（电力系统及其自动化专业论文）广域电流差动后备保护方案的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 对a g e n t 模型在电力系统继电保护中的应用进行研究，提出了基 于a g e n t 模型和现代通信技术的新型保护方案。该方案基于a g e n t 模型完成当地电气量和开关位置的实时信息采集，以及变电站级的信息 整合和运算处理，判断并隔离故障。根据故障隔离状态和系统网络拓扑 的动态变化，构成适应实时状态的最新故障隔离区和相应跳闸策略。利 用a g e n t 软件灵活分散又能高度信息整合的特点，优化了整体保护功 能。 关键词：电力系统，广域后备保护，电流差动，跳闸函数，动作时间， i v 电力系统保护，a g e n t ，网络拓扑，跳闸路径，故障隔离区 山东大学硕士学位论文 a b s tr a o t t h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mo fe l e c t r i cg r i di no u rc o u n t r yi sa d o p t e dt h e m a i np l u sb a c k u pp r o t e c t i o n f o re x a m p l e ，t h et r a n s m i s s i o nl i n em a i n p r o t e c t i o ng e n e r a l l yi s t h eh i g hf r e q u e n c yp i l o tp r o t e c t i o nb a s e do nt h e d o u b l ee n d se l e c t r i cq u a n t i t y ( t r a n s m i s s i o nl i n e ) t h eb a c k u pp r o t e c t i o n i s d e p e n d i n g o nt h e s i n g l e - e n d e l e c t r i c q u a n t i t y t oe s t a b l i s ht h e m u l t i z o n ed i s t a n c e p r o t e c t i o n o rt h et i m e - l a d d e r e do v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n w i t ht h i sm o d e ，i t i sd i f f i c u l tt oi m p r o v eb o t ht h ef a u l t c l e a r a n c es p e e da n ds e l e c t i v i t ya tt h es a m et i m e i ti sa l lb e c a u s et h e s e r e l a y st a k ed e c i s i o nb a s e do nt h e i rl o c a li n p u t s a n dd a t af r o mr e m o t e u n i t sa r er a r e l yu s e di nt h e i ri n t e r n a ll o g i c t h i st h e s i sc a r r i e so na s t u d yt o an e w t p r o t e c t i o n s c h e m e i tu t i l i z e st h em o d e r n y p e h i g h o fw i d ea r e ab a c k u p s p e e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dt h eg p st i m es y n c h r o n i s mt e c h n o l o g yt oc o l l e c tt h es a m p l i n g d a t ao fe v e r yb r e a k e r ，a n dd e t e c t st h ef a u l ta r e at h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n o ft h er e a l - t i m ed i f f e r e n t i a lc u r r e n t ，w i t hat i m e rd e l a y ，r e f e r r i n gt ot h e r e s p o n s e o f t h el o c a l m a i n p r o t e c t i o n t od e c i d et h a tt i m e s i t u a t i o n o r i e n t e d t r i p p i n gs t r a t e g y w i t