CN109149666B - 特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，所述的方法包括：S1：确定后备保护距离段的整定策略；S2：计算并分析距离段中距离Ⅱ段的故障概率；S3：重复步骤S1‑S2，直至距离Ⅱ段的故障概率最低。本发明考虑了直流运行的安全，大大降低电网运行的风险。

Description

特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法。

背景技术

中国倡议构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色的方式满足全球的电力需求。在清洁、绿色电能全网优化配置的经济发展思路下，近些年国内的特高压交流、直流输电工程发展迅猛[1]。以山东电网为例，至2020年，山东电网将建成1000kV特高压交流变电站5座(泉城、昌乐、高乡、枣庄、东明)，建成±800kV特高压直流换流站2座(广固、沂南)，加上已投入运行的±660kV胶东换流站，山东电网接受外来电将达3200万千瓦以上，已经成为特-超高压交直流混联的大受端电网，对运行的安全稳定提出了更高要求。尤其是在特高压直流集中馈入近区的交流系统故障，若继电保护不能快速切除，可能导致多回直流连续换相失败甚至闭锁，送、受端电网均承受巨大的暂态能量冲击，给电网的安全稳定运行带来极大的挑战。

近年来，电网继电保护发展迅速，220kV及以上线路大多配置两套相互独立的快速动作的主保护，保护的性能和可靠性也较以往有了很大的完善。但某些情况下，如CT单侧配置带来的主保护死区、通信或直流电源失去使主保护失效等，会造成主保护无法起作用，需要后备保护切除故障。

当前阶段式保护的整定配合任遵守交-交配合、后-后配合的原则，在特高压直流馈入前，不同电压等级电网之间、上下级电网之间、局部电网与整体电网之间保护关联不大，分层整定可以有效避免下级电网故障蔓延至上级电网。但特高压交直流混联大受端电网与之前电网相比，结构、形态和运行方式均发生深刻变化，后备保护如果不与之相适应，即使是继电保护正确动作，也可能会出现大面积停电的情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，考虑了直流运行的安全，大大降低电网运行的风险。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，所述的方法包括：

