CN114614451B - 站域层远后备保护方法、保护装置和层次化继电保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开站域层远后备保护方法、保护装置和层次化继电保护系统，属于电力系统继电保护领域。包括：保护系统由就地层保护和站域层保护组成。就地层保护采用双重化配置方案，每套保护均能实现站内被保护的元件的主保护和简化后备保护；站域层保护一是作为就地层保护的近后备，二是在不需要与相邻站进行信息交互的情况下就可实现远后备保护功能。本发明极大简化目前变电站继电保护系统后备保护的整定计算，避免出现保护失配情况，同时在不降低变电站现有继电保护系统保护性能的前提下，进一步提升变电站继电保护系统的后备保护性能和保护异常运行工况下的保护能力。

Description

站域层远后备保护方法、保护装置和层次化继电保护系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，更具体地，涉及站域层远后备保护方法、保护装置和层次化继电保护系统。
背景技术
目前，我国220kV及以上电压等级系统继电保护双重化率已经达到了100％，主保护的可靠性已经得到了大幅度的提升。而对于后备保护系统而言，其大多基于电气量定值和阶段式时间定值的配合来实现保护的选择性。然而，随着电网规模越来越大、结构越来越复杂，后备保护的整定配合越来越困难，当后备保护动作特性失配时，可能造成保护误动或拒动事故的发生。此外，当电网发生故障且继电保护系统出现异常时，传统继电保护系统切除故障的时间会相当长，使得电网出现长时间的过电流和过电压，这不仅会导致相关电气主设备损坏，而且也会严重危害电网的安全稳定运行。
随着基于IEC-61850标准的智能变电站的大规模建设和投运，变电站全站信息的数字化和标准化以及通信网络化使得变电站站内信息集成、信息共享和信息交互的水平得到了大幅度地提升，为解决上述问题提供了有利的契机。
专利CN110957702A公开一种智能变电站的保护配置系统，包括就地间隔级和站域保护控制级，其中：就地间隔级，用于从智能变电站中获取状态信息，对所述状态信息进行就地保护，并将从智能变电站中获取的状态信息上传至站域保护控制级；站域保护控制级，用于对就地间隔级上传的状态信息和从就地间隔级采集的站域信息基于动作时序逻辑进行站域保护控制。然而，该方案存在以下不足和缺陷：在站域层仅实现了对就地间隔级的近后备保护功能。由于站域层不具备远后备保护功能，站域层保护的保护性能及保护方案的完备性差。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了站域层远后备保护方法、保护装置和层次化继电保护系统，其目的在于简化变电站继电保护系统后备保护的整定计算，避免出现保护失配的情况，同时在不需要与相邻站进行信息交互的情况下实现站域层近后备保护功能和远后备保护功能，提升变电站的后备保护性能和继电保护系统异常运行工况下的保护能力。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种站域层应对变电站站用直流失压的远后备保护方法，该方法包括：
S1.检测到就地层线路保护发出单方向的通道告警信号；
S2.对发生通道告警的线路投入站用直流失压远后备保护功能；
S3.经站内过程层网实时地获取发生通道告警的线路非失压站侧的电气量采样值；
S4.当采样值满足站用直流失压远后备保护功能的判据时，该保护功能动作，动作时延取2Δt，其中，Δt为时间级差。
优选地，S4具体如下：当根据电流采样值计算得到的负序电流I2大于预设的负序电流整定值I2.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
优选地，S4具体如下：当根据电流采样值计算得到的零序电流3I0大于预设的零序电流整定值I0.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种站域层应对变电站全站保护出口压板均未投的远后备保护方法，该方法包括：
S1.经站内过程层网络接收到与故障的被保护元件对应的保护装置发出的跳闸指令，同时故障元件所在支路的断路器失灵保护启动；
S2.经过一次断路器失灵保护延时，根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，同时检测到断路器失灵保护发出的跳闸指令，跳相关断路器；
