首页资源分类其它科学普及 > 广域继电保护

广域继电保护

已有 451617个资源

下载专区

上传者其他资源

    文档信息举报收藏

    标    签:广域继电保护

    分    享:

    文档简介

    广域继电保护相关问题的描述

    文档预览

    第 31 卷 第 28 期 2011 年 10 月 5 日 中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE Vol.31 No.28 Oct.5, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 95 文章编号:0258-8013 (2011) 28-0095-09 中图分类号:TM 77 文献标志码:A 学科分类号:47040 分区域广域继电保护的系统结构与故障识别 李振兴,尹项根,张哲,邓星,王育学 (强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北省 武汉市 430074) Study on System Architecture and Fault Identification of Zone-division Wide Area Protection LI Zhenxing, YIN Xianggen, ZHANG Zhe, DENG Xing, WANG Yuxue (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: In order to propel the practical application of wide area protection (WAP), a novel system architecture and a fault identification algorithm for zone-division WAP were proposed, then the hierarchy of WAP was established. Wide area network was decomposed to honeycomb-like structure that combined the advantages of the distributed and integrated structures. This partitioning method is more suitable for practical power grid structure. A three-layer system structure that contains intelligent electronic device (IED), sub-station processing unit (SSPU) and regional centralized decision center (RCDC) was applied to identify faults through inter-layer communication. Meanwhile, independent decision-making function was employed to enhance the reliability of protection system when communication outages occurred. Zone-division distance relay was proposed based on mutual assistance mechanism, and fault element identification was realized by logical computation in each partitioned zones so as to meet the demand of selectivity and rapidity of WAP. Simulation tests based on eastern Hubei 220kV grid validated the effectiveness of the presented method. KEY WORDS: power system; wide area protection (WAP); limitation; zone-division; system architecture; system division; distance protection 摘要:为促进广域继电保护(wide area protection,WAP)从原 理性探索向工程可实现应用性转化,提出分区域广域继电保 护的系统结构和故障识别算法,构建了较为明确的保护体 系。基于有限广域保护的特点,提出将广域电网划分为类蜂 窝结构的分区域系统实现继电保护,并结合集中式和分布式 系统结构的优点,提出了更加适合区域电网的分布集中式广 域继电保护系统结构。基于智能电子设备(intelligent electronic device,IED)、子站处理单元(sub-station processing 基金项目:国家自然科学基金项目(50877031,50837002)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50877031, 50837002). unit , SSPU) 和 区 域 集 中 决 策 中 心 (regional centralized decision center,RCDC)的 3 层系统结构通过相互通信实现 保护区域的故障判断,同时,在通信系统中断时各层结构又 具有独立决策的功能,提高了广域继电保护系统的可靠性。 