S1：确定后备保护距离段的整定策略；

S2：计算并分析距离段中距离Ⅱ段的故障概率；

S3：重复步骤S1-S2，直至距离Ⅱ段的故障概率最低。

进一步的，步骤S1中，距离段的整定策略为：

距离Ⅰ段保护范围为其所处线路长度的80-85％，距离Ⅰ段的动作时间为0；距离Ⅱ段保护范围为其所处线路的全长，并延伸到相邻的下一线路，距离Ⅱ段的动作时间为固定值。

进一步的，距离Ⅱ段整定值的计算方法为：

其中，

为被保护AB线路的整定值，K_sen为灵敏性系数，Z_AB为被保护AB线路的阻抗值，

为距离Ⅱ段动作时间，Δt为一个固定数值。

进一步的，步骤S2的具体实现过程为：

获取线路失去主保护的概率P(Q)；

计算线路发生故障的概率P(M)；

计算故障落入保护动作时间过长区域的概率P(N)；

计算直流闭锁故障的概率Pd为：Pd＝P(Q)*P(M)*P(N)。

进一步的，P(Q)根据电网保护跳闸动作情况的历史记录得到：P(Q)＝a/c，其中，a表示统计时间范围内后备保护动作的次数，c表示统计范围内线路跳闸次数。

进一步的，P(M)的计算方法为：

首先，采用泊松分布来模拟线路发生故障的概率，计算出在给定的时间t内不发生故障的概率P_nor，然后计算出时间t内发生故障的概率P(M)。

进一步的，时间t内不发生故障的概率P_nor的计算公式为：

式中，λ₀为所观察时间t内线路的平均故障率，故障频率可通过历史记录得到，t取决于评估周期。

进一步的，P(N)的计算过程为：

设线路全长为L，保护动作时间过长范围为L_no，则故障落入该范围的概率为：

式中：Z_no为L_no对应的阻抗；Z_L为该线路阻抗。

本发明的有益效果是：

传统距离保护的Ⅱ段逐级配合原则，当失去主保护时，某些线路动作时间较长，不能适应特高压交直流混联电网安全运行需要。本发明通过固定Ⅱ段时间，不仅可以防止交流故障导致的直流闭锁，提升距离保护适应直流馈入和新能源接入的能力，有效降低交直流混联电网的整体安全风险，而且，本线路定值只与本线路的参数有关，与电网结构或方式“解耦”，不再考虑与其他元件阶段式距离保护的配合，不因电网方式变化而改变。经过改进后，距离保护仅作为失去通道时的后备，距离Ⅱ段作为纵联保护的近后备，阶段式距离保护仅面向保护死区、管理盲区等稀有故障动作。

本发明增加了风险计算的环节，用于修正整定策略，通过综合线路失去主保护的概率P(Q)、线路发生故障的概率P(M)、故障落入保护动作时间过长区域的概率P(N)，准确计算并分析因保护配合动作时间过长而引发直流闭锁故障的概率，借由此概率判断长线路保护距离Ⅱ段区域发生故障的概率，从而起到最好的保护效果。

附图说明

图1为距离保护逐级配合原则示意图；

图2为逐级配合时，距离Ⅱ段动作延时过长导致直流闭锁示意图；

图3为不采用逐级配合时，部分距离Ⅱ段失去选择性的示意图；

图4为本发明方法的整体流程图；

图5为选择性不满足时的阻抗值大小关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，下文的公开提供了具体实施方式用来实现本发明的装置及方法，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实现本发明。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。应当理解，尽管本发明描述了其优选的具体实施方案，然而这些只是对实施方案的阐述，而不是限制本发明的范围。

首先，为了更好地理解本申请的技术方案，对本技术方案相关的主保护和后备保护方案进行阐述。

目前，交流电网的主保护一般采用纵联差动作。纵联差动保护以基尔霍夫电流定律为判断故障的依据，原理简单可靠，动作速度快。用空间感知解决空间问题，边界清晰，选择性极高，而且不受系统振荡、非全相运行的影响，可以反映各种类型的故障，是理想的线路主保护。

近年来，主保护发展迅速，各区域地网和网省公司中220kV及以上线路配置两套相互独立、且采用不同生产厂家的快速动作的主保护已经成为常态，保护的性能和可靠性也大大改善。以山东电网为例，截至2018年2月，全网220kV及以上电网保护微机化率、双重化率已达100％，其中线路保护双差动率已达90％、光纤化率已达98％，220kV母线保护双失灵率已达95％，双套快速动作的主保护配置已足够强。另外，据实际运行经验：具有自检功能的微机保护装置单一元件故障不会导致误动。同时，双重化配置能有效避免保护装置拒动。

功能强大并双套配置的纵联差动主保护已经使事故情况下拒动的可能极大地减少，交直流混联电网中其主要功能是切除交流电网的绝大多数故障。

然而，主保护仍然存在盲区：

1)CT单侧配置，主保护的保护范围有死区

主保护的范围是线路两侧的CT之间部分，但目前很多变电站的开关CT单侧布置，主保护范围存在死区。主保护无法切除开关和CT之间的死区故障，虽然开关的死区保护、失灵保护能够进行补充，切除故障死区故障，但切除时间较长，容易影响直流的安全运行。由于最初设计的空间限制，已难有足够的安全距离布置双侧CT，重新改造难度大。另外，由于设计的缺陷，CT存在一次装反、二次接线接反等原因所导致的保护死区，在运行的设备中同样很难排查和避免。

2)通信、直流电源失去，主保护将失效

主保护依赖光纤通道和站内直流电源，当通信或直流电源失去，纵联保护将无法起作用，需要考虑在失去纵联保护或仅有单侧保护的情况下如何有效切除故障。

3)管理缺陷给主保护运行带来风险

发电厂、新能源厂站是电网的重要组成部分，尤其是近些年新能源场站发展迅速，其数量多、分布广，已经遍布各电压等级的电网，受设备质量、运维人员水平、管理上的限制，发电厂、新能源场站可能成为主保护管理的盲区，存在管理不当造成主保护失效的情况。