S3.应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能启动，开始计时；
S4.经过一次断路器失灵保护延时，根据步骤S2中断路器所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，同时判断全站保护出口压板均未投；
S5.应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能经本站就地层线路保护给所有有源的相邻站的就地层线路保护发远跳信号，以实现故障切除。
优选地，所述根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，具体如下：
经过一次断路器失灵保护延时，根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值IΦ大于预设的电流整定值Iset判断故障仍存在：
IΦ≥Iset,Φ＝A,B,C。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种站域层保护装置，包括：近后备保护模块和远后备保护模块；
所述近后备保护模块，用于作为变电站就地层保护的冗余，在就地层继电保护系统异常时提供近后备保护功能；
所述远后备保护模块，在相邻变电站发生站用直流失压时，执行第一方面所述的一种站域层应对变电站站用直流失压的远后备保护方法，在本变电站全站保护出口压板均未投且系统又发生故障时，执行第二方面所述的一种站域层应对变电站全站保护出口压板均未投的远后备保护方法。
为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种变电站层次化继电保护系统，由就地层保护装置和如第三方面所述的站域层保护装置构成，实现以就地层保护为主体、站域层保护为补充的继电保护系统框架，其中，
所述就地层保护装置按被保护元件双重化配置，作为被保护元件的主保护；
所述站域层保护装置按变电站单套配置，一是作为就地层保护的冗余保护，提供近后备保护功能；二是在不需要与相邻站进行信息交互的情况下实现远后备保护功能，可应对变电站全站直流失压异常工况以及全站保护出口压板均未投异常工况。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提出一种站域层应对变电站站用直流失压的远后备保护方法，站域层保护装置通过检测就地层线路保护单方向的通道告警信号投入站用直流失压远后备保护功能，进一步，该保护功能根据电流采样值计算得到的负序电流幅值大于预设的负序电流整定值或根据电流采样值计算得到的零序电流幅值大于预设的零序电流整定值而动作，动作延时仅为2Δt，减小了故障的切除时间，避免长时间过流对故障元件及其相邻电气主设备造成的损坏。
(2)本发明提出一种站域层应对变电站全站保护出口压板均未投的远后备保护方法，站域层保护装置经一次断路器失灵保护延时检测到失灵保护的跳闸信号时投入应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能，再经过一次断路器失灵保护延时，该功能根据相关断路器所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断全站保护出口压板均未投，进而经本站就地层线路保护给所有有源的相邻站的就地层线路保护发远跳信号以切除故障，故障切除的总时间仅为两次断路器失灵保护的延时。该方法避免了传统远后备保护动作或者逐级启动断路器失灵远跳而造成的故障切除时间过长，有利于电力系统的安全稳定运行。
(3)本发明提出一种站域层保护装置，该装置包括了近后备保护模块和远后备保护模块，其中近后备保护模块实现就地层保护异常工况下的保护功能，远后备保护模块可以应对变电站站用直流失压和全站保护出口压板未投等异常运行工况，综合提高变电站继电保护系统在异常运行工况下的保护能力。
(4)本发明提出一种由就地层和站域层构成的两层继电站保护系统架构，就地层保护实现快速主保护功能，且采用双重化配置，保证了就地层保护动作的速动性和可靠性；站域层保护实现继电保护系统异常运行工况下的近后备和远后备保护功能，作为就地层保护的有益补充。该架构极大地简化目前变电站继电保护系统后备保护的整定计算，避免出现保护失配的情况，同时在不降低现有变电站继电保护系统主保护性能的前提下，进一步提升变电站继电保护系统的保护性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种应对变电站继电保护异常的架构示意图；
