（电力系统及其自动化专业论文）高压电网广域纵联保护算法研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i d ea r e ap r o t e c t i o ni san e ws u b j e c ti nr e c e n ty e a r s ，i tu s e sm o r ei n f o r m a t i o ni np o w e r s y s t e mt oa c h i e v ew i d ea r e ap r o t e c t i o n w i d ea r e ap r o t e c t i o nc a r ls o l v es o m eo ft h ei s s u e si n t h et r a d i t i o n a lr e l a y , a n dc o o r d i n a t i o nw i mt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o nt oe n s u r et h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c h s i t u a t i o no fh vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o na n dt h ew i d ea r e ap r o t e c t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n d v a r i o u sw i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m sp r o p o s e da tp r e s e n ta r es u m m a r i z e d w i d ea r e a p r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o na n dc u r r e n td i f f e r e n t i a la r ep r o p o s e d f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne n e r g yi n t e g r a lf u n c t i o no fd i f f e r e n tf a u l t d i r e c t i o n ，aw i d ea r e al o n g i t u d i n a lp r o t e c t i o nb a s e do ne n e r g yi n t e g r a ld i r e c t i o n a lp r i n c i p l ei s p r o p o s e d c o m b i n e dw i t hp h a s e m o d ec o n v e r s i o no ff a u l tv o l t a g ea n df a u l tc u r r e n t ，e n e r g y i n t e g r a lf u n c t i o ni su s e dt od e t e r m i n et h ef a u l td i r e c t i o n ，a n dt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nf a u l t i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h ma n dt h ew i d ea r e ap r o t e c t i o ns t r a t e g i e so fl o n g i m d i n a ld i r e c t i o na r e g i v e n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sh i g hs e n s i t i v i t y a n da c c u r a c y s e c o n d l y , a c c o r d i n gt od i f f e r e n c eo ft h ev a l u e so ft r a n s i e n te n e r g yb e t w e e nd i f f e r e n t l i n e so ft h es u b s t a t i o na f t e rt h es y s t e mf a u l t ，aw i d ea r e al o n g i t u d i n a lp r o t e c t i