專利名稱：基于電流差動原理的站域后備保護方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領域，具體涉及一種適用于智能變電站的基于電流差動原理的站域后備保護方法。
背景技術：
電力系統(tǒng)繼電保護技術的應用目的在于電網(wǎng)發(fā)生故障時自動、快速的切除故障設備，將故障影響范圍限制在最小的區(qū)域內，以保證電網(wǎng)無故障部分的正常運行，隔離故障的基本原則包括快速性、選擇性、靈敏性及可靠性等。按照保護范圍和動作特性不同，電力系統(tǒng)繼電保護可分為主保護和后備保護兩類主保護能反應被保護設備的各種故障并以盡可能短的時限(瞬時)切除故障；當主保護拒動或者斷路器失靈時，由后備保護以較短的時限(例如0. 5秒)和較小的停電范圍隔離故障設備。目前電力系統(tǒng)中運行的后備保護幾乎全部遵循階梯時限原則整定，為保證選擇性不得不犧牲快速性和靈敏性，在復雜電網(wǎng)中往往不能起到預期的保護效果?，F(xiàn)有的后備保護僅反應保護安裝處的電氣量信息，多臺后備保護之間的配合關系復雜，定值整定的難度越來越大。近年來世界范圍內的多次電網(wǎng)崩潰事故也被證明與后備保護這些固有缺陷有關。因此，改善后備保護性能對保證復雜電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。近年來，以后備保護為主要對象的非傳統(tǒng)繼電保護原理和方法得到了廣泛研究，例如廣域保護、集合保護，系統(tǒng)保護，集成保護等。上述新原理均存在以下問題影響工程實用化1)廣域信息的獲取依賴于相量測量單元(PMU)和廣域同步相量測量系統(tǒng)(WAMS)，在中低壓電網(wǎng)實施經(jīng)濟代價太大；2)無論采用集中式結構還是分布式結構，都存在保護區(qū)域如何確定的問題；3)為將故障影響范圍限制到最小，需要從理論上進一步研究區(qū)域電網(wǎng)故障時的最優(yōu)跳閘策略；4)準確獲取用于繼電保護的廣域同步信息對通信網(wǎng)絡的帶寬和可靠性要求極高。上述這些因素限制了非傳統(tǒng)繼電保護的實用化?；诨鶢柣舴螂娏鞫傻牟顒颖Ｗo原理自提出以來，以其完全選擇性、優(yōu)良選相能力和不受振蕩影響等優(yōu)點一直作為主保護使用到今天。遺憾的是，一直以來差動原理只作為主保護使用，在后備保護領域一直沒有獲得實際應用。智能變電站中采用了電子式互感器和智能一次設備，引入了符合IEC61850國際標準的信息建模技術，實現(xiàn)了信息采集的數(shù)字化和信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡化，提高了信息的共享程度。信息共享為研究繼電保護新原理、新方法提供了更加豐富的技術手段，然而這一特點還未被繼電保護充分利用，可以預見基于智能變電站內部共享信息實現(xiàn)的站域保護將是提高后備保護性能的重要發(fā)展方向。而且相比其他非傳統(tǒng)繼電保護方法，站域保護在實現(xiàn)技術上更具可行性。

發(fā)明內容
為克服現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明公開了一種適用于智能變電站的站域后備保護方法。該方法將電流差動原理應用到后備保護中，簡化了后備保護的配置和整定，、改變了后備保護依靠故障電氣量值和時限階梯配合實現(xiàn)選擇性的應用現(xiàn)狀，在主保護拒動時可準確、快速地定位故障設備，縮短了后備保護的動作時限。站域保護基于智能變電站內高速通信網(wǎng)絡和站間數(shù)據(jù)通道，在獲取模擬量、開關量和非電量等共享信息的基礎上，對變電站內部以及引出線路上發(fā)生的所有故障進行快速、可靠、精確的定位，并依據(jù)優(yōu)化的跳閘策略實現(xiàn)故障設備的切除。本發(fā)明采用的具體技術方案如下
一種基于電流差動原理的站域后備保護方法，包括如下步驟