h t h et o o l ss u c ha st h e t a r g e t - o r i e n t e dp r o g r a md e s i g np h i l o s o p h y ，t h er e a l - t i m et o p o l o g ya n d t h et r i p p i n gf u n c t i o n ，t h en e wp r o t e c t i o ns c h e m ei sb u i l tu p c o m p a r e dt o t h ec o n v e n t i o n a lb a c k u pp r o t e c t i o n ，t h ep r o p o s e dn e ws c h e m ei sw i t ha m u c hs h o r t e rf a u l tc l e a r a n c et i m ea n dr e d u c e dt r i p p i n gi n f l u e n c ea r e af o r i t st h a tt i m ef a u l te x t e n d e ds i t u a t i o nb a s e di n t e g r a t e dp r o t e c t i o n ，w i t h o u t t h em a t c hp r o b l e mo fz o n e sp r o t e c t i o nr e a c ha n ds e t t i n gt i m ee x i s t i n ga t t h ec o n v e n t i o n a lp r o t e c t i o n t h es c h e m ew i l lb ee v a l u a t e du s i n gt h e v 山东大学硕士学位论文 e x a m p l ee x e c u t i o nt oar e a lp o w e rs y s t e m t h i st h e s i sa l s o p r o v i d e s an e ww i d e 。a r e ap r o t e c t i o nd e s i g nw i t ht h e a g e n tm o d e la p p l i c a t i o ni nt h er e l a yp r o t e c t i o no fp o w e rs y s t e m b a s e d o na o e n tm o d e la n dw i t ht h e a i d0 ft h em o d e r nc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，dn e w - t y p ep r o t e c t i o ns c h e m ei se s t a b l i s h e d t h ep r o t e c t i o n d e s i g nf i r s tu s e st h el o c a la g e n tt og a t h e rl o c a le l e c t r i cq u a n t i t ya n d s t a t e c h a n g ei n f o r m a t i o na b o u t t h ei t e m si np r o t e c t e ds y s t e m ，t h e n e x e c u t e st h e p r o p e r i n f o r m a t i o nc o m b i n a t i o na n dt h e n e c e s s a r y c a l c u l a t i o n ，t og e tt h ef a u l td e t e c t e da n dt h ep r i m a r yi s o l a t e d i ft h e o r i g i n a l a c t i o ni s n t g e t t h ef a u l tc l e a r e d ，w i t ht h er e a l t i m e f a u l t - e x t e n d e ds i t u a t i o na n dd y n a m i ct o p o l o g yo ft h en e t w o r k ，t oa c t i v a t e t h et r e n d sa g e n tt os e a r c ha n dt h ef o r mt h a tt i m ef a u l ts i t u a t i o na g a i n s t i s o l a t i o na r e aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gt r i p p i n gs t r a t e g y u s i n ga g e n t s o f