o nb a s e do nt h e t r a n s i e n te n e r g yd i r e c t i o n a lp r i n c i p l ei sp r o p o s e d t h ec u r r e n to fl i n e si sd e c o m p o s e db y w a v e l e ti no r d e rt oa c h i e v et h ev a l u eo ft r a n s i e n te n e r g yt od e t e r m i n et h ef a u l td i r e c t i o n ， c o m b i n e dw i t ht h ea l g o r i t h mo fl o n g i l t u d i n a ld i r e c t i o nf a u l ti d e n t i f i c a t i o na n dt h ew i d ea r e a p r o t e c t i o ns t r a t e g i e so fl o n g i m d i n a ld i r e c t i o nf o rf a u l tl o c a t i o na n dc u t t i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sh i g hs e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y f i n a l l y ，i nt h ef u n d i t i o n a lo fs t u d yo fe x i s t e dw i d ea r e ac u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，a w i d ea r e al o n g i t u d i n a lp r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr e g i o n a lo f p r o t e c t i o nm a t r i xi sp r o p o s e d t h r o u g has e r i e so fo p e r a t i o n so fs y s t e mm a t r i x ss u c ha si n c i d e n c em a t r i x ，t h er e g i o n a lo f p r o t e c t i o nm a t r i xa n dt h en e t w o r kt o p o l o g yt r e ea r ed e r i v e d ，t h e naw i d ea r e ad i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o ns t r a t e g i e sa n dt h ew o r k i n gp r o c e s so fp r o t e c t i o na r eg i v e n t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sh i g hs e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y k e yw o r d ：w i d ea r e ap r o t e c t i o n ，l o n g i t u d i n a lp r o t e c t i o n ，e n e r g yi n t e g r a l ，t r a n s i e n te n e r g y , m a t r i xo f p r o t e c t i v er e g i o n ，s i m u l a t i o no f a t p 硕士论文 高压电网广域纵联保护算法研究 图表目录 图2 1 电力系统广域保护定义图7 图3 1 故障分量系统图1 4 图3 2 能量积分三节点系统图1 7 图3 3 简单系统的故障线路与非故障线路的能量函数与能量积分函数曲线1 8 图3 4 含t 型线路的三机系统图1 8 图3 5 简单双回线输电线路等效图2 0 图3 6 能量积分方向判断流程图2 1 图3 7 纵联方向广域保护算法流程图2 1 图3 8 能量积分系统仿真图2 4 图3 9 线路l 2 发生a 相短路故障时各l e d 对应的能量积分函数波形2 5 图3 1 0 母线b 2 发生a 相短路故障时各i e d 对应的能量积分函数波形2 5 图4 1 暂态能量三节点系统图3 4 图4 2 故障线路与非故障线路的高频暂态能量信号特征3 4 图4 3 