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新一代110kV智能變電站站域保護技術(shù)研究
為了能夠更好地分析新一代智能變電站站域保護與常規(guī)繼電保護之間的區(qū)別，本文在對站域保護研究現(xiàn)狀、功能配置和功能原理方面進行介紹的基礎(chǔ)上，經(jīng)過現(xiàn)場實驗對某110kV線路冗余保護和變低冗余后備保護的性能進行分析。結(jié)果表明，新一代智能變電站站域保護能夠更好地對二次系統(tǒng)進行保護。
近年來，隨著我國以特高壓為骨干網(wǎng)架的各級電網(wǎng)迅速協(xié)調(diào)發(fā)展，逐步形成了以信息化、自動化和互動化為主要特征的智能電網(wǎng)[1]。繼電保護作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的道防線，必須適應(yīng)甚至超前電網(wǎng)的發(fā)展需求[2]。
與傳統(tǒng)智能變電站相比，新一代智能變電站采用了層次化保護控制系統(tǒng)，主要由就地級保護控制[3]、站域級保護控制和廣域級保護控制3個層次構(gòu)成[4]。其中站域級保護控制面向單個被保護對象，利用站內(nèi)多個對象的電氣量、開關(guān)量和就地級保護設(shè)備狀態(tài)等信息，集中決策，實現(xiàn)保護的冗余和優(yōu)化，完成并提升變電站層面的安全自動控制功能，同時也可作為廣域保護控制的子站。
站域保護控制系統(tǒng)作為層次化保護系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，綜合利用了站內(nèi)多間隔線路、元件的電氣量和開關(guān)量信息，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)故障點的快速、準確和可靠隔離，而且實現(xiàn)了站內(nèi)冗余后備保護、優(yōu)化后備保護及安全自動控制[5]。
站域保護控制可以獲取多個間隔或全站信息，比間隔保護得到的信息更多，可對現(xiàn)有保護系統(tǒng)進行補充和優(yōu)化。對110kV及以下電壓等級沒有配置雙重化保護裝置的系統(tǒng)，可進行集中冗余保護，同時可實現(xiàn)全站備投、低頻低壓減載裝置、斷路器失靈保護等功能。
本文在對站域保護研究現(xiàn)狀和系統(tǒng)原理進行分析的基礎(chǔ)上，對運城市某110kV線路進行現(xiàn)場冗余保護和變低冗余后備保護實驗分析，對比分析了站域保護同常規(guī)微機型繼電保護的特性差異。結(jié)果表明，新一代智能變電站站域保護系統(tǒng)能夠有效地對故障進行檢測并控制，提高了保護的可靠性。
1 站域保護的研究現(xiàn)狀
目前站域保護方式主要分為集中(集成)式保護和分布化(網(wǎng)絡(luò)化)保護兩種。
文獻[6]提出了一種在邏輯上采用兩層配置方案的集中式保護，即以差動保護為主的單元保護模塊作為間隔級保護，以基于拓撲理論的網(wǎng)絡(luò)保護模塊作為全站系統(tǒng)級保護。文獻[7-8]提出了一種采用統(tǒng)一軟硬件平臺，并配置保護、測量和控制等功能的數(shù)字化集中式保護裝置。
文獻[9]提出了一種以多功能保護控制器MPCU為核心的數(shù)字化集成保護與控制系統(tǒng)DIPC。文獻[10-12]設(shè)計了應(yīng)用于110kV數(shù)字化變電站的集成保護樣機，研究了集成保護對傳統(tǒng)線路保護、變壓器保護等功能的改進，并就過程層網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的實時采樣、數(shù)據(jù)同步及可靠傳輸做了相關(guān)分析。文獻[13]對智能變電站中分布式網(wǎng)絡(luò)化保護進行定義并指出了其應(yīng)用范圍，即在保護上實現(xiàn)分布式母線保護，在控制上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化備自投及低頻低壓減載。