在实际电网的运行中，交流电网的后备保护主要是距离保护和零序电流保护，采集单侧的电压、电流量，构成阶段式保护，用时间去解决空间问题。距离保护是一种适应复杂运行方式、保护范围相对固定的后备保护，是交流电网的主要后备保护。零序电流保护在大多数电网中已被大大简化，仅作为接地距离保护的补充。

由于主保护功能的强大，后备保护动作的几率和压力已经大大减小。据统计，山东电网近六年中发生故障1002次，靠后备保护动作的仅有3次。在交直流混联电网中，后备保护的主要功能应该主保护的盲区，切除CT死区故障、通信或直流电源失去以及管理盲区等其他因素造成的主保护无法切除的故障。

当前大多数交流电网中，距离保护的整定计算严格按照逐级配合的原则考虑，如图1所示。距离保护R_A的Ⅰ段保护范围为线路AB段的80～85％，当故障点位于保护范围时，保护瞬时动作。距离保护R_A的Ⅱ段保护范围为线路AB段的全长(满足近后备原则要求)，并延伸到BC段，即在各种运行方式下本线路末端发生各种类型故障时保护都要有一定的灵敏度。

为了保证保护的选择性，当不超出距离保护R_B的Ⅱ段时，保护动作时间增加一个时间极差Δt，当超出距离保护R_B的Ⅱ段时，距离保护R_A的Ⅱ段需要与距离保护R_B的Ⅱ段配合，在R_B的Ⅱ段动作时间Δt的基础上再增加一个时间极差Δt，以此类推。

距离保护R_B的Ⅲ段作为线路BC保护和线路AB主保护的后备保护，动作阻抗小于线路的最小负荷阻抗，保护动作时间大于线路AB和BC保护动作的最大时间，即当距离保护Ⅰ、Ⅱ段在故障时均不动作，距离保护Ⅲ段作为后备保护动作挑战，切除故障。

当线路AB很长，BC线路很短，即线路AB的阻抗远大于短线路BC时，距离保护R_A的Ⅱ段可能越过距离保护R_C的Ⅱ段的保护范围，采用逐级配合原则会使距离Ⅱ段动作延时过长甚至失配。另外，环网和平行线路也使距离保护的配合变得困难，尤其是省级或区域级电网规模庞大、运行方式多变，线路距离保护的逐级配合整定计算方法经常出现保护定值失去配合或难以满足灵敏度要求的情况。

如上文所述，距离保护的整定计算严格按照逐级配合的原则考虑时，尤其是长线路与短线路配合时，距离Ⅱ段动作延时会很长。交流系统故障如果不能及时切除，可能使直流连续发生换相失败，超出一定时间范围，如图2中下方区域外部分，发生直流双极闭锁。

为了满足速动性和灵敏性，距离保护R_A的Ⅱ段不与R_B的Ⅱ段配合，两者动作的范围存在重合区，如图3中所示。当故障发生在动作重合区内，R_A的Ⅱ段与R_B的Ⅱ段可能会同时动作，同时切除线路AB和BC使距离保护的动作失去选择性。

基于上述问题，如图4所示，本发明提供了一种特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其整体的控制思路包括以下步骤：

S1：确定后备保护距离段的整定策略。

首先，距离Ⅰ段整定策略不变，其保护范围为其所处线路长度的80-85％，距离Ⅰ段的动作时间为即时响应。

其次，距离Ⅱ段保护范围为其所处线路的全长，并延伸到相邻的下一线路，距离Ⅱ段不再与相邻线路配合，距离Ⅱ段动作时间取固定的取值Δt，小于直流连续换相失败引发直流闭锁的时间。另外，针对主保护的盲区(无法切除CT死区故障，通信、直流电源失去或人为因素造成的保护失等)，整定时保证距离Ⅱ段对线末有足够的灵敏度，如式(1)所示。