在建立系统层间互助机制的基础上,提出了区域距离保护, 系统通过不同信息域的简单逻辑计算实现故障元件识别,可 满足广域继电保护的选择性和快速性要求。用鄂东 220 kV 电网系统模型验证了广域保护系统的有效性。 关键词:电力系统;广域继电保护;有限性;分区域;系统 结构;系统分区;距离保护 0 引言 继电保护作为保障电网安全稳定运行的重要 防线,其可靠性和速动性对隔离故障和防止事故扩 大至关重要。据统计,75%的电力系统扰动都是由 后备保护的误操作引起的[1]。传统基于就地测量信 息的后备保护存在整定配合困难的问题,在当前电 网的广泛互联和输电线路接近极限运行的工况下 尤为突出[2]。潮流转移时后备保护误动及引发的连 锁跳闸事故和整定配合错误造成的隐藏故障都将 加大电网在扰动下失稳的风险[3-4]。 近 年 来 , 随 着 广 域 测 量 技 术 (wide area measurement system,WAMS)的发展,基于电网多 信息构成的广域继电保护为解决上述难题带来了 契机[5-6]。根据国际大电网会议(CIGRE)对广域保护 功能的描述,其研究可分为 2 方面:一是基于广域 信息的电网安全稳定控制研究,主要对电网的安全 稳定运行状态进行监测、分析和评估;另一方面的 研究则集中于利用广域信息改进和提高传统继电 保护的性能。需要指出的是,现有高压电网主保护 主要采用各类纵联保护,动作速度快,不受负荷转 96 中国电机工程学报 第 31 卷 移的影响,整定简单,动作正确率高,而广域信息 的采样存在同步、传递存在延时、可靠性及安全性 等局限,因此,利用广域信息改善继电保护的性能 主要集中在后备保护方面。 针对上述的第 2 方面,国内外学者就广域继电 保护系统结构和故障识别原理进行了初步的研究。 广域继电保护根据所基于的系统结构不同,可分为 集中式、分布式和混合式 3 类:集中式结构即广域继 电保护系统的核心决策系统集中在一个中心,优点 是系统通信量小,获得的信息量多,有利于系统决 策和稳定控制系统的结合,但集中决策中心易受到 系统干扰而存在单点失效的风险[7];分布式结构即 广域继电保护系统的核心决策系统位于分布在系 统中的智能电子设备(intelligent electronic device, IED)内,由分布式 IED 互相协助完成整个保护功 能,优点是自适应能力强,且不存在单点失效风险, 但系统的通信量较大,决策单元可利用的信息量 小,且系统设计复杂[8];混合式结构[9]能够结合两 者的优点,弥补相互的缺点,但缺乏详细的实现方 案研究,分布的 IED 和集中的中心单元(center unit, CU)配合不好依然会存在单点失效的风险。因此, 为满足广域继电保护工程应用的实际需要,广域继 电保护系统结构研究仍具有重要意义。 由于系统结构的不同,相同的故障识别算法在 实现过程中也有所差别。目前的算法研究主要是基 于电力系统主保护算法的拓展,将方向比较纵联保 护[10-11]和电流差动保护[12]原理引伸到广域后备保 护中来,并结合专家系统提高信息的容错能力。但 对电流差动保护存在的电容电流影响、广域测量累 积误差对差流的影响等问题,方向比较保护存在的 潮流转移误动、非全相及功率倒向等复杂工况下部 分方向保护退出等问题缺乏明确的应对方案。 本文结合广域继电保护工程承继性和可实现 性的应用特点,从电力系统安全稳定“第一道防线” 的要求和特征入手,在描述有限广域保护的基础上 提出一种基于分区域分布集中式广域继电保护系 统结构方案,论述该模式下的系统结构构成及多信 息区域距离保护实现等问题。 1 广域后备保护系统结构 1.1 广域电网的分区域体系 广域继电保护的核心思想在于利用电网中的 广域同步测量信息,通过多信息融合计算来识别故 障元件并通过简单逻辑配合来保证故障的可靠切 除。多信息的融合并不代表全电网的信息融合,也 不代表信息越多越好,因此,构建包含广域范围内 全部变电站的广域继电保护,实现这种广域范围内 的信息交换是不必要的[13]。充分利用有限广域范围 的信息,提高电力系统继电保护的水平,这不仅是 广域保护系统发展的合理趋势,也满足了目前广域 继电保护原理的研究方向和工程实现的需要[14]。基 于有限广域保护的概念,体现在以下几个方面: 1)主要考虑广域继电保护为加强电网“第一 道防线”性能,体现承担的任务有限。 2)广域继电保护决策中心仅需要近故障点灵 敏度较高的保护信息进行故障决策,如果保护系统 汇集全网变电站的故障信息,有用的信息反而淹没 在大量的冗余数据中,增加了信息提取的困难。 3)广域继电保护的实现是逐步发展的过程, 在全电网范围内分区域实现继电保护功能,是电网 长期建设的自然发展结果,有利于系统的过程实现。 基于有限广域保护的概念和电网整体保护无 死区原则,将广域电网划分为保护对象相对独立、 故障信息实现共享的分区域保护体系是广域继电 保护能够工程实现的可行方向。类蜂窝式结构能够 很好地描述广域电网区域划分,如图 1 所示。分区 域间的保护判据相互独立,保护范围相互交互,相 邻区域间仅交换有限信息,主要包括交互区的远后 备保护起动信息和交互区域故障决策信息。将复杂 电网进行分区域保护和控制,不仅有利于降低系统 的通信量,更加便于广域继电保护的工程实现。 分区 域1 分区 域2 分区 域3 分区 域4 分区 域5 分区 域6 广域电网类蜂窝 式区域划分示意图 区域间信息交换 区域间保护交互区 图 1 广域电网的分区域体系 Fig. 1 Structure of single limited wide area protection 广域电网的分区域划分考虑以下几个方面: 1)区域决策中心的选取。分布集中混合式系 统结构要求在分区域内选取一个信息集中中心作 为广域继电保护系统的决策中心。决策中心的选取 既要考虑输电系统节点之间的连接关系,也要考虑 第 28 期 李振兴等:分区域广域继电保护的系统结构与故障识别 97 节点间通信系统的连接关系。