CN103779841B - 基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，该方法将后备保护范围分区处理，改变了后备保护依靠故障电气量值和时限阶梯配合实现选择性的应用现状，提高了后备保护的动作速度；综合利用电流差动原理和方向比较原理进行故障定位，既利用了差动原理的绝对选择性，又利用了方向元件对采样值数据同步要求较低的优点，同时降低了对站间数据通道的性能要求；在检测到系统故障后，延时Nms等待主保护动作，N∈[250，350]，如主保护拒动，则发出后备跳闸命令；如断路器失灵，则向扩大跳闸区域发出失灵跳闸命令，相比传统后备保护采取的一个级差至少500ms的阶梯延时，具有更快的动作速度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法。
背景技术
电力系统继电保护技术的应用目的在于电网发生故障时自动、快速的切除故障设备，将故障影响范围限制在最小的区域内，以保证电网无故障部分的正常运行，隔离故障的基本原则包括快速性、选择性、灵敏性及可靠性等。按照保护范围和动作特性不同，电力系统继电保护可分为主保护和后备保护两类：主保护能反应被保护设备的各种故障并以尽可能短的时限（瞬时）切除故障；当主保护拒动或者断路器失灵时，由后备保护以较短的时限（例如0.5秒）和较小的停电范围隔离故障设备。
目前电力系统中运行的后备保护几乎全部遵循阶梯时限原则整定，为保证选择性不得不牺牲快速性和灵敏性。现有的后备保护由于仅反应保护安装处的电气量信息，整定配合困难，而且往往达不到预期的保护效果，甚至引起连锁反应扩大事故影响范围。近年来，世界范围内的多次电网崩溃事故也被证明与后备保护这些固有缺陷有关。因此，改善后备保护性能对保证复杂电网的安全运行具有重要意义。
为改善后备保护性能，一些继电保护新方法得到了广泛研究，例如广域保护、集合保护，系统保护，集成保护等；上述新方法存在以下问题：1）广域信息的获取依赖于相量测量单元（PMU）和广域同步相量测量系统（WAMS），在中低压电网实施经济代价太大；2）无论采用集中式结构还是分布式结构，都存在保护区域如何确定的问题；3）为将故障影响范围限制到最小，需要从理论上进一步研究区域电网故障时的最优跳闸策略；4）准确获取用于继电保护的广域同步信息对通信网络的带宽和可靠性要求极高。上述这些因素限制了新原理继电保护的实用化。
智能变电站中采用了电子式互感器和智能一次设备，引入了符合IEC61850国际标准的信息建模技术，实现了信息采集的数字化和信息传输的网络化，提高了信息的共享程度。信息共享为研究继电保护新原理、新方法提供了更加丰富的技术手段，然而这一特点还未被继电保护充分利用，可以预见基于智能变电站内部共享信息实现的站域保护将是提高后备保护性能的重要发展方向。
电流差动原理和方向比较原理的继电保护在电力系统中均获得了广泛应用。电流差动原理作为主保护具有绝对选择性、优良选相能力和不受振荡影响等优点。与电流差动原理相比，方向比较原理对数据采集的同步性要求大大降低，因此通常用作线路纵联主保护，并在传统后备保护中得到应用。
发明专利（申请号：201210094854.1）《基于电流差动原理的站域后备保护方法》公开了一种基于电流差动原理的站域后备保护方法，该方法采用的确定故障点的方法为完全依靠“电流差动原理”，这种方法要求保护范围内的全部电流为同一时刻的采样值，这种要求在变电站内部容易满足，但在获取变电站之间的采样值信息时难以满足,因此，该发明在变电站之间的同步采样值信息缺失时无法工作；在确定变电站外部故障时，该发明采用逐一减少保护元件的方法，这种方法会多次计算差动电流、制动电流，增加了计算量，会对软硬件的实现提出较高要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，该方法将电流差动原理和方向比较原理相结合，实现智能变电站的全部后备保护功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，具体包括以下步骤：
（1）站域后备保护获得信息；
（2）划分站域后备保护的保护范围，站域后备保护的保护范围分为变电站内部元件和变电站出线两个部分；
（3）判断电力系统的状态；站域后备保护的故障启动元件用于判断电力系统是处于正常运行状态还是故障状态，如果判断结果为故障状态则转入步骤（4）进行故障处理；若电力系统为正常运行状态，则回到步骤（1）；
（4）判断故障范围：根据变电站内差动区的动作情况确定是变电站内部故障还是外部故障；若为变电站内部元件故障，则按步骤（5）处理，若是变电站外部故障，则进入步骤（6）；
（5）逐步缩小差动区，判断故障点所在；
（6）对于变电站外部故障，站域后备保护利用采集到的母线电压及出线电流进行逻辑判断，同时通过站间数据通道，获取各条出线对端变电站内站域后备保护的方向元件判断结果，然后将各条出线的方向元件判断结果进行综合分析；