故障线路与非故障线路的暂态能量值3 4 图4 4 暂态能量广域保护流程图3 5 图4 5 暂态能量方向系统仿真图3 5 图5 1 电流差动广域保护系统图4 3 图5 2 系统广域保护分区图4 4 图5 3 电流差动广域保护系统等效拓扑图4 6 图5 4i e d 3 的搜索拓扑树4 8 图5 5i e d 3 广域i2 区线路l 2 a 相接地短路故障时各保护区差动电流采样波形5 3 图5 6i e d 3 广域i1 区母线b 2 a b 两相相间短路故障时各保护区差动电流采样波形5 4 表3 1i e d 3 的广域保护范围划分表1 9 表3 2 线路l 2 内部故障，但i e d 4 拒动时i e d 3 的故障判别结果表2 2 表3 3 线路l 2 中点处故障类型不同时能量积分函数值及故障判断结果2 6 表3 4 线路l 2 a 相故障过渡电阻不同时能量积分函数值和故障判断结果2 7 表3 5 线路l 2 a 相短路故障初始角不同时能量积分函数值和故障判断结果2 8 表3 6 线路l 2 不同位置a 相故障时能量积分函数值和故障判断结果2 9 表3 7i e d 3 的不同保护区域故障时能量积分函数值和故障判断结果3 0 v 图表目录硕士论文 续表3 7 。31 表4 1 线路l 3 中点处故障类型不同时暂态能量值及动作系数判断结果3 6 表4 2 线路l 3 中点处发生各种故障时线路故障判断结果3 6 表4 3 线路l 3 a 相故障过渡电阻不同时暂态能量值及动作系数判断结果3 7 表4 4 线路l 3 a 相故障初始相角不同时暂态能量值及动作系数判断结果3 7 表4 5 线路l 3 不同位置a 相故障时暂态能量值及动作系数判断结果3 8 表4 6i e d 5 的最大保护范围内不同线路故障时暂态能量值及动作系数判断结果3 9 表4 7i e d 5 的最大保护范围内不同线路故障时保护故障判断结果3 9 表5 1i e d 3 的广域保护分区表4 4 表5 2 系统内所有i e d 的最小保护范围内被保护元件及关联的l e d 信息表4 5 表5 3 线路l 2 中点处故障类型不同时保护区各相起动电流和制动电流值及故障判断结 ! 累! ；! ； 表5 4 线路l 2 a 相故障过渡电阻不同时保护区各相起动电流和制动电流值及故障判断 结果5 6 表5 5 线路l 2 a 相故障初始相角不同时保护区各相起动电流和制动电流值及故障判断 结果5 7 表5 6 线路l 2 上不同位置a 相故障时保护区各相起动电流和制动电流值及故障判断结 果5 8 表5 7i e d 3 不同保护区域故障时各相起动电流和制动电流值及故障判断结果5 9 续表5 7 。6 0 v i 声明严明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 1 年月嗒日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权傈存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：叠恤 洲夕年月哕曰 硕士论文高压电网广域纵联保护算法研究 1 绪论 电能是目前全球使用最为广泛、地位最为重要的能源之一，电力系统的安全稳定运 行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。而高压输电线路作为电 力系统的重要组成部分，一直以来都是继电保护研究的重要对象。目前我国已基本上进 入大电网、大机组、大电厂、高电压输电、高度自动控制的电力系统新时代。而到2 0 2 0 年之前，一个覆盖全国的统一的联合电网将初具规模。在电力系统电网容量持续增长的 同时，其网络拓扑结构也将日趋复杂。高压输电线路作为电力系统的重要网络，其可靠 性对电力系统的安全运行无疑有着重要的意义，这也对电力系统继电保护技术提出了更 高的要求【1 1 。 1 1 广域保护课题背景 广域保护是近几年新兴的一个研究课题，它的提出建立在计算机技术和通信技术发 展的基础上，与大型互联电网的安全性和稳定性要求有密切的关系。随着社会经济的发 展，科学技术的进步以及人民生活水平的不断提高，人们对电力的需求和依赖越来越大， 对安全稳定供电的要求越来越高。然而，随着互联电网区域的扩大，交换容量的增加， 电网电压等级的提高，由互联电网故障引起的特大停电事故几乎成为社会灾难，停电造 成的损失越来越大，而保障互联电网的运行安全性，避免重大停电事故的发生却变得越 来越困难【2 j 。尤其1 9 9 6 年美国大停电、2 0 0 3 年夏季美加互联电网崩溃事故和欧洲部分 国家大范围停电事故的相继发生，使人们进一步认识到应该加强从整体或区域电网的角 度进行继电保护和自动控制，这不仅要加强继电保护本身的可靠性，还要配合继电保护 的动作加强对故障后不稳定系统的安全控制。 各国学者从不同的角度对造成大停电事故的原因做过各种层次的分析，然而无论何 种原因，最后都是安装在系统中的保护装置动作切除了不应该切除的电力元件而造成了 大停电，也就是所谓的保护装置误动。