CN102064613B - 数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法 - Google Patents

数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，继电保护采用多IED分布式故障检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障进行有效识别，采用保护装置和智能单元双重故障闭锁机制，保护装置上的过程层通信CPU只有在保护CPU的跳闸命令和故障检测FD开放命令同时存在的前提下，才解除GOOSE跳闸闭锁并转发GOOSE跳闸信号给智能单元，智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令和FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸；本发明在网络信息共享的基础上，采用多IED检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障进行有效地识别，利用GOOSE信息闭锁机制，防止保护IED异常引起误动，从而提高电力系统的可靠性。

Description

数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法
技术领域
本发明涉及属于电学领域，涉及一种数字化变电站中防止继电保护误动的继电保护故障检测元件闭锁保护方法。
背景技术
高压输电系统继电保护装置的可靠性是电力系统安全稳定运行的保证。在常规的变电站中，为防止保护装置发生软、硬件故障时可能引起保护的误动作，继电保护装置大都采用启动元件驱动启动继电器开放保护出口回路电源的方法，即通过硬接点闭锁出口回路的方法防止保护误动。专利号为ZL200310110260.6的中国专利公开了一种继电保护故障检测模块，且公开了相应的检测系统扰动的检测方法，但是该专利是基于传统微机保护，在数字化变电站中，保护IED的体系结构发生变化，相对于常规保护装置，IED无交流变换和AD采样回路，也取消了继电器出口回路，但增加了过程层信息处理模块或插件，用以接收模拟量信息和交换数字量信息。在数字化变电站中，电子互感器取代常规互感器采集一次回路电流、电压量进行AD变换为数字量并传送给合并器。保护IED的模拟量信息是来自合并器的数字量，跳闸命令通过GOOSE信号传给智能单元，智能单元负责一次开关设备的操作和位置读取，通过GOOSE信号通知IED。因此，常规的故障检测以及闭锁机制在数字化变电站的保护IED中失去作用。目前，有个别厂家在数字化变电站中借用传统闭锁模式，采用在IED中增加CPU冗余的方法进行互检，即保护CPU发出GOOSE跳闸信号需经启动CPU的故障检测信号开放才能再发出，但该方法存在以下缺点： 一是在IED内增加硬件成本，导致许多设备生产厂家不愿采用；二是闭锁机制未在跳闸出口的最后一级（一般指智能单元）把关，当网络上跳闸GOOSE数据异常而智单元漏检的情况下可能误动。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于根据在数字化变电站的网络构架和保护IED的特点，提出一种低成本且可靠性高的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法。
为实现上述目的，本发明的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法技术方案如下：继电保护采用多IED分布式故障检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障进行有效识别，采用保护装置和智能单元双重故障闭锁机制，保护装置上的过程层通信CPU或通信功能模块只有在检测到保护CPU的跳闸命令和反映电力系统扰动的相关故障检测FD开放命令同时存在的前提下，才解除GOOSE跳闸闭锁并转发GOOSE跳闸信号给智能单元，智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令和故障检测FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸。
进一步的，所述故障检测元件采用或门方式发出故障检测FD开放GOOSE信号，即任一故障检测元件检测到电力系统故障时，就发出故障检测FD开放GOOSE信号给相关保护装置和智能单元。
进一步的，所述任一故障检测元件检测到电力系统故障时，以组播方式发出故障检测FD开放GOOSE信号给相关保护装置和智能单元。
进一步的，所述分布式设置的故障检测元件是根据数字化变电站中的IED的功能灵活配置。
进一步的，母线PT测控装置IED配置电压故障特征的检测元件，出线间隔IED配置电流故障特征的检测元件。
进一步的，所述电压故障特征检测元件包括电压变化量检测元件、零序电压变化量检测元件、零序电压检测元件、负序电压检测元件以相或相间低电压检测元件；所述电流故障特征检测元件包括电流变化量检测元件、零序过流检测元件、负序过流检测元件。
进一步的，所述保护CPU的跳闸命令和故障检测FD开放命令同时存在是指两个命令出现时刻或其变为有效时刻的间隔时间在100 ms以内。 
进一步的，所述智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令和故障检测FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸中的同时是指两个命令间隔时间在100 ms以内。
本发明的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法在网络信息共享的基础上，采用多IED检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障进行有效地识别，利用GOOSE信息闭锁机制，防止保护IED（即保护装置）异常引起误动，从而提高电力系统的可靠性。其中故障检测为多IED分布式检测，完全保持硬件和软件上的独立性；故障检测的冗余设计不但为多种检测原理的冗余，而且为多个IED参与的完全硬件层次冗余，故障检测元件共同作用，互相配合，极大提高了故障检测元件应用的灵活性，系统的可靠性高；故障检测IED虽为分布式，但可借助现有数字化变电站系统结构，对IED安装、系统架构和通信模式不需改变，完全兼容，工程实用性很强，实现简单方便；双模式GOOSE闭锁机制的安全性极高。
附图说明
图1是PT测控IED故障检测逻辑框图；
图2是间隔保护测控IED故障检测逻辑框图；
图3是双重故障闭锁机制的原理图。
具体实施方式