t w a r ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h i g hf l e x i b l ys c a t t e r i n g d i s p e r s e dd i s t r i b u t i o na r o u n dt h en e t w o r kt ou s et h en e e d e di n f o r m a t i o n r e s o u r c e sa n da l s ot h eg e t t i n gt h er e l e v a n ti n f or m a t i o nm e r g e dt os o l v ea c e r t a i np r o b l e mi tc a nt a k ea d v a n t a g eo ft h er e s o u r c e so ft h ew h o l e n e t w o r kt or e a l i z et h e o p t i m i z e di n t e g r a t e dp r o t e c t i o n f u n c t i o n t h e i n s t a n c ee x e c u t i o np r o v e st h ev i r t u e so ft h ep r o t e c t i o ns c h e m e k e y w o r d s ：g p s ，i d e a - a r e ab a c k u pp r o t e c t i o n ，c u r r e n t d i f f e r e n t i a l p r i n c i p l e ，t o p o l o g yo ft h ep r o t e c t e dn e t w o r k ，t r i p p i n gf u n c t i o n ，t r i p p i n g s t r a t e g y ，t h ep o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n ，a g e n tm o d e l ，t h en e t w o r k t o p o l o g y ，t r i p p i n gr o u t e ，f a u l ti s o l a t i o n v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 鲑誊。 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：肄葭 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 传统上，电力系统典型保护配置是以某一种原理的保护为主保 护，配以多种原理的保护作为后备保护。以2 2 0 k v 变电站的保护配 置为例：线路保护以高频( 光纤) 纵联作为主保护，三段式方向距离 ( 以及零序方向) 作为后备保护；母线以电流差动保护构成主保护( 其 中包括跳母联回路) ；主变以电流差动作为主保护，多段式方向过流 ( 包括零序方向) 或方向距离保护作为后备保护。以上都是基于单个 元件的保护，其中主保护的保护范围均是被保护元件本身，后备保护 则是通过多段式保护的动作时限、动作定值和动作区的相互配合来实 现的，构成一定区域间的整体保护。 随着电网的发展，线路环网和配电网的不断延拓，使得后备保 护的时限配合较为困难，造成了保护动作时限的相应延长。例如环网 供电方式中，首先选择合适的定值配置起点( 一般以主要负荷性质点 为配置起点) ，线路距离i i 段保护的动作时限为o 5 秒，与之衔接的 上一级线路的距离i i 段时限要加一个级差，其动作延时应为1 0 秒。 以此类推，会使得电源端出线的后备保护动作时间较长，不利于系统 稳定。再如接于同一母线的不同出线，一条长线路，一条短线路时， 作为线路后备的变压器方向距离保护的动作区整定也比较困难主保 护一般是基于元件( 线路) 双端或多端电气量构成的差动保护( 高频 纵联保护) ，在其保护区内实现全线速动。后备保护则由依赖于单端 电气量的多段式距离保护和电流保护通过级差配合来实现。随着电网 规模的不断发展。其网络构成和电流流向日趋复杂，这给后备保护的 定值、时限的配合造成很大困难，最终导致后备保护动作时限的不断 延长( 数秒) ，不利于快速切除故障。究其原因，在于快速主保护不 能作为其保护区之外的后备保护，而后备保护则建立在预设的配合方 案上，只能反映一定的电网运行方式，而不能对整个区域的实时信息 山东大学硕士学位论文 进行综合分析判断 g p s 系统采用特殊的信号调制技术，一个o p s 接收器能同时接 收到6 到8 颗卫星上的信号，并且接收器能补偿信号在卫星与接收器 之间的传输延时，输出与国际标准时( u t c ) 误差为1 i t s 的秒脉冲选 通信号，并通过串行口输出国际准准时间、日期、所处方位等信息 为实现广域保护，需要构建一套实时性非常好的电网相量分布式测量 系统。