另外，在高压大电网中，故障持续时间越长，电 网失去稳定的可能性就越大。传统的后备保护按固定的整定时限和主保护进行配合。当 故障后主保护拒动时，由常规的后备保护按整定时限动作，往往整定时时限比较长，那 故障持续的时间就比较长，在某些情况下，就可能造成电网失去稳定。如果后备保护能 够利用远方的保护信息，可能实现缩短整定延时、快速跳闸切除故障，加速后备保护动 作。 到2 0 0 8 年底，我国的发电装机容量达7 9 2 5 3 万千瓦，居世界第二位。按照规划， 到2 0 1 0 年我国将形成北、中、南三个跨区大型互联电网，预期到2 0 2 0 年左右将基本实 现覆盖全国的统一电网，形成“西电东送、南北互供、全国联网的电网互联格局，从 1 绪论 硕士论文 而可以有力地解决由于能源分布和经济发展不平衡所带来的能源供需矛盾。该战略的实 施带来的是前所未有的大容量、高电压、远距离输电，这对互联大电网的安全稳定运行 提出了新的要求和挑战。保证大型互联电网的安全稳定运行，需要在系统规划、电网建 设、运行调度、备用容量、继电保护和安全自动控制等多个方面进行深入的研究，提出 合理的解决方案。其中做好系统规划、加强电网建设和增大备用容量等属于电力系统一 次侧措施，加强继电保护、安全自动控制和紧急控制是二次侧可采取的措施。国内外多 年的电网运行经验表明：快速、可靠、稳定的继电保护措施，准确、及时的安全控制和 紧急控制措施以及大型互联电网的安全稳定防御措施是确保电网安全稳定运行的重要 保障。 广域保护可以解决传统的控制和继电保护中出现的一些问题，更好的保证电网的安 全稳定运行。广域保护系统应该具有高的可靠性、选择性、安全性、灵活性和普遍性等 特点，以满足复杂的电力系统网络结构的要求，充分地利用广域测量与监控信息，减少 大停电等事故的发生，保证社会和用户用电的质量。 1 2 广域保护研究现状 当前国内外对广域保护系统的研究主要集中在两个领域：一个是利用广域信息，主 要完成安全监视、控制、稳定边界计算及状态估计等功能，其侧重点在广域信息的利用 和安全控制功能的实现，即广域控制系统；另一个则是利用广域信息完成继电保护功能， 其侧重点在与常规主保护配合，快速有效的实现电力系统继电保护，即广域继电保护系 统 1 3 1 。 1 2 1 广域保护在稳定控制领域的研究 广域保护( w i d ea r e ap r o t e c t i o n ) 的概念首次出现在由瑞典学者b e s t i li n g e l s s o n 等 于1 9 9 7 年在i e e ec o m p u t e ra p p l i c a t i o ni np o w e r 上发表的广域保护应对电压崩溃 ( w i d e a r e ap r o t e c t i o n a g a i n s tv o l t a g ec o l l a p s e ) 一文中【7 1 。该文所论述的广域保护系统 主要用来预防互联电网的长期电压崩溃而非对电气元件的继电保护，这样的广域保护系 统完成的是电压稳定控制功能而非继电保护功能。该系统的通信功能是基于数据采集和 监测控制系统( s c a d a ) 的，通过r t u 获取所需节点的信息，经过集中式的决策后再 由r t u 返回诸如甩负荷、无功调节、启动静止式无功补偿装置( s v c ) 或同步调相机 等控制命令【l0 1 。s c a d a 采集的数据是非实时的，数据刷新频率较慢，因为用于长期电 压崩溃的预防，不需要进行快速、实时的交换数据，因此这样的通信系统能够满足要求。 此后，m e h m e tk a b a 、j i m yc a i 等分别发表了关于广域保护系统应用于稳定控制系 统的研究成果的论文【3 , 1 3 】。他们所论述的广域保护系统是被定位在常规保护及数据采集 和监测控制系统i i 量管理系统( s c a d ，e m s ) 之间的系统保护和控制手段。传统上这 2 硕士论文高压电网广域纵联保护算法研究 类保护和控制系统被称为特殊保护系统( s p s ) ，随着计算机技术和通信技术的发展，借 助广域测量系统( w a m s ) 及在线动态安全分析( d a s ) 技术逐渐发展成为广域保护技 术。 1 2 2 广域保护在继电保护领域的研究 将广域的概念引入到继电保护系统当中构成广域继电保护系统，国内外许多学者自 1 9 9 8 年开始了广域继电保护系统的研究。 在国外，日本学者y o s h i z u m is e r i z a w a 等人于19 9 8 年在i e e et r a n s a c t i o r l so np o w e r d d i v e r y 上发表论文，提出使用g p s 信号进行精确的时间同步，通过专用的光纤信道传 送多点电流信息，构成广域电流差动后备保护的观点，以克服现有的面向单一电气元件 的电流差动保护无法提供快速后备保护功能的问题【1 1 ，3 3 1 。 