CN101800441A - 数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法：集中式保护装置采集全变电站电流、电压值和断路器状态，实时获取全变电站电压、电流采样值信息，当故障发生时，如果出现一条线路电流采样值信息缺失，在假设母线没有发生故障前提下合成信息缺失线路电流采样值，然后使用母线电压和线路电流采样值，其中信息缺失线路采用合成电流，通过常规线路保护，切除故障，如果在信息缺失线路常规保护第一段检测到故障发生，则无延时跳开该线路断路器，然后利用常规母线差动保护检测母线是否发生故障，以决定是否跳开与母线相连的所有断路器。本发明能够迅速进行故障定位，切除边界区域故障，大大简化了保护的整定配合，提高了保护的可靠性。

Description

数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种数字化变电站集中式保护装置边界出现信息缺失情况下的处理方法。

背景技术

目前，随着IEC61850通信规约的制定，基于该规约的数字化变电站已经在我国迅速发展起来，相比于传统变电站采用的电磁式互感器，数字化变电站采用的是数字式互感器。数字式互感器采集的电流、电压等电气量为数字量，实现了一、二次系统在电气上的有效隔离，增大了电气量的测量范围、提高了测量精度、并克服了传统互感器的饱和问题。数字式互感器从信息的获取到传输都是数字量，无需经过数模转换，让采样信息的传输时延大大减少，同时合并单元为采样值打上时标，高速以太网技术的成熟，为信息的实时交换提供了有力的支持，从而为实现全变电站电气量和开关状态量等信息集中处理提供了基础。

针对目前数字化变电站内，继电保护装置还是独立设置，基于就地信息进行故障判断，存在各种保护配合和后备保护整定值设定的问题，很多学者提出了基于数字化变电站的集中式保护原理。在现有的技术基础上，通过数字化变电站信息集中处理来实现变电站继电保护优化配置已近日益成熟。但是，大量的信息集中处理，必然会导致网络拥挤。当故障发生时，如果发生采样值信息缺失，特别是边界信息的缺失，必然对集中式保护装置的可靠性带来影响。在故障发生时，边界信息丢失情况下，往往依靠延时大，选择性差的后备保护动作切除故障，扩大了停电范围，对国民经济生活造成严重危害。目前数字化变电站集中式保护装置处理方法的信息处理机制中，还没有提出很好的应对方法来处理好这类问题。当故障发生时，数字化变电站集中式保护装置处理方法中，关于如何处理好边界信息丢失情况下故障定位问题，已经是数字化变电站集中式保护装置处理方法的瓶颈。由此可知，当故障发生时，在边界信息丢失情况下数字化变电站集中式保护装置怎样处理好故障问题，是提高数字化变电站集中式保护装置处理方法可靠性的重要途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法，能够提高集中式保护的可靠性。

本发明采用下述技术方案：一种数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、检测变电站内部或者相邻区域是否发生故障，发生故障进入步骤(2)；

(2)、如果数字化变电站边界区域出现仅有一条线路边界信息缺失，进入步骤(3)；

(3)、假设母线没有发生故障的前提下利用基尔霍夫电流定律，采用除边界信息缺失线路外的与母线相连的线路、母线与变压器的连接线、母联的电流采样值合成边界信息缺失线路的电流采样值，称为合成电流，进入步骤(4)；

(4)、使用母线电压和线路电流采样值，其中信息缺失线路采用合成电流值，采用常规线路保护算法检测并记录线路故障发生位置，如果每条线路常规保护第三段范围内都没有检测到故障，进入步骤(8)；

如果检测到任一条线路常规线路保护第一段范围内有故障，则集中式保护装置向发生故障线路的断路器发出无延时跳闸命令，进入步骤(5)；

如果没有检测到任一条线路常规线路保护第一段范围内有故障，进入步骤(7)；

(5)、经过常规断路器失灵保护要求的延时，检测已经发出的跳闸命令断路器是否动作，如果断路器失灵，则断开与母线相连的所有断路器，并进入步骤(8)；如果断路器没有失灵：如果故障不在信息缺失线路常规保护第一段范围内，则进入步骤(7)；如果故障在信息缺失线路常规保护第一段范围内，则进入步骤(6)；

(6)、使用除信息缺失线路外与母线相连的线路、变压器连接线路和母联的电流采样值，采用常规母线差动算法检测母线是否发生故障，如果母线发生故障，则集中式保护装置向除信息缺失线路外与母线相连的断路器发出无延时跳闸命令，并进入步骤(8)；如果母线没有发生故障，进入步骤(7)；

