基于纵联保护信道的站域距离保护方案

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1、基于纵联保护信道的站域距离保护方案 王 菲，张 哲，尹项根，李 晨 (强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 摘 要： 由于数字化变电站相同电压等级站域信息共享， 为改善后备保护性能提供了可能。 针对传统距离保护作为后备保护时存在的延时长、灵敏度不足及受潮流转移影响等问题， 提出基于纵联保护信道的站域距离保护方案。 设置站域保护决策单元， 分进出线故障检测和后备保护跳闸决策两部分完成故障元件的确定和后备保护动作的设置。 根据本站保护动作信息检测进出线是否发生故障， 利用纵联保护光纤通道传输进出线故障检测信息， 根据本站保护动作信息以及下级相邻各变电站经纵联通道传来的检测信息， 进行信

2、息融合处理形成站域后备保护跳闸决策。 该方案可加快后备保护动作速度， 提高后备保护灵敏度。 最后以 10 机 39 节点模型为例， 仿真验证该保护方案在正常情况下， 故障点取不同位置时能正确动作， 并且当存在主保护拒动、 保护装置失直流电压、潮流转移等情况时都能正确判断，实现后备保护功能。 关键词：站域保护；光纤通道；距离保护；后备保护 0 引言 随着智能变电站的广泛应用和推广，基于 IEC61850 标准实现了全站统一的数据建模及数据 通信平台，且间隔层设备实现相同电压等级下信息 共享，为利用共享信息实现站域保护改善传统后备 保护的性能提供了可能1-4。 与此同时，220kV 及以上超高压输

3、电线路，采 用纵联保护作为其主保护5,6， 通道是以光纤点对点 2Mbit/s 的专用通道或复用通道为主7-9。在现有基 于光纤通道的纵联保护中，光纤信道主要用于传输 主保护所需的采样值或相量值以及少量的保护动 作信息，其通道容量往往未能得到充分发挥。实际 上，光纤通道能实时传输多路信息9，除了可以满 足纵联主保护的信息传输外，仍有冗余信道可以利 用。因此，通过在现有的纵联保护的光纤通道中， 增加可用于后备保护的辅助决策信息，并以此为基 础，构建基于纵联保护信道的新型站域后备保护， 将可在不增加额外通信通道的情况下，有效改善现 有超高压线路后备保护的性能。 与广域保护相比，站域保护不增加通信通

4、道， 站域信息易于在站内实现同步，且可靠性更高，利 于工程实践，而广域保护解决后备保护问题需要广 域通信网络实现全网通信，要求多点采集信息同 步，可靠性、实时性都难以达到要求，故主要是理 论上探讨，工程实现较为困难。 距离保护可作为超高压输电线路后备保护，尤 其是距离保护 III 段，可作为本线路的近后备和相 邻线路的远后备10,11，但存在动作时间按阶梯型逐 级配合，时延较长12；保护灵敏度受助增电流的影 响较大，距离保护灵敏度可能不足11,12；保护性能 受负荷电流的影响，在大负荷转移情况下，可能造 成距离保护连锁误动13,14等问题。 针对距离后备保护存在的问题，本文提出了基 于纵联保护

5、信道的站域距离保护，即利用已有的纵 联保护的冗余信道，接收下级相邻变电站的保护动 作信息，并与本侧保护动作信息相融合，进行综合 决策，以改善传统距离后备保护的总体性能。需要 指出的是，本文所述的保护动作信息是指保护是否 满足动作条件，而非出口跳闸。 1.站域距离保护的基本原理 在高电压网络中保护双重化配置，各变电站设 置站域保护决策单元，该单元通过本站站域通信网 络，检测本站高压侧所有进出线保护动作信息，并 将检测结果通过纵联保护信道传送至相邻变电站 站域保护决策单元。本站站域保护决策单元根据本 站保护动作情况以及相邻各站传来的检测信息进 行信息融合处理，确定故障元件，形成站域后备保 护跳闸决