我国学者在广域继电保护方面的研究也取得了一些成绩。广西大学的谭建成提出了 建立基于专家系统的广域后备保护【6 , 1 5 “j 6 】。该系统也采用集中决策的结构形式，通过采 集故障相邻区域四段距离保护( 正向三段加上反向一段) 的判断结果，运用专家系统的 知识进行决策，判断故障具体位置，并能处理诸如断路器失灵、保护拒动等问题给故障 判断带来的影响。在此基础上，他还总结了已有的广域保护算法，提出智能保护方案， 主要包括感受、反应和决策三类功能，设计多种a g e n t ，分别完成数据采集、预处理、 谐波计算、系统阻抗计算、故障类型识别、故障相判别、定值切换、各种保护原理的算 法、故障区域判断、执行等子功能。但是把所有设备都当作a g e n t 有待商榷，容易造成 a g e n t 之间过多的协商，其实信号采样、跳闸、保护计算等只是a g e n t 可利用的硬件与 软件资源【l 川。 此外，西南交通大学的王晓茹等提出建立基于多a g e n t 系统的广域后备保护系统【9 】。 a g e n t 是自治的、能相互作用或协作的软件，具有网络通信能力。自治是指在一定环境 中的独立行为能力。数字保护继电器就是一个自治的元件，也可以被认为是智能电子装 置l e d ( i n t e l l i g e n te l e c 仃o m cd e v i c e s ) 。她所提到的a g e n t 通常指那些具有学习能力的 a g e n t ，运用了诸如人工神经网络、模糊逻辑等人工智能技术。如果个体a g e n t 具有智 能，当a g e n t 以系统形式协作工作时，a g e n t 系统便体现出分布智能的特征。 文献【8 提出一种基于方向比较原理的广域继电保护算法，基于该算法的广域继电保 护系统采用变电站集中式结构，它通过变电站内的局域网和变电站间的广域网获得方向 元件的输出值。该系统首先根据网络拓扑结构和方向元件安装位置形成一次设备方向元 件关联矩阵，当系统发生故障时，根据广域继电保护系统保护范围内方向元件的输出只 对一次设备方向元件关联矩阵进行数值初始化，形成一次设备故障方向关联矩阵，并 据此确定具体的故障元件。可以很好的判断线路、母线、变压器等一次设备发生的故障， 且对厂站的主接线形式有很好的适应性，判断结果准确。 3 1 绪论硕士论文 1 3 高压电网常规纵联保护研究历史与现状 继电保护技术规程及整定规程中明确要求在2 2 0 k v 及以上电网主系统中，电力设备 和线路的保护应有主保护和后备保护。主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最 快速度有选择性的切除被保护设备和故障线路的保护。后备保护是当主保护或断路器拒 动时，用以切除故障的保护。 由于高压输电线路相对于中低压线路，其线路参数有电抗变大，分布电容增加，电 阻比例变小的特点，这给高压线路的保护带来一些特殊问题和困难，如暂态过程较长、 过渡电阻较大、非全相运行、复故障等。目前，高压输电线路保护主要有两种类型保护： 阶段式保护和纵联保护。其中阶段式保护由于无法无延时的可靠切除全线故障，所以一 般作为后备保护。国内外高压输电线路采用的保护主要有高频方向保护、电流差动保护 和高频距离保护，实际运行中一般采用几种保护配合使用，对线路故障进行快速、可靠、 准确、无死区的切除【4 j 。 早在1 9 2 3 年，意大利就有人提出采用线路双端量来构成保护的初步设想。到1 9 3 1 年，美国g e 公司研制了首台实际应用的纵联方向高频保护。1 9 3 3 年前苏联也开始将高 频保护应用于电力系统。1 9 3 4 年德国s i e m e n s 公司首先研制出了闭锁式方向高频保护。 在此后几年中，由于高频保护有效地缩短了故障切除时间，开始得到了广泛应用。此后 前苏联和西方国家对于高频保护的发展选择了不同的研究方向：前苏联倾向于负序高频 方向保护，而西方国家则以距离高频方向为主。在上世纪四十年代左右，很多国家纷纷 提出利用厶+ 硪、五+ 硪、五+ 也等复合电流滤过器构成的电流相位差动高频保护， 当然由于当时的技术水平的限制，很多理论的实现受到严重制约。五十年代后，由于大 容量发电机组及远距离超高压输电线路的增多，电力系统对保护的动作速度、可靠性和 功耗等各方面的要求也开始提高，至此，纵联保护开始成为高压输电线路的主保护。八 十年代后，随着微机保护开始从理论研究走向实际应用，各种原理的纵联保护方案相继 推出，使纵联保护的性能得到进一步提耐1 7 】。 方向比较式纵联保护是我国高压线路保护中应用最广泛的一种主保护【4 引。它具有受 分布电容电流影响小、通信量小、对通信要求不高等优点，一直是高压输电线路采用的 主要保护形式之一，同时也是继电保护重点研究对象之一。其基本出发点为利用方向元 件判别出故障方向，通过高频通道交换线路两端保护的方向判别结果，以判别是否发生 内部故障。