将以太网交换机与异步传输模式( a t m ) 交换机进行配合使用， 通过全光纤通道，并采用t c p i p 协议和m f cs o c k e t 手段，克服了 在测量子站数目较多情况下的网络数据传输延时不确定的缺点，从算 法上消除了网络发生拥塞的各种可能性。由于变电站内数据通信技术 已十分成熟，它能保证保护对实时性和可靠性的要求。 g p s 同步技术应用于实时采样时，采用高稳精度的晶振( 1 秒的 积累误差不超过l p s ) ，并每秒被卫星同步时钟的1 p p s 脉冲同步一 次，输入信号采样脉冲可按要求由该晶振时钟信号分频获得，这样可 以做到整个系统采样脉冲时间误差在几个微秒以内。采用g p s 技术 就可以保证保护的采样的同步要求。 在上述技术条件下，为解决传统后备保护所存在的问题，本文 针对一种新型后备保护一广域电流差动后备保护进行可性行研究和 实现方案探讨 1 2 当前研究现状 针对电力系统继电保护中后备保护按阶梯形配置所带来的保护 动作时间太长，而引起的严重影响电力安全这一问题。熊小状在文献 【l 】中提出建立一种快速后备保护系统的思想，通过动作逻辑方程式， 在故障后迅速判断出故障范围，在主保护未出1 1 1 跳闸时判断出故障范 围迅速发出跳闸命令。依赖于站内通信，通过各分散元件与集中单元 的通信联系，实现综合信息的分析。对每个元件中都定义出故障时保 护的正方向，通过故障发生后各主保护对故障的方向判定，相结合构 成动作逻辑方程式，确定故障范围，并以此形成后备故障范围的动作 2 山东大学硕士学位论文 条件判据，来实现后备保所动作的对象。这一方案后备保护的整体动 作时间短，实质上是综合分析各当地主保护的故障判据形成对站内故 障范围的确定，只需与主保护动作时间相配合来构成快速后备保护 文献【l o 】提出广域电流差动保护包括主保护和后备保护，以获得 更好的选择性，更快速的故障切除时间。更小的停电范围 15 5 一m b p s a t m ( 非同步传输模式) 网路链路层的局域网以及g p s ( 全球 定位系统) 接收器来实现各远端的电流同步采样。在不同的电网状况 和通信条件下都有满意的行为效果，i p 网络广泛应用于高要求的保护 通信上，其中有基于g p s 的广域网同步系统，这一系统是独立于保护 通信之外的。这一保护系统设计会利用a t m 通信网络和时间同步系 统，可以使构建和实现这一广域保护的动作行为简单而灵活。当这一 保护系统充当主保护时，它会在最短时间内跳掉最小保护区内的开 关。当这一保护与现场主保护相配合时，而主保护这时动作失败，它 会跳掉最小动作区内的开关，或根据主保护动作的结果，利用一个时 间延时，与主保护相配合，跳掉与主保护动作区相同的开关当不论 是主保护还是本系统发出的主保护动作命令后如果故障依然存在的 话，这种现象一般是因为开关失灵，动作区由主保护区或最小动作区 扩展到相邻区域。 1 3 本文所做的主要工作 本文在前人工作的基础上，对一种基于现代技术的新型广域后 备保护方案进行可行性研究。所做的主要工作如下： 本文首先提出广域电流差动后备保护w d b ( w i d e a r e ad i f f e r e n t i a l b a c k u pp r o t e c t i o n ) 功能性概念，然后提出的结构性概念该保护 利用现代通信网络和时间同步技术，通过对广域范围内的故障电 流及开关位置信息的采集和综合分析，判断故障区域和开关动作 情况，利用实时网络拓扑图和跳闸函数实现最优后备保护跳闸方 案。 为了实现广域后备保护快速动作的性能，需要对保护区内的运行 山东大学硕士学位论文 状态及当地主保护的动作情况进行综合的分析，然后形成对当前 故障发展情况的正确估计，并与当地主保护动作行为的配合，构 成跳闸函数形成保护动作判据，以快速的动作时间，最小的停电 区域达到广域后备保护功能。 通过对差动保护判据的分析，针对线路差动，变压器差动及母线差 动算法和判据进行分析，广域快速后备采用分相比率瞬时值差动， 不仅运算简单，标准统一，而且在故障判断速度，灵敏度及可靠性方 面都有其优势，所以在广域保护中采用。 对广域电流差动后备保护系统的结构及通信协议等进行了讨论 对a g e n t 模型在电力系统继电保护中的应用进行研究，提出了 基于a g e n t 模型和现代通信技术的新型保护方案。该方案基于 a g e n t 模型完成当地电气量和开关位置的实时信息采集，以及变 电站级的信息整合和运算处理，判断并隔离故障。根据故障隔离 4 状态和系统网络拓扑的动态变化，构成适应实时状态的最新故障 隔离区和相应跳闸策略。 山东大学硕士学位论文 第二章广域电流差动后备保护的方案及工作原理 随着现代通信网的发展和信息技术的日渐成熟，电力系统可以利 用局域网作为传输媒介，借助于g p s 时间同步技术实现与主保护相配 合的后备保护功能。广域后备保护实时采集广域内所有保护单元( 终 端) 的电流等信息，系统故障时，通过中央单元综合运算和分析，向 有关终端发出跳闸及其它命令本章首先介绍广域保护的构成，探讨 通过对保护域内实时信息的综合分析和计算以实现电流差动后备保 护的方法，通过实例分析并与传统后备保护原理进行比较，说明了这 一新型保护的优点。 