(I)、站域后備保護通過變電站內過程層網(wǎng)絡和站間數(shù)據(jù)通道獲取所需位置的電流采樣值。對于本變電站內的電流采樣值通過站內的過程層網(wǎng)絡由合并單元獲得，對于變電站出線對端的電流采樣值通過站間數(shù)據(jù)通道由對側變電站內的合并單元獲得。(2)、根據(jù)電流差動原理應用的范圍不同將整個后備保護區(qū)域分為邊界差動區(qū)、站內差動區(qū)、元件差動區(qū)和擴展差動區(qū)，站域后備保護根據(jù)接收到的電流采樣值信息，進行故障啟動判斷。故障啟動判斷以邊界差動區(qū)為主要對象，可獲知電力系統(tǒng)是處于正常運行狀態(tài)還是故障狀態(tài)，如果處于正常狀態(tài)則繼續(xù)執(zhí)行故障啟動判斷流程；如果處于故障狀態(tài)則轉入步驟(3)進行故障處理程序。其中，邊界差動區(qū)保護范圍包含變電站的所有出線和變電站內的元件，站內差動區(qū)的保護范圍僅包含變電站內的元件，元件差動區(qū)僅包含一個元件，與元件主保護范圍一致，擴展差動區(qū)是由若干相鄰的元件差動區(qū)合并構成。邊界差動區(qū)主要用于故障啟動的判斷，站內差動區(qū)用于區(qū)分故障在變電站內還是出線，通過擴展差動區(qū)的變化和搜索可以準確確定故障元件。(3)、在故障處理程序中，通過擴展差動區(qū)的遍歷進行故障元件的定位，首先通過邊界差動區(qū)和站內差動區(qū)的動作情況確定是變電站內部元件故障還是出線故障。若確定是變電站內部元件故障，則按步驟(4)處理，若是出線故障，則按步驟(5)處理。對擴展差動區(qū)的遍歷，范圍由大到小，以邊界差動區(qū)和站內差動區(qū)是否同時滿足差動判據(jù)，區(qū)分是變電站內部元件故障還是出線故障。若同時滿足差動判據(jù)，則判定為變電站內部元件故障，若邊界差動區(qū)滿足差動判據(jù)而站內差動區(qū)不滿足差動判據(jù)，則判定為出線故障。(4)、確定是變電站內部元件故障后，依次逐個將元件差動區(qū)從擴展差動區(qū)去除，若去除元件差動區(qū)后差動判據(jù)由動作狀態(tài)轉為制動狀態(tài)，則確定故障位于該元件差動區(qū)，如此循環(huán)執(zhí)行，直至擴展差動區(qū)僅包含唯一元件差動區(qū)，此時定位故障位于該元件差動區(qū)。每個元件差動區(qū)僅包含一個元件，該元件或者是變壓器或者是母線，若確定故障位于某個元件差動區(qū)后，故障點即為該區(qū)的元件(變壓器或母線)。在遍歷過程中通常是先去除與變壓器相連的母線元件，若母線元件都去除后僅剩變壓器元件，則判定故障發(fā)生在該變壓器。(5)、確定是變電站出線故障后，由邊界差動區(qū)開始，依次將出線從邊界差動區(qū)去除，以確定有故障的出 線，具體的，用本變電站電流值代替出線對端電流值，若差動判據(jù)處于制動狀態(tài)，則判定為該出線有故障，若差動判據(jù)仍處于動作狀態(tài)，則認為該出線無故障，繼續(xù)進行差動的遍歷，直至確定有故障的出線。(6)、站域后備保護同時通過站內過程層網(wǎng)絡獲取主保護動作信號和斷路器位置信號，站域后備保護檢測到系統(tǒng)故障并確定故障元件后，延時等待主保護動作和斷路器跳閘，在主保護拒動時由站域后備保護發(fā)跳閘令，在斷路器拒動時由站域后備保護向擴大跳閘區(qū)域發(fā)失靈跳閘令直至故障隔離。在確定延時時間時，充分考慮主保護動作時間和斷路器跳閘時間，保證主后備保護有足夠的時間配合，并考慮到傳統(tǒng)后備保護階梯式時限通常為500ms，該時間要比這時間短，才能起到縮短后備保護動作時間的效果。優(yōu)選的，由上述步驟確定故障元件后，站域后備保護可延時300ms等待主保護動作和斷路器跳閘，期間不斷檢測以下信息主保護動作的GOOSE信 息和故障元件差動區(qū)是否持續(xù)存在差電流。在檢測到故障300ms內如果沒有主保護動作信息，則認為主保護拒動，則發(fā)出后備保護跳閘令，跳開故障元件各側斷路器；在主保護發(fā)出跳閘令后，間隔200ms再次檢測故障元件是否切除，如故障仍存在，則認為斷路器拒動，由站域后備保護向擴大跳閘區(qū)域發(fā)失靈跳閘命令，直至故障消失。為適應電流差動原理在站域后備保護中的應用，同時為提高該保護方法的靈敏度和可靠性，可參考變壓器或母線差動保護中的一些技術，具體的，在進行電流差動判斷時，本發(fā)明采用兩段折線的穩(wěn)態(tài)分相電流差動原理作為主判據(jù)，規(guī)定電流相量的正方向與主保護一致，即線路電流以母線流向線路為正方向，變壓器各側斷路器電流以流入變壓器為正方向。除主判據(jù)外，為提高反映不對稱故障的靈敏度，本發(fā)明采用帶延時確認的負序電流差動原理作為補充判據(jù)。為提高反映過渡電阻能力，本發(fā)明還采用帶延時確認的零序電流差動原理作為接地故障的補充判據(jù)，其中差動電流和制動電流的計算以變壓器接線組別不同由Y側向A側折算。本發(fā)明所述的站域后備保護方法具有如下優(yōu)點
