继电保护定值在线校核及预警系统的研究与实践

王杰， 杨健， 孙涛， 伊波， 叶秋红

(国网吴忠供电公司，宁夏，吴忠 751100)

0 引言

跨区域的电力系统互联能够提升电力系统的经济效益，但是对其安全性提出了更高要求[1]。作为电力系统中极为重要的二次设备，继电保护设备能够提升电力系统运行的安全稳定性[2]。大量相关研究[3-4]均指出，在大范围断电的电力系统事故中，60%以上的事故均同继电保护设备错误动作存在直接或间接相关性。由此，继电保护设备应用与继电保护设备隐患预警成为电力系统研究的一个重要方向。

继电保护设备定值核校直接与继电保护设备动作行为能否满足电力系统“四性”要求相关[5]，所以继电保护定值校核及预警成为保障电力系统安全运行的关键。本研究设计一种继电保护定值在线校核及预警系统，以期实现电力系统继电保护定值在线核校与保护连锁动作预警。

1 继电保护定值在线校核及预警系统

1.1 需求分析

本系统的主要目的是实现电力系统中的继电保护设备定值在线校核与预警2个功能。在电力系统中，继电保护定值主要分为线路保护、母线保护与电压器保护的后备保护定值与主保护定值、辅助定值等[6]。在电力系统当前运行模式下，对不同继电保护定值进行在线安全校核，校核的主要方向为继电保护装置的灵敏度、选择性与躲负荷能力等[7]。保护连锁动作是在电力系统正常运行条件下，自主进行事故预警与定值校核，以准确判断运行模式变化下受影响概率较高的继电保护装置和造成定值性能显著波动的运行模式。本系统的设计与研究可有效实现电力系统继电保护定值在线核校与保护连锁动作预警，满足电力系统运行的安全稳定。

1.2 系统总体架构

继电保护定值在线校核及预警系统总体架构如图1所示。

分析图1可知，继电保护定值在线校核及预警系统主要由电力系统综合模型拼接模块、信息融合模块、计算模块与输出模块等组成。

能量管理系统所提供的电网一次模型经由电力系统综合模型拼接模块传输至系统内，结合离线整定计算系统提供的继电保护模型，构建用于继电保护定值在线校核的电力系统综合模型。

信息融合模块分为2部分。一部分用于获取由能量管理系统内计算得到的系统当前运行模式，依照变压器的投停情况完善其中性点接地方式[8]；参照文献[9]，在当前运行模式条件下，确定N-1或N-k运行模式，产生局部校核区域。另一部分获取离线整定计算系统与模糊推理系统提供的计算定值与现场运行定值，将其作为计算模块中待校核的定值。

计算模块包含故障、潮流与校核计算相关的技术程序[9]。通过故障计算能够获取定值校核计算过程中所需的不同故障预备量，同时能够依照校核计算的定性校核结果确定继电保护范围。利用潮流计算能够确定给定运行模式条件下电力系统的潮流。校核计算可在给定运行模式与定值信息条件下计算不同类型保护定值性能以及预警值。

结果输出模块用户输出继电保护校核结果，并针对不合理定值进行预警，其结果可以通过图、表、文本等多种形式呈现。

1.3 定值校核计算方法

继电保护定值校核主要可采用灵敏度校核和选择性校核。灵敏度校核的主要依据为系统计算模块中通过故障计算所获取的最小短路电流；选择性校核相对复杂，若继电保护定值与选择性要求不匹配，则需计算其相邻的下一线路范围。

1.3.1 灵敏度校核

继电保护定值校核中的灵敏度校核主要通过故障计算实现，故障计算是指在当前运行模式条件下，根据线路保护类型与接线方式，并利用在校核规则知识库内搜索到合适的校核规则，并对搜索到的校核规则进行分解，确定规则的故障计算组件、量测组件和取值组件，利用这些组件进行故障计算，获取最小短路电流，通过对比确定灵敏度校核结果[10]。

基于组件思想可将继电保护的校核规则划分为3种不同组件：故障计算组件、量测组件和取值组件。用故障计算确定的故障部分(故障元件类型、故障位置、故障类型等)，根据故障判断结果构建校核计算式是故障计算组件的主要功能。量测组件和取值组件分别表示故障计算后应用的量测信息(元件、位置、内容等)和继电保护定值与一次设备参数(元件类型、取值内容与位置等)。

继电保护定值校核规则的构建如图2所示。

图2 继电保护定值校核规则构建形式

构建规则过程中着重关注规则适用条件与规则间的逻辑关系。

1.3.2 选择性校核

图3为包含三段式距离保护的电力系统线路保护示例，在此基础上说明继电保护定值选择性校核方法。

图3 示例图

(1)

依照保护范围的概念，当电力系统内某点发生故障时，保护所处区域采集的电气量等于保护动作值，利用式(2)能够描述此等量关系：

NDZ=f(ξ)

(2)

式中，NDZ和ξ分别表示距离保护定值和保护范围(故障线路中h点与故障线路首端距离比值)。

图3中，在R1距离保护Ⅱ段同选择性标准不匹配的条件下，假设NDZ表示h点在三相短路故障时R1的动作值，基于此对式(2)进行重新推导，得到

(3)

