一种基于电流突变量的站域后备保护方法及系统与流程

文档序号:15060914发布日期:2018-07-31 21:50阅读:196来源:国知局

本发明涉及智能变电站的保护方法,具体涉及一种基于电流突变量的站域后备保护方法及系统。



背景技术:

近年来,在电网建设大潮中,大容量、远距离超高压联网、直流输电、分布式新能源的接入,传统基于就地信息的保护将变得越来越难以整定配合,其灵敏度也无法达到未来电力系统发展的要求。

当前,继电保护通常采用离线脱网、预先设定的方式整定保护定值,而且保护的验证和校核也仅仅针对某些特定的运行方式。然而,随着电力系统结构日益复杂,电网规模不断扩大,运行方式更为灵活,现有基于就地信息的保护将更加难以同时满足速动性和选择性。提出一种适应新情势下的保护方案显得尤为紧迫。传统的继电保护主要是面向解决电力设备内部故障,它往往只是利用本地的电气信息量及很少的远方传来的状态量来完成故障状态的甄别。这就将传统继电保护限制在仅反映电力系统的局部运行状况,相互之间缺乏信息互动和信息共享,对于由于故障设备切除后潮流大范围突然转移而造成的严重后果无法防备。在特高压、大容量、交直流互联组网中,不同保护之间缺乏信息沟通,各自为战这种工作模式将带来严重的安全隐患,已经越来越无法满足各方面的需求。

针对传统后备保护存在的缺陷,在各级保护间的配合以及信息共享方面,国内外学者、专家相继开展了广域继电保护的理论分析,并取得了一定的研究成果。经过长时间的研究和讨论,国际电网会议(cigre)定义了广域保护的实现条件、功能、特点等。按照该定义,广域保护主要集中在以下两方面的研究内容:一是广义上的广域继电保护,特点是构建信息网络传输利用广域信息实现对非正常状态下电网的安全稳定控制,称为特殊的保护系统(sps);另一方面则是狭义上的广域继电保护,特点是利用各级设备上传的信息改进传统继电保护,优化算法、提高保护的性能,同时简化传统后备保护的整定配合,将保护功能变得更为完整、更为单元化。狭义上的广域继电保护在实际工程应用中更具有现实意义。

随着智能电子设备的出现、通信网络的建立、发展,智能变电站信息采集与处理等技术的成熟,为继电保护性能的优化奠定了坚实的基础,站域保护就是在这种技术背景下被提出的。

根据现有的研究基础,智能变电站的站域保护按照对信息的处理可以分为2种:分别是集中式和分布式。集中式是依托通信网络,将各级设备信息通过总线统一汇总到主站内,信息的处理方式是集中处理。对于分布式母线中出现的问题,由分布式站域保护解决。

由于站域保护算法spbcd涉及大量上传信息,如何在信息缺失或信息不同步的情况下保证数据参数的有效性和准确性,因此有必要研究一种充分利用冗余信息且容错性能高的站域保护方案。

传统的阶梯式后备保护存在很多不足如:为保证保护的选择性而牺牲速断性造成动作延时较长、上下级线路保护整定配合困难、灵敏度不足,除此之外还容易引起误动造成大范围连锁跳闸等事故。



技术实现要素:

为解决上述现有技术中的不足,本发明的目的是提供一种基于电流突变量的站域后备保护方法,本发明在站域后备保护方案上,通过对保护范围进行分区,基于电流突变量作差动比较的思路研究了智能变电站的站域后备保护新原理,以及如何实现故障定位等技术,最后提出了一种新的基于电流突变量的站域后备保护方案(spbcv),提升了智能变电站的保护性能。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的:

本发明提供一种基于电流突变量的站域后备保护方法,其改进之处在于,所述方法包括下述步骤:

1)确定站域后备保护边界条件;

2)确定边界差动区、元件差动区覆盖不同保护范围的差动区;

3)站域后备保护依据定义的各个差动区的差动判断来识别故障位置,同时整合元件原有主保护动作情况、电网拓扑结构和断路器开断状态实现变电站高性能的后备保护。

进一步地,所述步骤1)中,站域后备保护按照对信息的处理分为:集中式和分布式;所述集中式是依托通信网络,将各级设备信息通过总线统一汇总到主站内,信息的处理方式是集中处理;对于分布式母线中出现的问题,由分布式站域后备保护解决;

