CN101615786A - 基于变电站本地信息的电网系统保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于变电站内本地信息的电网系统保护方法，属于电力系统继电保护技术领域，该方法包括根据持续采集和计算变电站内每条线路的电压电流幅值及序分量，判断出所有线路的后备保护区域内是否发生故障，若发生故障，发出跳闸命令，跳开该线路；若设定时间内故障特征消失，且该条线路过载，计算出该条线路过载的最大承受时间作为保护的时间定值，计算该条线路的电流过载量。汇总得到进线和出线过载总值，确定本变电站是否需要减载，根据需减载量和本变电站的可减负荷，确定减载量并发出减载命令。本发明采用本地识别、本地处理与系统协调相结合的方法，实现继电保护与紧急控制的协调配合，可以降低对通信网络和通信实时性的依赖，提高电力安全运行水平。

Description

基于变电站本地信息的电网系统保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术和电力系统紧急控制领域。

背景技术

继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证电网系统的安全稳定运行。但传统继电保护的设计更加着重于前者，仅从被保护设备的角度进行保护的构建，不考虑其动作行为对电网系统的影响，同时与安全自动装置之间缺乏有效的协调，在某些情况下会恶化电网系统的状况，甚至引发连锁跳闸和大停电。

当电网中某条联络线被切除后，其上的功率潮流将转移到系统中其他正常运行的联络线上，可能导致正常线路过载，这个过程称为潮流转移，由此引起的正常线路过载称为潮流转移过载。这些过载线路仅为不正常运行状态，而非故障状态，不应当简单地切除。但传统电流保护和距离保护一般采用测量电流的幅值、测量阻抗的幅值与相角来区分负荷电流和故障电流，无法明确区分潮流转移引起的过载和后备保护区域内的故障，从而使得后备保护误跳闸，引发连锁跳闸事故。

目前识别潮流转移的研究主要集中在利用广域测量系统(WAMS)等空间域信息构成的广域保护上。在该模式下，需要中央单元实时获取整个系统的拓扑和运行参数，识别出潮流转移过载后，干预本地保护的判断决策。广域保护模式存在着难以合理确定控制规模、响应速度慢、逻辑复杂、对通信的速度、实时性和可靠性要求过高等问题。

系统线路的稳定运行主要受热载荷能力、稳定极限的影响，其中热载荷能力满足热平衡方程，影响线路的弧垂、温度和应力等，可以通过建模和实验的方法建立线路的“负载—承受时间”曲线，来计算线路过载的最大承受时间。变压器过载能力则受温度和绝缘等因素的影响。如果允许线路和设备承受合理的短时过载，采用具有自适应性的保护，做好系统各种保护间的协调及时消除线路过载，就可以防御过载连锁跳闸，但是目前尚未有解决方案。

消除线路过载是一个系统层面的优化问题，这涉及到控制点和控制量的合理确定问题。根据设备过载量的不同，可以采取改变发电机出力、改变移相器角度、改变网络拓扑、切机切负荷等措施。

能够触发保护动作的设备过载，往往是严重过载。设备承受严重过载的时间一般很短，来不及等待系统层面的集中决策。为了保护设备不受损害，可利用部分本地或区域信息，实现可能非全局最优但最有效的本地措施，尽快缓解紧急状态。例如在目前电力系统中应用的连锁切负荷，就是根据线路过载情况直接切除预先设定的负荷，消除线路过载。但该方法仅利用一条线路负荷电流的大小作为判断依据，不能区分普通过载和潮流转移过载，也不能合理确定减载点和减载量。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种基于变电站内本地信息的电网系统保护方法，该方法采用本地识别、本地处理与系统协调相结合的方法，实现继电保护与紧急控制的协调处理，可以降低对通信网络和通信实时性的依赖，提高电力安全运行水平。

本发明提出的基于变电站内本地信息的电网系统保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据持续采集和计算变电站内每条线路的电压电流幅值及序分量，判断出所有线路的后备保护区域内是否发生故障，若某条线路的后备保护区域内发生故障，转步骤2)，否则，继续执行步骤1)；

2)在预设的时间T内，判断故障特征是否消失，T取0.5-5秒，若故障特征未消失，转步骤3)，若故障特征消失，且该条线路过载，则判为潮流转移过载，转步骤4)，若故障特征消失，且该条线路未过载，则转步骤1)；

3)发出跳闸命令，跳开该线路；

4)根据该条线路的“负载—承受时间”曲线，计算出该条线路过载的最大承受时间；根据该条线路负荷电流I和额定电流I_e，计算出该条线路的电流过载量ΔI，计算公式为：

ΔI＝I-K×I_e

K为过载系数，典型值范围为1.1-1.5

转步骤5)；

5)根据步骤4)得出的该条线路过载的最大承受时间，作为保护的时间定值，在该定值时间内，转步骤6)，若超出该定值，发出跳闸命令，跳开该线路；

(变电站内后备保护区域内发生故障每条线路均按步骤2)-5)执行)

