CN102629754B

CN102629754B - 基于电流差动原理的站域后备保护方法

Info

Publication number: CN102629754B
Application number: CN201210094854.1A
Authority: CN
Inventors: 刘益青; 高厚磊; 高伟聪; 滕兆宏
Original assignee: Integrated Electronic Systems Lab Co Ltd
Current assignee: Integrated Electronic Systems Lab Co Ltd
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN102629754A

Abstract

本发明属于电力***继电保护领域，具体涉及一种适用于智能变电站的基于电流差动原理的站域后备保护方法。该站域保护基于智能变电站内高速通信网络和站间数据通道，获取模拟量、开关量等信息，并将后备保护区域分区处理，利用电流差动原理对变电站内部以及引出线路上发生的所有故障进行快速、可靠、精确的定位，在主保护和断路器拒动的情况下发后备跳闸令以隔离故障元件。本发明改变了传统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技术现状，简化了后备保护的配置和整定，缩短了后备保护的动作时限。

Description

基于电流差动原理的站域后备保护方法

技术领域

本发明属于电力***继电保护领域，具体涉及一种适用于智能变电站的基于电流差动原理的站域后备保护方法。

背景技术

电力***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***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***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，在复杂电网中往往不能起到预期的保护效果。现有的后备保护仅反应保护安装处的电气量信息，多台后备保护之间的配合关系复杂，定值整定的难度越来越大。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。

近年来，以后备保护为主要对象的非传统继电保护原理和方法得到了广泛研究，例如广域保护、集合保护，***保护，集成保护等。上述新原理均存在以下问题影响工程实用化：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***（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非传统继电保护的实用化。

基于基尔霍夫电流定律的差动保护原理自提出以来，以其完全选择性、优良选相能力和不受振荡影响等优点一直作为主保护使用到今天。遗憾的是，一直以来差动原理只作为主保护使用，在后备保护领域一直没有获得实际应用。

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。而且相比其他非传统继电保护方法，站域保护在实现技术上更具可行性。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种适用于智能变电站的站域后备保护方法。该方法将电流差动原理应用到后备保护中，简化了后备保护的配置和整定，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，在主保护拒动时可准确、快速地定位故障设备，缩短了后备保护的动作时限。

站域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、开关量和非电量等共享信息的基础上，对变电站内部以及引出线路上发生的所有故障进行快速、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。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于电流差动原理的站域后备保护方法，包括如下步骤：

（1）、站域后备保护通过变电站内过程层网络和站间数据通道获取所需位置的电流采样值。对于本变电站内的电流采样值通过站内的过程层网络由合并单元获得，对于变电站出线对端的电流采样值通过站间数据通道由对侧变电站内的合并单元获得。

（2）、根据电流差动原理应用的范围不同将整个后备保护区域分为边界差动区、站内差动区、元件差动区和扩展差动区，站域后备保护根据接收到的电流采样值信息，进行故障启动判断。故障启动判断以边界差动区为主要对象，可获知电力***是处于正常运行状态还是故障状态，如果处于正常状态则继续执行故障启动判断流程；如果处于故障状态则转入步骤（3）进行故障处理程序。其中，边界差动区保护范围包含变电站的所有出线和变电站内的元件，站内差动区的保护范围仅包含变电站内的元件，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。边界差动区主要用于故障启动的判断，站内差动区用于区分故障在变电站内还是出线，通过扩展差动区的变化和搜索可以准确确定故障元件。

（3）、在故障处理程序中，通过扩展差动区的遍历进行故障元件的定位，首先通过边界差动区和站内差动区的动作情况确定是变电站内部元件故障还是出线故障。若确定是变电站内部元件故障，则按步骤（4）处理，若是出线故障，则按步骤（5）处理。对扩展差动区的遍历，范围由大到小，以边界差动区和站内差动区是否同时满足差动判据，区分是变电站内部元件故障还是出线故障。若同时满足差动判据，则判定为变电站内部元件故障，若边界差动区满足差动判据而站内差动区不满足差动判据，则判定为出线故障。