(7)、如果故障发生在常规线路保护第二段或者第三段范围内，则集中式保护装置按常规保护第二段或者第三段延时发出跳闸命令并进入步骤(8)；

(8)、利用数字化变电站全站实时电流、电压信息、断路器状态，执行常规的数字化变电站集中式保护。

所述的步骤(4)中常规线路保护算法采用三段式距离或三段式电流保护算法。

本发明针对现有数字化变电站集中式保护装置处理方法存在的不足，提出集中式保护装置边界信息缺失保护处理方法：当数字化变电站内部或者是邻近区域发生故障时，在边界信息缺失的情况下，利用全站电流、电压值和断路器状态，能够迅速进行故障定位，解决了集中式保护装置处理方法故障定位困难，往往依靠后备保护延时动作的缺点，加快了保护动作的速度，提高了保护可靠性。本发明方法具有动作快、灵敏度高、防止保护误动、纵序跳闸动作时间快等优点，能够减小对国民经济生活造成的危害。

附图说明

图1为数字化变电站边界拓扑抽象后一次设备主接线图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为距离元件动作特性示意图；

图4为突变量方向元件动作区示意图；

图5为零序方向元件动作区示意图；

图6为负序方向元件动作区示意图；

图7为90°接线方向元件动作区示意图。

具体实施方式

目前变电站母线主要的接线方式是单母线及单母线分段接线、双母线及双母线分段接线，变压器各侧与母线连接，每条母线上连接多回线路，线路位于数字化变电站边界。数字化变电站边界拓扑结构抽象为如图1的主接线方式，变压器1一侧与母线2相连，连线上装设断路器4和电流互感器3，母线2上有n回线路(线路1至线路n)，每条线路上装设断路器和电流互感器，母线2通过母联6与另一母线相连，母联6上装设有断路器和电流互感器，母线2上装设有电压互感器5。数字化变电站集中式保护装置采集全站电流、电压信息和断路器状态，实时获取变电站采样值信息，通过常规继电保护算法和逻辑判断迅速切除故障。如图1所示主接线，数字化变电站集中式保护装置的采样率一般为每工频周期12点以上。

t时刻X线路三相电流采样值表示为i_XA(t)，i_XB(t)，i_XC(t)，其中X＝1、2、...、j、...、n；

t时刻母线2与变压器1连线三相电流采样值表示为i_(n+1)A(t)，i_(n+1)B(t)，i_(n+1)C(t)；

t时刻母联6电流三相采样值表示为i_(n+2)A(t)，i_(n+2)B(t)，i_(n+2)C(t)；

t时刻母线2三相电压采样值表示为u_mA(t)，u_mB(t)，u_mC(t)；

故障发生时，利用全周傅氏算法计算各电流、电压信息复相量，全周傅氏算法计算公式如下：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Rk}}=\frac{2}{N}\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left(l\right)\sin (\mathrm{kl}\×\frac{2\mathrm{\π}}{N})\\ I_{\mathrm{Ik}}=\frac{2}{N}\underset{l=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\left(l\right)\sin (\mathrm{kl}\×\frac{2\mathrm{\π}}{N})\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中i(l)为每基频周期内第l点采样值，N为每基频周期采样点数，k为谐波次数(k＝1为基频分量)。

相电流突变量计算公式：

其中

指AB、BC、CA三种相别。

如图1、图2所示，本发明数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法包括以下步骤：

(1)、使用当前数字化变电站全站电流、电压信息，采用相电流突变量启动算法、零序电流启动算法检测变电站内部或者相邻区域是否发生故障，如果启动算法未检测出故障发生，则重复执行本步骤，如果发生故障，进入步骤(2)；其中相电流突变量启动判据为：

式(3)中ΔI_dz为电流突变量启动定值，ΔI_T为浮动门槛，随着变化量输出增大而逐步自动提高，K_rel取大于1的系数，可保证门槛电流始终略高于不平衡输出；

其中零序电流启动判据为：

3I₀＞I_0dz                 (4)

式(4)中3I₀为三倍零序电流，I_0dz为零序电流启动定值；

(2)、如果数字化变电站边界区域有且仅有一条线路出现电流信息缺失，假设为线路j，则进入步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(3)、在假设母线没有发生故障前提下利用基尔霍夫电流定律，采用除线路j以外与母线相连的线路、母线与变压器连接线、母联的电流采样值合成信息缺失线路j的电流采样值，称为线路j的合成电流；

电流参考方向均采用从母线流出为正，线路j合成电流计算公式：

$i_j\left(t\right)=-\underset{k=1,k\≠j}{\overset{n+2}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k\left(t\right)---\left(5\right)$

i_k(t)为t时刻与母线相连的所有线路、变压器连线和母联开关的电流，电流参考方向均采用母线流出为正；

(4)、使用母线电压和各线路电流采样值，其中线路j采用合成电流采样值，采用常规线路保护算法检测并记录线路故障发生位置：如果每条线路常规保护第三段范围内都没有检测到故障，进入步骤(8)；

