预制舱变电站综合保护系统的设计与研究

王彦峰，雷翔胜，王流火，李 飞

（1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东广州 510062；2.广东电网有限责任公司，广东广州 510020；3.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002）

0 引言

随着我国城市用电负荷不断加大，出于经济和系统安全考虑，需要在城市中心设置大容量变电站，110 kV 甚至220 kV 预制舱变电站正逐步建设在商业区附近。预制舱变电站具有占地面积小，建设周期短，性价比高等优点，在大城市甚至中心城市得到广泛应用[1-7]。预制舱变电站的一次设备和二次设备高度集成，基于信息分布采集集中决策的二次系统是预制舱变电站建设的主流方向。

传统变电站的配置方式中主后备保护一般采用距离保护或电流保护，重要110 kV 线路通常配置纵联保护作为主保护方式，35 kV 及以下的变电站则不安装单独的母线保护和断路器失灵保护设备。传统配置方式在实际应用中存在保护可靠性较低、母线故障等切除速度慢、二次设备较多且成本高等问题[8-14]。随着技术及方法的革新，部分学者提出集成式保护、集中式保护、网络化保护等概念。文献[15-16]提出一种数字化集中式保护方案，集成了主变压器的主保护和后备保护以及35 kV 线路保护、10 kV线路保护、10 kV 电容器保护、小电流接地选线等功能。文献[17]提出一种基于数字化集成的保护与控制系统，主要由设备层智能终端、合并单元和系统层多功能保护控制器3 大核心部分构成，测试结果表明系统具备节省资源、减少运行和维护工作量等优势。文献[18]针对常规变电站系统保护功能不完善的现状，提出了使用间隔层智能设备的通信网络功能进行信息交互，并通过智能设备之间的配合达到保护的性能。文献[19-24]分析了针对网络化的线路保护、母线保护、低频减载等功能的实现形式。这些研究成果在一定形式下优化了保护方案，但考虑到常规变电站并没有实施信息集中的方式与条件，因此研究成果很少应用于常规变电站中。

本文主要面向预制舱变电站条件下信息的集中，提出一种分布采集集中决策的综合保护系统，优化预制舱变电站的保护配置，改善常规保护的实现方式和保护性能。使用Pscad/Emtdc 仿真验证了预制舱变电站综合保护系统的有效性和可行性。

1 预制舱变电站综合保护系统

传统变电站按照间隔的方式进行信息采集与保护配置，各个间隔之间没有进行信息交换，难以突破传统的保护限制，如变压器过负荷保护、新型母线保护、低频减载策略等。而预制舱变电站设备集中且空间有限，基于一、二次融合的分散采集可以通过电缆传输实现信息集中，也可以基于智能变电站模式进行合并单元与交换机实现信息的集中。本文基于预制舱变电站信息集中的优势设计预制舱变电站综合保护系统，通过充分挖掘预制舱变电站设备故障与不正常运行状态下的特征，提出改进的变压器过负荷保护策略与10 kV 馈线的低频减载策略。

预制舱变电站综合保护系统设计中，针对常规变电站保护功能不足的问题，以基本设计原则为出发点，对构建形式和功能配置进行合理地规划，保护系统主要实现3 个基本功能。

1）实现预制舱变电站内各间隔的全部保护功能。考虑到110 kV 线路的主保护一般与对侧变电站构成纵联保护，变压器配置有非电量保护，因此在保留就地保护的基础上，将采集到的电气量与开关量上送至综合保护系统，通过构建完整的集成化保护配置作为就地化保护的后备。进一步利用信息集中的特点提高保护性能，例如通过变压器与低压馈线之间的信息交互来改善变压器的过负荷保护性能等。

2）整合集成控制功能。通过集成化设计综合保护与控制功能，简化变电站二次系统结构，精简二次设备数量，以此降低成本和占用空间，提高系统的经济性。

3）通过主备设计方案提高可靠性。预制舱变电站综合保护系统集中实现各10 kV 馈线保护功能，取消就地保护配置，通过冗余设计综合保护系统以保证供电可靠性。当110 kV 线路或主变就地保护因异常等原因退出运行或检修时，综合保护系统根据就地保护的配置，在不影响正常供电的情况下承担相应保护功能。

预制舱变电站综合保护系统的构建方案如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

以智能变电站为例，通过IEC61850 标准协议构建 的GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Event）网与SV（Sample Value）网，将110 kV 线路GIS 舱、变压器舱和10 kV 线路舱的信息传输至综合保护系统中，10 kV 线路舱取消按间隔独立配置的就地保护，由综合保护系统实现原有的保护功能。将各间隔的合并单元和智能终端连接到SV 网和GOOSE 网，综合保护系统利用网络通信采集全站信息，并经过集中决策后完成相应的保护控制功能。在非智能变电站的情况下，这一模式也是可行的，可以采用其他通信协议构建传输通道，例如IEC60870-5-103 协议、ModbusTCP 协议等，将各个舱室的信息上传至综合保护系统。