站域后备保护是面向站内包含变压器及母线重要设备的后备保护,是一种同上级广域保护配合面向其进出线的后备保护,站域后备保护边界条件为以变电站所有进出输电线的对侧断路器为边界,不超过对侧断路器的范围。

进一步地,所述步骤2)中,边界差动区是站域后备保护的边界,反映站域后备保护的最大保护范围,以进出线对侧断路器为边界划分;元件差动区与其范围内相应设备的某元件主保护范围相同,以便和主保护范围相互配合;需要说明的是智能变电站中主保护仍然采用独立双重化配置,每个元件的主保护范围严格限定为元件自身,如果某元件主保护范围与其他元件的主保护范围有重叠的区域,将容易出现保护误动的情况。

进一步地,所述步骤3)包括下述步骤:

a、故障识别并进行故障启动;

b、故障定位。

进一步地,所述步骤a包括下述步骤:

a、采集所有电流互感器传送来的电流信息;

b、对边界差动进行差动判断;

c、判断是否发生站内故障,在判定为站内故障后,开始对元件差动区进行故障搜索定位;否则返回步骤a。

进一步地,所述步骤b中,通过下述公式对边界差动进行差动判断,求解边界差动区的电流突变量:

δidff(k)=||idff(k)-idff(k-n)|-|idff(k-n)-idff(k-2n)||

其中:δidff(k)为边界差动区的电流突变量;idff(k)为边界差动区的差动电流;n为每个周波的釆样点数,所以idff(k-n)表示第k-n个采样点处计算得到的差动电流,idff(k-2n)表示第k-2n个采样点处计算得到的差动电流;k为实时采样点。

进一步地,所述步骤c中,通过边界差动区的电流突变量是否大于门槛值作为站域后备保护内部故障的启动判据。将边界差动区的电流图变量与已经设定的门槛整定值进行比较,当δidff(k)>iset时,当连续多釆样点满足上式时,则判断发生站内故障,进入故障定位;当在站内后备保护的保护范围外发生故障或者站内正常运行时,将不满足以上公式,此时将闭锁变电站内所有元件的保护;取整定值iset=0.2in,in为额定电流。

进一步地,所述步骤b包括下述步骤:

①计算所有边界差动区的电流突变量并进行优先级划分;

②优先级参数初始化n’=1;

③对优先级为n’为断路器对应的元件差动区进行判断;

④判断对应元件差动区是否发生故障,若是,则切除故障元件;否则返回步骤②;

⑤转到步骤a。

进一步地,所述步骤④中,在变电站内部,断路器只连接两个元件;将差动电流突变量最大的断路器选定为疑似断路器,对相邻的两个元件差动区分别做差动电流的判断,当此断路器判定为没有发生故障时,继续转向判断下一元件差动区;

同时,将出线与外部系统相连的断路器定义作边界断路器,在站域保护范围内只有一个元件与边界断路器相连,当边界断路器的电流突变量在排序中排第一时,则只用对此边界断路器进行故障判断;通过对元件差动区差动电流突变量的比较即可找到故障元件。

本发明还提供一种基于电流突变量的站域后备保护系统,其改进之处在于,所述系统包括:

边界条件确定模块:用于确定站域后备保护边界条件;

边界差动区确定模块:用于确定边界差动区、元件差动区覆盖不同保护范围的差动区;

后备保护模块:站域后备保护依据定义的各个差动区的差动判断来识别故障位置,同时整合元件原有主保护动作情况、电网拓扑结构和断路器开断状态用于实现变电站高性能的后备保护。

与最接近的现有技术相比,本发明提供的技术方案具有的优异效果是:

本发明提供的基于电流突变量的站域后备保护方法通过引入新型电子式互感器、智能化电子设备ied、合并单元mu,建立用于信息传输的通信网络等新技术以及采用iec61850通信协议标准,将信息的采集、传输、建模等功能融入智能变电站的建设中。本发明在spbcd的站域后备保护方案上,通过对保护范围进行分区,基于电流突变量作差动比较的思路研究了智能变电站的站域后备保护新原理,以及如何实现故障定位等技术,最后提出了一种新的基于电流突变量的站域后备保护方案(spbcv),提升了智能变电站的保护性能。