方向元件是方向比较式纵联保护的核心和关键，方向元件的性能很大程度上 决定了整个保护的性能。因此，通常以方向元件的原理和类型对方向比较式纵联保护进 行分类，迄今为止提出的方向元件大体上分为三类：工频方向元件、行波方向元件和暂 态能量方向元件。工频方向元件具有动作稳定、可靠的优点，作为一种成熟的保护元件， 它们已经在电力系统中得到了广泛的应用，但其动作速度和行波方向元件相比仍然比较 4 硕士论文 高压电网广域纵联保护算法研究 慢；行波方向元件在理论上具有动作速度快，不受过渡电阻、分布电容、c t 饱和等因 素影响的优异性能，但受雷电、系统操作等影响其可靠性相对较差；暂态能量方向元件 无需求取电压和电流的工频电气量，所以其速度比工频方向元件要快，同时它又不需要 严格获取行波的初始波头，其可靠性相对较高。 纵联差动保护由于原理简单可靠，被广泛用作电力设备和输电线路保护的主保护。 相电流差动保护原理的主要不足是电流的相角和两端电势的大小和角度有关，这样在两 端电势角较大情况下内部高阻接地时，保护的灵敏度可能很低。为了减少负荷电流的影 响，可以采用故障分量差动的原理。故障后的网络不存在双端电源，因此故障分量电流 受两端电势的影响很小，保护的正确动作率比相电流差动判据要高。分相电流差动保护 的动作原理是测量被保护线路各端电流相量，计算各端电流相量和，称其为差动电流历。 理论上，当被保护线路发生故障时，差动电流就等于故障电流厶即i d = i p 当发生区外 故障时，i d = o 。通过厶的大小来判断线路是否故障。为保证保护动作的安全性，防止穿 越故障时误动，保护装置还设置了制动特性，整组动作判据由动作量和制动量组成。动 作量为线路各端电流相量和的绝对值，制动量各设备厂家取值不同，这里就不列出具体 的动作方程了。由于分相电流差动保护所需传输信息量比较大，信号传输通道必须是数 字传输通道。可以看出，分相电流差动保护具有原理简单、不受系统振荡及重负荷的影 响、对全相和非全相运行中的故障均能正确选相跳闸及适用面广等优点，特别是对同杆 并架双回线发生跨线故障时能实现故障相跳闸。因此，在有信号传输通道的条件下，应 首选分相电流差动保护l 5 1 。 1 4 本文的主要工作 广域保护是现在电力系统研究领域中的一个热门课题，也是今后继电保护研究的新 方向。充分利用广域信息来实现广域保护的功能，满足日趋复杂的电力系统继电保护的 要求。根据目前国内外的研究现状，本文所要做的工作主要有： 1 ) 广域保护系统介绍。主要阐述广域保护实现的概念、特点和功能，重点介绍了 近年来广域保护算法的研究现状。 2 ) 基于能量积分方向原理的广域纵联保护算法研究。根据系统故障时被保护元件 的能量积分函数值的特点，通过计算能量积分函数值，确定各i e d 的方向信息，给出广 域保护范围的划分、广域纵联方向保护的故障判别算法，构成新的广域保护算法，用 a t p 软件仿真，将仿真数据转换到m a t l a b 中，以验证该算法的可行性和正确性。 3 ) 基于暂态能量方向原理的广域纵联保护算法研究。根据线路故障时电流暂态信 号的特点，通过提取高频部分的能量值，比较同一变电站上故障线路和非故障线路的差 别判断线路故障的方向，提出线路广域保护判据。对线路在不同的因素影响下进行仿真 分析，验证该算法的可行性和正确性。 s l 绪论硕士论文 4 ) 基于保护区域矩阵的广域电流差动保护算法研究。比较分析各种差动保护判据 的优缺点，找出合适的差动保护判据；通过系统关联矩阵等一系列的矩阵运算，得到保 护区域矩阵和网络拓扑树，给出广域差动保护的策略和保护工作过程。利用a t p 仿真软 件结合m a t l a b 程序对该算法进行仿真，验证算法的可行性和正确性。 6 硕士论文高压电网广域纵联保护算法研究 2 广域保护系统 2 1 广域保护的概念 目前，对广域保护还没有一个统一的定义。被人们公认的广域保护的定义为：依靠 电力系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统 安全运行的影响，并采取相应的控制措施，可提高输电线可用容量或系统的可靠性，这 种同时实现继电保护和自动控制功能的系统，称为广域保护系统，又称为稳控系统。国 际大电网会议将广域保护的功能及控制手段等进行了定义，其动作时间范围在 1 0 0 m s 1 0 0 s 之间，如图2 1 中所示p j 。 传统保护广域保护 s c a d a e m s 电磁暂态 哲态稳定 小信号稳定 电压稳定 一 手动操作 自动控制 一动作范围 传统保护 动作范围 动作范围 自动无功投切 分接头控制 切发电机 低频切负荷 低压切负荷 远程切负荷 自动解列 f a c t s的运行 1 0 1 0 01 0 0 0 t s 图2 1 电力系统广域保护定义图 广域保护主要是完成系统的稳定控制功能。控制措施主要包括无功控制、变压器自 动调压控制、切发电机、低频低压切负荷、远程切负荷、系统解列和f a c t s 等。