式中，Gik=(1-ξ)GBk+ξGCi，Gik表示节点i与故障点h之间的互阻抗，GAK表示节点A与故障点h之间的互阻抗，GBK表示节点B与故障点h之间的互阻抗，GCi表示节点C与故障点i之间的互阻抗。将其代入式(3)得到：

∂ξ+λ=0

(4)

式中，∂=NDZ(GBA+GCB-GCA)+NAB(GCA-GBA)，λ=GBA(NAB-NDZ)。

上述保护范围对比法同样适用于其他故障类型，能够基于等量关系确定保护范围。

1.4 定值预警方法

电力系统在当前运行模式下采用“N-1”开断方法，检验校核相间距离保护的躲负荷能力，进而实时确定电力系统内易产生连锁跳闸问题的薄弱环节，以实现保护连锁动作预警。

利用“N-1”开断法进行N次全部线路的断线分析需要进行十分繁琐的计算，耗时巨大。在电力系统中，导致继电保护裕度下降的关键因素是线路过负荷，基于此通过标量函数PI排序“N-1”线路开断，在线路开断导致保护裕度波动低于设定阈值的条件，开断运算结束。

利用断线分析的灵敏度法可提升“N-1”开断运算效率。

在电力系统中节点i与节点j之间的线路出现开断问题时，利用式(5)可计算节点i与节点j的功率变量ΔPi、ΔQi、ΔPj、ΔQj：

(5)

式中，D和Pij、Qij、Pji、Qji分别表示4×4矩阵和N-1开断前电力系统不同线路的功率。

利用式(6)能够计算“N-1”开断后节点电压修正量：

(6)

式中，ΔV、Δε和U分别表示开断后节点电压幅值修正量、节点电压相角修正量和灵敏度矩阵。U还能够描述电力系统开断前潮流计算迭代结束时的雅克比矩阵J的逆矩阵。

结合式(5)和式(6)获取电力系统节点开断后的电压幅值V与相角ε，进而实时确定电力系统内易产生连锁跳闸问题的薄弱环节，通过事先设置好的预警阈值，实现保护连锁动作预警。

2 实践应用测试

为验证本研究所设计的继电保护定值在线校核及预警系统的应用性，进行实践应用测试。

2.1 研究对象概况

选取我国某市电力系统为研究对象，其局部拓扑结构如图4所示。其中，S1～S8和P1分别表示变电站和发电站，L1～L10和RL1～RL7分别表示线路和线路保护，RL1～RL7为继电保护线路。

图4 研究对象局部结构拓扑图

2.2 系统定值校核结果

依照定值比较法能够得到图4内继电保护RL1的相间距离保护Ⅱ段与RL4同选择性标准不匹配。由表1能够得到，RL1继电保护的Ⅱ段同相邻继电保护的Ⅱ段结合，利用本研究系统确定满足同相邻继电保护结合要求的临界定值，设定准确系数为0.8，利用表2可显示RL1继电保护同相邻继电保护结合的最小正序助增系数、临界定值与其定值校核结果。

表1 继电保护线路参数

表2 定值比较法校核结果

表2数据显示，RL4继电保护的临界定值为46.74 Ω，小于待校核定值54 Ω，同选择性标准不匹配。虽然RL4继电保护动作定值同选择性标准不匹配，但保护动作时间依旧存在级差，将此种结合关系定义为“不完全结合”。

以表2中的校核结果为基础，采用本研究系统中的保护范围比较法对研究对象继电保护定值实施定量校核，结果如表3所示。

表3 保护范围比较法校核结果

分析表3能够得到，在研究对象故障类型一致的条件下，RL1继电保护Ⅱ段的保护范围同RL4继电保护Ⅱ段的保护范围相比较小，由此判断其与选择性标准相匹配。

2.3 校核应用效果

为验证本研究系统的校核效果，对比研究对象中7个线路保护(RL1—RL7)在应用本研究系统进行在线校核与预警后的年故障下降情况，计算如式(7)：

(7)

其中，NC为应用本研究系统进行在线校核与预警前的年故障率，NH为应用本研究系统进行在线校核与预警后的年故障率。应用本研究系统进行在线校核与预警后的结果如图5所示。

图5 线路保护故障下降情况

由图5可知，在利用本研究系统进行线路保护定值在线校核与预警后，7个线路保护的年故障均呈现不同程度的下降，下降比例在13%～23%，其中RL1继电保护年故障下降最为显著，而RL4继电保护年故障下降幅度最低。由此能够说明,采用本研究系统对电力系统继电保护定值进行在线校核与预警能够显著降低电力系统故障发生率，能够保证电力系统的安全稳定运行。

3 总结

在实际中，继电保护的错误动作是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，因此研究电力系统继电保护校核与预警具有重要意义。本研究进行了继电保护定值在线校核与预警系统的研究与实践，以完善当前继电保护整定计算方面存在的缺陷，并通过实践验证了本研究系统的良好性能。后续研究将针对本研究系统的闭环运行进行详细研究，完善继电保护数据通信标准与接口，提升调度中心与继电保护设备间的通信与集成质量，实现该系统性能的进一步提升。