一般优先考虑人为、 地理环境、通信条件等因素,指定一些特殊的变电 站或区调中心作为决策中心;其次是基于电网拓扑 结构选取相邻节点多、路径关联密集的变电站作为 决策中心。 2)分区域保护范围。广域继电保护系统作为被 保护对象的后备保护,在功能上能够实现常规近后 备保护和远后备保护的保护功能,在工程实现上尽 可能由本区域内信息完成后备保护功能,区域间信 息交换尽可能少,因此,广域继电保护系统保护范 围以满足各保护对象的远后备保护范围为原则,即 以决策中心为起始点,保护范围达到下一条线路的 末端,为方便新建变电站的接入,可适当增大范围。 3)分区域交互保护范围。图 2 给出 4 种不同 区域的交互情况:图 2(a)中变电站 B2 得不到保护; 图 2(b)中任一个保护区域在变电站B2直流消失时, 均不能独立实现变电站 B2 及线路 L1、L2 的有效保 护;图 2(c)中由于交互区包含一条线路,避免了上 述 2 种情况的缺点,但线路L2的远后备保护必须由 2 个不同区域信息协商后共同完成;图 2(d)中由于 交互区包含 2 条线路及中间变电站,不存在上述 3 种情况的问题,但交互区域过大使得系统获取的信 息量增大,增加了通信压力。因此,从上述分析可 知,广域继电保护系统的 2 个相邻区域必须交互至 少一条线路,必要的时候应该交互更多,才能够避 免该线路相邻变电站仅作为一个或多个保护区域 边界时,在变电站直流消失、断路器失灵等情况下 广域继电保护因信息缺失不能够快速切除故障。 考虑到广域继电保护系统具有常规远后备保 护的保护范围,分区域的中心站尽量不是直接相邻 变电站,否则 2 个分区域的交互区过大,进一 区域 I B1 L1 B2 区域 II 区域 I L2 B3 B1 L1 B2 区域 II L2 B3 (a) 点交互 (b) 变电站交互 区域 I 区域 II 区域 I B1 L1 B2 L2 B3 B1 L1 B2 区域 II L2 B3 (c) 线路交互 (d) 多单元交互 图 2 交互分区 Fig. 2 Interactive subarea 步使得整个系统因此划分出太多的区域,不利于广 域继电保护工程的实现;同时,实际电网是逐渐发 展建设的,在工程应用背景下讨论保护分区,还需 要考虑系统规划、调度、运行方式、安全稳定控制、 保护通信等设计和运行人员的经验对保护分区的 特定要求等,并能对保护分区结果进行适当调整, 使其更加具有工程应用价值。 1.2 广域继电保护分布集中式系统结构 广域电网的分区域势必影响广域继电保护系 统结构,常规分布式和集中式系统结构存在各自的 优点和缺点。本文结合分布集中混合式系统结构的 优点,提出分区域广域继电保护的分布集中式系统 结构,从变电站角度来看,变电站各间隔 IED 采用 分布式信息采集和控制模式,整个变电站的信息汇 集和处理采用集中式模式;从区域集中决策来看, 各变电站处理单元采用分布式模式,广域继电保护 决策中心采用集中式模式。该系统结构模式即体现 了分布式和集中式相结合的优点,又能符合大电网 通过分区域划分之后的格局。这种基于区域集中的 分布式终端结构也为今后电网分区域的安全稳定 计算提供了基础。图 3 为单个分区域分布集中式广 域继电保护系统结构。 在图 3 区域分布集中式广域继电保护系统中, 以变电站 C 为决策中心,称该站为系统的主站,主 站除完成本站信息采集和保护控制外,还完成区域 的多信息集中决策;除主站外的其他变电站称为系 统的子站。系统中各单元的功能如下。 1)智能电子设备 IED。IED 主要完成基于就地 电流互感器和电压互感器测量信息及断路器状态 信息的采集功能、断路器操作的执行功能、常规主 保护功能、广域保护系统的多信息计算功能,与 SSPU 的通信功能;同时,IED 在与子站处理单元 (sub-station processing unit,SSPU)失去联系时完成 常规后备保护功能,承担了 SSPU 的后备保护功能。 2)子站处理单元。SSPU 主要完成变电站各 IED 的信息汇集和相应的信息处理功能,与区域集中决 策中心(regional centralized decision center,RCDC) 及 IED 的通信功能。SSPU 集中整个变电站的信息 和通信,具有重要的地位,为避免单个设备失效不 能实现有效保护,每个变电站 SSPU 双重化配置, SSPU1 为主设备,SSPU2 为热后备设备,主设备与 后备设备同时接收 IED 和 RCDC 的信息并进行并行 98 中国电机工程学报 第 31 卷 路由器 路由器 SSPU1 SSPU2 IED IED 广域通信网络 路由器 路由器 SSPU1 SSPU2 IED IED 路由器 RCDC1 SSPU1 路由器 RCDC 2 SSPU2 IED IED 路由器 路由器 SSPU1 SSPU2 IED IED 变电站 A IED 变电站 B IED IED 变电站 C 变电站 D 图 3 单个有限广域继电保护系统结构 Fig. 3 Structure of single limited wide area protection 计算处理,由 SSPU1 发送信息给 RCDC 或相应的 备用主保护投入。由于采取分区域多层结构保护系 IED,同时将信息发送给 SSPU2。正常情况下, 统,保护和控制的范围较大,区域集中的区域决策 SSPU2 作为 SSPU1 的功能监视和校验设备,并不 中心应能制定并执行更可靠、有选择性的后备动作 发送信息给 RCDC,以降低广域通信的通信容量; 策略,提高应对复杂现场接线的能力。 在 SSPU1 故障时自动切换为主设备。在 SSPU1、 1.3 构建系统的关键技术 SSPU2 均与 RCDC 失去联系时则分别自主与相邻 1)通信系统。通信系统是保障广域继电保护 变电站 SSPU 建立通信,由相邻变电站和本站信息 性能的基础,约束着保护与控制的范围。随着广域 共同完成变电站母线及相邻线路的故障识别功能, 测 量 系 统 和 光 纤 通 信 技 术 的 发 展 , 结 合 基 于 承担了 RCDC 的后备保护功能。 