如果任一条线路常规线路保护第一段范围内检测到有故障，则集中式保护装置向发生故障线路的断路器发出无延时跳闸命令，进入步骤(5)；

如果任一条线路常规线路保护第一段范围内没有检测到故障，进入步骤(7)；

(5)、经过常规断路器失灵保护要求的延时，检测已经发出跳闸命令断路器是否动作，如果断路器失灵，启动断路器失灵集中保护算法，断开与母线相连的所有断路器转入步骤(8)；

如果断路器没有失灵：如果故障不在信息缺失线路j常规保护第一段范围内，则进入步骤(7)；如果故障在信息缺失线路j常规保护第一段范围内，则进入步骤(6)；

(6)、使用除线路j外与母线相连的线路、变压器连接线路和母联的电流采样值，采用常规母线差动算法检测母线是否发生故障，如果母线发生故障，则集中式保护装置向除线路j外与母线相连的断路器发出无延时跳闸命令并跳转到步骤(8)；如果母线没有发生故障，进入步骤(7)；

其中普通比率制动特性母线差动保护算法：

$\left.\begin{array}{c}\left|\underset{k=1,k\≠j}{\overset{n+2}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_k\right|\≥I_{\mathrm{set}.0}\\ \left|\underset{k=1,k\≠j}{\overset{n+2}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_k\right|>K_{\mathrm{res}}\underset{k=1,k\≠j}{\overset{n+2}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\stackrel{\·}{I}}_k\right|\end{array}\right\}---\left(16\right)$

式(16)中K_res为制动系数，I_set.0为最小动作电流门槛值，

为与母线相连的所有线路、变压器连线和母联开关的电流相量，电流参考方向均采用母线流出为正；

(7)、如果故障发生在常规线路保护第二段或者第三段范围内，则集中式保护装置按常规保护第二段或者第三段延时发出跳闸命令，并进入步骤(8)；

(8)、利用数字化变电站全站实时电流、电压信息、断路器状态，执行常规的数字化变电站集中式保护。

上述方法中步骤(4)中常规线路保护主要采用三段式距离或三段式电流，这些保护都是有方向性的，方向元件可采用突变量功率方向、零序功率方向、负序功率方向或90°接线功率方向元件，这里列出本步骤使用的常规的距离保护、电流保护和方向保护元件的典型算法：

(a)三段式距离保护元件

三段式距离保护元件中距离测量算法以实时电压，实时电流计算对应回路阻抗值。阻抗计算采用解微分方程法与傅氏滤波相结合的方法同时计算Z_A、Z_B、Z_C、Z_AB、Z_BC、Z_CA六种阻抗。

相间短路故障时阻抗算法为：

$U_{\mathrm{\φ\φ}}=L_{\mathrm{\φ\φ}}\frac{d{I}_{\mathrm{\φ\φ}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{RI}}_{\mathrm{\φ\φ}},\mathrm{\Φ\Φ}=\mathrm{AB};\mathrm{BC};\mathrm{CA}---\left(6\right)$

接地短路故障时阻抗算法为：

$U_{\mathrm{\φ}}=L_{\mathrm{\φ}}\frac{d(I_{\mathrm{\φ}}+K_{x}3I_0)}{\mathrm{dt}}+R_{\mathrm{\φ}}(I_{\mathrm{\φ}}+K_{r}3I_0),\mathrm{\Φ}=A;B;C---\left(7\right)$

式中：K_r＝(R₀-R₁)/3R₁，K_x＝(X₀-X₁)/3X₁，故障电抗X＝2πfL，R₀、X₀为线路零序电阻和电抗，R₁、X₁为线路正序电阻和电抗，I_φ代表相电流，I₀代表零序电流，R_φ代表正序电阻，L_φ代表正序电感；

各段距离元件动作特性均为多边形特性，如图3所示。对于三段式相间距离保护R_DZ取值为R_X1，X_DZ取值分别为X_X1，X_X2和X_X3；对于三段式接地距离保护R_DZ取位为R_D1，X_DZ取位分别为X_D1，X_D2和X_D3，为保证出口短路的明确方向性，采用记忆电压，即用故障前的电压顺移两个周波后，同故障后电流比相。

(b)三段式电流保护元件

采用实时电流I_i与三段式电流保护元件各段整定值进行比较：

$\left.\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{set}}^I\&le;I_i\\ I_{\mathrm{set}}^{\mathrm{II}}\&le;I_i\&le;I_{\mathrm{set}}^I\\ I_{\mathrm{set}}^{\mathrm{III}}\&le;I_i<I_{\mathrm{set}}^{\mathrm{II}}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

式中I_i可以为单相电流，也可以为相间电流；I_set ^I、S_set ^II、I_set ^III分别为常规三段式电流保护元件I、II、III段电流整定值。

如果故障发生在三段式电流保护元件整定I段范围内，则断路器无延时跳闸。如果故障发生在三段式电流保护元件整定II段或III段范围内，则断路器经过II段或III段整定延时后跳闸。