（7）进行保护动作。
所述步骤（1）中，具体方法为：站域后备保护通过变电站过程层的SV网获取站内各合并单元采集的电压、电流采样值；通过过程层的GOOSE网获取站内断路器位置信息及所有主保护的动作信息；站域后备保护通过站间数据通道获取线路对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息。
所述步骤（2）中，具体划分方法为：站域后备保护的保护范围分为变电站内部元件和变电站出线两个部分，其中，前者为应用电流差动原理进行故障定位的区域，后者为应用方向比较原理进行故障定位的区域；定义变电站差动区为包含变电站全部元件的区域；元件差动区仅包含一个元件，与元件主保护范围一致；扩展差动区是由若干相邻的元件差动区合并构成；变电站差动区用于区分故障位于变电站内部还是位于变电站出线；通过扩展差动区的搜索来定位变电站内部的故障元件。
所述步骤（4）中，具体的确定方法是：故障启动元件动作确认系统发生故障后，若变电站差动区满足差动判据，即差动判据处于动作状态，则认定故障位于变电站内部；若变电站差动区不满足差动判据，即差动判据处于制动状态，则认定故障位于变电站之外。
所述步骤（5）中，依次将元件差动区从变电站差动区去除并形成扩展差动区，若去除某元件差动区后差动判据由动作状态转为制动状态，则确定故障位于该元件差动区；如此循环执行，直至扩展差动区仅包含唯一元件差动区，此时定位故障位于该唯一元件差动区；每个元件差动区仅包含一个元件，若确定故障位于某个元件差动区后，故障点即为该区的元件；整个过程为遍历过程，在遍历过程中先去除与变压器相连的母线元件，若母线元件都去除后仅剩变压器元件，则判定故障发生在该变压器。
所述步骤（6）中，具体方法为：当出现本变电站内某条出线A判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护也判为A出线为正方向故障时，则确定故障位于A出线；当出现本变电站内某条出线B判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护判为B出线为反方向故障时，则确定故障点位于站域后备保护区域之外，等待故障由其他保护切除。
所述步骤（7）的具体步骤包括：
（a）站域后备保护通过过程层网络获取站内的断路器位置信息和主保护动作信息；
（b）站域后备保护利用站间数据通道形成的扩展GOOSE网络获取对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息；
（c）站域后备保护检测到系统故障并确定故障元件后，延时等待主保护动作和断路器跳闸，在主保护拒动时由站域后备保护发跳闸令，在断路器拒动时由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸令直至故障隔离。
所述步骤（c）中，具体方法为：站域后备保护延时Nms等待主保护动作和断路器跳闸，期间不断检测以下信息：站域后备的启动元件动作信息、主保护动作GOOSE信息和各出线对端站域后备保护的动作GOOSE信息；在检测到故障Nms内如果没有主保护动作信息，则认为主保护拒动，发出后备保护跳闸令，跳开故障元件各侧断路器；在主保护发出跳闸令后，间隔Kms再次检测故障元件是否切除，如故障仍存在，则认为断路器拒动，由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸命令，直至故障消失，其中，N为自然数，取值范围为250-400，K为自然数，取值范围为150-250。
本发明的工作原理为：通过变电站内的过程层SV网络获取站内各合并单元采集的电压、电流采样值，利用全局同步时钟实现变电站内的采样值同步采集和传输。直接采集到的模拟量采样值用于差动电流和制动电流的计算以及方向元件的判别；变电站内部的断路器位置信息、主保护动作信息、出线对端变电站的站域后备保护动作信息均以GOOSE信息的形式，通过变电站内过程层GOOSE网或站间数据通道进行传输。站域后备保护基于智能变电站内高速通信网络和站间数据通道，在获取模拟量、开关量和主保护动作状态等共享信息的基础上，综合利用“方向比较原理”和“电流差动原理”的判断结果，对变电站内部以及引出线路上发生的故障进行快速、可靠、精确的定位，并依据优化的跳闸策略实现故障设备的切除。
本发明的有益效果为：
1、站域后备保护不依赖于WAMS系统获得数据，降低了对站间数据通道的性能要求；
2、将后备保护范围分区处理，改变了后备保护依靠故障电气量值和时限阶梯配合实现选择性的应用现状，提高了后备保护的动作速度；
3、简化现有后备保护的配置和整定，在主保护拒动时可准确、快速地定位故障设备，有效缩短后备保护的动作时限。
附图说明
图1为站域后备保护的应用环境示意图；