IEC 61850 的数字化变电站的逐步普及,以全站信 3)区域集中决策中心。RCDC 主要完成区域 息为整体的面向通用对象的变电站事件(generic 内各变电站信息的汇集功能,基于多信息的故障元 件识别及保护动作策略的制定功能,与 SSPU 的通 object oriented substation events,GOOSE)传输模式 成为广域继电保护信息传输的发展趋势[15];基于同 信功能。RCDC 是广域继电保护系统的核心,是实 步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)光 现多信息故障识别的关键,为避免单点故障广域继 纤环网的迅速发展为广域继电保护通信网络的形 电保护失效的风险,在主站内 RCDC 实现双重化配 成奠定了基础,对于没有铺设光纤通道的线路采用 置,RCDC1 为主设备,RCDC2 为热后备设备,主 现有纵联保护通信通道构建广域信息通信网络。 设备与备后设备同时接收 SPPU 的信息并进行并行 2)广域继电保护故障识别原理与实现方法。 计算处理,由 RCDC1 发送决策命令,同时将信息 尽管广域电网被分为多区域实现继电保护,其分区 发送给 RCDC2。正常情况下,RCDC2 作为 RCDC1 域的信息量还是足够满足目前研究比较成熟的多 的功能监视和校验设备;在 RCDC1 故障时自动切 种广域继电保护故障识别算法。考虑到传统主保护 换为主设备。 (如纵联差动或纵联方向保护、突变量距离保护、距 4)其他功能。系统还包括基于全网的同步时 离 I 段保护等)本身具有动作快速性和明确选择性 钟校时功能,与其他分区域保护系统交换信息的通 的优点,且在目前继电保护中承担着重要的任务, 信功能等。 在本文提出的广域继电保护系统中,常规主保护的 利用广域多信息构成广域继电保护系统的最 测量、判断、通信和控制在各 IED 实现,而 RCDC 主要目的在于改善后备保护性能,解决基于就地信 主要基于广域多信息融合技术实现系统的后备保 息的后备保护问题。基于系统结构各处理单元的协 护。因此,利用区域的冗余信息量进行故障决策的 助配合,也能够为改进和提高主保护性能起到一定 智能保护算法或信息融合技术成为研究的重点;同 的作用;同时,如果后备保护处理得当,还可作为 时,RCDC 采用多种不同原理的保护判据能有效保 第 28 期 李振兴等:分区域广域继电保护的系统结构与故障识别 99 证故障识别的可靠性。 3)多级处理单元的协助功能。尽管 RCDC、 SSPU 均采用双重化配置,但考虑到广域继电保护 保护范围较大,一旦失效或决策错误均会给电网带 来严重影响。为应对上述问题,本系统从以下几个 方面实现:①对 RCDC、SSPU 进行双重化配置并 建立主从协调机制,主机进行信息处理和决策,从 机监视和检验,并及时通知主机检验结果,主机有 回应则由主机进行容错处理,主机没有回应,从机 自动切换为主机;② SSPU 与 RCDC 失去联系时, SSPU 与相邻变电站 SSPU 建立通信,由相邻变电站 SSPU 和该变电站 SSPU 相互协助完成变电站及其相 连线路的后备保护;③ SSPU 与主网通信被切断时, 直接由 SSPU 利用本变电站的信息承担后备保护功 能;④ SSPU 出现故障时,由该站各 IED 实现常规 后备保护,达到目前常规继电保护配置状态。 2 基于多信息的区域距离保护 2.1 区域距离保护原理 本文主要研究 RCDC 实现后备保护的故障元 件识别功能。RCDC 集中了整个区域的信息,如何 利用众多的冗余信息量进行故障元件识别一直是 学者研究的热点[16-17],本文就 IED 的常规距离保护 起动元件,结合系统结构各处理单元的配合关系, 提出区域距离保护的原理和实现方法。 三段式距离保护通过延时配合来实现后备保 护的选择性。不仅给整定带来困难,还会牺牲故障 切除的快速性,扩大设备的损坏程度,甚至扩大电 网运行的事故。为了兼顾后备保护动作的快速性和 选择性,区域后备保护利用 IED 计算的距离 II 段保 护和距离 III 段保护的起动元件,通过简单的逻辑 配合实现保护明确的选择性,通过起动元件的无延 时配合实现后备保护的快速性。 以图 4 所示输电系统为例进行分析,在线路两 侧均装设距离 II 段、距离 III 段和距离 IV 段(反向 特性)保护,其保护范围同常规距离保护,但整定冗 余较大,可降低整定困难。 广域继电保护故障元件识别判据根据采用的 信息不同,可以将保护对象划分为不同的保护信息 区域(signal area,SA),如图 4 线路 L1 所示。信息 区域由 3 部分组成:保护对象本身构成的区域为最 小信息区域 SA1;利用线路两端站域信息构成中间 ZIII ZIII ZII ZIII ZII ZIII ZIII ZIII ZII ZII IED3 L2 B3 IED4 IED1 B1SA4 SLA1 1 IED2 IED5 SA2 B2 L3 IED6 B4 图 4 广域继电保护分区区域图 Fig. 4 Division area graph of wide area protection 信息区域 SA2;利用线路上一条线路的远后备保护 信息构成最大信息区域 SA3。同理,可将图 4 母线 B1 的保护信息区域分为 2 个部分:保护对象本身 构成的区域为最小信息区域 SA4;利用母线相连线 路对侧远后备保护信息构成最大信息区域 SA5。 线路故障时的决策分析(以线路 L1 为例): 1)由 SA1 信息构成保护判据,原理同常规纵 联距离保护,分别采用线路两端距离保护II段、距 离III段保护同时动作识别线路发生区内故障。 2  ZAV1  (ZIIi  ZIIIi ) (1) i 1 式中:ZAV1 为线路故障决策判据 1 的动作值;ZII1 为 IED1 的距离 II 段的保护起动值;其他元件命名 规则相同。 