其中，Z_A为被保护AB线路的整定值，K_sen为灵敏性系数，

为被保护AB线路的整定值，K_sen为灵敏性系数，Z_AB为被保护AB线路的阻抗值，

为距离Ⅱ段动作时间，Δt为一个固定数值。

根据式(1)所示的原则进行整定，能够保证距离Ⅱ段的灵敏性和速动性。同时，距离Ⅱ段整定不再强调与线路的配合，因此整定非常简单，大电网整定计算中系数运行方式选择、分支系数的计算等难题都不会再出现。但如上文分析，本整定方法中，当长线路配短线路，短线路的距离Ⅱ与长线路的距离Ⅱ保护重叠部分发生故障时，保护失去选择性，短线路和长线路会同时跳闸。

S2：计算并分析距离段中距离Ⅱ段的故障概率。

所有引起换流母线电压畸变的故障均可能引起换相失败，连续换相失败持续到一段时间后，会引起直流闭锁。山东电网中所有500kV线路、直流落点附近相当数量的220kV线路的单永和三永故障均可能引起三回直流同时换相失败。

距离Ⅱ段与本线路距离Ⅰ段配合，动作取固定时间极差。本线路与相邻线路距离Ⅱ段需要配合时，动作时间叠加一个时间极差。考虑保护动作时间、开关动作时间等因素的影响，一个时间极差一般取为0.3s。如图2所示，当线路之间距离Ⅱ段需要配合时，距离Ⅱ段动作的时间至少为两个时间极差，已经超过直流闭锁的时间限制。当主保护失去作用，线路AB需要距离Ⅱ段保护动作的范围内发生故障，或CT的死区故障发生后，主保护无法起作用，因保护动作时间过长而引起直流连续换相失败，导致直流闭锁。

由此可见，保护因动作时间过长引起直流闭锁的概率取决于长线路保护距离Ⅱ段区域发生故障的概率。

设线路主保护失去作用(事件Q)、发生故障(事件M)和故障落入保护动作时间过长区域(事件N)为3个独立事件，则因保护配合动作时间过长而引发直流闭锁故障的概率Pd为：

Pd＝P(Q)*P(M)*P(N) (2)

式(2)中：P(M)为线路发生故障的概率；P(N)为故障落入保护动作时间过长区域的概率；P(Q)为线路主保护失去作用的概率。

线路失去主保护的概率可以根据电网保护跳闸动作情况的历史记录得到：

P(Q)＝a/c (3)

其中，a表示统计时间范围内后备保护动作的次数，c表示统计范围内线路跳闸次数。

线路发生故障的概率通常采用泊松分布来模拟，在给定的时间t内不发生故障的概率为：

因此，时间t内发生故障的概率为：

式(4)和(5)中：λ₀为所观察时间t内线路的平均故障率，由于故障持续时间通常很短，可用故障发生的频率代替平均故障率，故障频率可通过历史记录得到；t取决于评估周期。

对于故障点位置，既可以采用基于历史统计的离散概率分布，将线路分为多段；也可以采用均匀分布进行模拟。若历史数据不充分，建议采用后者。

设线路全长为L，保护动作时间过长范围为L_no，则故障落入该范围的概率为：

式中：Z_no为L_no对应的阻抗；Z_L为该线路阻抗。可见，Z_no(故障落入保护动作时间过长区域)的计算成为确定保护不满足速动性概率的核心。

以图1保护R_A距离Ⅱ段与相邻保护R_B距离Ⅱ段的配合为例，不满足速动性时间要求的范围为线路AB的距离Ⅱ动作范围：

Z_I≤Z_no≤Z_L (7)

式中：Z_I为保护R_A距离Ⅰ段的整定阻抗。

距离保护逐级配合的风险为保护因动作时间过长引起直流闭锁的概率与直流闭锁所导致后果的乘积：

R_C＝Pd×I_d (8)