图2为站域后备保护范围示意图；
图3为站域后备保护正常运行流程图；
图4为站域后备保护故障处理流程图；
图5为利用广域以太网扩展GOOSE网络传输保护动作状态示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种变电站继电保护配置方案，对变电站中所有主设备均冗余配置具有完全选择性的电流差动原理主保护，同时集中配置站域后备保护，完成全站及出线的后备保护功能。
如图3和图4所示，一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，包括如下内容和实施步骤：
（1）站域后备保护通过变电站过程层的SV网获取站内各合并单元采集的电压、电流采样值；通过过程层的GOOSE网获取站内断路器位置信息及所有主保护的动作信息。站域后备保护通过站间数据通道获取线路对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息。
（2）站域后备保护的保护范围可分为变电站内部元件和变电站出线两个部分，其中前者为应用电流差动原理进行故障定位的区域，后者为应用方向比较原理进行故障定位的区域。定义变电站差动区为包含变电站全部元件的区域；元件差动区仅包含一个元件，与元件主保护范围一致；扩展差动区是由若干相邻的元件差动区合并构成。变电站差动区用于区分故障位于变电站内部还是位于变电站出线；通过扩展差动区的搜索可以定位变电站内部的故障元件。
（3）站域后备保护的故障启动元件用于判断电力系统是处于正常运行状态还是故障状态，如果判断结果为故障状态则转入步骤（4）进行故障处理程序。站域后备保护根据合并单元采集到的电流采样值进行故障启动判断，采用浮动门槛的电流突变量原理，可以灵敏反应系统中的各种类型故障。
（4）在故障处理程序中，首先通过变电站差动区的动作情况确定是变电站内部故障还是外部故障。具体的确定方法是：故障启动元件动作确认系统发生故障后，若变电站差动区满足差动判据，即差动判据处于动作状态，则认定故障位于变电站内部；若变电站差动区不满足差动判据，即差动判据处于制动状态，则认定故障位于变电站之外。若确定是变电站内部元件故障，则按步骤（5）处理，若是变电站外部故障，则按步骤（6）处理。
（5）确定是变电站内部元件故障后，依次逐个将元件差动区从变电站差动区去除并形成扩展差动区，若去除某元件差动区后差动判据由动作状态转为制动状态，则确定故障位于该元件差动区。如此循环执行，直至扩展差动区仅包含唯一元件差动区，此时定位故障位于该剩余元件差动区。每个元件差动区仅包含一个元件，该元件或者是变压器或者是母线，若确定故障位于某个元件差动区后，故障点即为该区的元件（变压器或母线）。在遍历过程中通常是先去除与变压器相连的母线元件，若母线元件都去除后仅剩变压器元件，则判定故障发生在该变压器。
（6）确定是变电站外部故障后，此时，利用电力系统中的方向元件进行正方向或反方向故障类别的判断：站域后备保护利用采集到的母线电压及出线电流进行方向元件的逻辑判断，同时通过站间数据通道（以GOOSE信息的方式）获取各条出线对端变电站内站域后备保护的方向元件判断结果，然后将各条出线的方向元件判断结果进行综合分析。当出现本变电站内某条出线（以L3为例说明）判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护也判为L3出线为正方向故障时，则可确定故障位于L3出线。当出现本变电站内某条出线（以L3为例说明）判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护判为L3出线为反方向故障时，则可确定故障点位于站域后备保护区域之外，等待故障由其他保护切除。
（7）站域后备保护通过过程层网络获取站内的断路器位置信息和主保护动作信息；利用站间数据通道形成的扩展GOOSE网络获取对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息。站域后备保护检测到系统故障并确定故障元件后，延时等待主保护动作和断路器跳闸，在主保护拒动时由站域后备保护发跳闸令，在断路器拒动时由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸令直至故障隔离。在确定延时时间时，充分考虑主保护动作时间和断路器跳闸时间，保证主、后备保护有足够的时间配合，并考虑到传统后备保护阶梯式时限通常为500ms。为缩短后备保护的动作时间，优选的，由上述步骤确定故障元件后，站域后备保护可延时300ms等待主保护动作和断路器跳闸，期间不断检测以下信息：站域后备的启动元件动作信息、主保护动作GOOSE信息以及各出线对端站域后备保护的动作GOOSE信息。在检测到故障300ms内如果没有主保护动作信息，则认为主保护拒动，则发出后备保护跳闸令，跳开故障元件各侧断路器；在主保护发出跳闸令后，间隔200ms再次检测故障元件是否切除，如故障仍存在，则认为断路器拒动，由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸命令，直至故障消失。