I、只使用本變電站和與本變電站直接連接的線路對端的電流采樣值，利用本變電站內過程層網(wǎng)絡、站間數(shù)據(jù)通道以及全局同步時鐘實現(xiàn)采樣值的同步采集和傳輸。2、站域后備保護不依賴于WAMS系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，非本地的傳輸信息僅包含與本變電站相連的線路對端的電流采樣值。站間數(shù)據(jù)傳輸采用廣域以太網(wǎng)擴展過程層網(wǎng)絡的模式，利用以太網(wǎng)交換機、路由器等設備將對端變電站的合并單元接入本地變電站的過程層網(wǎng)絡。該模式將兩個變電站之間的物理信道對上層應用做了透明處理，即訪問合并單元時，并不關心它是在本變電站還是在相鄰變電站。3、將整個后備保護區(qū)域分區(qū)處理，更好的適應電流差動原理在后備保護領域的應用，改變了后備保護依靠故障電氣量值和時限階梯配合實現(xiàn)選擇性的應用現(xiàn)狀，提高了后備保護的動作速度。4、本發(fā)明在檢測到系統(tǒng)故障后，延時300ms等待主保護動作，因此，可在主保護拒動的情況下最快300ms發(fā)出后備跳閘命令，在斷路器失靈時最快在500ms內發(fā)出失靈跳閘命令，相比傳統(tǒng)后備保護采取階梯延時(一個級差至少500ms)具有更快的動作速度，而且不需要多級后備保護的延時配合。


圖I是站域后備保護的應用示意 圖2是典型220kV變電站中差動分區(qū)示意 圖3是基于電流差動原理的站域后備保護判斷流程 圖4是利用廣域以太網(wǎng)擴展過程層網(wǎng)絡傳輸采樣值示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細說明，但不作為對本發(fā)明保護范圍的限制。
本發(fā)明的站域后備保護在智能變電站中的應用環(huán)境如圖I所示。按照這種繼電保護配置方案，對變電站中所有主設備均冗余配置具有完全選擇性的電流差動原理主保護，同時集中配置站域后備保護，完成全站及出線的后備保護功能。以圖2所示的典型220kV變電站為例說明站域后備保護所涉及的4類差動區(qū)的劃分。邊界差動區(qū)包含站域后備保護所能反映的最大保護范圍，邊界差動區(qū)保護范圍包含變電站的所有出線和變電站內的元件，選取本變電站全部出線的對端電流參與差動計算，即CB06、CB07、CB10、CB11、CB15、CB16、CB20、CB22、CB24、CB25，如圖 2 中區(qū)域 A 所示；站內差動區(qū)的保護范圍僅包含變電站內的元件，選取本變電站全部出線的電流參與差動計算，即CBOl、CB03、CB09、CBll、CB13、CB14、CB19、CB20、CB22、CB23，如圖 2 中區(qū)域 B 所示;元件差動區(qū)與主保護的保護范圍一致，變壓器Tl的元件差動區(qū)選取CB04、CB12、CB18的電流參與差動計算，如圖2中區(qū)域C7所示，其他元件差動區(qū)的選擇類似。擴展差動區(qū)由若干相鄰的元件差動區(qū)合并構成，也可看作由邊界差動區(qū)或站內差動區(qū)逐一去除元件差動區(qū)而形成，去除過程按照逐步縮小差動區(qū)域的選擇進行，直至剩余唯一元件差動區(qū)。本發(fā)明中的站域后備保護在系統(tǒng)正常運行時的流程和故障處理流程如圖3所示，下面結合兩個實施例來說明其具體實現(xiàn)流程
實施例I以線路L3故障，主保護拒動的工況為例，說明本發(fā)明的實現(xiàn)流程