2 基于信息集中决策的变压器过负荷保护改进策略

2.1 传统变压器过负荷保护原理与问题分析

当变压器长期过载，绕组会因过热而损坏，若多台400 kVA 及以上的变压器同时并列运行时，在过负荷状态下系统不能正常运行，需要通过安装过负荷保护以维持系统的稳定。在变压器过载状态下电流是三相对称的，因此只需要检测其中的一相电流来实现过负荷保护功能，经过较长的延时后发出信号。在无人值守的变电站中，特殊情况下过负荷保护可出口跳闸以保证系统安全。过负荷保护的电流整定值Iset应躲过变压器的额定电流IN，即：

式中：Krel为可靠系数，一般取1.05；Kre为返回系数，一般取0.85。过负荷保护的动作时间应该大于同一间隔的过电流保护动作时间，一般整定为8～10 s。

变压器过负荷保护一般都是由某条馈线过载或者馈线的总负荷过载造成，从而导致变压器的高压侧或者低压侧过负荷保护动作跳闸，最终将低压侧的所有用户馈线全部切除。而在重要负荷接入的情况下，传统变压器过负荷保护策略的动作性能存在不足，可能会切除重要负荷造成巨大损失，因此不能满足实际需要。预制舱变电站与传统变电站相比，具有信息集中共享的优势，在此基础上，可以将变压器过负荷保护的动作策略加以改进。

2.2 变压器过负荷保护改进原理与实现方式

为保障重要负荷的安全运行，结合预制舱变电站信息集中的优势，将变压器过负荷保护的动作策略进行改进。首先通过采集各馈线的开关状态及电流大小，进行各断路器运行状态辨识；再将各馈线的重要级别及实时负荷大小进行排序，优先保障重要级别高的馈线安全运行；最后根据过负荷程度，先选择重要级别低的馈线，再选择重要级别中等且负荷合适的馈线，最终找到切除负荷的最优组合；并计算按照最优组合切除负荷后是否躲过变压器过负荷保护。通过一次性切除线路，避免出现过切的情况，同时保证其他重要馈线可靠供电。

以图2 所示110 kV 变电站为例，说明变压器过负荷保护的改进原理。其中，变压器的容量为SN；DL104 和DL201 分别为主变高低压侧断路器。各10 kV 馈线的实时负荷量和重要级别分别为L1：P1，1 级；L2：P2，1 级；L3：P3，2 级；L4：P4，2 级；L5：P5，3级；L6：P6，3 级；L7：P7，3 级。由于过负荷保护动作定值是按照电流整定的，为方便判断，将保护定值Sset整定为容量计算，即：

图2 110 kV变电站主接线图Fig.2 Main wiring diagram of 110 kV substation

随着负荷依次投入，当7 条馈线都满载运行时，可能会造成变压器的过负荷，为保护变压器的正常运行和重要负荷的可靠供电，在无闭锁的情况下需要启动过负荷保护，过负荷保护的启动判据如式（3）所示：

式中：ΔP为过负荷量；∑P为实时负荷总量。

过负荷保护启动后，先计算所需要切除的过载量，再综合所有馈线的重要级别和负荷大小来选择切除馈线的最优组合。当ΔP＜时（其中Pi为各馈线的实时负荷量），可根据过负荷量具体的数值来选择重要级别为3 级线路的切除组合；当＜ΔP＜时，需要切除重要级别为3 级的所有馈线，同时在重要级别为2 级的馈线中选择合适的馈线形成最优组合。当＜ΔP＜时，此时需要切除重要级别为2 级和3 级的所有馈线，再考虑重要级别为1 级的馈线中选择切除次重要的馈线，但这种情况一般不会发生，因为该情况下总负荷量已经达到2 倍的变压器容量值，各条馈线的过负荷保护将会阻止该类情况的发生。

3 基于信息集中决策的低频减载改进策略

3.1 传统的低频减载策略与问题分析

低频减载是实现安全稳定控制的最后一道防线，当复杂事故导致系统稳定性受损时，首先通过自动解列装置断开系统，然后通过低频减载等保护功能切除部分负荷来确保系统运行的稳定，防止系统发生大规模解列。因变电站采用的低频减载方案中通常是按照间隔配置的，有限的可用数据使得性能优化受阻，导致过切和欠切等情况的发生。因此，结合预制舱变电站的特点，进一步开展基于信息集中决策的预制舱低频减载方法的研究。