本发明的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法是在网络信息共享的基础上，采用分布式设置的多保护装置IED检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障检修有效识别，采用保护装置和智能单元双重故障闭锁机制，保护装置上的过程层通信CPU只有在保护CPU的跳闸命令和故障检测FD（Fault Detect）开放命令同时（指两个命令出现时刻或其变为有效时刻的间隔时间在100 ms以内，考虑到电力系统故障的相关性和相关命令在不同网络结构中传输的延时和失效重发机制等因素，具体应用中100 ms的门槛可能会有调整）。存在的前提下，才解除GOOSE跳闸闭锁并转发GOOSE跳闸信号给智能单元，智能单元只有在同时（指两个命令间隔时间在100 ms以内）收到GOOSE跳闸命令和故障检测FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸，防止保护装置IED异常引起保护误动，从而提高电力系统的可靠性。
一、故障检测元件的设置
故障检测元件功能需由独立于被闭锁保护的不同硬件来实现，以防止保护插件遇到强干扰或发生软、硬件故障时，发生误动。在数字化变电站中，可完全利用原有的系统结构、网络构架和各IED智能装置实现故障检测和闭锁方案，即不需增加新IED设备，不需改变原有网络连接方式，不需对IED设备进行修改，只需各IED在基于网络信息共享基础上，在其原有功能上增加故障特征识别元件即可，如电压变化量、零（负）序电压、电流变化量和零（负）序电流等检测元件，当其识别到电力系统故障时， 以GOOSE形式给出相应的故障检测开放标志，用于解除其它保护IED的GOOSE跳闸闭锁和智能单元的闭锁。
 PT测控IED在完成PT测控基础上可增加电压故障特征监测元件，如电压变化量检测元件、零序电压变化量检测元件、零序电压检测元件、负序电压检测元件以及相或相间低电压检测元件等。如图1所示，具体描述如下：
① 电压变化量检测元件（△Uφ）
Figure 363746DEST_PATH_IMAGE001
  ，                            
式中： UΦ－当前电压，
         UΦ‘－一个周波前电压，
当前任一相的相电压比一个周波前的相电压下降7%时，电压变化率检测元件动作，展宽12s。
② 零序电压变化量检测元件（△3U0）
  △3U0>1.5V                                                  
△3U0为当前零序电压和1s前稳定的零序电压相比的变化量，该检测元件动作，展宽12s。
③ 零序电压检测元件（3U0）
  3U0>1V                                                      
该元件用来检测不对称故障，其动作门槛应躲过正常情况下的零序不平衡电压。返回系数0.9。
④ 负序电压检测元件（3U2）
3U2>4V                                                      
该元件用来检测不对称故障，其动作门槛应躲过正常情况下的负序不平衡电压，还应保证在长线末端两相短路故障时开放保护。 
为防止TV断线时故障检测频繁启动，零序（负序）过压检测元件12s后任一元件不消失，认为TV断线或3U0（3U2）是由不平衡产生的，闭锁零序（负序）过压检测元件。
⑤ 接地故障低电压检测元件（UΦ<）
当任一相的相电压低于额定相电压的80%时（即46V），接地故障低电压检测元件动作。返回系数0.9。
⑥ 相间故障低电压检测元件（UΦΦ<）
当任一线电压低于额定线电压的80%时（即80V），相间故障低电压检测元件动作。返回系数0.9。
为防止TV断线时故障检测模块频繁启动，UΦ<检测元件和UΦΦ<动作12s后不返回，认为TV断线，闭锁低电压检测元件。
PT测控IED在以上任一故障检测元件动作时，以组播方式发出FD开放GOOSE信号给相关保护和智能单元，保证故障时切除故障。
各间隔保护测控IED在完成保护测控基础上可增加电流故障特征监测元件，如电流变化量检测元件、零序过流检测元件、负序过流检测元件等。如图2所示，具体描述如下：
①  电流变化量检测元件△Iφ
    △iφmax>1.25△iT+0.1In                                      
其中：0.1In为固定门槛，低于主、后保护的启动门槛。
△iT为浮动门槛，随着变化量输出增大而逐步自动提高，取1.25倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出。
△iφmax是取三相中最大一相电流的突变量。
当任一相电流突变量连续4次大于启动门槛时开放保护，保持12s后返回。
该元件不受负荷电流的影响，不受直流分量的影响，能反映多种类型故障。
② 零序过流检测元件（3I0）
该元件用来检测单相接地故障，其动作门槛应躲过最大负荷条件下的零序不平衡电流，还应保证在高阻接地故障时开放保护。
3I0>0.1In                                                                              
满足条件后延时20ms零序过流检测元件动作，展宽12s。其返回系数为0.9。
③ 负序过流检测元件（3I2）
该元件用来检测不对称故障，其动作门槛应躲过最大负荷条件下的负序不平衡电流。
3I2>0.2In                                                                              
满足条件后延时20ms负序过流检测元件动作，展宽12s。其返回系数为0.9。
为防止TA断线时故障检测频繁启动，零序（负序）过流检测元件12s后任一元件不消失，认为TA断线或3I0（3I2）是由不平衡产生的，闭锁零序（负序）过流检测元件。
各间隔保护测控IED在以上任一故障检测元件动作时，以组播方式发出FD开放GOOSE信号给相关保护IED和智能单元，保证故障时切除故障。
二、双重故障闭锁机制
该数字化FD方案采用双重化故障闭锁机制，如图3所示，第一重闭锁是在保护装置IED上实现的信号级闭锁，保护装置上的过程层通信CPU只有在保护CPU的跳闸命令和FD开放命令（如图3中①符号标识）同时存在的前提下才转发GOOSE跳闸命令，这样可有效防止保护CPU运行异常或死机造成误发GOOSE跳闸信号。
第二重闭锁是智能单元IED上实现的出口级闭锁，智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令（如图3中③符号标识）和FD开放命令（如图3中②符号标识）的前提下才出口跳闸，这样一方面可有效防止因各种原因（如保护IED异常错发、GOOSE跳闸令误码漏检、地址错等）导致的错误GOOSE跳闸信号引起误跳闸，还可减少GOOSE跳闸信号的确认时间，可靠提高保护动作时间。
鉴于GOOSE信息在过程层数据流量中相对比重不大，加上虚拟网组播等手段，FD开放GOOSE信息不会造成网络负载过大。
当图3中k1点故障时，PT测控装置IED中的以检测电压故障特征的FD检测元件和变压器低压侧的保护IED中的以检测电流故障特征的FD检测元件会给出各自的FD开放GOOSE信号（如图3中标识①），故障线路的保护IED在检测到本线路故障且收到FD开放GOOSE信号后给出GOOSE跳闸命令（如图3中标识③）到本间隔智能单元，智能单元在同时接收到GOOSE跳闸命令和FD开放GOOSE信号后跳闸出口，切除故障线路。而保护IED异常等原因误发GOOSE信号时，在上述双重闭锁机制下能可靠闭锁，防止保护误动，从而提高系统可靠性。