文獻[14]提出了一種無主站式的分布式母線保護方案，各母線間隔保護單元通過可靠性較高的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)，發(fā)生故障時只需將相應(yīng)回路斷開，而不會引起整條母線的停電。
2 新一代站域保護功能配置
站域保護與控制裝置基于智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，通過網(wǎng)絡(luò)接收電氣量采樣數(shù)據(jù)(網(wǎng)采)，發(fā)出跳合閘等控制命令(網(wǎng)跳)。站域保護與控制裝置在智能變電站中的位置及對外信息交互如圖1所示，其采集全站過程層與站控層網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)，完成就地級保護的冗余后備、優(yōu)化后備及安全自動控制，同時具備獨立的通信接口，支持廣域通信，完成廣域保護控制系統(tǒng)的子站功能。
圖1 站域保護與控制裝置
新一代智能變電站中站域保護與控制裝置的功能配置主要包括冗余保護、優(yōu)化后備保護、安全自動控制和廣域保護控制的子站功能，見表1。從表1的功能配置表可以發(fā)現(xiàn)，站域保護中冗余保護只包含對單套配置保護的冗余，若主變保護已經(jīng)雙重化配置，則站域保護控制裝置中不宜再配置冗余。
站域保護與控制裝置中冗余保護功能不含線路縱聯(lián)保護，主要原因是：①通道和對側(cè)設(shè)備不支持，若要支持，則需增加大量設(shè)備和工程量;②若含線路縱聯(lián)保護，則站域保護會通過線路關(guān)聯(lián)多個站，復(fù)雜程度大大增加，影響范圍較大。
站域保護與控制裝置中不需要包含10kV間隔保護的冗余，主要原因是10kV間隔采用傳統(tǒng)互感器和“lliu合一”裝置，無獨立的合并單元和智能終端，若站域保護裝置實現(xiàn)10kV間隔保護，則其采樣和出口同樣要經(jīng)過“多合一”裝置，“多合一”裝置因故退出運行時，站域保護起不到冗余作用。
表1 站域保護的功能配置表
3 站域保護功能原理
3.1 采樣與跳閘方式
無論在智能變電站還是常規(guī)變電站，就地級保護裝置均采用直采直跳的方式進行工作，而站域保護采用網(wǎng)采網(wǎng)跳的方式進行工作。因本文著重強調(diào)智能變電站中的保護方式，故對智能變電站中直采直跳和網(wǎng)采網(wǎng)跳進行比較。
1)直采直跳是指智能電子設(shè)備間不通過交換機而以點對點連接方式直接進行采樣值傳輸和跳合閘信號的傳輸，其工作原理如圖2所示。
該方法的優(yōu)點是，保護裝置不依賴于外部對時系統(tǒng)實現(xiàn)其保護功能，避免了組網(wǎng)方式下交換機引起的采樣和跳閘信息不確定性延遲。缺點是保護裝置光口數(shù)量多，使二次回路光纖連接復(fù)雜。
圖2 直采直跳工作原理圖
2)網(wǎng)采網(wǎng)跳是指智能電子設(shè)備間經(jīng)過交換機的方式進行采樣值傳輸共享和跳合閘信號的傳輸，通過劃分VLAN的方式避免信息流過大，其工作原理圖如圖3所示。
該方法的優(yōu)點是，保護裝置通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號輸入輸出，有效地減少了母線保護、主變壓器保護等跨間隔保護裝置的光口數(shù)量，簡化了二次回路光纖連接。缺點是多間隔數(shù)據(jù)同步依賴于對時系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)化信息交互存在延時。
3.2 110kV線路冗余保護
110kV線路就地級保護一般單套配置，當保護因故退出運行時，110kV線路會失去保護。因此，站域保護控制裝置中配置110kV線路保護，作為就地級保護的冗余。但由于通信通道限制等原因，站域保護中線路保護不考慮縱聯(lián)保護，其他如距離保護、零序過電流、重合閘、手合后加速等保護功能同就地級線路保護一致。