从图 中可以看出，与传统的稳定控制策略相比，广域保护系统在信息的获取、控制策略的形 成和控制措施的执行的整个过程中，涉及到较广阔的地理范围，需要更加复杂的计算。 故障发生后，主保护( 纵联方向或电流差动保护) 迅速切除故障，广域保护系统也 启动。主保护和广域保护构成“或门”，对故障进行快速切除。广域保护故障后的监视 控制功能包括对断路器失灵、过负荷、频率电压异常的监视控制和系统失步解列等。如 果断路器失灵，广域保护根据由当前的网络结构形成的关联矩阵，选择最小的跳闸范围， 7 2 广域保护系统 硕士论文 确保由于故障和断路器失灵造成的影响范围最小，同时缩短故障切除时间；监视故障后 的系统运行状态是要防止由过负荷引起相邻线路保护的误动作；出现系统频率、母线电 压降低或发生失步时，广域保护执行广域切负荷、发电机控制、解列等紧急控制策略， 防止系统崩溃事故的发生。 论文所要研究的广域保护与原有的定义有所区别，论文中广域保护可以定义为：利 用电力系统多点的广域信息来实现电力系统继电保护的功能。也就是说论文只考虑广域 继电保护的功能，是一种狭义的广域保护。 2 2 广域保护系统的特点 由于广域保护系统是基于广域测量和广域通信的保护系统，为了保证电网稳定运 行，防止发生大范围停电事故，广域保护系统应具有以下的性能特点【3 j ： 1 ) 可测性：需要有足够的采样点，从而能准确测得所需的系统状态，包括正常状 态和故障状态： 2 ) 选择性：能根据运行策略准确判别不正常的系统状态( 包括预警及安全域的确 定) 。这是广域保护系统的核心要求。它不仅需要准确可靠的同步测量数据，还依赖于 有效的实时分析能力。自然还必须选择正确的和最小的动作行为来执行预期的控制，以 避免大面积的甩负荷或切机等不准确操作； 3 ) 可靠性：整个广域保护系统的运作要有足够的可靠性。这牵涉到各个环从数据 采集，通讯系统，软件分析，到执行终端( 跳闸、切机、切负荷等) 。考虑适当的冗余 及备份，并保证关键设备故障时备用件的自动切换； 4 ) 安全性：广域保护系统在不必须时能随时退出运行，除非在系统崩溃的情况下， 它不能作为系统紧急控制的手段； 5 ) 有效性：这主要指稳控措施的实施速度和精度。任何稳控措施的实施都有速度 要求，满足这样的要求需要硬件和软件的协调配合；稳控措施的实施精度会影响稳控的 效果，因而也需仔细考虑； 6 ) 鲁棒性：在可靠地、安全地和稳定地运行的前提下，广域保护系统的设计应考 虑到各种可能的系统运行方式。对未考虑的运行方式应有防误动措施； 7 ) 易维护及易扩展性：在实现时，采用开放式及模块式的系统结构能较好足这样 的要求。 2 3 广域保护系统的功能 从构成“三道防线”的原则考虑，一个功能完善的广域保护系统应该包括继电保护 和安全自动控制两方面。它们与传统的保护和控制功能的最大区别在于信息的利用范围 和利用形式不刚2 1 2 9 1 。 8 硕士论文 高压电网广域纵联保护算法研究 2 3 1 广域控制系统功能 系统的故障被成功切除后可能会恢复到正常的运行状态，但如果切除的是重负荷线 路或互联电网的主要联络线，则可能导致出现系统电压、频率下降，甚至稳定破坏的情 况。与继电保护系统需要瞬时动作切除故障不同，控制系统一般对不正常运行状态有较 长的响应时间，因此有相对充足的时间进行计算和决策。借助通信手段，广域控制系统 能快速收集到多点电气量信息，较全面的反映出系统当前运行状态，便于实现更优化的 控制。广域控制系统的运行方式如下： 1 ) 与继电保护系统配合动作：除了以系统频率、母线电压等电气参数的变化量( 率) 为启动信号外，继电保护和断路器的动作信号也能触发广域控制系统启动。当有继电保 护动作或开关变位时，广域控制系统能及时进行计算分析，根据系统当前状况( 如功率 缺额等) 采取预防性控制措施使系统稳定在正常的运行状态，不必等待参数偏离正常值 以后再采取控制措施，对提高系统稳定性有重要意义； 2 ) 协调各种控制措施之间的动作：当前的控制策略种类繁多，控制的对象也不尽 相同，在分散的控制系统中难以相互配合、协调动作，这样可能导致要么控制系统重复 动作，降低供电可靠性，要么控制系统动作不恰当，进一步加剧系统的不稳定。由广域 控制系统分层统一协调各控制措施可避免上述情况的出现，提高控制系统的效率和控制 效果； 3 ) 完成优化控制功能：当前各种控制策略多为离线整定，难以对变化多样的系统 做出准确的反映和优化的控制。广域控制系统能获得电网多点信息，比较客观的反映系 统运行状态，能根据当前状况做出优化的控制决策，提高系统运行的可靠性和稳定性； 4 ) 监视系统相角稳定：借助相量测量单元p m u 和通信系统，广域控制系统能够方 便的监视电力系统相角稳定性，当相角增大将要失去稳定时，能及时采取解列措施。 文献【3 0 研究配置有g p s 信号模块和远程通信模块的广域保护终端装置，从系统方 案角度阐述广域保护与稳定控制装置之间的关系。