Claims (7)

1.一种数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于，继电保护采用多IED分布式故障检测元件，综合多种故障识别判据对电力系统故障进行有效识别，采用保护装置和智能单元双重故障闭锁机制，保护装置上的过程层通信CPU或通信功能模块只有在检测到保护CPU的跳闸命令和反映电力系统扰动的故障检测FD开放命令同时存在的前提下，才解除GOOSE跳闸闭锁并转发GOOSE跳闸命令给智能单元，智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令和故障检测FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸。
2.根据权利要求1所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述故障检测元件采用或门方式发出故障检测FD开放命令，即任一故障检测元件检测到电力系统故障时，就发出故障检测FD开放命令给相关保护装置和智能单元。
3.根据权利要求2所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述任一故障检测元件检测到电力系统故障时，以组播方式发出故障检测FD开放命令给相关保护装置和智能单元。
4.根据权利要求1所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述多IED分布式故障检测元件是根据数字化变电站中的IED的功能灵活配置。
5.根据权利要求4所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：母线PT测控装置IED配置电压故障特征检测元件，出线间隔IED配置电流故障特征检测元件。
6.根据权利要求5所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述电压故障特征检测元件包括电压变化量检测元件、零序电压变化量检测元件、零序电压检测元件、负序电压检测元件以及相或相间低电压检测元件；所述电流故障特征检测元件包括电流变化量检测元件、零序过流检测元件、负序过流检测元件。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述保护CPU的跳闸命令和故障检测FD开放命令同时存在是指两个命令出现时刻或其变为有效时刻的间隔时间在100 ms以内。
 8. 根据权利要求7所述的数字化变电站中继电保护的故障闭锁方法，其特征在于：所述智能单元只有在同时收到GOOSE跳闸命令和故障检测FD开放命令的前提下，才解除闭锁并出口跳闸中的同时是指两个命令间隔时间在100 ms以内。
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