本发明围绕适用于智能变电站的站域后备保护原理及实现技术进行深入研究,提出了基于电流突变量的站域保护方案,相比于传统的保护方案能够达到以下效果:

(1)本方案利用流经各设备和线路的电流突变量作为故障定位的依据,对于故障是发生在区内还是进出线上并不需要区分,而将大型变电站的出线故障当作是站内元件故障来甄别处理,这种方法在应用于大规模变电站时,可以充分发挥故障定位速度快,识别精度高的明显优势。

(2)通过将延时确认和负序电流差动原理结合的组合方案作为不对称故障的补充判据,对于单相故障,相间故障等不对称故障,此方案都能准确识别,灵敏度高。

(3)采用带延时确认的零序电流差动原理作为直接接地系统中发生各种接地故障的补充判据,大大提高了经过渡电阻接地故障情况下保护的灵敏度。

(4)采用了结合稳态分相电流差动原理、负序电流差动原理和零序电流差动原理的综合判据,对于各种不对称故障,都能快速准确地的判定。

附图说明

图1是本发明提供的典型220kv变电站及其相邻变电站接线示意图;

图2是本发明提供的故障启动程序流程图;

图3是本发明提供的故障定位程序流程图;

图4是本发明提供的基于电流突变量的站域后备保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的组件和功能是可选的,并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围,以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中,本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示,这仅仅是为了方便,并且如果事实上公开了超过一个的发明,不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例一

本发明提供一种基于电流突变量的站域后备保护方法,其流程图如图4所示,包括下述步骤:

1)确定站域后备保护边界条件;

基于电流突变量的站域后备保护方案中,首先阐述了站域保护的概念和站域保护的实现条件。站域保护是在智能电子设备的成熟,通信网络的建立,以及智能变电站信息采集与处理等技术发展背景下提出的,将其按照对信息的处理可以分为2种:分别是集中式和分布式。集中式是依托通信网络,将各级设备信息通过总线统一汇总到主站内,信息的处理方式是集中处理。对于分布式母线中出现的问题,由分布式站域保护解决。

站域后备保护主要是面向站内包含变压器及母线等重要设备的后备保护,是一种同上级广域保护配合面向其进出线的后备保护,据此将站域保护的范围界定为以该变电站所有进出输电线的对侧断路器为边界,不超过对侧断路器的范围。

2)确定边界差动区、元件差动区覆盖不同保护范围的差动区;

在spbcv方案中将所辖区域按照保护范围具体划分成以下2类差动区:边界差动区和元件差动区。其中,在一个已经确定的变电站模型中,边界差动区和元件差动区的范围划分都是确定的。边界差动区是spbcv的边界,反映了站域后备保护的最大保护范围,以进出线对侧断路器为边界划分;而元件差动区与其范围内相应设备的主保护范围相同,便于和主保护相互配合。

3)站域后备保护依据定义的各个差动区的差动判断来识别故障位置,同时整合元件原有主保护动作情况、电网拓扑结构和断路器开断状态实现变电站高性能的后备保护。

利用相应互感器传来的电流信息来判定是否发生区内故障,由公式

δidff(k)=||idff(k)-idff(k-n)|-|idff(k-n)-idff(k-2n)||求边界差动区的差动电流的变化量,由δidff>iset将边界差动区的差动电流改变量与已经设定的门槛整定值进行比较。当连续多釆样点满足上式时,判定故障发生在系统内部,随之转入故障启动程序,开始进行故障处理;当在spbcv的保护范围外发生故障或者站内正常运行时,将不满足以上公式,此时将闭锁变电站内所有元件的保护。通过边界差动区的差动电流变化量是否大于门槛值作为spbcv内部故障的启动判据。可以取整定值iset=0.2in,in为额定电流;其中:δidff(k)为边界差动区的电流突变量;idff(k)为边界差动区的差动电流;n为每个周波的釆样点数,所以idff(k-n)表示第k-n个采样点处计算得到的差动电流,idff(k-2n)表示第k-2n个采样点处计算得到的差动电流;k为实时采样点。