在某常规低频减载方案中，每轮具体减载量见表1。此方案通常是由上级调度中心确定后分配下发到各个指定的变电站，常用的低频减载策略是按轮次执行，在满足对应轮次动作判据的情况下，低频减载功能将会切除相应轮次所需切除的负荷量。

表1 现有低频减载方案Table 1 Existing under frequency load shedding scheme

低频减载策略在现场运行中经常出现以下重要问题：（1）馈线重要程度的标度问题。为确保低频减载有效动作，合理的做法应该是利用各个馈线负荷的重要性来确定最优切除组合。在电力系统中通常将负荷的重要程度分为3 类，但在变电站的现场运行中，存在1 条馈线中含有不同类别负荷的情况，各馈线之间的负荷类型比例也有差异，需要对负荷的类别和比例进行综合考虑，合理地划分负荷馈线的整体重要程度；（2）减载线路的优选问题。低频减载策略的动作出口是变电站的各条负荷馈线，为优化选择减载线路，负荷的重要程度和切除量是需一并考虑的重要因素，在达到切除量的条件下，选择切除负载线路时要求所切除负荷最小，同时负荷的重要程度最低；（3）负荷自身调节特性的影响问题。负荷具有一定的自身调节能力，有功功率会根据系统频率变化而发生改变。因此，研究预制舱变电站综合保护系统的低频减载方案时，需考虑负荷频率调节特性的情况，将有助于利用信息集中的优势进一步提高低频减载方案的效果。

3.2 信息集中下的低频减载改进策略

通过预制舱变电站信息集中的优点，可以实时获取各条馈线的数据，并根据调度中心下发给变电站的减载量，将重要程度和负荷频率调节特性的情况进行考虑，对线路的切除组合优化配置，以改进低频减载的功能。

1）馈线重要程度的标度方法。

参考操作人员的实际经验和馈线所带负荷的类型与比例，可以划分出预制舱变电站内全部负荷馈线的重要程度，负荷馈线的重要程度可依据其数量、重要程度和减载精确度等相关因素归纳为2—4个等级，以优化各馈线负荷的切除顺序。

2）减载线路的优选方案。

因传统低频减载方案对实时负荷不具有适应性，将会导致负荷过切或欠切。为解决该类问题的发生，需要对原有的低频减载策略进行改进。传统方案通常是选择切除线路，本文采用的改进方案为选择保留线路。其中保留负荷量Ph的计算方法如式（4）所示：

式中：Pij为第i条重要程度为j的馈线实时负荷量；Pxq为需要切除的负荷量。

较高重要等级的负荷应该优先保留，当保留所有重要等级为j的负荷以后，再进一步调整保留负荷量，其修正方法如式（5）所示：

式中：Psj为保留的重要程度为j的负荷总和。

将式（5）的结果作为调整后的保留负荷量，计算下一个重要等级的负荷保留，直到P*h 小于0 或者全部等级的负荷均完成保留。

3）考虑负荷调节特性影响的低频减载方案。以低频减载为例，负荷的有功功率会随着系统频率变化而发生变化，具有一定的自身调节能力，即频率调节特性，该特性可以表示为：

式中：P为频率为f时的整个系统的有功负荷；PDN为频率为fN(=50 Hz)时的整个系统的有功负荷，即额定负荷；α0,α1,α2,…,αn为与频率的0,1,2,…,n次方成正比的负荷占额定负荷PDN的百分数，且α0+α1+α2+…+αn=1。

当系统频率f稳定在额定值较近范围内，负荷频率调节特性可以近似地用1 条直线来表示，该直线的斜率即为负荷的频率调节系数KD，KD的含义可以由式（7）表示：

当考虑负荷频率调节特性的因素后，需要调整减载线路的优选方案，对于第i条重要程度为j的馈线实时负荷量Pij，其系统频率为f，低频减载的目标是要把系统频率拉回至额定频率fres，此时负荷将由实际有功功率Pij变为“虚拟”有功功率，其计算方法如式（8）所示：

通过将“虚拟”有功功率带入式（4），就可以计算对应调整后的Ph。此方案是以拉回到额定频率后的修正保留负荷量为改进对象，计算出的减载方案将会更加接近额定频率，可以进一步提高预制舱综合保护系统的低频减载性能。

4 仿真验证

4.1 变压器过负荷保护改进方案仿真验证

在Pscad 中对本节所述的变压器过负荷保护改进方案进行仿真分析。以图2 为例对本文所提出的改进方法进行验证，其中变压器的容量为40 MVA，典型的3 种过负荷场景下的7 条馈线的实时负荷与重要级别如表2 所示。

表2 馈线的重要级别及实时负荷Table 2 Importance level and real-time load of feeders

改进前的过负荷保护策略如图3 所示。根据式（1）可计算出变压器过负荷保护的整定值，即Iset=0.259 kA。场景1 下的变压器高压侧电流I1如图3 中实线所示，线路L3 在1 s 时投入运行，在投入的20 ms 后，I1的数值已经大于整定值Iset，因此在装设了传统变压器过负荷保护的情况下，经过一定的延时后，保护将跳开主变高压侧的开关。