2)由 SA2 信息构成保护判据,根据交互范围 保护动作共性的特点,利用本线路距离保护 II 段的 动作信息与线路对侧距离 IV 段及下一条线路距离 保护 II 段不动作信息共同判断线路 L1 故障;或利 用本线路距离保护 III 段的动作信息与线路对侧距 离 IV 段及下一条线路 IED 距离保护 III 段不动作信 息的逻辑关系识别线路 L1 发生区内故障。    III (Zi1  Z IV 2  Zi5 )  ZAV2  i  II    III iI (Zi 2  ZIV1  Zi4 ) (2) 3)由 SA3 信息构成保护判据,根据相交范围保 护动作共性的特点,利用线路上一级距离 III 段保护 动作信息与线路背侧距离 II 段、下一条线路距离 II 段不动作信息的逻辑关系识别线路发生区内故障。    ZAV3  2 5 (ZIIIi ZIVj ZIIj ) (3) i 3,6 j 1 i4 母线故障时的决策(以母线 B1 为例): 100 中国电机工程学报 第 31 卷 1)由母线 SA4 信息构成保护判据,利用母线 相连线路距离保护 IV 段同时动作识别母线发生区 内故障。 ZAV1  ZIV1  ZIV4 (4) 2)由 SA5 信息构成保护判据,利用母线相连 线路对侧距离 III 段保护动作信息与线路本侧距离 II 段不动作信息的逻辑关系识别母线发生区内故障。 3  ZAV1  (ZIIIi  ZIII4  ZIII1 ) (5) i2 2.2 区域距离保护的实现方法 2.2.1 辅助元件设计 采用 IED 距离保护起动元件进行广域距离保 护逻辑判断,必然也存在常规保护遇到的问题:系 统振荡、大范围潮流转移及高阻接地等问题。广域 继电保护系统通过保护的振荡闭锁元件和负荷限 制元件来解决区域距离保护的问题;高阻接地故障 识别需要广域继电保护系统配备零序方向等保护 辅助方案,限于篇幅本文不作叙述。 1)振荡闭锁元件。考虑到区域距离保护实现 后备保护功能,在动作时间上没有主保护快,可以 通过振荡闭锁方式防止区域距离保护的误动,同时 开放条件防止振荡再故障时距离保护的拒动,借鉴 常规保护振荡闭锁的原理,分为不对称故障振荡闭 锁开放和对称故障振荡闭锁开放元件。 不对称故障时的保护启动元件: I2  I0  m I1 (6) 式中 m 一般取 0.66。 对称故障时保护启动元件: 0.08UN  U1 cos(   )  0.25UN (7) 0.03UN  U1 cos(   )  0.08UN (8) 式中:U1 为正序电压;为正序电压、电流的夹角; 为线路正序阻抗的余角。式(7)延时 500 ms 后启动, 式(8)延时 150 ms 后启动。 振荡闭锁开放元件安装在各 IED 内,在 IED 突 变量启动元件动作后 160 ms 内没有收到 WAPS 跳 闸命令则进入振荡闭锁,只有满足式(6)—(8)后再收 到 WAPS 命令才执行跳闸。 2)负荷限制元件。距离III段误动作是引起美 国“8.14”大停电事故的重要因素[18],为解决距离 III 段在负荷转移时误动作,引入 IEEE 电力系统继 电保护会议报告[19]提出的距离保护继电器负荷限 制特性,并在 IED 装设具有该特性的辅助元件。根 据北美电力可靠性协会(North American Electric Reliability Corporation,NERC)提出距离保护基本原 理分析报告,限制电阻按照线路极限运行下负荷电 阻整定,负载闭锁阻抗角整定为 30,只有在限制 区内并收到 WAPS 距离保护跳闸命令时 IED 才会动 作出口,防止了一般潮流转移的保护误动,同时, 限制电阻也保证线路在大范围潮流转移时线路负 载超出极限运行情况下的拒动。 2.2.2 基于信息拓扑树搜索的保护判据构成 广域继电保护 RCDC 完成基于多信息的故障 元件识别功能,研究的保护对象是输电元件,利用 的信息来自于以保护对象为中心的不同信息区域, 信息域确定后即可实现区域距离保护。实际上广域 电网运行结构变换频繁,运行工况的变化引起距离 保护信息域的变化,很难实现如式(2)—(5)的固有判 据,因此,广域保护系统根据电网拓扑结构自动生 成区域内各保护对象的信息拓扑树,如图 5 所示, 保护对象为树根,其他相邻元件为树枝,以树枝的 IED 为节点建立多层信息域。广域继电保护的保护 系统基于信息拓扑树的多层信息域搜索来构建区 域距离保护的判据。 L1 B1 IED1 B1 IED4 L2 IED3 IED2 SA1 SA4 B2 IED5 SA2 SA5 L3 IED6 SA3 IED4 L2 IED3 IED1 L1 IED2 (a) 线路 L1 故障 (b) 母线 B1 故障 图 5 信息拓扑树 Fig. 5 Topological tree of protection signals 如图 5(a)所示,根据信息拓扑树知识,在线路 L1(树根)故障启动后,分 3 步搜索实现保护判断: 1)首先由 SA1 区域所有 IED 的距离 II 段或距 离 III 段同时起动信息共同构成保护判据,如果判 据动作则发跳闸命令,否则执行第 2)步。 2)依次搜索 SA1 区域树枝上的 IED,如果检 测到 IED 距离 II 段或距离 III 段的起动信息,再搜 索 SA1 区域所有其他树枝上的 IED 对应的距离 IV 段和 SA2区域所有其他树枝上的 IED 对应的距离 III 段不动作信息共同构成保护判据,如果判据动作则 发跳闸命令,否则执行第 3)步。 3)依次搜索 SA3 区域树枝上的 IED,如果检 第 28 期 李振兴等:分区域广域继电保护的系统结构与故障识别 101 测到 IED 距离 III 段的起动信息,再搜索 SA1 区域 所有其他树枝上的 IED 对应距离 IV 段和 SA2 区域 所有其他树枝上的 IED 对应距离 II 段的不动作信 息,共同构成保护判据,如果判据动作则发跳闸命 令,否则保护返回。 