（4）、确定是变电站内部元件故障后，依次逐个将元件差动区从扩展差动区去除，若去除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。

（5）、确定是变电站出线故障后，由边界差动区开始，依次将出线从边界差动区去除，以确定有故障的出线，具体的，用本变电站电流值代替出线对端电流值，若差动判据处于制动状态，则判定为该出线有故障，若差动判据仍处于动作状态，则认为该出线无故障，继续进行差动的遍历，直至确定有故障的出线。

（6）、站域后备保护同时通过站内过程层网络获取主保护动作信号和断路器位置信号，站域后备保护检测到***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，该时间要比这时间短，才能起到缩短后备保护动作时间的效果。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：主保护动作的GOOSE信息和故障元件差动区是否持续存在差电流。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。

为适应电流差动原理在站域后备保护中的应用，同时为提高该保护方法的灵敏度和可靠性，可参考变压器或母线差动保护中的一些技术，具体的，在进行电流差动判断时，本发明采用两段折线的稳态分相电流差动原理作为主判据，规定电流相量的正方向与主保护一致，即线路电流以母线流向线路为正方向，变压器各侧断路器电流以流入变压器为正方向。除主判据外，为提高反映不对称故障的灵敏度，本发明采用带延时确认的负序电流差动原理作为补充判据。为提高反映过渡电阻能力，本发明还采用带延时确认的零序电流差动原理作为接地故障的补充判据，其中差动电流和制动电流的计算以变压器接线组别不同由Y侧向△侧折算。

本发明所述的站域后备保护方法具有如下优点：

1、只使用本变电站和与本变电站直接连接的线路对端的电流采样值，利用本变电站内过程层网络、站间数据通道以及全局同步时钟实现采样值的同步采集和传输。

2、站域后备保护不依赖于WAMS***获得数据，非本地的传输信息仅包含与本变电站相连的线路对端的电流采样值。站间数据传输采用广域以太网扩展过程层网络的模式，利用以太网交换机、路由器等设备将对端变电站的合并单元接入本地变电站的过程层网络。该模式将两个变电站之间的物理信道对上层应用做了透明处理，即访问合并单元时，并不关心它是在本变电站还是在相邻变电站。

3、将整个后备保护区域分区处理，更好的适应电流差动原理在后备保护领域的应用，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。

4、本发明在检测到***故障后，延时300ms等待主保护动作，因此，可在主保护拒动的情况下最快300ms发出后备跳闸命令，在断路器失灵时最快在500ms内发出失灵跳闸命令，相比传统后备保护采取阶梯延时（一个级差至少500ms）具有更快的动作速度，而且不需要多级后备保护的延时配合。

附图说明

图1是站域后备保护的应用示意图；

图2是典型220kV变电站中差动分区示意图；

图3是基于电流差动原理的站域后备保护判断流程图；

图4是利用广域以太网扩展过程层网络传输采样值示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细说明，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明的站域后备保护在智能变电站中的应用环境如图1所示。按照这种继电保护配置方案，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。

以图2所示的典型220kV变电站为例说明站域后备保护所涉及的4类差动区的划分。边界差动区包含站域后备保护所能反映的最大保护范围，边界差动区保护范围包含变电站的所有出线和变电站内的元件，选取本变电站全部出线的对端电流参与差动计算，即CB06、CB07、CB10、CB11、CB15、CB16、CB20、CB22、CB24、CB25，如图2中区域A所示；站内差动区的保护范围仅包含变电站内的元件，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中区域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中区域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。