6)根据线路的功率潮流方向对变电站内的所有线路进行分类，分为进线、出线、负荷线路；并根据步骤4)计算得到的每条进线的过载量进行累加，得到进线过载总值∑ΔI_in；同时对所有出线的过载量进行累加，得到出线过载总值∑ΔI_out，比较进线过载总值和出线过载总值，确定本变电站是否需要减载，并确定本变电站减载量S，判断规则为：

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＝0，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in，转步骤7)；

若∑ΔI_in＝0，∑ΔI_out＞0，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＞∑ΔI_out，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in-∑ΔI_out，下级变电站需减载量∑ΔI_out，分别转步骤7)和步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＝∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＜∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

7)若本变电站需要减载，根据需减载量S和本变电站的可减负荷，确定减载量并发出减载命令。

8)需要下级变电站减载时，发出减载允许信号和减载量，由下级变电站按步骤1)-6)判断和执行。

所述步骤1)判断后备保护区域内是否发生故障的具体方法为：

采用每条线路的电流负序分量有效值I₂、电流零序分量有效值I₀和电流正序分量有效值I1构成的逻辑继电器R_s，R_S＝(I₀+I2)/I₁来判断后备保护区域内是否发生不对称故障；判据为：

若R_s＞R_set，判定后备保护区域内发生不对称故障；

R_set为判断阈值，范围取0.2-0.4，以躲过不平衡负荷；

采用相间电压U_φφ和相间电流I_φφ的夹角arg(U_φφ/I_φφ)来判断后备保护区域内是否发生对称故障。判据为：

θ_L-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_L+θ′，且U_φ＜U_set，判定后备保护区域内发生对称故障；

θ_L为线路阻抗角，典型值为70-85度；

θ′为可靠阈值，取10度；

U_φ为相电压有效值；

U_set为低电压阈值，范围取0.4-0.6。

所述步骤2)判断故障特征是否消失的具体方法为：

若R_s＜R_set，判定后备保护区域内不对称故障特征消失；

若θ_f-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_f+θ′，且U_φ＞U_setting，判定后备保护区域内对称故障特征消失；

θ_f为最大负荷角，根据线路常规运行时的最大负荷确定，典型值为20-40度。

所述过载系数K的作用在于，本方法作为紧急控制措施，目的是减缓而非消除线路过载，只需将线路从严重过载状态转到一般过载状态。K由线路过载能力确定，一般选择线路可承受10-30分钟短时过载运行时的过载倍数，典型值为1.1-1.5。

本发明的原理：

本发明基于本地信息区分后备保护区域内故障引起的过电流和潮流转移引起的过电流，并自适应改变保护的定值，实现继电保护与紧急控制的协调处理，降低对通信网络和通信实时性的依赖。在时间域内，潮流转移过载和后备保护区域内故障在事件发展过程中有着明显的区别，当某线路故障跳闸引起潮流转移过载时，过载线路的保护可以检测到故障发生、相邻断路器动作故障特征消失、本线路电流增大等一系列事件发展过程。因此，本发明充分挖掘和利用时间域信息，形成基于本地信息的潮流转移过载识别算法。

本发明在识别出潮流转移过载后，根据“负载—承受时间”曲线自适应地调整保护的时间定值，为采取紧急控制措施争取时间。

本发明通过对本变电站出线和进线过载情况的判断，并确定合理的减载量，通过在该变电站减载消除设备严重过载。这种基于变电站内本地信息的紧急控制措施，可以快速缓解线路的严重过载，为采取进一步的措施争取时间。该方法属于快速有效的措施，从理论上讲是可行的。而且与线路连锁切负荷相比较，其减载点的确定更加合理，具有局部优化的特点。

本发明的特点及有益效果：

本发明基于保护可以检测到潮流转移过程中一系列时间域信息的特点，构成了基于本地信息识别潮流转移过载的方法；并结合自适应继电保护技术，根据设备承受能力和过载量对保护定值进行自适应的调整，为采取紧急控制措施争取时间；利用变电站内保护和紧急控制的协调处理，采取快速有效措施减缓设备严重过载。本发明采用本地识别、本地处理与系统协调相结合的方法，实现继电保护与紧急控制的协调处理，可以降低对通信网络和通信实时性的依赖，提高电力安全运行水平。