提出广域保护系统可实现3 种功能： 1 ) 利用广域信息实现保护动作配合与在线整定动作值，与系统中的自动控制装置进行 动作时序配合，通过自动控制装置通过切机或切负荷调整线路传输功率，使系统回复稳 定运行，避免因线路过负荷误跳闸继而连锁跳闸；2 ) 缩短后备保护动作时间；3 ) 利用 故障后2 - 3 个周期的两端同步电压和电流数据进行故障定位计算。 2 3 2 广域继电保护功能 广域保护系统中的继电保护功能包括主保护功能和后备保护功能。其中主保护功能 包括依赖通信的基于电流差动或纵联比较原理的单元快速保护和不依赖通信的基于本 地信息的快速i 段保护( 例如工频变化量距离、距离i 段、零序电流i 段等) 。主保护区 域为i e d 所在的线路和背侧母线，这与常规主保护以线路或母线等单独的电气元件为主 9 2 广域保护系统 硕士论文 保护对象是不同的。因为故障无论是发生在m d 所在的线路还是其背侧母线上，都要求 该i e d 瞬时动作于跳闸，所以在广域继电保护系统中将i e d 所在线路和背侧母线共同 纳入到同一个主保护当中，所有需要由跳开该i e d 所控制断路器才能完成的保护功能都 集成到一个i e d 中。 广域继电保护系统中的后备保护功能也需要借助通信完成，利用空间多点信息的比 较而不是动作时间上的配合来保证后备保护的选择性，从而达到缩短后备保护的动作时 间，缩小故障切除范围的目的。广域后备保护系统信息接收的范围不是盲目的，而应取 决于所设定保护区域的大小，i e d 只与其保护范围内的其它i e d 交换信息切除故障，所 设定的保护范围以外的故障则认为与该i e d 无关。在通信系统故障、i e d 无法获得所需 信息的情况下，广域后备保护系统应该将功能降级为常规的不依赖通信的后备保护，如 距离和零序电流的i i 段、段等、确保电力系统不会因为通信系统故障而失去保护。有 了丰富的信息做支撑，广域继电保护系统还可以方便的实现其它功能如自适应保护，通 过获取广域信息，保护整定值的在线设定和校验变的更加简单方便，能进一步提高保护 系统的性能。 当前基于电流差动和纵联比较的主保护原理简单可靠，动作延时小( 1 0 3 0 m s 以 内) ，动作正确率较高( 9 9 8 6 以上) ，在电力系统继电保护中占有重要的地位。广域继 电保护系统的提出并不是要取代现有的主保护系统，而可以与之协同工作。其中广域继 电保护的主保护与常规主保护并行、独立工作，可以认为是双重或多重主保护配置中的 “一重”。广域后备保护在主保护拒动、断路器失灵等条件下启动，后备保护的选择性 通过获取广域故障信息来保证，而不必整定较长的动作延时。需要指出的是，在满足故 障计算和判断的前提下，广域继电保护系统所接收和利用外部的信息量越少越好，这主 要是基于继电保护快速性和可靠性要求考虑的。 如果故障位于双回或多回联络线，当故障成功切除后可能导致相邻线路出现过负荷 等不正常运行状态，此时广域保护系统还应能发出闭锁信号闭锁可能误动的保护。 由此可见，广域继电保护和控制功能由广域保护一套系统完成，但在系统受到扰动 的不同阶段，广域保护所起到的作用是不同的。 2 4 广域继电保护算法 目前，对广域继电保护算法的研究主要集中在后备保护算法方面：j c t a n 提出了 收集高压电网中多个距离保护元件的判断结果、依靠专家系统集中决策的广域后备保护 算法 6 - 7 ，从缩短动作延时、减小故障切除范围等方面提高后备保护系统性能；y s e r i z a w a 等学者提出了广域电流差动后备保护算法【1 1 1 ，将差动保护范围从独立的电气元件扩展到 与该元件相邻的区域，能明显缩短后备保护系统的动作延时。 对广域继电保护算法的研究主要有：基于纵联方向保护原理、基于距离元件以及基 1 0 硕士论文高压电网广域纵联保护算法研究 于电流差动保护原理的广域继电保护系统。 2 4 1 广域纵联方向保护原理 利用广域故障方向信息的方法来实现故障判别的广域纵联保护，其基本构成方法 为：1 ) 在被保护系统的每一个断路器或电流互感器处，都装设一个能够测量故障方向 的电子智能装置( i e d ) ；2 ) 对每个i e d ，都事先划定好各自的保护区域，以便与其它 l e d 进行有目的的信息交换；3 ) 对每个i e d ，都列出其最大保护区域内所包含的被保 护设备( 线路、母线、变压器等) 与l e d 的对应关系表；4 ) 在所研究的i e d 内部，将 其它l e d 传来的故障方向信息按对应表中的关系进行计算、比较，确定出故障发生的区 段嘲。 纵联方向广域保护中方向元件的原理是其研究的重要方面，目前纵联方向元件主要 有两种：能量积分方向元件和工频变化量方向元件，还有的保护装置以阻抗方向元件和 零序方向元件作为后备的稳态量方向元件。在实际的纵联保护一般同时采用两类故障分 量方向元件，以发挥各自的优点，弥补对方的不足。由于突变量方向元件能反应所有类 型的故障，它作为主保护，但突变量只能短时存在，在突变量输出消失后，零序方向元 件作为后备。另外负序方向元件的原理与