F1處發(fā)生故障，邊界差動區(qū)A檢測到差電流，確定為故障狀態(tài)，進入故障處理程序。經(jīng)過電流差動判據(jù)運算，檢測到邊界差動區(qū)A處于差動判據(jù)動作狀態(tài)而站內差動區(qū)B處于差動判據(jù)制動狀態(tài)，由此判定，故障發(fā)生在變電站的出線，而不是變電站內部元件。確定為出線故障后，進入出線故障的擴展差動區(qū)遍歷程序，依次從邊界差動區(qū)A中去除出線LI、L2，期間形成的擴展差動區(qū)都處于差動判據(jù)動作狀態(tài)，遍歷至出線L3時，擴展差動區(qū)A_3處于差動判據(jù)的制動狀態(tài)，由此確定故障位于出線L3。站域后備保護從確認故障啟動后開始連續(xù)監(jiān)視來自出線L3主保護的GOOSE跳閘信息，在計時滿300ms時間內，一直未收到來自出線L3主保護的GOOSE跳閘信息，且邊界差動區(qū)A —直處于差動判據(jù)動作狀態(tài)，至此確定出線L3主保護拒動，向CB09發(fā)出后備保護跳閘令，并連續(xù)監(jiān)測擴展差動區(qū)A_2，若擴展差動區(qū)A_2由差動判據(jù)動作狀態(tài)變?yōu)椴顒优袚?jù)制動狀態(tài)，且邊界差動區(qū)A也位于差動判據(jù)制動狀態(tài)，則認為后備保護成功切除出線L3處故障，整組復歸，完成本次故障處理流程。實施例2以變壓器Tl內部故障，斷路器CB12拒動為例，說明具體流程
F2處發(fā)生故障，邊界差動區(qū)A檢測到差電流，確定為故障狀態(tài)，進入故障處理程序。經(jīng)過電流差動判據(jù)運算，檢測到邊界差動區(qū)A和站內差動區(qū)B均處于差動判據(jù)的動作狀態(tài)，判定故障元件位于變電站內部。進入站內元件故障的擴展差動區(qū)遍歷程序，依次從站內差動區(qū)B中去除元件差動區(qū)Ci (即母線BusOl、Bus02、Bus03、Bus04、Bus05、Bus06和變壓器T2)，在此過程中形成的擴展差動區(qū)都處于差動判據(jù)的動作狀態(tài)，由此確定故障位于剩余的唯一元件差動區(qū)C7，即變壓器Tl內部故障。同時，從確認故障啟動后開始連續(xù)監(jiān)視來自變壓器Tl主保護的GOOSE跳閘信息，在收到來自Tl主保護的跳閘GOOSE信息且計時滿300ms后，開始檢測元件差動區(qū)C7和邊界差動區(qū)A的動作情況，在之后的200ms內，元件差動區(qū)C7和邊界差動區(qū)A —直處于差動判據(jù)動作狀態(tài)，表明故障未切除，通過檢測斷路器的位置GOOSE信息，斷路器CB04和CB18均已處于跳閘位置且電流為零，而斷路器CB12仍處于合閘位置或有電流流過，判定斷路器CB12跳閘失敗，向擴大跳閘區(qū)域(即CB13和CB14)發(fā)失靈跳閘命令。若元件差動區(qū)C7和邊界差動區(qū)A，由差動判據(jù)動作狀態(tài)恢復到制動狀態(tài)，則認為故障切除，整組復歸，完成本次故障處理流程。要實現(xiàn)本發(fā)明的站域電流差動后備保護方案，獲取對端變電站電流采樣值的通信系統(tǒng)是關鍵之一，圖4描述了采用廣域以太網(wǎng)擴展過程層網(wǎng)絡的站間信息傳輸模式。變電 站A中的站域保護裝置要獲取輸電線路對端變電站B中電流采樣值，可以通過本地過程層網(wǎng)絡、路由器直接訪問變電站B中的合并單元，電流采樣值數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通路①一②一③，進入變電站A中的站域后備保護中。
權利要求
1.一種基于電流差動原理的站域后備保護方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)、站域后備保護通過變電站內過程層網(wǎng)絡和站間數(shù)據(jù)通道獲取所需位置的電流采樣值； (2)、根據(jù)電流差動原理應用的范圍不同將整個后備保護區(qū)域分為邊界差動區(qū)、站內差動區(qū)、元件差動區(qū)和擴展差動區(qū)，站域后備保護根據(jù)接收到的電流采樣值信息，以邊界差動區(qū)為主要對象，進行故障啟動判斷，若處于故障狀態(tài)則轉入步驟(3)進行故障處理程序； (3)、在故障處理程序中，通過擴展差動區(qū)的遍歷進行故障元件的定位，首先通過邊界差動區(qū)和站內差動區(qū)的動作情況確定是變電站內部元件故障