如图 5(b)所示,根据信息拓扑树知识,在母线 B1(树根)故障启动后,分 2 步搜索实现保护判断: 1)首先由 SA4 区域所有的 IED 距离 IV 段同时 起动动作共同构成保护判据,如果判据动作则发跳 闸命令,否则执行第 2)步。 2)依次搜索 SA5 区域树枝上的 IED,如果检 测到 IED 距离 III 段的起动信息,再搜索 SA4 区域 所有树枝上 IED 对应距离 III 段的不动作信息共同 构成保护判据,如果判据动作则发跳闸命令,否则 保护返回。 2.2.3 保护容错性设计 考虑广域信息的测量、判断及通信传输过程中 可能出现信息缺失或信息错误,基于此信息的广域 保护故障元件识别将存在误动作的可能。因此,基 于信息容错性设计的保护判据是广域保护系统研 究的重点之一,目前一些智能算法被广泛探讨[20], 但应用于实际还需要进一步验证。本文研究的区域 距离保护在容错性设计上考虑系统 N1 问题时,利 用多信息区域的融合判断以弥补故障元件无法正 常工作带来的不利影响,保证继电保护系统的性能 1 巡司 青山 关山 珞珈 凤凰山 电治 岳府湾 轧 钢 庙山 花山 沙塘 鄂州 3 塘角镇 茶庵 4 汪庄余 鹿门 栖儒 咸宁 下陆 吴田 蒲圻 姜家沌 不降低或基本不降低。 最小信息区域保护判据本身采用纵联方向保 护原理,基于多端同时动作信息的判据在 N1 时不 会出现误动,同时在拒动时考虑扩大信息区域构成 保护判据。对于扩大区域保护判据,采用至少 2 种 保护元件的动作信息进行容错判断,以提高保护的 动作可靠性。式(9)、(10)分别为线路、母线保护的 容错性判据。 (ZAV1  1)  (ZAV2  2)  (ZAV3  2) (9) (ZAV4  1)  (ZAV5  2) (10) 3 算例仿真 3.1 类蜂窝分区域保护分区 为验证本文算法,利用电磁暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 搭建的鄂东地区 220 kV 电网系统 模型进行仿真验证。 率先以凤凰山、四棵、鄂州 3 座邻接联络线较 多的变电站为决策中心站,并定义为区域 1(中心站 为凤凰山)、区域 2(中心站为四棵)、区域 3(中心站为 鄂州)。在剩余区域根据决策中心选取原则,争取用 最少的保护分区域涵盖全电网,形成与区域 1 邻接 的区域 4(中心站为汪庄余);与区域 2 邻接的区域 5(中心站为蕲春);与区域 3 邻接的区域 6(中心站为 北洋),自此鄂东地区保护分区完成,如图 6 所示。 和 6 沙湖 北洋 武东 左岭 蔡城 蕲春 5 张家湾 华容 黄石 炼 大吉 崔家湾 朗家 石板路 西塞山 铁山 西沙 磁湖 韦源 2 向家嘴 图 6 鄂东地区 220 kV 电网 Fig. 6 Eastern Hubei province power grid at 220 kV 102 中国电机工程学报 第 31 卷 相比较文献[13-14]的保护分区,本文在此基础 上进行了进一步的改进,主要体现在以下几点: 1)类蜂窝分区域保护区域的划分,直接体现了广 域继电保护范围的有限性,更加适合广域继电保护 工程的实现;2)分区域的交互性和区域间的信息 交换有效实现了大电网各元件的可靠保护,克服了 文献[13-14]分区在边界站直流消失时保护失效的 风险;3)没有固定半径长的保护分区范围,其灵 活性易于新建变电站保护和通信体系的接入。 3.2 分区域距离保护算法 以区域 3 内下陆至铁山的线路 LXT 发生故障为 例作区内故障分析,从图 6 可知,线路 LXT 属于区 域 3,但其远后备信息并不完全在区域 3 内,从 图 7 所示的信息拓展树可知 IED11 和 IED14 属于区 域 2。区域 3 需要与区域 2 交换 IED11 和 IED14 的 信息才能完成该线路的线路 SA3 区间的保护,当然 也可以把区域 3 的信息传给区域 2 以实现线路 LXT 的故障识别,但交换的信息量明显大于前者,不适 合广域继电保护的工程实现。 根据图 7 信息拓扑树的搜索,可以很容易构建 线路的距离保护判据。 LXT IED3 LXE IED9 IED1 XL IED4 IED5 LXX LXC IED10 IED11 IED6 LXS IED12 IED2 SA1 TS IED7 LTL IED13 IED8 SA2 LTH IED14 SA3 图 7 鄂东地区 220 kV 电网 Fig. 7 Eastern Hubei province power grid at 220 kV 1)基于 SA1 的信息构成判据: 2  ZAV1  (ZIIi  ZIIIi ) i 1 (11) 2)基于 SA2 的信息构成判据:     III (Z j1  ZIV2 8 Z ji )   ZAV2   jII    III j  II ( Z j 2  i7 6 ZIV1 Z ji ) i3 (12) 3)基于 SA3 的信息构成判据:    14 8 2 ZAV3  (ZIIIi ZIIi ZIVi ) i9 i3 i1 (13) 为了更好地说明保护系统的故障识别算法,本 文仿真时设定线路 LXT 发生接地故障,并假设保护 系统接收到的区域保护信息出现缺失或错误,分别 考虑信息正确或多位信息有误的情况下,利用不同 信息区域的信息冗余计算来验证故障元件识别的 可靠性。如表 1 所示。 表 1 信息缺失或信息错误情况下的故障识别 Tab. 1 Fault identification in some wrong information 判据 无 信息错误时各区保护判据动作值 ZII2 ZIII1 ZIV2 ZII1, ZIII2 ZII2, ZIII2 ZII8, ZIII5 ZAV1 2 2 2 2 1 0 2 ZAV2 4 3 3 2 2 2 2 ZAV3 6 6 6 4 6 6 4 由表 1 可知,在出现 1 位或 2 位信息缺失或信 息错误时,利用不同信息区域的信息融合,基于 式(9)保护判据的容错性设计,系统能够可靠地识别 出故障元件。 