图2为本发明实施例提供的站域层保护功能模块示意图；
图3为本发明实施例提供的站域层保护应对变电站全站直流失压异常工况的示意图；
图4为本发明实施例提供的站域层保护应对变电站全站保护出口压板未投异常工况的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种应对变电站继电保护系统异常的架构，由就地层保护和站域层保护组成。
所述就地层保护按被保护元件双重化配置，满足220kV及以上电压等级系统继电保护双重化配置的要求，作为被保护元件的主保护。
所述站域层保护按变电站配置，站域保护的信息域仅限于本站，不需要与相邻站进行信息交互，一是作为变电站就地层保护的冗余，在就地层继电保护系统异常时提供近后备保护功能；二是在变电站发生站用直流失压和全站保护出口压板未投等异常工况下提供远后备保护功能，提高异常运行工况下的变电站继电保护系统性能。
所述站域层保护不与周围相连变电站进行信息交互，基于传统变电站的站内和站间通信系统就可以实现站域层保护功能。不仅降低了站域保护的成本，同时也降低了站域层保护的实施难度。
更进一步地，所述就地层保护针对变电站内单个被保护元件双重化配置，当被保护元件发生故障，而对应的继电保护系统发生单套继电保护装置拒动失效等变电站继电保护系统异常运行工况时，双重化配置下的另一套继电保护装置可以正确响应被保护元件的故障，快速动作以切除故障。
更进一步地，所述站域层保护针对变电站全站单套配置，当任一被保护元件发生故障，而对应的就地层保护由于两套继电保护装置均失效等异常而拒动时，则站域层保护装置中近后备保护根据采集到的电气量信息和状态量信息可以正确响应被保护元件的故障，动作时延取Δt。
更进一步地，所述站域层保护可以应对变电站站用直流失压和全站保护出口压板均未投等保护系统异常工况，并列举情形1和情形2加以说明。
情形1：某一变电站发生站用直流失压(下面简称为失压站)，与该失压站周围直接相连的变电站称为非失压站。需要说明的是：非失压站可能有多个，下面步骤以单个非失压站为例，对其它非失压站同样适用。
(1)失压站与非失压站之间相连的所有线路所对应的失压站一侧的就地层线路保护发出通道告警信号，而与非失压站相连的其它线路所对应的就地层线路保护均无通道告警；
(2)步骤(1)中的通道告警信号经过非失压站的站内过程层网发送至非失压站的站域层保护装置；
(3)若告警信号均由失压站与非失压站之间相连的所有线路所对应的就地层线路保护发出，非失压站站域层保护装置判定该告警信号为单方向，对发生通道告警的线路投入站用直流失压远后备保护功能；
(4)非失压站的站域层保护装置经站内过程层网实时的获取发生通道告警的线路非失压站侧的电气量采样值，当采样值满足站用直流失压远后备保护功能的判据时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
站用直流失压远后备保护功能的判据不限定，本实施例给出以下两种判据：
1)当根据电流采样值计算得到的负序电流I2大于预设的负序电流整定值I2.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
2)当根据电流采样值计算得到的零序电流3I0大于预设的零序电流整定值I0.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
情形2：某一变电站发生全站保护出口压板均未投(下面简称为压板未投站)，而且与该压板未投站站内的继电保护相应对的任一被保护元件发生故障，压板未投站继电保护系统的采样和逻辑判断环节均正常。
(1)与故障的被保护元件相对应的保护装置发出跳闸指令至故障元件各侧的断路器，该跳闸指令同时发送至压板未投站的站域层保护装置，同时故障元件所在支路的断路器失灵保护启动；
(2)经过一次断路器失灵保护延时，故障元件支路的断路器失灵保护发出跳闸指令至相关断路器，该跳闸指令同时发送至压板未投站的站域层保护装置；
(3)压板未投站的站域层保护装置中应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能启动，开始计时；