图3 改进前的过负荷保护策略Fig.3 Overload protection strategy before improvement

结合预制舱变电站信息集中的特点，将变压器过负荷保护的动作策略进行改进。当负荷达到整定值时，立刻启动过负荷保护策略，对当前各个馈线的实时负荷及重要程度进行排序，针对场景1 的情况，计算整体的过负荷量为0.588 MVA，综合考虑实时负荷大小及重要程度，优先从重要程度为3 级的馈线开始切除，由于L5 馈线的负荷为1.4 MVA，达到躲过过负荷保护定值的要求，因此选择在短时间内切除L5 馈线，图4 为改进后的过负荷保护动作情况。

图4 场景1保护改进策略动作情况Fig.4 Protection improvement strategy action under scenario 1

场景2 中的总过负荷量为7.788 MVA，综合考虑实时负荷大小及重要程度，优先从重要程度为3级的馈线开始切除，通过比较可知最优切除组合为馈线L6 和L7，总切除量为8.6 MVA，达到躲过过负荷保护定值的要求，动作情况如图5 所示。

图5 场景2保护改进策略动作情况Fig.5 Protection improvement strategy action under scenario 2

场景3 中的过负荷量为13.59 MVA，由于过负荷量满足，因此需要切除重要程度为3 级的所有馈线，同时还要将馈线L4 加入切除组合中，总切除量为18.2 MVA，达到躲过过负荷保护定值的要求，动作情况如图6 所示。

图6 场景3保护改进策略动作情况Fig.6 Protection improvement strategy action under scenario 3

虽然场景3 中切除的负荷量过多，但是可以保证其他重要程度高的馈线稳定运行，通过按重要级别切除线路，以保证其他重要馈线可靠供电。改进前及改进后各场景的仿真数据证明了本文所提的变压器过负荷保护改进策略的可行性以及正确性。

4.2 低频减载改进策略仿真验证

以图2 为例，通过采用Pscad 软件进行仿真分析，来验证所提低频减载策略改进方案的有效性。其中，同步发电机和变压器的容量均为40 MVA，典型的3 种过负荷场景下的7 条馈线的实时负荷与重要级别见表2。

根据本文第3.2 节所提出的低频减载改进策略，将负荷的重要程度划分为3 个等级。场景2 中系统在1 s 时投入全部10 kV 馈线，由于功率缺额导致系统频率降低，此时启动预制舱的低频减载功能，综合考虑线路的重要级别、减载线路的排序及频率调节特性，确定低频减载的最优保留组合后，一次性将其余应切负荷切除，最终使得系统频率快速恢复至额定频率50 Hz 附近。传统低频减载方案与综合保护系统中低频减载方案的频率曲线对比如图7 所示。

图7 场景2低频减载方案对比Fig.7 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 2

由图7 可知，改进后的方案可以满足频率恢复稳定的时间要求，与传统低频减载方案的时间很接近。但传统方案的弊端是在3.1 s 后频率超调，说明传统方案的确造成了一部分的负荷过切，最终将频率恢复至50.2 Hz。而改进方案的优势是不会出现负荷过切的情况，并且优先保证重要级别更高的负荷可靠运行，同时将频率恢复至额定频率附近。

场景3 中低频减载方案的频率曲线对比如图8所示。由图8 可知，传统方案的弊端是在2.5 s 后频率超调，由于造成一部分的负荷过切，最终将频率恢复至50.3 Hz。而改进方案计算出最优保留组合并切除后，使得频率恢复至50.08 Hz，更加接近额定频率。

图8 场景3低频减载方案对比Fig.8 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 3

通过与传统减载方法的比较可知，当计及负荷频率调节影响时，本文所提出的改进低频减载方法效果好，其优势更明显。该方法可在较短的时间内确定系统实际的有功缺额，并启动综合保护系统切除负荷，不至于使频率值太低，有利于系统的频率稳定，同时会优先保证重要级别更高的负荷可靠运行，方法总体性能更优。

5 结语

本文主要面向预制舱变电站下信息的集中，提出一种分布采集集中决策的综合保护系统，所提系统可以优化预制舱变电站保护配置，改善常规保护的实现方式和保护性能。同时，对综合保护系统中的变压器过负荷保护与低频减载策略进行了详细的研究，通过分析目前传统变电站变压器过负荷保护与低频减载策略的不足之处，提出了基于预制舱变电站信息集中优势下的保护改进原理，不仅在理论上分析了改进原理的可行性，并通过仿真软件验证了改进原理的有效性和正确性。