圖3 網(wǎng)采網(wǎng)跳工作原理圖
3.3 變壓器優(yōu)化后備保護
220kV及以上系統(tǒng)設(shè)計時，就地化的變壓器保護均按照主后一體雙重化的設(shè)計原則配置，任一套變壓器保護因故退出運行，不會對變壓器的運行造成影響。110kV及以下系統(tǒng)就地化的變壓器保護均按照主后一體雙重化配置或者主后分置的保護配置，任一套保護設(shè)備退出，不會對變壓器運行造成影響。
基于上述原因以及站間信息共享和協(xié)同保護技術(shù)，站域保護對變壓器后備保護進行補充，通過相鄰間隔保護的閉鎖和加速保護來提升變壓器后備保護的性能。
變壓器低壓側(cè)后備過電流保護動作切除故障，動作延時較長，會對一次設(shè)備造成傷害。采用簡易母線保護可快速切除故障，以減少變電站低壓母線短路故障對開關(guān)柜和變壓器的危害。
母線區(qū)外故障時，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護能夠發(fā)出信號閉鎖簡易母線保護;母線區(qū)內(nèi)故障時，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護不發(fā)出閉鎖信號，簡易母線保護可以快速動作切除變壓器低壓側(cè)斷路器。低壓側(cè)如果有小電源，那么當母線區(qū)內(nèi)故障時，簡易母線保護會經(jīng)延時跳開低壓側(cè)小電源，再經(jīng)延時跳開低壓側(cè)斷路器。
簡易母線保護取自母線TV，可實現(xiàn)復(fù)合電壓閉鎖(低電壓、負序電壓)，電流取自變壓器低壓側(cè)斷路器三相TA，簡易母線保護為復(fù)合電壓閉鎖過電流保護。
4 站域保護現(xiàn)場分析
為了能夠較好地對比分析新一代站域保護與傳統(tǒng)微機型繼電保護的性能差異，本文以110kV線路冗余保護和變壓器中壓側(cè)冗余后備保護為例進行驗證。
4.1 110kV線路冗余保護案例
以110kV線路東中線145為例，在整定計算中，110kV線路1冗余保護定值與145就地級線路保護定值*一致，將兩套保護均投入運行，在同樣的運行狀態(tài)下，比較二者重合后加速情況下的保護動作行為。
由于無法直接對電子式互感器輸入電流，只能通過對一次設(shè)備進行升流試驗來模擬線路中的故障狀態(tài)，故通過PT斷線相過流保護來驗證線路冗余保護實現(xiàn)的可能性。PT斷線相過流定值為0.4A，時間為0.2s，保護動作整組報告對比見表2。
通過二者動作情況比較，站域保護110kV冗余保護僅比145就地級線路保護動作晚1ms，動作行為正確，但是在故障電壓相同的情況下，站域保護的故障電流為0.51A，零序故障電流為0.50A，遠遠小于就地級保護的故障電流120.27A和零序故障電流119.14A;且對于故障的測距也更加。
由此可見，110kV冗余保護具備線路保護的反應(yīng)速度，可作為110kV線路保護的后備保護，動作值、動作時間、動作邏輯符合國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準GDW 11053—2013《站域保護控制系統(tǒng)檢驗規(guī)范》中對于簡易母線保護的要求如下：動作值允許誤差不大于±5%或 ±0.02IN，延時允許誤差不大于±1或±40ms的要求。
表2 保護動作整組報告對比
4.2 變壓器中壓側(cè)冗余后備保護
簡易母線保護電壓取自母線TV，可實現(xiàn)復(fù)合電壓閉鎖(低電壓、負序電壓)，電流取自變壓器中壓側(cè)、低壓側(cè)斷路器三相TA，簡易母線保護為復(fù)合電壓閉鎖過電流保護，圖4所示為簡易母線保護主接線示意圖。下面以圖4所示示意圖中故障點進行主變中壓側(cè)故障和中壓側(cè)線路故障為例進行分析。
1)2號主變中壓側(cè)分支K1故障