4 结论 针对目前常规后备保护存在的问题,本文提出 基于广域信息的继电保护系统,结合工程应用与应 对全网适应性的要求,从电力系统安全稳定“第一 道防线”的要求和特征入手,研究广域继电保护的 系统结构和故障元件识别算法。 1)提出广域大电网类蜂窝结构的分区域划分 原则,并针对分区域保护实现要求,提出区域分布 集中式的保护系统体系,构造基于 IED、SSPU 和 RCDC 三层结构,层间相互通信、各层独立处理及 层层备用的决策模式能够较好地保证广域继电保 护系统的可靠性。 2)基于广域继电保护系统结构互助机制,提 出区域距离保护算法,利用不同信息域的逻辑计算 实现故障元件识别。仿真结果表明该算法具有较高 的冗余性。 参考文献 [1] Phadke A G,Thorp J S.Expose hidden failures to prevent cascading outages[J].Computer Applications in Power, IEEE,1996(3):20-23. [2] 张保会.加强继电保护于紧急控制系统的研究提高互联 电网安全防御能力[J].中国电机工程学报,2004,24(7): 1-6. Zhang Baohui . Strengthen the protection relay and urgency control systems to improve the capability of security in the interconnected power network [J].Proceedings of the CSEE,2004,24(7):1-6(in 第 28 期 李振兴等:分区域广域继电保护的系统结构与故障识别 103 Chinese). [3] 徐慧明,毕天妹,黄少锋,等.基于广域同步测量系统 的预防连锁跳闸控制策略[J].中国电机工程学报,2007, 27(19):32-38. Xu Huiming,Bi Tianshu,Huang Shaofeng,et al.Study on wide area measurement system based control strategy to prevent cascading trips[J].Proceedings of the CSEE, 2007,27(19):32-38(in Chinese). [4] 易俊,周孝信.电力系统广域保护与控制技术[J].电网 技术,2006,30(8):7-14. Yi Jun,Zhou Xiaoxin.A survey on power system widearea protection and control[J].Power System Technology, 2006,30(8):7-14(in Chinese). [5] Novosel D,Bartok G,Henneberg G,et al.IEEE PSRC report on performance of relaying during wide-area stressed conditions[J] . IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):3-16. [6] 蔡运清,汪磊,Kip Morison,等.广域保护(控制)技术 的现状及展望[J].电网技术,2004,28(8):20-25. Cai Yinqing,Wang Lei,Morison K,et al.Current statuses and prospect of wide-area protection (dynamic stability control) technologies[J].Power System Technology , 2004,28(8):20-25(in Chinese). [7] Adamiak M G,Apostolov A P,Begovic M M,et al.Wide area protection-technology and infrastructures[J].IEEE Transactions on power Delivery,2006,21(2):601-609. [8] 从伟,潘贞存,赵建国.基于纵联比较原理的广域继电 保护算法研究[J].中国电机工程学报,2006,26(21): 8-14. Cong Wei,Pan Zhencun,Zhao Jianguo.A wide area relaying protection algorithm based on longitudinal comparison principle[J].Proceedings of the CSEE,2006, 26(21):8-14(in Chinese). [9] Lin Xiangning , Li Zhengtian , Wu Kecheng , et al.Principles and implementations of hierarchical region defensive systems of power grid[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2009,24(1):30-37. [10] 杨增力,石东源,段献忠.基于方向比较原理的广域继 电保护系统[J].