式中：R_C为距离保护逐级配合的风险；I_d为直流闭锁产生的后果，本文以损失负荷量衡量。

以图1保护R_A距离Ⅱ段与相邻保护R_B距离Ⅰ段不配合为例进行分析，选择性不满足要求等价于：

式中：

为R_A距离Ⅱ段的实际运行定值；

为保护R_B距离Ⅰ段定值。

阻抗值大小关系如图5所示，故障图中部分时，保护R_A和R_B无法进行区分，同时动作跳闸。

图中阴影段为保护误动范围为：

式中：Z_LAB、Z_LBC分别为线路AB和BC的阻抗。

保护R_A误动概率为：

式中，Pr为保护误动的概率；BC为线路BC在时间T内的平均故障率。

简化距离保护的风险为保护因失去选择性导致越级跳闸的概率与越级跳闸后果的乘积，交流线路越级跳闸的后果，同样以损失负荷量衡量，现在区域或省级电网大多为环网供电，越级跳闸不会引起太多的负荷损失量。

S3：重复步骤S1-S2，通过调整步骤S1中的取值时间，可以计算出若干概率，选择其中故障概率最低的整定策略，作为此次设计的最终方案。

本发明在实际应用中，以山东电网为例，现对该系统所辖部分区域内500kV线路距离保护采用传统距离保护Ⅱ段整定原则与采用新整定原则进行风险评估。

总计线路123条，保护安装246处。风险评估的参数取值：线路主保护失去作用的概率P(Q)＝0.003，λ₀＝0.001，时间t＝300s内发生故障的概率P(M)＝0.26。

采用“逐级配合”的整定原则时，故障落在本线路距离Ⅱ的范围内且配合到两个极差以上时会发生直流闭锁，直流闭锁的功率损失为直流输送功率，本文以银东直流为例，损失负荷为4000MW。采用本文考虑直流运行安全的距离保护整定计算方法时，故障落在本线路距离Ⅱ段伸到相邻线路Ⅱ段的长度中，会引起越级跳闸，越级跳闸损失的负荷量为上级线路所带负荷大小，设为100MW。分别计算结果对比如下表所示：

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施方式大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (5)

1.特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其特征在于，所述的方法包括：

S1：确定后备保护距离段的整定策略；

步骤S1中，距离段的整定策略为：

距离Ⅰ段保护范围为其所处线路长度的80-85％，距离Ⅰ段的动作时间为0；距离Ⅱ段保护范围为其所处线路的全长，并延伸到相邻的下一线路，距离Ⅱ段的动作时间为固定值；

距离Ⅱ段整定值的计算方法为：

其中，

为被保护AB线路的整定值，K_sen为灵敏性系数，Z_AB为被保护AB线路的阻抗值，

为距离Ⅱ段动作时间，Δt为一个固定数值；

S2：计算并分析距离段中距离Ⅱ段的故障概率；

步骤S2的具体实现过程为：

获取线路失去主保护的概率P(Q)；

计算线路发生故障的概率P(M)；

计算故障落入保护动作时间过长区域的概率P(N)；

计算直流闭锁故障的概率Pd为：Pd＝P(Q)*P(M)*P(N)；

S3：重复步骤S1-S2，直至距离Ⅱ段的故障概率最低。

2.根据权利要求1所述的特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其特征在于，P(Q)根据电网保护跳闸动作情况的历史记录得到：P(Q)＝a/c，其中，a表示统计时间范围内后备保护动作的次数，c表示统计范围内线路跳闸次数。

3.根据权利要求1所述的特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其特征在于，P(M)的计算方法为：

首先，采用泊松分布来模拟线路发生故障的概率，计算出在给定的时间t内不发生故障的概率P_nor，然后计算出时间t内发生故障的概率P(M)。

4.根据权利要求3所述的特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其特征在于，时间t内不发生故障的概率P_nor的计算公式为：

式中，λ₀为所观察时间t内线路的平均故障率，故障频率可通过历史记录得到，t取决于评估周期。

5.根据权利要求1所述的特高压交直流混联受端电网距离保护设计方法，其特征在于，P(N)的计算过程为：

设线路全长为L，保护动作时间过长范围为L_no，则故障落入该范围的概率为：

式中：Z_no为L_no对应的阻抗；Z_L为该线路阻抗。

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