當2號主變中壓側(cè)分支K1故障時，TA4處檢測到故障電流超過簡易母線保護定值，且無外部線路保護閉鎖條件，簡易母線保護動作出口跳閘本支路4DL。為了驗證簡易母線保護動作可靠性，本文在變電站中模擬主變中壓側(cè)故障，2號主變中壓側(cè)簡易母線定值設(shè)置見表3。
圖4 簡易母線保護主接線示意圖
表3 2號主變中壓側(cè)簡易母線定值
將2號變中壓側(cè)342開關(guān)(4DL)及中壓側(cè)分段340開關(guān)(11DL)合上，對1號主變中壓側(cè)合并單元輸入故障電流，由于中壓側(cè)簡母延時3不投入，故將故障時間設(shè)置為550ms。采用中元華電CAPP2008故障分析軟件對站域保護動作波形進行分析，如圖5所示。
圖5 母線保護動作情況及錄波波形
由圖5可見，0ms時簡易母線保護整組起動;199.5ms站域保護2號主變中壓側(cè)簡母延時1動作，跳開1號主變中壓側(cè)分段340開關(guān);499.5ms時中壓側(cè)簡母延時2動作，跳開1號主變中壓側(cè)341開關(guān)，動作值、動作時間、動作邏輯符合企業(yè)標準中對于簡易母線保護的要求。
2)2號主變出線L1中K2處故障
當2號主變中壓側(cè)出線L1中K2處出現(xiàn)故障時，由于6DL處配置有線路保護裝置，其過流保護起動信號通過GOOSE送至站域保護裝置閉鎖2號主變簡易母線保護，2號主變簡易母線保護被閉鎖，可靠不動作。本文以35kV線路開關(guān)分位和合位情況下模擬線路故障情況。
表4 中壓側(cè)簡易母線保護定值
表5 35kV線路3405保護定值
(1)當35kV線路開關(guān)處于分位時
對2號主變中壓側(cè)342開關(guān)與35kV線路3405開關(guān)共同施加8.7的故障電流，故障持續(xù)時間為700ms。動作情況及故障錄波如圖6所示。0整組起動，14.5ms外部閉鎖1開入(3405保護起動GOOSE信號關(guān)聯(lián)站域保護的中壓側(cè)外部閉鎖1)，15ms整組起動結(jié)束，外部閉鎖信號持續(xù)至故障消失。
圖6 3405分位簡易母線保護動作及錄波波形(276)
由圖6可見，當3405線路出現(xiàn)故障時，3405保護裝置整組保護起動，3405保護向站域保護發(fā)外部閉鎖信號開入，從而閉鎖2號主變中壓側(cè)簡易母線保護，直至故障消失，不致出現(xiàn)因某線路故障而致整條母線掉閘的事故發(fā)生。
(2)當35kV線路開關(guān)處于合位時
定值保持不變，將3405開關(guān)合上，其動作行為和錄波波形如圖7所示。
圖7 簡易母線保護動作情況及錄波波形(473)
3405保護裝置動作，跳開3405開關(guān)，同時向站域保護發(fā)GOOSE閉鎖命令，但是保護動作只能閉鎖站域保護200ms，若200ms后故障還沒有切除，則此時站域保護整組起動，由于故障還未結(jié)束，所以簡母延時1動作跳開中分段開關(guān)。
5 結(jié)論
本文研究成果成功應(yīng)用于山西某新一代智能變電站，創(chuàng)新了智能變電站繼電保護模式，實現(xiàn)了從面向元件向面向系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，從面向?qū)ο笙蛎嫦蚬δ苻D(zhuǎn)變，提升了保護可靠性、靈敏性與選擇性。通過研究得到以下結(jié)論。
1)本文主要針對110kV線路冗余保護和變低冗余后備保護的性能進行了分析，實驗結(jié)果表明，新一代智能變電站站域保護能夠更好地對二次系統(tǒng)進行保護。
2)站域保護控制裝置彌補了就地級保護的不足，使電力系統(tǒng)的保護與控制功能更加完善。站域保護控制裝置的推廣應(yīng)用可望進一步提高智能變電站及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，具備顯著的經(jīng)濟與社會效益。
3)站域保護控制裝置能夠采集全站的模擬量和開關(guān)量信息，可識別變電站的拓撲結(jié)構(gòu)，采用合適的算法和控制策略可使其保護性能進一步提升。