在判定为站内故障后,开始对元件差动区进行故障搜索定位。一般变电站内部,断路器都只连接两个元件。将差动电流突变量最大的断路器选定为疑似断路器,然后对相邻的两个元件差动区分别做差动电流的判断,当此断路器判定为没有发生故障时,继续转向判断下一元件差动区。同时,将出线与外部系统相连的断路器定义作边界断路器,由于在站域保护范围内只有一个元件与边界断路器相连,所以当该断路器的电流突变量在排序中排第一时,则只用对该元件进行故障判断。通过对元件差动区差动电流突变量的比较即可找到故障元件。

基于同样的发明构思,本发明还提供一种基于电流突变量的站域后备保护系统,包括:

边界条件确定模块:用于确定站域后备保护边界条件;

边界差动区确定模块:用于确定边界差动区、元件差动区覆盖不同保护范围的差动区;

后备保护模块:站域后备保护依据定义的各个差动区的差动判断来识别故障位置,同时整合元件原有主保护动作情况、电网拓扑结构和断路器开断状态用于实现变电站高性能的后备保护。

本方案依据站域范围内电流突变量大小顺序作为故障的初级判断依据,不需要对站内故障和进出线上的故障进行区分,而将大型变电站的出线故障当作是站内元件故障来甄别处理,这种方法对于规模大的变电站,具有可以明显缩短故障搜索时间,准确定位到故障元件的优势。

实施例二

以下将参照附图对本发明进行更为具体的描述。

以典型220kv变电站及相邻变电站连接线路为例,说明spbcv的整体方案,如图1所示。在站域保护的范围内,变电站主要有2台220kv/110kv/35kv三圈变压器,l1~l7线路为与其相连的变电站进出线,g1~g6,loadl~load4,cb01~cb25分别为等效电源,负荷、断路器,变电站内bus01~bus06分属于3个不同电压等级,bus07~bus13为所有相邻变电站中的母线。

首先,将整个spbcv保护区域按照保护范围的不同分成2类差动区:边界差动区和元件差动区。其中,在变电站模型选定之后,不论是边界差动区还是元件差动区,它们的划分范围都是固定的。

边界差动区选取流经本变电站所有进出线对端的断路器(cb06、cb07、cb10、cb11、cb15、cb16、cb20、cb22、cb24、cb25)的电流基于基尔霍夫电流定律进行差动运算,差动范围即图1中区域a。

元件差动区的覆盖范围与该元件的差动主保护的覆盖范围相同,变压器t1的差动计算选取流经断路器cb04、cb12、cb18(均位于区域d上)的电流。其他元件差动区的选择与之类似,图中的示例变电站中的所有元件差动区如下表所示。

本发明方案中,智能变电站内部故障定位分成两个部分,第一部分是故障启动判断流程,第二部分是故障定位流程。图2所示为故障启动判断流程,首先收集所有边界电流信息,然后对边界差动区内的电流进行差动计算,当其差动电流突变量小于整定值,则可以判定站内没有发生故障,闭锁站内保护;当边界差动区的差动电流突变量小于整定值不满足故障条件判定时,启动故障定位程序,转向元件差动区进行故障搜索,如图3所示。

一般变电站内部,为了避免过于复杂繁琐,断路器都只连接两个元件。根据差动电流计算,定义某个断路器的优先级最高(n=1)其他断路器优先级为n=2、3、4等以此类推,首先把优先级最高的断路器作为目标断路器,然后对其参与的元件差动区(非边界断路器有两个元件差动区)进行差动计算。同时,将出线与外部系统相连的断路器定义为边界断路器,由于在界定的站域保护范围内边界断路器只参与了一个元件的差动保护判断,另一侧为相邻变电站的保护范围不予考虑,所以当边界断路器处的差动电流突变量达到最大值时,只需要对本侧的元件差动区实施差动计算即可。