2 1 广域后备保护的构架 图2 i 广域保护分区示意图 本文所研究的广域后备保护其总体构成和分区如图2 - l 所示图 中，t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 为智能式终端单元，安装在当地开关； 山东大学硕士学位论文 c e ( c e n t r a le q u i p m e n t ) 为智能式中央处理单元，安装在变电站控制 中心。广域保护的覆盖范围为一个变电站及其与之相连的各条出线。 广域保护将其覆盖范围划分成若干个子区域，如线路保护区，变压器 保护区等，以便于故障判别和状态检测。通过接收g p s 时间同步系 统提供的基准时间信息，所有t e 能够实现广域范围内的高精度同步 数据采集，同时将所采集信息打上时间标签并通过a t m 技术传输到 中央设备( c e ) 。 由图2 1 可以看出，广域保护区域涵盖的是同一条母线上的所有 开关，以及联于这一母线的所有出线的对侧开关，每一开关都配置有 终端设备( t e ) 。电流差动保护原理以其性能优越而广泛应用于各种 元件的主保护中，在图1 所示的子保护区中，仍然采用电流差动原 理，如线路保护区纵差保护，母线保护区差动保护( 这里标出的为i 母差动) 。t e 采集到的数据通过a d 转换，然后打上时间标签送往位 于主控室内的变电站级中央设备c e ，位于相邻变电站的线路对侧开 关的有关实时电流采样值可通过局域网传送至该c e 单元。通过对保 护区内的实时信息进行综合分析，包括差流计算和有关保护信息的综 合处理，了解整个广域保护区内所有设备的故障以及故障切除情况， 然后根据分析结果发出有关跳闸命令，并将这些命令传至相关终端 t e 。由t e 发出跳闸脉冲去执行跳闸操作有关信息报文格式如表l 所示。广域保护将故障所能牵涉到的所有区域当成一个基于实时通信 的整体来考虑，通过计算差流和跳闸函数，并根据内部事先设定的跳 闸逻辑和电网拓扑图来发出相应跳闸命令。 上传信息报文格式： 下传信息掇文格式： l 控制命幌闸信息) n i pl 控验玛i 表2 i 报文格式 2 2 保护原理及判据 6 山东大学硕士学位论文 下面以各种保护功能的实现为例来说明广域后备保护的工作原 理和判据 2 2 1 保护的基本工作原理及后备功能的实现 广域保护区内每一个开关均有一个分站传输单元( 终端) t e ，它 负责采集电流、电压、保护启动情况，以及设备的健康状态( 如绝缘 监察信号) ，并接收中央单元c e 传来的命令t e 单元可设在控制室 内，它包括g p s 接收器部分和电流采样部分为保证通信系统的独 立性和可靠性，其采样电流可取自与保护装置不同的c t 绕组，采样 电流先进行a d 转换，再通过接收来自g p s 的脉冲信号( 经过分频 和计数器) 打上时间标签后送到主控室的变电站级中央处理单元c e 上；由于数据的传送要依赖于高速以太网，所以t e 设备还必须具备 数据打包以及网络协议处理等功能。中央单元各处理器以各分区保护 为基本单元，同步计算各分域差流，如差流不超过各区设定的门槛值， 各区仍进行正常的采样计算，并不进行故障分析时的数据处理。当任 一单元差流越限时，启动本中央单元独立的故障分析判断子程序。 c e 通过各分区保护的差流计算结果，来判定故障发生的区域 经一定延时( 一般取1 0 0 m s ：出口继电器动作时间+ 开关动作时间+ 出口继电器复归时间) 后如故障区差流依然存在，同时检测到主保 护跳闸出口继电器开出为低电平( 假定高电平为动作信号) ，则认为 主保护拒动，广域保护通过跳闸函数发出跳闸命令跳开故障区开关； 如此时检测到主保护跳闸出口继电器开出一高电平，则认为开关拒 动，跳闸函数将转设故障区域开关的电流值，将它们置为0 ，以此来 启动相邻的区域保护与拒动开关相邻的保护区会因拒动开关的故障 电流采样值被强行置零而造成差流越限，从而启动保护跳开其区域内 所属开关，切除故障。而此时正常跳闸开关的相邻保护区域则不受任 何影响因作为拒动开关后备的相邻保护区所有开关均与拒动开关直 接相连，从而保证了动作范围最小化。如图2 2 所示，母线保护区和 线路保护区是两个相邻的保护区，线路保护区内的两台开关q f 3 和 7 山东大学硕士学位论文 q f 4 同时分属两个相邻的母线保护区。 这里建议采取多处理器并行处理方案，可以考虑一个子域对应一 个分处理器，以提高计算速度。不论采集的电流是相量形式，还是采 样值或突变量，进行故障计算和处理时都因电流差动原理简单而速度 快，动作可靠性高。每个中央单元均有一个涵盖全部保护区域的网络 拓扑图以及根据故障的扩展区域层层对应的跳闸序列逻辑，由此来实 现动作区以及动作时问的紧密配合，使得每一次跳闸函数输出的跳闸 区域最小，实现最优化的跳闸策略。下图给出广域保护各组成部分示 意图，各元件差流分别由不同的并行处理器计算，满足速度和精度的 要求。 中央处理器： 网络拓扑结构图、 l j 跳闸序列逻辑广- 广 图2 - 2 中央单元各处理器分布图 2 2 2 跳闸函数和逻辑的设置与分析 这一设计思想的有三大设计特点：1 它先对控制或操作对象的特 点进行深入了解和总结，力图用本质的特点先对其加以提炼，对其有 共性的特点，每一个特点对应一个类。