附图说明

图1是本发明的实施例示意图。

图2是本发明的潮流转移过载的过程示意图。

具体实施方式

本发明设计的基于变电站内本地信息的电网系统保护方法结合各附图及实施例详细说明如下：

本发明方法以带有2条进线，1条出线的变电站为具体实施例，其方法包括以下步骤：

1)根据持续采集和计算变电站内每条线路的电压电流幅值及序分量，判断出所有线路的后备保护区域内是否发生故障，若某条线路的后备保护区域内发生故障，转步骤2)，否则，继续执行步骤1)；

2)在预设的时间T内，判断故障特征是否消失，T取0.5-5秒，本实施例T取2秒，若故障特征未消失，转步骤3)，若故障特征消失，且该条线路过载，则判为潮流转移过载，转步骤4)，若故障特征消失，且该条线路未过载，则转步骤1)；

3)发出跳闸命令，跳开该线路；

4)根据该条线路的“负载—承受时间”曲线，计算出该条线路过载的最大承受时间；根据该条线路负荷电流I和额定电流I_e，计算出该条线路的电流过载量ΔI，计算公式为：

ΔI＝I-K×I_e

K为过载系数，典型值范围为1.1-1.5，本实施例取1.2。

转步骤5)；

5)根据步骤4)得出的该条线路过载的最大承受时间，作为保护的时间定值，在该定值时间内，转步骤6)，若超出该定值，发出跳闸命令，跳开该线路；

(变电站内后备保护区域内发生故障每条线路均按步骤2)-5)执行)

6)根据线路的功率潮流方向对变电站内的所有线路进行分类，分为进线、出线、负荷线路；并根据步骤4)计算得到的每条进线的过载量进行累加，得到进线过载总值∑ΔI_in；同时对所有出线的过载量进行累加，得到出线过载总值∑ΔI_out，比较进线过载总值和出线过载总值，确定本变电站是否需要减载，并确定本变电站减载量S，判断规则为：

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＝0，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in，转步骤7)；

若∑ΔI_in＝0，∑ΔI_out＞0，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＞∑ΔI_out，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in-∑ΔI_out，下级变电站需减载量∑ΔI_out，分别转步骤7)和步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＝∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＜∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

7)若本变电站需要减载，根据需减载量S和本变电站的可减负荷，确定减载量并发出减载命令。

8)需要下级变电站减载时，发出减载允许信号和减载量，由下级变电站按步骤1)-6)判断和执行。

所述步骤1)判断后备保护区域内是否发生故障的具体方法为：

采用每条线路的电流负序分量有效值I₂、电流零序分量有效值I₀和电流正序分量有效值I₁构成的逻辑继电器R_s，R_S＝(I₀+I2)/I₁来判断后备保护区域内是否发生不对称故障；判据为：

若R_s＞R_set，判定后备保护区域内发生不对称故障；

R_set为判断阈值，范围取0.2-0.4，本实施例取0.4，以躲过不平衡负荷；

采用相间电压U_φφ和相间电流I_φφ的夹角arg(U_φφ/I_φφ)来判断后备保护区域内是否发生对称故障。判据为：

θ_L-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_L+θ′，且U_φ＜U_set，判定后备保护区域内发生对称故障；

θ_L为线路阻抗角，典型值为70-85度，本实施例为85度；

θ′为可靠阈值，本实施例取10度；

U_φ为相电压有效值；

U_set为低电压阈值，范围取0.4-0.6，本实施例取0.5。

所述步骤2)判断故障特征是否消失的具体方法为：

若R_s＜R_set，判定后备保护区域内不对称故障特征消失；

若θ_f-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_f+θ′，且U_φ＞U_setting，判定后备保护区域内对称故障特征消失；

θ_f为最大负荷角，根据线路常规运行时的最大负荷确定，典型值为20-40度，本实施例取40度。

所述过载系数K的作用在于，本方法作为紧急控制措施，目的是减缓而非消除线路过载，只需将线路从严重过载状态转到一般过载状态。K由线路过载能力确定，一般选择线路可承受10-30分钟短时过载运行时的过载倍数，典型值为1.1-1.5，本实施例取1.2。

在实现方式上，本实施例可由一台保护控制变电站M内所有设备的多功能保护控制器MPCU(已公开的发明专利申请200810223970.2)来实现，如图1所示，该多功能保护控制器MPCU可以处理变电站M内2条进线(L2、L3)、1条出线(L4)和负荷线路(Ld)的电压电流信息，正常运行时对变电站的每条线路单独构成保护算法，分别由逻辑继电器R1、R2、R3实现，并进行潮流转移过载的判断。判断出潮流转移过载后，逻辑继电器R汇总R1、R2、R3计算出的各线路的过载量ΔI，确定本变电站是否需要减载及减载量。若本变电站需要减载，由逻辑继电器R发出减载命令；若本变电站不需要减载，多功能保护控制器通过高速通信网络向下级变电站发出减载允许信号和减载量。