(4)经过一次断路器失灵保护延时，压板未投站的站域层保护装置根据采集到的全站电气量采样值判断故障仍存在；
判断故障仍存在的判据不限定，本实施例给出以下一种判据：根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值IΦ大于预设的电流整定值Iset：
IΦ≥Iset,Φ＝A,B,C
(5)压板未投站的站域层保护中应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能经本站就地层线路保护给所有有源的相邻站的就地层线路保护发远跳信号；
(6)有源的相邻站就地层线路保护在接收到压板未投站站域装置发来的远跳命令且判断满足相关就地判据，相邻站的就地层线路保护发送跳闸命令跳开相关断路器，实现故障切除。
图1为本发明实施例提供的一种应对变电站继电保护系统异常的架构示意图。参阅图1，对本实施例中的变电站继电保护系统架构进行详细说明，系统架构包括就地层保护和站域层保护。
如图1所示为一种应对变电站继电保护系统异常的架构，包括：就地层保护和站域层保护；所述就地层保护采用双重化配置(图1中就地层保护A套和就地层保护B套)，满足220kV及以上电压等级系统继电保护双重化配置的要求，根据保护是否跨间隔分为单间隔保护和跨间隔保护，每套就地层保护均能实现变电站内单个被保护元件的主保护功能和简化的后备保护功能；所述的站域层保护集成全站信息资源，包括采样值信息和状态量信息，在不需要与相邻站进行信息交互的情况下实现继电保护系统异常运行工况下的近后备保护功能和远后备保护功能。
如图1所示，所述就地层保护针对变电站内单个被保护元件配置，基于被保护元件各侧的信息独立决策。当单间隔1中的被保护元件发生故障，而对应的就地层单间隔1保护A套保护装置发生拒动失效，单间隔1保护B套继电保护装置可以正确响应被保护元件的故障，快速动作以切除故障。
如图1所示，所述的站域层保护不需要与相邻站进行信息交互，通过本站站内过程层SV网络和GOOSE网络分别获取全站SV采样值信息和GOOSE状态量信息，包括就地层保护的跳闸信息、线路通道告警信号以及站内各断路器的状态信息等，综合全站信息进行故障判断，跳闸指令通过站内过程层GOOSE网发送至相应的智能终端，同时可以经本站就地层线路保护发送远跳命令至邻站。
如图2所示，站域层保护200包括站域近后备保护模块210和站域远后备保护模块220，其中近后备保护模块210中内置的保护功能作为本站所有就地层保护的冗余保护。当图1所示的单间隔1中的被保护元件发生故障，而对应的就地层单间隔1保护A套和B套保护装置均发生拒动失效时，站域层保护200中的近后备保护模块210基于采集到的电气量采样值信息和状态量信息可以正确响应被保护元件的故障，动作时延取Δt。
如图3所示，假设线路L5发生故障F1，变电站E侧断路器8处的就地层线路保护正确动作，成功跳开断路器8，变电站C发生站用直流失压。由于变电站C发生全站直流失压，则断路器6和断路器7均不能被跳开，同时断路器6处的就地层线路保护将无法发送本侧电气量采样值给线路L5对侧断路器5处的就地线路保护装置，断路器5处的就地保护装置将发出通道告警信号。图3所示系统中变电站A的站域层保护200将检测到线路L3变电站A侧断路器5处的就地层线路保护发出的通道告警信号，而线路L1、L2、L4的变电站A侧的就地层线路保护均无通道告警信号。即对于变电站A来说，仅在变电站C方向发生了通道告警，而在变电站B和变电站D方向均无通道告警。变电站A的站域层保护200对发生通道告警的线路L3投入模块220中的站用直流失压远后备保护功能，该保护功能根据电流采样值计算得到的负序电流幅值大于预设的负序电流整定值或根据电流采样值计算得到的零序电流幅值大于预设的零序电流整定值而动作，动作延时为2Δt，跳开断路器5，故障被切除。