这种类( c l a s s ) 本身定义为私有 性质( p r i v a t e ) ，保证了其数据的封装。并且它将最基本的特点定义为 基类，根据其特殊性的增加通过对基类的继承，以及本身对象参数及 函数的增加来发展其特殊性。 当某些特性需要修改时，如果是基本特点对应层只需修改基类中 的有关定义，包括函数有关操作过程的定义。通过继承就可以改变所 有其派生类的有关性质，不需要一一改变具体每个具体设备对应的保 护。当对某个特殊性质进行更改时，也只需修改其对应层对应的派生 类，就会做出相应性质的一定范围的改变。为了加强其可等靠性，一些 数据可被定义为保护( p r o t e c t ) 或私有性质( p r i v a t e ) ，对于同类的 对象可以被访问，这样独立封装保证了程序数据的可靠性。这其本身 8 山东大学硕士学位论文 独立操作与性质不能被改变。 对每一个设备的特点或保护策略用一个虚构函数进行描述。在继 承类中再用构造函数进行实例化，使得不同的设备在较抽象的层面享 有共性，可以与通信规约的制定提供了一定的基础，对于一定有特定 规则的特点可以以一定的规定码加以传递，这样对于站内保护间或变 电站问传递的可以不仅是简单的控制，闭锁或允许信号，也可以是比 较复杂的信息包括特性规定的传递，利用面向对象的思想。 通过采集广域保护区内的开关和各刀闸的位置信息，可以以实时 数据库的方式不断获得当时运行方式的最新网络拓扑图，对于运行方 式和保护配置的相应变化可通过改变跳闸函数参数设置的形式很方 便的予以实现。基于面向对象的程序设计思想，对每一个开关迸行节 点编号，这一编号与网络拓扑图中的对应编号相一致。定义类，其中包 括参数( 性质) 和函数运算( 差流计算和跳闸函数的操作) ，而每一个开 关可对应一个对象，对象通过对类中函数访问的形式，实现其保护原 理。每一个开关通过对类内函数的访问和继承，形成每一个开关的特 有性质和保护原理的实现与操作。例如对于母联代路的情况，可以将 线路开关节点编号赋值给代路母联开关，将线路开关所有保护设置参 数、有关信息传递给母联开关。通过数据加载的方式，可方便的实现 切换。而由于定值类中的设计，对每一条线路的保护类型号的数据库 中都采用标准化保护类型设计方案，并且其数据库中的保护类型设计 一般会多于实际线路运行时所用的保护配置，这样当保护加段或更改 保护设置时数据库中有相应的参数，只要对应配以数据就可。当保护 定值库参数设置好后，定义为公共类，对应的每条线路的保护配置经 过继承，即可形成线路自己的定值参数库如果对某一保护配置进行 修改时，只需改变类库中相应参数，各线路则经继承相应改变。当母 联代路时，只要在相应的被代路号中输入要被代路的名称和地地址 码，母联定值数据库中虚拟函数实例化，相应的线路保护定值就会被 母联采用，方便实现切换 对于一种更为灵活的保护配置原则和策略的改变也可通过改变 9 山东大学硕士学位论文 保护函数运算的方式来加以实现。如当线路发生故障，而主保护出口 跳闸失败，即当满足以下条件时；t l o o m s d 0 2 2 l k 7 咧则 i m = 0 这里的时间t l o o m s ，是指当地主保护动作到出口及继电器复归 所需的物理时间，d 0 2 = l 跳闸出口继电器启动t 砌l 螂表明故障 差流依然存在，l 。= 0 指将发生故障线路的开关点的电流采样值转 为0 。 这时k 嘶刎这样与拒动开关相联的母线保护区域差流越限， 保护启动发出远方跳闸命令，跳开母线所联开关。如此通过保护单元 的一些程序设置，以及实时采集的电流值，就可以实现后备保护的配 置要求。当需要引入新的保护原理时，只需重设一个基类，将其判据 及跳闸逻辑以跳闸函数的形式设立新的相对应参数，具体的保护配置 只需将基赋值，虚拟函数实例化即可。 2 3 不同后备保护功能及延时分析 2 3 1 线路后备及断路器失灵保护 。、 q f l i i 母i 母 变电站 i 母i i 母 。p 旧p r - 。i j 图2 3 故障发生示慈图 如图2 3 所示，当f l 点发生故障时，线路主保护应动作，发出 跳闸脉冲无时限跳开线路两侧开关q f 3 和q f 4 。此时，广域后备保 护的c e 通过对来自q f 3 和q f 4 的电流采样值进行差流计算，发现 差流越限后进入故障分析判断子程序。这一计算时间基本与主保护同 步经过1 0 0 m s 延时后，若差流越限消失，说明故障已被成功切除， c e 保持稳定。如差流继续存在，则说明故障未被切除，c e 将根据主 山东大学硕士学位论文 保护的动作情况以及q f 3 和q f 4 的动作情况决定跳闸策略 如主保护无出1 ：3 跳闸信号，则c e 向线路两端的t e 发出跳闸命 令，跳开q f 3 和q f 4 此时，广域后备保护跳闸区域与主保护相同， 其动作时间大约为1 1 0m s ( 不包括开关跳闸时间) 。 如主保护动作成功，线路开关( 如q f 4 ) 失灵，则c e 向有关t e 发出跳闸命令跳开变电站b 母线i 上的所有开关( 包括母联开关) 。 此时，广域后备保护跳闸区域与传统短路器失灵保护相同，其动作时 间大约为1 1 0m s 。 