一般来说,优先级最高的断路器会是故障元件或者与故障元件相连,因此只需要对优先级最高的断路器对应的元件差动区做差动计算就可以确定下来故障元件。如果元件本身由于高电压、设备老化出现绝缘能力下降导致出现泄漏电流,这就给计算带来了干扰,此时,优先级最高的断路器相邻的元件并不能判定为故障元件。这时可以把优先级低一级的断路器设置为目标断路器,然后重复前面的差动计算。实际情况中泄漏电流对差动电流的计算的影响并不是很严重,一般只需对优先级排前两名的断路器对应的差动区做故障判别即可识别故障,进而跳开对应的断路器。

本方案依据站域范围内流经各断路器电流突变量大小顺序作为故障的初级判断依据,不需要对站内故障和进出线上的故障进行区分,而将大型变电站的出线故障当作是站内元件故障来甄别处理,这种方法对于规模大的变电站,可以明显缩短故障搜索时间,准确定位到故障元件的优势。

spbcv下达跳闸命令间隔t1后如果元件差动保护未返回,则认为断路器拒动,此时spbcv将当前差动区进行扩展,向扩展跳闸区域上的断路器重发跳闸指令,直至故障消失。

检测断路器是否失灵可以综合以下信息进行判断:spbcv是否已经发出该断路器的跳闸指令,故障元件差动区是否持续存在差动电流,故障元件的断路器是否持续有电流,故障元件的断路器是否位于跳闸位置。

在发生断路器失灵的故障时,通过寻找失灵断路器所在的元件差动区,将与该差动区中失灵断路器相邻接的其他正常断路器也纳入进来,形成一个扩展跳闸区域,用正常断路器替换失灵断路器。如下表所示,为spbcv保护方案中变电站各个断路器与邻接断路器对应的扩展跳闸区。

下面介绍本方案的电流差动算法:

差动判断的动作方程

以a相为参考,差动电流为各支路电流的相量和idiff·a,制动电流取所有支路电流的标量和的一半ires·a,其值分别为式中,k2、…kn为用于消除由于变压器各侧额定电流不一致、分接头调整等影响而引入的平衡系数,平衡系数可以通过变压器容量和各侧额定电流计算得到:k2=ie1/ie2、…kn=ie1/ien,其中ie1、ie2、…ien为各侧额定电流,若以一次电流值参与运算,即为一次额定电流,若以二次电流值参与运算,即为二次额定电流。取变压器高压侧为基准平衡系数即ie1。b相、c相与a相类似。按照规定,取电流由母线指向线路为正方向,这样可以与主保护在电流互感器的使用上做到匹配统一,以此类推变压器各侧断路器电流取流入变压器为正方向,统一折算到参考侧取值。因此,spbcv在进行不同范围内的差动判据计算时,应该按照统一的正方向规定适当调整各式中电流相量前面的正负号。

为统一起见,式中取各支路中的a相电流统一由y侧向δ侧折算到参考侧后的相量,下面以y/δ-11接线为例,各相电流的折算公式为:

为提高反映不对称故障的灵敏度,spbcv采用带延时确认的负序电流差动原理作为不对称故障的补充判据。带延时确认目的是躲过断路器三相不同时造成的短时不平衡电流。负序电流差动的比率制动特性与稳态分相电流差动特性类似,对应的差动电流为

制动电流为式中为已经由y侧向δ侧折算后的各支路负序电流相量。

在发生经过渡电阻接地的故障时,spbcv采用带延时确认的零序电流差动原理作为直接接地系统中发生各种接地故障的补充判据来提高其灵敏度。由于断路器三相不同步时容易产生很短的不平衡电流,为了消除这一影响,设置了延时确认这一步骤。零序电流差动的比率制动特性与稳态分相电流差动特性类似,对应的差动电流为

对应的制动电流为式中为对应的零序电流相量。

在发生三相短路、带过渡电阻故障以及其他不对称故障时,由于spbcv方案综合采用了以电流突变量作差动的稳态分相电流差动原理、负序电流差动原理和零序电流差动原理,对于以上故障都能较好判别。

本发明提供了一种基于电流突变量的站域后备保护方案,可以快速可靠识别站内及站间线路各种不同类型的故障,当断路器拒动时能自动扩展跳闸区域,基于电流突变量的搜索方案能有效缩短故障定位时间,极大保障电网的安全。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

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