6、策，实现近后备保护和远后备保护功能。 站域保护决策单元的功能主要由“进出线故 障检测”和“后备保护跳闸决策”两部分组成，前 者为后者提供故障元件信息，后者据这些信息与自 身保护的动作情况融合判断，设置后备保护跳闸时 间。为了改善后备保护性能，更好地发挥近后备和 远后备的作用15，在“后备保护跳闸决策”中，将 根据故障元件位置，采用不同的延时跳闸策略，即 分为“近后备保护跳闸决策”和“远后备保护跳 闸决策”两种。由于存在主保护拒动情况，距离保 护 I 段不能保护线路全长，距离保护 II 段保护范围 又延伸到相邻线路，本站各种保护的动作信息综合 判断只能给出故障元件方向，为对侧保护“近后备 保护跳

7、闸决策”提供辅助信息，对于上级保护需要 给出更明确的故障元件信息，必须得到对侧信号后 才能判断，故总共需要两次“进出线故障检测”。 1.1 进出线故障检测 1.1.1 第一次进出线故障检测 第一次进出线故障检测由本站各种保护的动 作信息综合判断，给出本站对进出线故障的检测结 果。第一次进出线故障检测条件为： a.本站任一条进出线两套纵联保护均动作； b.本站任一条进出线两套距离保护I段均动作； c.本站任一条进出线一套纵联保护动作，另一 套未动作，但该线距离 I 段同时动作； d.本站任一条进出线一套纵联保护动作，另一 套未动作，但该线距离 II 段同时动作； e.本站任一条进出线两套距离保护

8、 II 段动作； 需要指出的是，条件 a-d 说明本站该进出线故 障，但主保护拒动时，距离保护 I 段又不能保护线 路全长，本线故障也可能不动作。条件 e 并不能保 证是该进出线故障，但由于信号只作为“近后备保 护跳闸决策”的辅助判据，决策单元需结合本保护 的动作情况来决定是否作为近后备保护跳闸，故不 会引起近后备保护误动。 当本站满足上述任一条件，则初步判断本站进 出线故障，判断结果经纵联保护通道上传至相邻变 电站。对于初步被判为故障的进出线，上传“本站 该进出线故障” 信息；对于其它线路，上传“本 站其他进出线故障” 信息。 第一次进出线故障检 测逻辑框图如图 1 所示。 图 1 第一次故

9、障检测逻辑框图 1.1.2 第二次进出线故障检测 第一次进出线故障检测完毕并且相应保护接 收到上传的信息后，为进一步确定故障元件，进行 第二次进出线故障检测。第二次进出线故障检测根 据本站所有出线保护动作信息与收到的“第一次 进出线故障检测”信号进行融合判断，其条件为： a.本站任一进出线保护接收到下级变电站的 “本站该进出线故障”信号； b.本站任一进出线主保护动作，没有接收到 “本站其他进出线故障”信号； 当上述任一条件成立，确定为本站进出线故障 后，将判断结果通过纵联保护通道上传至上级保 护，上传信息为“变电站远后备保护范围内故 障”。 (不考虑变电站失直流电压同时其他保护拒动 的情况)

10、第二次进出线故障检测逻辑如图 2 所示。 图 2 第二次故障检测逻辑框图 1.2 后备保护跳闸决策 跳闸决策的目的是根据本站保护动作信息和 相邻变电站上传的“进出线故障检测”结果融合， 确定故障元件，实现近后备和远后备功能。 2.2.1 近后备保护跳闸决策 近后备保护跳闸决策条件为： a.本站任一条进出线两套纵联保护均动作； b.本站任一条进出线两套距离保护 I 段动作； c.本站任一条进出线一套纵联保护动作，另一 套未动作，但该线距离 I 段同时动作； d.本站任一条进出线一套纵联保护动作，另一 套未动作，但该线距离 II 段动作，且该线下级变电 站上传信息为“本站该进出线故障”； e.本站

11、任一条进出线两套距离 II 段动作，且该 线下级变电站上传信息为“本站该进出线故障”； 满足上述任一条件可判断故障元件为本站该 进出线， 后备保护自动以0.5s延时实现近后备跳闸。 2.2.2 远后备保护跳闸决策 远后备保护跳闸决策条件为： a.本站任一进出线两套纵联保护和两套距离 I 段均未动作，但该线两套距离 II 段动作，收到“变 电站远后备保护范围内故障”信号，且收不到“本 站该进出线故障”信号； b.本站任一进出线两套纵联保护和两套距离 I 段均未动作，但该线两套距离 III 段动作，收到“变 电站远后备保护范围内故障”信号，且收不到“本 站该进出线故障”信号； c.本站任一进出线两