如图4所示，假设线路L3发生故障F2，变电站C侧断路器6处的就地层线路保护正确动作，成功跳开断路器6，变电站A全站保护出口压板均未投。故障F2发生以后，变电站A侧断路器5处的就地层线路保护正确动作，发送跳闸信号给断路器5，同时启动L3线路支路的断路器失灵保护，但由于保护出口压板未投，断路器5无法跳开。经过一次断路器失灵保护延时后，L3线路支路的断路器失灵保护发跳闸信号给断路器1、3、9，同样由于保护出口压板未投，断路器1、3、9均无法跳开。在上述过程中，变电站A侧断路器5处的就地层线路保护和L3线路支路的断路器失灵保护发出的跳闸信号在给相关断路器的同时也会经站内的过程层GOOSE网发送至变电站A站域层保护200，而且失灵保护的跳闸信号会同时启动远后备保护模块220中应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能。再经过一次断路器失灵保护的延时后，远后备保护模块220中应对全站保护出口压板未投的远后备保护基于断路器1、3、5、9处的电气量采样值信息判断故障仍存在，同时也收到了断路器5处的就地层线路保护和线路L3支路的断路器失灵保护发出的跳闸信号，综合判断变电站A出现全站保护出口压板均未投，然后远后备保护模块220中应对全站保护出口压板未投的远后备保护经变电站A中的断路器1、3、9处的就地层线路保护发远跳信号给断路器2、4、10，断路器2、4、10跳闸，故障被切除。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种站域层远后备保护方法，其特征在于，
在相邻变电站发生站用直流失压时，该方法包括：
S1.检测到就地层线路保护发出单方向的通道告警信号；
S2.对发生通道告警的线路投入站用直流失压远后备保护功能；
S3.经站内过程层网实时地获取发生通道告警的线路非失压站侧的电气量采样值；
S4.当采样值满足站用直流失压远后备保护功能的判据时，该远后备保护功能动作，动作时延取2Δt，其中，Δt为时间级差；
在本变电站全站保护出口压板均未投且系统又发生故障时，该方法包括：
S1’.经站内过程层网络接收到与故障的被保护元件对应的保护装置发出的跳闸指令，同时故障元件所在支路的断路器失灵保护启动；
S2’.经过一次断路器失灵保护延时，根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，同时检测到断路器失灵保护发出的跳闸指令，跳相关断路器；
S3’.应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能启动，开始计时；
S4’.经过一次断路器失灵保护延时，根据步骤S2’中断路器所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，同时判断全站保护出口压板均未投；
S5’.应对全站保护出口压板未投的远后备保护功能经本站就地层线路保护给所有有源的相邻站的就地层线路保护发远跳信号，以实现故障切除。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S4具体如下：
当根据电流采样值计算得到的负序电流I2大于预设的负序电流整定值I2.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S4具体如下：
当根据电流采样值计算得到的零序电流3I0大于预设的零序电流整定值I0.set时，站用直流失压远后备保护功能动作，动作时延取2Δt。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值大于预设的电流整定值判断故障仍存在，具体如下：
经过一次断路器失灵保护延时，根据故障元件所在支路的电流采样值计算得到的电流幅值IΦ大于预设的电流整定值Iset判断故障仍存在：
IΦ≥Iset,Φ＝A,B,C。
5.一种站域层保护装置，其特征在于，包括：近后备保护模块和远后备保护模块；
所述近后备保护模块，用于作为变电站就地层保护的冗余，在就地层继电保护系统异常时提供近后备保护功能；
所述远后备保护模块，用于执行权利要求1至4任一项所述的一种站域层远后备保护方法。
6.一种变电站层次化继电保护系统，其特征在于，由就地层保护装置和如权利要求5所述的站域层保护装置构成，实现以就地层保护为主体、站域层保护为补充的继电保护系统框架，其中，
所述就地层保护装置按被保护元件双重化配置，作为被保护元件的主保护；
所述站域层保护装置按变电站单套配置，一是作为就地层保护的冗余保护，提供近后备保护功能；二是在不需要与相邻站进行信息交互的情况下实现远后备保护功能，可应对变电站全站直流失压异常工况以及全站保护出口压板均未投异常工况。
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