2 3 2 母线后备及断路器失灵保护 如图2 所示，当b 变电站i 母线上的f 2 点发生故障时，母线主 保护( 如母差保护) 应动作，跳开与此母线相联的所有开关。此时的 广域后备保护根据来自q f 4 、q f 5 终端t e 的电流采样值，已判定 为该母线区内故障。经过1 0 0 m s 延时后，若差流越限仍未消失，则 c e 根据主保护的动作情况执行如下跳闸方式： 如主保护动作失败，则c e 立即向故障区域内的终端t e 发出跳 闸命令跳开q f 4 和q f 5 。此时，广域后备保护的跳闸区域与主保护 相同，但小于传统母线后备保护( 以线路距离i i 段切除故障) ，保护 动作时间约为1 1 0 m s 。 如主保护动作成功，线路开关( 如q f 4 ) 失灵，则c e 通过无流 判断，启动与开关q f 4 相关的线路区，向线路远方的t e 发出跳闸命 令，跳开对侧q f 3 开关。整个动作时间约为l 3 0 m s 。 如主保护动作成功，而母联开关q f 5 未能成功跳开，则c e 启动 相邻健康母线i i 保护分区，跳开i i 母线上的q f 6 由以上分析可以看出，与传统后备保护相比，广域后备保护在 实现相同后备保护功能的情况下，能够实现跳闸时限和跳闸区域的最 优化 2 4 实例分析 山东大学硕士学位论文 下面以夏庄变电站2 2 0 k v 系统为例，通过传统后备保护与广域 后备保护的比较，说明广域保护的优越性，图2 - 3 为枣庄电网一次系 统图，除2 2 0 k v 邹滕线开环运行外，十里泉电厂、滕州电厂、杜庙 变、建国变、夏庄变2 2 0 k v 母线合环运行。夏庄变十夏线# 2 3 开关、 滕夏线# 2 5 开关运行在i 母线，建夏线# 2 6 开关运行在i i 母线，母 联合环运行：表2 2 为夏庄站2 2 0 k v 保护配置一览表。 1 2 南漉泉 置承i 丑水i i 临沂 苍山 ili l 十泉线# 2 4 2, 2 0 8十杜线 # 2 5 i # 2 4 新杜线氍”1i 材陀新辟线 # 2 1 6 il e - 一 l 十温i # 2 4 1# 2 0 9十擅线 1 1 曝e ， 年笤电 邹膝线1 1 2 1 4 专 i 十温i i # 2 l a 1 2 0 7 十夏线 十建i 1 1 2 0 广 夏 1 十临线# 2 1 3 2 4 3 十建i i 建国 i 庄辟夏线 i# 2 1 4 建夏线# 2 6 口 # 2 5 1 2 1 2 l 十苍线# 2 1 c就4 4壮2 1 6 i 母 l l 母j 图2 - 4 枣庄电网2 2 0 k v 结构示意图 壕 北 主保护 保护类型后备保护 保护类型 2 2 0 1 “线路保护 l f p 9 0 l 零序方向高频纵差 i i i 段式 距离保护 ( 工频变化量方向保护】方向距离 接地距离 目间轴赢 l f p 咖2 l i四边形方向距离 i l i 段式 距离保护 接地鹿离 高频纵差 方向距离 相问距离 b p 一2 壁 母联失灵保护 母差保护 母线保护 比率差动 京i 扛侯护 复合电压f i l 锁方向过流 l f p 一9 7 2 电流纵差保护 l f p - 9 7 3 e 零序方向过漉 间隙零序过流 变压器保护 羞动保护 高后备保护 不接地零序过压 过负荷 l f p 一9 7 4 c 气体瓦斯保护 失灵保护 非电量保护冷控失电保护 三相不一致l f p - 9 2 3 c 望 失灵保护 断路器启动失灵 充电保护 及三相不一致 过流保护 不一致保护 表2 - 2 变电站保护配置表 山东大学硕士学位论文 2 4 1 十夏线主保护失败时广域后备功能 当十夏线e 点发生故障，夏庄# 2 3 开关主保护动作失败，十厂站 的# 2 0 7 开关已成功跳开。 主保护动作失败后，传统的后备保护是通过本线路的距离、零序 保护作为后备的，以相问故障为例：如故障点在# 2 3 开关距离保护i 段范围内，则后备保护的动作时间为2 0m s ( 继电器固有动作时间) ； 如故障点在距离i i 段范围内，保护的动作时间还要加上0 。5 s 延时。 如后备保护动作再次失败，则应由健康线路对侧开关即滕北站# 2 1 3 开关、建国变# 2 1 4 开关的距离i i i 段动作切除故障，动作时限为1 5 s 。 此时夏庄站与2 2 0 k v 系统解裂。 而广域保护经一个半周波约3 0 m s 便完成差流计算，判断差流越 限后进入故障分析程序，1 0 0 m s 延时后如故障差流依然存在，则中 央单元c e 通过跳闸函数向终端设备发出跳闸信号，跳开# 2 3 开关， 保护动作时间约l3 0 m s 。 以上主保护所用工频变化量保护，近处故障动作为3 1 0 m s ，末 端小于2 0 m s ，纵联保护全线速动小于2 5 m s ，距离保护i 段约2 0 m s ， i i 段约5 0 0 m s ，i i i 段约1 5 0 0 m s ，广域网后备动作约1 3 0m s 。 保护动作时序图如图2 5 所示：其中t l ，t 2 ，t 3 分别代表继电器动 作时间、线路开关动作时间、继电器重新复归时间。分别估计为 3 0 m s ，4 0 m s ，3 0 m s 。 