本发明中的站域后备保护在***正常运行时的流程和故障处理流程如图3所示，下面结合两个实施例来说明其具体实现流程：

实施例1 以线路L3故障，主保护拒动的工况为例，说明本发明的实现流程：

F₁处发生故障，边界差动区A检测到差电流，确定为故障状态，进入故障处理程序。经过电流差动判据运算，检测到边界差动区A处于差动判据动作状态而站内差动区B处于差动判据制动状态，由此判定，故障发生在变电站的出线，而不是变电站内部元件。确定为出线故障后，进入出线故障的扩展差动区遍历程序，依次从边界差动区A中去除出线L1、L2，期间形成的扩展差动区都处于差动判据动作状态，遍历至出线L3时，扩展差动区A_-3处于差动判据的制动状态，由此确定故障位于出线L3。站域后备保护从确认故障启动后开始连续监视来自出线L3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L3主保护的GOOSE跳闸信息，且边界差动区A一直处于差动判据动作状态，至此确定出线L3主保护拒动，向CB09发出后备保护跳闸令，并连续监测扩展差动区A_-2，若扩展差动区A_-2由差动判据动作状态变为差动判据制动状态，且边界差动区A也位于差动判据制动状态，则认为后备保护成功切除出线L3处故障，整组复归，完成本次故障处理流程。

实施例2 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，边界差动区A检测到差电流，确定为故障状态，进入故障处理程序。经过电流差动判据运算，检测到边界差动区A和站内差动区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C_i（即母线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和边界差动区A的动作情况，在之后的200ms内，元件差动区C₇和边界差动区A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和边界差动区A，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电流差动后备保护方案，获取对端变电站电流采样值的通信***是关键之一，图4描述了采用广域以太网扩展过程层网络的站间信息传输模式。变电站A中的站域保护装置要获取输电线路对端变电站B中电流采样值，可以通过本地过程层网络、路由器直接访问变电站B中的合并单元，电流采样值数据通过数据通路①→②→③，进入变电站A中的站域后备保护中。

Claims

1.一种基于电流差动原理的站域后备保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、站域后备保护通过变电站内过程层网络和站间数据通道获取所需位置的电流采样值；

（2）、根据电流差动原理应用的范围不同将整个后备保护区域分为边界差动区、站内差动区、元件差动区和扩展差动区，其中，边界差动区保护范围包含变电站的所有出线和变电站内的元件，站内差动区的保护范围仅包含变电站内的元件，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，站域后备保护根据接收到的电流采样值信息，以边界差动区为主要对象，进行故障启动判断，若处于故障状态则转入步骤（3）进行故障处理程序；

（3）、在故障处理程序中，通过扩展差动区的遍历进行故障元件的定位，首先通过边界差动区和站内差动区的动作情况确定是变电站内部元件故障还是出线故障，若确定是变电站内部元件故障，则按步骤（4）处理，若是出线故障，则按步骤（5）处理；

（4）、确定是变电站内部元件故障后，依次逐个将元件差动区从扩展差动区去除，若去除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元件差动区；

（5）、确定是变电站出线故障后，由边界差动区开始，依次将出线从边界差动区去除，以确定有故障的出线，具体的，用本变电站电流值代替出线对端电流值，若差动判据处于制动状态，则判定为该出线有故障，若差动判据仍处于动作状态，则认为该出线无故障，继续进行差动区的遍历，直至确定有故障的出线；

（6）、站域后备保护同时通过站内过程层网络获取主保护动作信号和断路器位置信号，站域后备保护检测到***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。

2.根据权利要求1所述的基于电流差动原理的站域后备保护方法，其特征在于，步骤（1）中获取电流采样值的具体方法为：对于本变电站内的电流采样值通过站内的过程层网络由合并单元获得，对于变电站出线对端的电流采样值通过站间数据通道由对侧变电站内的合并单元获得。

3.根据权利要求1所述的基于电流差动原理的站域后备保护方法，其特征在于，步骤（3）中对扩展差动区的遍历，范围由大到小，以边界差动区和站内差动区是否同时满足差动判据，区分是变电站内部元件故障还是出线故障，若同时满足差动判据，则判定为变电站内部元件故障，若边界差动区满足差动判据而站内差动区不满足差动判据，则判定为出线故障。

4.根据权利要求1所述的基于电流差动原理的站域后备保护方法，其特征在于，在进行电流差动判断时，采用两段折线的稳态分相电流差动原理作为主判据，采用带延时确认的负序电流差动原理作为补充判据，采用带延时确认的零序电流差动原理作为接地故障的补充判据，其中差动电流和制动电流的计算以变压器接线组别不同由Y侧向△侧折算。