图2是本实施例的潮流转移过载的过程示意图，在时间域内，潮流转移过载和后备保护区域内故障在事件发展过程中有着明显的区别。当线路L1在F1点发生故障后，线路L1的保护动作，相继跳开断路器K1和断路器K2，线路L1上的潮流将转移到线路L2和线路L3上。假设线路L2因此过载，以对应线路L2的逻辑继电器R2为例，R2将检测到故障发生、断路器动作故障特征消失、本线路电流增大等过程，判断为潮流转移过载；而当L2线路末端F2点发生故障时，R2将检测到故障发生、对侧断路器动作故障特征未消失等过程，判断为本线路故障。

Claims (4)

1、一种基于变电站内本地信息的电网系统保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据持续采集和计算变电站内每条线路的电压电流幅值及序分量，判断出所有线路的后备保护区域内是否发生故障，若某条线路的后备保护区域内发生故障，转步骤2)，否则，继续执行步骤1)；

2)在预设的时间T内，判断故障特征是否消失，T取0.5-5秒，若故障特征未消失，转步骤3)，若故障特征消失，且该条线路过载，则判为潮流转移过载，转步骤4)，若故障特征消失，且该条线路未过载，则转步骤1)；

3)发出跳闸命令，跳开该线路；

4)根据该条线路的“负载-承受时间”曲线，计算出该条线路过载的最大承受时间；根据该条线路负荷电流I和额定电流I_e，计算出该条线路的电流过载量ΔI，计算公式为：

ΔI＝I-K×I_e

K为过载系数，典型值范围为1.1-1.5；

转步骤5)；

5)根据步骤4)得出的该条线路过载的最大承受时间，作为保护的时间定值，在该定值时间内，转步骤6)，若超出该定值，发出跳闸命令，跳开该线路；

6)根据线路的功率潮流方向对变电站内的所有线路进行分类，分为进线、出线、负荷线路；并根据步骤4)计算得到的每条进线的过载量进行累加，得到进线过载总值∑ΔI_in；同时对所有出线的过载量进行累加，得到出线过载总值∑ΔI_out，比较进线过载总值和出线过载总值，确定本变电站是否需要减载，并确定本变电站减载量S，判断规则为：

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＝0，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in，转步骤7)；

若∑ΔI_in＝0，∑ΔI_out＞0，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＞∑ΔI_out，则本变电站需减载量S＝∑ΔI_in-∑ΔI_out，下级变电站需减载量∑ΔI_out，分别转步骤7)和步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＝∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

若∑ΔI_in＞0，∑ΔI_out＞0，∑ΔI_in＜∑ΔI_out，则本变电站不需要减载，下级变电站需减载量∑ΔI_out，转步骤8)；

7)若本变电站需要减载，根据需减载量S和本变电站的可减负荷，确定减载量并发出减载命令；

8)需要下级变电站减载时，发出减载允许信号和减载量，由下级变电站按步骤1)-6)判断和执行。

2、如权利1所述方法，其特征在于，所述步骤1)判断后备保护区域内是否发生故障的具体方法为：

采用每条线路的电流负序分量有效值I₂、电流零序分量有效值I₀和电流正序分量有效值I₁构成的逻辑继电器R_s，R_S＝(I₀+I2)/I₁来判断后备保护区域内是否发生不对称故障；判据为：

若R_s＞R_set，判定后备保护区域内发生不对称故障；

R_set为判断阈值，范围取0.2-0.4，以躲过不平衡负荷；

采用相间电压U_φφ和相间电流I_φφ的夹角arg(U_φφ/I_φφ)来判断后备保护区域内是否发生对称故障；判据为：

θ_L-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_L+θ′，且U_φ＜U_set，判定后备保护区域内发生对称故障；

θ_L为线路阻抗角，典型值为70-85度；

θ′为可靠阈值，取10度；

U_φ为相电压有效值；

U_set为低电压阈值，范围取0.4-0.6。

3、如权利1所述方法，其特征在于，所述步骤2)判断故障特征是否消失的具体方法为：

若R_s＜R_set，判定后备保护区域内不对称故障特征消失；

若θ_f-θ′＜|arg(U_φφ/I_φφ)|＜θ_f+θ′，且U_φ＞U_setting，判定后备保护区域内对称故障特征消失；

θ_f为最大负荷角，根据线路常规运行时的最大负荷确定，典型值为20-40度。

4、如权利1所述方法，其特征在于，所述过载系数K值为1.1-1.5。

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