广域僳护传统俣护 c e 故障差流 计算子程序 c e 发出 远传兢闸命令 图2 - 5 线路主保护及后备保护时序图 山东大学硕士学位论文 2 4 2 十夏线线路开关失灵时广域保护功能 十夏线e 点发生线路故障时，主保护出口继电器动作，夏庄站 # 2 3 开关拒动。# 2 3 开关拒动后，传统上应由# 2 3 开关的失灵启动 装置去启动位于2 2 0 k v 母差上的开关失灵保护，经短延时15 0 m s 跳 开母联开关缩小故障范围，长延时3 0 0 m s 跳开与# 2 3 开关同在i 母线 上的# 2 5 开关失灵启动装置本身还要躲过开关动作延时约1 0 0 m s ， 保护的出口时间在4 0 0 m s 以上。而广域保护通过差流计算和接收# 2 3 主保护跳闸出口继电器的高电平开入量，直接判断i 母线开关拒 动，经l0 0 m s 延时后发出跳闸命令同时跳开母联和# 2 5 开关。保护的 动作时间为13 0 m s 。且由于传统的开关失灵保护要由保护跳闸出1 ：3 继 电器的接点串接三相过流接电器接点和刀闸位置接点，去启动失灵， 回路复杂，降低了保护装置的可靠性。 广域保护传统保护 故障发生故障发生 图2 - 6 母线主保护及后备保护时序图 2 4 3 母线故障广域保护功能 当母线本身f 点发生故障时，母差保护无延时发出跳闸脉冲，跳 掉与故障母线相联的所有开关，当这一行为失败时，经延时一o 3 秒 发出母联跳闸脉冲，去再一次跳母联，如果故障电流依然存在，则经 延时二o 6 秒去跳掉另一条母线所接所有开关，此时故障仍无法排除 时，就要靠对侧距离i i 段跳掉对侧开关，即滕北群2 13 开关( 如# 2 5 1 4 山东大学硕士学位论文 未跳开) 和十厂站# 2 0 7 ( 如2 3 未跳开) 和建国站1 5 1 2 1 4 开关( 如# 2 6 未跳开) ，是由十里泉电厂距离i i 段和滕厂距离i i 段动作去除供电点， 这里因为系统为环状，各级开关问后备保护需级差配合，而配置起点 要根依据经验选择，这里的i i 段时间可达到l 。5 秒。这里分析取最 短的群2 1 4 开关时间为0 5 时序分析见图8 所示。而广域保护母线发生 故障后；( 1 ) 如果当地主保护动作失败，则由广域保护c e 经1 0 0 m s 延时向母线所联开关t e 发出远传跳闸命令，时问为l3 0 m s ：( 2 ) 如 果是母联并未分开，为了保住另一条母线开关，则由c e 经判母联有 流后，( 这里的母联开关应单独处理，以便与线路开关区分开) ，经 1 0 0 m s 延时后向母联开关再次发送远传跳闸命令。再经1 0 0 m s 延时 后，如果差流依然存在，则此时将母联开关采样置0 ，启动相邻另一 母线保护区前去跳开其所联开关。时间为2 3 0 m s 。( 3 ) 如果为线路开 关失灵，则将其开关采样电流设定值直接启动所在线路保护分区，为 l8 0 m s 。 降压变压器中，高压侧后备保护( 包括复合电流电压闭锁保护和 零序电流保护) 方向指向母线，作为母线的后备保护。会在第一时段 一时限跳母联，第二时段跳本侧，第三时段不带方向全跳。但本地整 定原则由于中、低压侧均无电源，所以高后备方向均指向变压器即负 荷侧。变电压器保护并不参于跳母联，所以这里不予以考虑。 山东大学硕士学位论文 。一 广域保护 传j 境侣带 图2 7 例3 时序图 以上分析无论是跳母联还是跳开另一母线所联开关均为母差保 护功能的一部分。如图2 - 7 括号部分所示为对侧距离i i 段动作后， 故障电流仍存在时的母差的经延时2 出口跳闸动作特征 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章广域电流差动后备保护的动作判据 3 1 对广域后备保护判据的基本要求 由上一章的方案可以看出，作为快速后备保护的广域保护方案因 为与当地主保护相配合，并对后期故障是否依然存在进行判断，所以 在判据的选择方面应该具备以下特点： 采用相对灵敏度高的判据，而不是保守判据因为作为当地主保 护是采用相对保守的判据，判断为内部故障时即出口。广域后备保护 尽管也具备同时检测故障的功能，但它的主要工作是在已经接收了当 地主保护的故障判断结论之后，所以它的任务主要是在承认这一事实 的前提下，对当地保护动作后的故障状况进行进一步感受。所以灵敏 度高应是一个特点。 作为快速后备的广域保护在对故障的反应速度上可以不要求太 高，因此一些反应暂态过程的判据可以拿到当地主保护应用，而广域 保护则适合采用稳态及故障后一段时间持续存在的量作为判据量。 因为速度上在故障发生的第一周波不作太高要求，基于广域保护 特点，应该采用易于通信和同步处理的量。 因为所有t e 都已实现基于g p s 的同步采样，因此可采用瞬时 值电流差动，相量电流差动，以及故障分量电流差动。 瞬时值电流差动为采样值直接比较，速度比较快，但效果在一定 采样点上不如相量差动。但只要保证一定采样频率，即只要每周波有 足够采样点的情况下可以在精确度和可靠性上和相量差动有一样的 效果与传统的相量差动相比较，瞬时值差动运算速度快，运算简单， 一般在o 5 窗口长度时即可做出正确判断可以成功应用于线路，母 线及变压器保护，算法的同步要求由g p s 提供。故障分量差动是基于