(c)突变量方向元件

采用三种相间突变量电流ΔI_AB、ΔI_BC和ΔI_CA中最大者，与其对应的相间电压突变量比较方向，这样可以保证任一种故障类型突变量方向元件都具有最高的灵敏度，如图4所示：

突变量正方向动作区为：

突变量反方向动作区为：

式中

代表相电压突变量

(c1)突变量正方向元件动作判据为：

1)突变量电流ΔI_AB、ΔI_BC和ΔI_CA中最大者大于2倍I_QD；

2)相应的突变量方向判为正方向。

(c2)突变量反方向元件动作判据为：

1)突变量电流ΔI_AB、ΔI_BC和ΔI_CA中最大者大于1.25倍I_QD；

2)相应的突变量方向判为反方向。

I_QD为突变量启动元件定值

(d)零序方向元件

如图5所示：零序正方向动作区为

18°≤arg(3I₀/3U₀)≤180°；(11)

零序反方向动作区为

-162°≤arg(3I₀/3U₀)≤0°。(12)

式中3U₀代表三倍零序电压；

1)零序正方向元件的动作判据为：

位于零序正方向动作区，且3I₀＞3I_0DZ；

其中：3I_0DZ指零序电流定值3I₀，零序I～IV段电流定值分别为I₀₁、I₀₂、I₀₃和I₀₄。

2)零序反方向元件的动作判据为：

位于零序反方向动作区，且3I₀＞0.625*3I_0DZ。

(e)负序方向元件

负序元件也设有正、反两个方向的方向元件，如图6所示，正向元件的整定值可以整定，方向元件不需整定，灵敏度自动比正向元件高，电流门槛取为正方向的0.625倍：

负序正方向动作区为

18°≤arg(3I₂/3U₂)≤180°(13)；

负序反方向动作区为

-162°≤arg(3I₂/3U₂)≤0°(14)；

式中3U₂代表三倍负序电压，式中3I₂代表三倍负序电流；

1)负序正方向元件的动作判据为：位于负序正方向动作区且3I₂＞3I_2DZ，其中：3I_2DZ为负序电流定值；

2)负序反方向元件的动作判据为：位于负序反方向动作区且3I₂＞0.625*3I_2DZ。

(f)90°接线功率方向元件

90°接线方向元件(电流滞后电压角度为正)，如图7所示，各相电流保护受式(15)所示相应方向元件的控制，正方向动作区为：

Claims (2)

1.一种数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、检测变电站内部或者相邻区域是否发生故障，发生故障进入步骤(2)；

(2)、如果数字化变电站边界区域出现仅有一条线路边界信息缺失，进入步骤(3)；

(3)、假设母线没有发生故障的前提下利用基尔霍夫电流定律，采用除边界信息缺失线路外的与母线相连的线路、母线与变压器的连接线、母联的电流采样值合成边界信息缺失线路的电流采样值，称为合成电流，进入步骤(4)；

(4)、使用母线电压和线路电流采样值，其中信息缺失线路采用合成电流值，采用常规线路保护算法检测并记录线路故障发生位置，如果每条线路常规保护第三段范围内都没有检测到故障，进入步骤(8)；

如果检测到任一条线路常规线路保护第一段范围内有故障，则集中式保护装置向发生故障线路的断路器发出无延时跳闸命令，进入步骤(5)；

如果没有检测到任一条线路常规线路保护第一段范围内有故障，进入步骤(7)；

(5)、经过常规断路器失灵保护要求的延时，检测已经发出的跳闸命令断路器是否动作，如果断路器失灵，则断开与母线相连的所有断路器，并进入步骤(8)；

如果断路器没有失灵：如果故障不在信息缺失线路常规保护第一段范围内，则进入步骤(7)；如果故障在信息缺失线路常规保护第一段范围内，则进入步骤(6)；

(6)、使用除信息缺失线路外与母线相连的线路、变压器连接线路和母联的电流采样值，采用常规母线差动算法检测母线是否发生故障，如果母线发生故障，则集中式保护装置向除信息缺失线路外与母线相连的断路器发出无延时跳闸命令，并进入步骤(8)；如果母线没有发生故障，进入步骤(7)；

(7)、如果故障发生在常规线路保护第二段或者第三段范围内，则集中式保护装置按常规保护第二段或者第三段延时发出跳闸命令并进入步骤(8)；

(8)、利用数字化变电站全站实时电流、电压信息、断路器状态，执行常规的数字化变电站集中式保护。

2.根据权利要求1所述的数字化变电站集中式保护装置边界信息缺失的处理方法，其特征在于：所述的步骤(4)中常规线路保护算法采用三段式距离或三段式电流保护算法。

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