中国电机工程学报,2008,28(22):77-81. Yang Zengli,Shi Dongyuan,Duan Xianzhong.Wide-area protection system based on direction comparison principle [J].Proceedings of the CSEE,2008,28(22):77-81(in Chinese). [11] Ramaswami R,Damborg M,Venkata S.Coordination of Directional overcurrent relays in transmission systems-a subsystem approach[J] . IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(1):64-70. [12] Su Sheng,Li K K,Chan W L,et al.Agent based wide area current differential protection system[C]//2005 IEEE Industry Applications Conference Fortieth IAS Annual Meeting.Kowloon,Hong Kong,China:IEEE,2005: 453-458. [13] 李振兴,尹项根,张哲,等.有限广域继电保护系统的 分 区 原 则 与 实 现 方 法 [J] . 电 力 系 统 自 动 化 , 2010 , 34(19):48-51. Li Zhenxing,Yin Xianggen,Zhang Zhe,et al.A study of zone division on limited wide area protection system [J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(19): 48-51(in Chinese). [14] 尹项根,汪旸,张哲.适应智能电网的有限广域继电保 护分区与跳闸策略[J].中国电机工程学报,2010,30(7): 1-7. Yin Xianggen,Wang Yang,Zhang Zhe.Zone-division and tripping strategy for limited wide area protection adapting to smart grid[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(7): 1-7(in Chinese). [15] Wang Yangguang , Yin Xianggen , You Dahai , et al . Development of wide area current differential protection IED based on IEC 61850[C]//Proceeding of 2008 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference & Exposition.Chicago,IL,USA:PES, 2008:833-841. [16] Tan J C,Crossley P A,Mclaren P G,et al.Sequential tripping strategy for a transmission network back-up protection expert system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2002,17(1):68-74. [17] Lin Xiangning,Ke Shuohao,Li Zhengtian,et al.A fault diagnosis method of power systems based on improved objective function and genetic algorithm-tabu search [J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(3): 1268-1274. [18] 何大愚.一年以后对美加“814”大停电事故的反思 [J].电网技术,2004,28(21):1-5. He Dayu.Rethinking over 814 US-Canada blackout after one year[J].Power System Technology,2004,28(21): 1-5(in Chinese). [19] Novosel D,Bartok G,Henneberg G,et al.IEEE PSRC report on performance of relaying during wide-area stressed conditions[J] . IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):3-17. [20] 汪旸,尹项根,张哲,等.基于遗传信息融合技术的广 域继电保护[J].电工技术学报,2010,25(8):174-179. Wang Yang,Yin Xianggen,Zhang Zhe,et al.Wide area protection based on genetic information fusion technology [J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010, 25(8):174-179(in Chinese). 李振兴 收稿日期:2011-04-20。 作者简介: 李振兴(1977),男,通信作者,博士研 究生,研究方向为电力系统继电保护与控 制、电力系统人工智能技术,lzx2007001 @163.com。 (责任编辑 刘浩芳)

    Top_arrow
    回到顶部
    EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。