒动，不利于系统的安全稳定运行。因此，本文考虑出现信息丢失的情况，通过容错策略将故障准确判断出来并及时切除。

（1）变压器一侧正序故障分量电流相位缺失

当变压器一侧的正序故障分量电流相位缺失时，将该侧所连母线的线路正序故障分量电流与变压器未缺失相位一侧的正序故障分量电流作相位比较，如图3所示。

图3 变压器一侧正序故障分量电流相位缺失

（2）母线一端正序故障分量电流相位缺失

当母线靠近变压器侧的正序故障分量电流相位缺失时，与变压器一侧的正序故障分量电流相位缺失时容错策略相同。

（3）线路一端正序故障分量电流相位缺失

线路本端的正序故障分量电流相位缺失，将该线路对端正序故障分量电流与其所连母线的正序故障分量电流和进行相位比较，如图4所示，若相位相反则为故障线路。

图4 线路本端的正序故障分量电流相位缺失

线路对端的正序故障分量电流相位缺失，将该线路本端的正序故障分量电流和其他线路的正序故障分量电流进行相位比较，如图5所示，若相位与其他线路都相反则为故障线路。

图5 线路对端的正序故障分量电流相位缺失

3 仿真验证

图6为利用PSCAD搭建的220KV智能变电站仿真示意图。

图6 220kv智能变电站仿真示意图

（1）变压器T1发生故障并且数据传输正常的情况

图7、图8分别为变压器发生故障并且数据传输正常时，IED输出的变压器两端正序故障分量电流相位比较值以及断路器输出值的仿真图。由图7可知线路两端正序故障分量电流相角值满足式（1）的判别原则，判别为变压器T1故障，因此变压器T1两端的IED动作于发出跳闸信号。

图7 变压器两端正序故障分量电流相位比较值

图8 IED动作输出值

（2）变压器T1发生故障并且低压侧故障相位信息丢失

变电站变压器T1发生故障并且低压侧故障相位信息丢失时故障元件的判别时，图9、图10、图11、图12为IED输出的变压器高压侧与低压侧线路的正序故障分量电流相位比较值。根据故障元件判别原则判别为低压母线或变压器T1故障，先跳开变压器与低压母线之间的断路器。图13为IED动作输出值的仿真图。

图9 变压器高压侧与低压线路L9故障分量电流相位比较值

图10 变压器高压侧与低压线路L10故障分量电流相位比较值

图11 变压器高压侧与低压线路L11故障分量电流相位比较值

图12 变压器高压侧与低压线路L12故障分量电流相位比较值

图13 IED动作输出值

再利用变压器高压侧的正序故障分量电流与低压母线所连线路的正序故障分量电流进行相位比较，图14、图15、图16图17为跳开变压器T1低压侧断路器后，IED输出的变压器高压侧与低压侧线路的正序故障分量电流相位比较值仿真图，根据故障元件判别原则判别为变压器T1故障，跳开变压器T1高压侧断路器。图18为IED动作输出值的仿真图。

图14 变压器高压侧与低压线路L9故障分量电流相位比较值

图15 变压器高压侧与低压线路L10故障分量电流相位比较值

图16 变压器高压侧与低压线路L11故障分量电流相位比较值

图17 变压器高压侧与低压线路L12故障分量电流相位比较值

图18 IED动作输出值

4 结论

本文简单介绍了故障时元件两端的正序故障分量电流相位特点，并利用其特点构成故障元件判别原则，提出了一种智能变电站集成保护算法。分析了当IED采集的相位信息缺失时，利用扩大IED的识别区域内的相位信息，结合容错策略，仍能准确地判别故障元件。并通过大量的仿真实验，验证了该算法的有效性。

［1］ 金恩淑，汪有成，王红艳，等.基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法［J］.电力系统保护与控制，2013，41（22）：1-6.

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An Integrated Protection Algorithm of Intelligent Substation

WEI Jidong1，WANG Runzhi2，JIN Yuwei2，ZHANG Jun1
（1.Tongliao Power Supply Company，Tongliao 028000；2.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012）

An integrated protection algorithm of intelligent substation is proposed in this paper.Using the characteristics to make the fault element discrimination principle.When a fault occurs，the phases of positive sequence fault component currents of the two sides of fault element are small.While external faults occur，the phases are almost opposite.And using the phase information that the intelligent electric devices（IEDs）acquired，the fault element can be identified.When the phase information lost，accord⁃ing to the fault-tolerant strategy，the fault could be distinguished accurately.This relaying protection algorithm is simple，reli⁃able and having the fault-tolerant ability.Its availability is validated by simulation.

integrated protection；fault component；phase information；fault-tolerant strategy

TM76

A

1672-9870（2017）03-0139-04

2016-12-05

魏冀东（1980-），男，工程师，E-mail：wjd0086@163.com