還是出線故障，若確定是變電站內部元件故障，則按步驟(4)處理，若是出線故障，則按步驟(5)處理； (4)、確定是變電站內部元件故障后，依次逐個將元件差動區(qū)從擴展差動區(qū)去除，若去除元件差動區(qū)后差動判據(jù)由動作狀態(tài)轉為制動狀態(tài)，則確定故障位于該元件差動區(qū)，如此循環(huán)執(zhí)行，直至擴展差動區(qū)僅包含唯一元件差動區(qū)，此時定位故障位于該元件差動區(qū)； (5)、確定是變電站出線故障后，由邊界差動區(qū)開始，依次將出線從邊界差動區(qū)去除，以確定有故障的出線，具體的，用本變電站電流值代替出線對端電流值，若差動判據(jù)處于制動狀態(tài)，則判定為該出線有故障，若差動判據(jù)仍處于動作狀態(tài)，則認為該出線無故障，繼續(xù)進行差動區(qū)的遍歷，直至確定有故障的出線； (6)、站域后備保護同時通過站內過程層網(wǎng)絡獲取主保護動作信號和斷路器位置信號，站域后備保護檢測到系統(tǒng)故障并確定故障元件后，延時等待主保護動作和斷路器跳閘，在主保護拒動時由站域后備保護發(fā)跳閘令，在斷路器拒動時由站域后備保護向擴大跳閘區(qū)域發(fā)失靈跳閘令直至故障隔離。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于電流差動原理的站域后備保護方法，其特征在于，步驟(O中獲取電流采樣值的具體方法為對于本變電站內的電流采樣值通過站內的過程層網(wǎng)絡由合并單元獲得，對于變電站出線對端的電流采樣值通過站間數(shù)據(jù)通道由對側變電站內的合并單元獲得。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于電流差動原理的站域后備保護方法，其特征在于，步驟(3)中對擴展差動區(qū)的遍歷，范圍由大到小，以邊界差動區(qū)和站內差動區(qū)是否同時滿足差動判據(jù)，區(qū)分是變電站內部元件故障還是出線故障，若同時滿足差動判據(jù)，則判定為變電站內部元件故障，若邊界差動區(qū)滿足差動判據(jù)而站內差動區(qū)不滿足差動判據(jù)，則判定為出線故障。
4.根據(jù)權利要求I或3所述的基于電流差動原理的站域后備保護方法，其特征在于，邊界差動區(qū)保護范圍包含變電站的所有出線和變電站內的元件，站內差動區(qū)的保護范圍僅包含變電站內的元件，元件差動區(qū)僅包含一個元件，與元件主保護范圍一致，擴展差動區(qū)是由若干相鄰的元件差動區(qū)合并構成。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于電流差動原理的站域后備保護方法，其特征在于，在進行電流差動判斷時，采用兩段折線的穩(wěn)態(tài)分相電流差動原理作為主判據(jù)，采用帶延時確認的負序電流差動原理作為補充判據(jù)，采用帶延時確認的零序電流差動原理作為接地故障的補充判據(jù)，其中差動電流和制動電流的計算以變壓器接線組別不同由Y側向Λ側折算。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領域，具體涉及一種適用于智能變電站的基于電流差動原理的站域后備保護方法。該站域保護基于智能變電站內高速通信網(wǎng)絡和站間數(shù)據(jù)通道，獲取模擬量、開關量等信息，并將后備保護區(qū)域分區(qū)處理，利用電流差動原理對變電站內部以及引出線路上發(fā)生的所有故障進行快速、可靠、精確的定位，在主保護和斷路器拒動的情況下發(fā)后備跳閘令以隔離故障元件。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)后備保護依靠故障電氣量值和時限階梯配合實現(xiàn)選擇性的技術現(xiàn)狀，簡化了后備保護的配置和整定，縮短了后備保護的動作時限。
文檔編號H02H7/22GK102629754SQ20121009485
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2012年3月31日
發(fā)明者劉益青, 滕兆宏, 高偉聰, 高厚磊 申請人:積成電子股份有限公司