12、套纵联保护和两套距离 I 段均未动作，但该线一套距离 II 段动作，一套保护 距离 III 段动作，收到“变电站远后备保护范围内 故障”信号，且收不到“本站该进出线故障”信号； 满足上述任一条件可判断故障元件为本站该 进出线的下级相邻线路， 后备保护将自动以 1s 延时 实现远后备保护跳闸。 2.站域距离保护的实现算法 2.1 进出线故障检测算法 2.1.1 第一次进出线故障检测算法 实际应用中， 保护决策单元通过变电站通信网， 如 GOOSE 网，获取本站各进出线保护动作信息， 对各保护形成保护动作状态向量如式(1)所示。 6 123456()TijRDDDDDD= (1) 其中1D2D3D

13、4D5D6D分别表示保护装置一、 保护装置二纵联保护、保护装置一、保护装置二距 离保护 I 段、保护装置一、保护装置二距离保护 II 段的动作情况，保护动作则为 1，不动作则为 0。 6 ijR取如下情况时满足“第一次故障检测”条件：6(1 1 * * * *)TijR =、6(* * 1 1 * *)TijR =、6(10* 1*)TijR =、6(01 1*)TijR =、6(10* 1)TijR =、6(01* 1*)TijR =、6(00* 1 1)TijR =， 其中*表示可取 0、 1 中的任意值。取检测矩阵如式(2)所示。 110000 001100 100100 011000

14、100001 010010 000011C = (2) 用检测矩阵 C 乘以保护动作状态向量6 ijR得到结果向量ijX，6 ijijXCR=，若2ijX=，则表明经“第一次故障检测”初步判断本站 j 的进出线 i 故障， 继续进行下述信息矩阵的计算。 若2ijX 则该保护处停止“第一次进出线故障检测”计算。 取关联矩阵()ij m nAa=，行表示线路编号，列表示变电站母线编号，A 为有 m 条线路、n 个变电站系统的关联矩阵，0ija =表示变电站母线 j 与线路 i 不相连，1ija =表示变电站母线 j 与线路 i 相连。取行信息对角方阵()12,imm mPdiag ppp=?和列信

15、息对角方阵()12,jnn nQdiag q qq=?，当2ijX=时，对角阵 Pi的 i 行 i 列元素为ijX，其余对角线 元素均为 1，即diag(121)iim mP=? ?，对角阵 Qj的 j行 j 列元素取ijX，即(1-21)jjn nQdiag=? ?，信息矩阵ijijYPAQ=，得到的信息矩阵元素由-4、-2、0、1、2 组成，信息矩阵ijY是将关联矩阵A中第 i行元素乘以 2，再将第 j 列元素乘以-2 所形成的矩阵。针对每个保护由其保护算出其结果向量ijX， 对于2ijX=的保护， 可得对应的信息矩阵ijY。 当变电站 j 任一出线的保护结果向量ijX有2ijX=时， 将

16、判断结果通过纵联保护通道上传。对于ijY中元素 2 所在的行表示的线路，上传“本站该进出线故障”信息；对于ijY中元素-2 所在的行表示的线路，上传“本站其他进出线故障” 信息。ijY中元素-4 的行列表示该保护的变电站进出线。 以图 3 所示电网结构图为例，阐述第一次进出 线故障检测的算法。 图 3 电网结构简图 保护 5 出口处故障时，保护 5 纵联保护、距离 保护 I 段 II 段动作，保护 6 纵联保护、距离保护 II 段动作，保护 3、8、10 距离 II 段动作。即使存在 主保护拒动，即保护 5、6 的纵联保护不动作，根 据“第一次故障检测”条件，保护第一次上传信号 情况不变。由“第一次故障检测”条件可得各变电 站的上传信号情况，将在图 4 中表示。 以保护 5 双重化主保护都拒动情况为例，变电 站 B3 的保护决策单元针对其进出线保护