如图2所示的典型变电站为例说明站域后备保护的保护范围、电流差动原理应用范围及方向比较原理的应用范围。站域后备保护的保护范围包括变电站内部的所有设备以及变电站的全部出线，即由断路器CB07、CB06、CB10、CB11、CB24、CB20、CB22、CB25、CB16、CB15构成的区域A。同样，相邻变电站站G5配置的站域后备保护的保护范围为区域S，线路L5为两个变电站站域后备保护的重叠区域。
变电站差动区的范围仅包含变电站内部元件，选取本变电站全部出线的电流参与差动计算，即CB01、CB03、CB09、CB11、CB13、CB14、CB19、CB20、CB22、CB23，如图2的区域B所示。元件差动区与主保护的保护范围一致，变压器T1的元件差动区选取CB04、CB12、CB18的电流参与差动计算，如图2的区域C7所示，其他元件差动区的选择类似。扩展差动区由若干相邻的元件差动区合并构成，也可看作由边界差动区或站内差动区逐一去除元件差动区而形成，去除过程按照逐步缩小差动区域的选择进行，直至剩余唯一元件差动区。
下面结合两个实施例来说明其具体实现流程：
实施例一：
以线路L5故障，主保护拒动的工况为例。当F1处发生故障，故障启动元件动作，站域后备保护进入故障处理程序。经过电流差动判据运算，检测到变电站差动区B处于差动判据制动状态，由此判定，故障发生在变电站外部。此时有两种情况：情况一，故障位于变电站的出线上；情况二，故障位于站域后备保护的保护范围之外。站域后备保护根据采集到的母线电压量、出线电流量进行方向元件判断，出线L5的方向判断结果为正方向，而其余出线的方向判断结果均为反方向，认为出线L5为最大故障概率线路。站域后备保护若收到变电站G3发来的出线L5正方向故障的GOOSE信息，由此确定故障位于出线L5。并记录此时的出线L5故障电流值，作为故障返回判断的基准电流值。站域后备保护从确认故障启动后开始连续监视来自出线L5主保护的GOOSE跳闸信息，在计时满300ms时间内，一直未收到来自出线L5主保护的GOOSE跳闸信息，且出线L5的电流一直处于故障电流状态，至此确定出线L5主保护拒动，站域后备保护向CB09发出后备保护跳闸令，此后连续监测故障启动元件动作状态和出线L5的电流，若故障启动元件返回且出线L5处于无流状态，则认为后备保护成功切除出线L5处故障，整组复归，完成本次故障处理流程。
实施例二：以变压器T1内部故障，断路器CB12拒动为例，说明具体流程：
F2处发生故障，故障启动元件动作，站域后备保护进入故障处理程序：
经过电流差动判据运算，检测到变电站差动区B均处于差动判据的动作状态，判定故障元件位于变电站内部；
进入站内元件故障的扩展差动区遍历程序，依次从站内差动区B中去除元件差动区母线Bus01、Bus02、Bus03、Bus04、Bus05、Bus06和变压器T2，在此过程中形成的扩展差动区都处于差动判据的动作状态，由此确定故障位于剩余的唯一元件差动区C7，即变压器T1内部故障。同时，从确认故障启动后开始连续监视来自变压器T1主保护的GOOSE跳闸信息，在收到来自T1主保护的跳闸GOOSE信息且计时满300ms后，开始检测元件差动区C7和变电站差动区B的动作情况，在之后的200ms内，元件差动区C7和变电站差动区B一直处于差动判据动作状态，表明故障未切除，通过检测断路器的位置GOOSE信息，断路器CB04和CB18均已处于跳闸位置且电流为零，而断路器CB12仍处于合闸位置或有电流流过，判定断路器CB12跳闸失败，向扩大跳闸区域（即CB13和CB14）发失灵跳闸命令。若元件差动区C7和变电站差动区B，由差动判据动作状态恢复到制动状态，则认为故障切除，整组复归，完成本次故障处理流程。
要实现本发明的站域后备保护方案，获取对端变电站GOOSE信息的通信系统是关键之一，如图5所示，描述了一种采用广域以太网扩展过程层GOOSE网络的站间信息传输模式：变电站M中的站域保护装置要获取输电线路对端变电站N的GOOSE信息，可以通过本地过程层网络、GOOSE转发装置和EoS广域以太网访问变电站N中的GOOSE转发装置；变电站N的站域后备保护动作状态通过数据链路①→②→③→④→⑤，进入变电站M中的站域后备保护中。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：具体包括以下步骤：
(1)站域后备保护获得信息；
(2)划分站域后备保护的保护范围，站域后备保护的保护范围分为变电站内部元件和变电站出线两个部分；
(3)判断电力系统的状态；站域后备保护的故障启动元件用于判断电力系统是处于正常运行状态还是故障状态，如果判断结果为故障状态则转入步骤(4)进行故障处理；若电力系统为正常运行状态，则回到步骤(1)；
(4)判断故障范围：根据变电站内差动区的动作情况确定是变电站内部故障还是外部故障；若为变电站内部元件故障，则按步骤(5)处理，若是变电站外部故障，则进入步骤(6)；
(5)逐步缩小差动区，判断故障点所在；
(6)对于变电站外部故障，站域后备保护利用采集到的母线电压及出线电流进行逻辑判断，同时通过站间数据通道，获取各条出线对端变电站内站域后备保护的方向元件判断结果，然后将各条出线的方向元件判断结果进行综合分析；
(7)进行保护动作；
所述步骤(6)中，具体方法为：当出现本变电站内某条出线A判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护也判为A出线为正方向故障时，则确定故障位于A出线；当出现本变电站内某条出线B判为正方向而其余出线全部为反方向，并且对端站域后备保护判为B出线为反方向故障时，则确定故障点位于站域后备保护区域之外，等待故障由其他保护切除。
2.如权利要求1所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体方法为：站域后备保护通过变电站过程层的SV网获取站内各合并单元采集的电压、电流采样值；通过过程层的GOOSE网获取站内断路器位置信息及所有主保护的动作信息；站域后备保护通过站间数据通道获取线路对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息。
3.如权利要求1所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(2)中，具体划分方法为：站域后备保护的保护范围分为变电站内部元件和变电站出线两个部分，其中，前者为应用电流差动原理进行故障定位的区域，后者为应用方向比较原理进行故障定位的区域；定义变电站差动区为包含变电站全部元件的区域；元件差动区仅包含一个元件，与元件主保护范围一致；扩展差动区是由若干相邻的元件差动区合并构成；变电站差动区用于区分故障位于变电站内部还是位于变电站出线；通过扩展差动区的搜索来定位变电站内部的故障元件。
4.如权利要求1所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体的确定方法是：故障启动元件动作确认系统发生故障后，若变电站差动区满足差动判据，即差动判据处于动作状态，则认定故障位于变电站内部；若变电站差动区不满足差动判据，即差动判据处于制动状态，则认定故障位于变电站之外。
5.如权利要求1所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(5)中，依次将元件差动区从变电站差动区去除并形成扩展差动区，若去除某元件差动区后差动判据由动作状态转为制动状态，则确定故障位于该元件差动区；如此循环执行，直至扩展差动区仅包含唯一元件差动区，此时定位故障位于该唯一元件差动区；每个元件差动区仅包含一个元件，若确定故障位于某个元件差动区后，故障点即为该区的元件；整个过程为遍历过程，在遍历过程中先去除与变压器相连的母线元件，若母线元件都去除后仅剩变压器元件，则判定故障发生在该变压器。
6.如权利要求1所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(7)的具体步骤包括：
(a)站域后备保护通过过程层网络获取站内的断路器位置信息和主保护动作信息；
(b)站域后备保护利用站间数据通道形成的扩展GOOSE网络获取对端变电站的断路器位置信息、主保护动作信息及对端站域后备保护的动作信息；
(c)站域后备保护检测到系统故障并确定故障元件后，延时等待主保护动作和断路器跳闸，在主保护拒动时由站域后备保护发跳闸令，在断路器拒动时由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸令直至故障隔离。
7.如权利要求6所述的一种基于方向比较与电流差动相结合的站域后备保护方法，其特征是：所述步骤(c)中，具体方法为：站域后备保护延时Nms等待主保护动作和断路器跳闸，期间不断检测以下信息：站域后备的启动元件动作信息、主保护动作GOOSE信息和各出线对端站域后备保护的动作GOOSE信息；在检测到故障Nms内如果没有主保护动作信息，则认为主保护拒动，发出后备保护跳闸令，跳开故障元件各侧断路器；在主保护发出跳闸令后，间隔Kms再次检测故障元件是否切除，如故障仍存在，则认为断路器拒动，由站域后备保护向扩大跳闸区域发失灵跳闸命令，直至故障消失，其中，N为自然数，取值范围为250-400，K为自然数，取值范围为150-250。
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