戴光武，謝 華，徐曉春，李園園，陳宏君，劉革明，趙青春，朱曉彤

?

基于區(qū)域電網信息的變電站二次直流失電保護系統

戴光武，謝 華，徐曉春，李園園，陳宏君，劉革明，趙青春，朱曉彤

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

提出了一種基于區(qū)域電網信息的變電站二次直流失電保護系統，以解決變電站保護系統二次直流電源消失后站內或其出線發(fā)生系統故障時無法快速切除故障的問題。以變電站為對象，提出了區(qū)域保護主站-子站保護系統的概念及其構建方式，并據此描述了變電站二次直流電源消失的判別方法以及直流失電保護的整體方案。RTDS試驗結果表明，所提出的變電站二次直流失電判別方法以及保護方案，可以準確地識別變電站二次直流失電狀態(tài)并快速隔離其失電區(qū)域內的故障。

二次直流電源消失；故障隔離；區(qū)域電網信息；主站-子站保護系統；直流失電保護

0 引言

電力系統變電站保護系統二次直流電源消失(指保護裝置電源和操作電源均消失)是變電站運行中的一種嚴重事故，當二次直流電源消失后，該變電站的所有保護裝置均無法正常工作，因此站內的主變、母線以及輸電線路等設備均將失去保護，一旦發(fā)生故障，本站將無任何保護可以動作，必須要等其他相鄰變電站的遠后備保護延時動作來隔離故障。由于遠后備保護需要考慮段間配合關系，特別是采用輻射狀或多級線路級聯方式供電的電網，不可避免地存在階段式保護的整定配合問題[1-3]，因此其動作速度比較慢，在嚴重情況下，其動作速度可能無法滿足系統穩(wěn)定性的要求，對系統的安全、穩(wěn)定運行帶來嚴重威脅。若能在線識別出變電站二次直流電源消失的狀態(tài)，可采取相應的保護和控制策略來加快相鄰變電站保護的動作速度，快速將故障隔離，提高系統運行的穩(wěn)定性。目前為止，國內外尚沒有在線識別變電站二次直流電源消失的方法見諸報道。

隨著通信以及網絡技術突飛猛進，新一代智能化變電站得到了大量發(fā)展和應用，各種信息能夠安全、實時地互聯互通[4-7]，且交互的空間也從變電站層面擴展到區(qū)域電網層面[8-12]，這些技術給變電站直流失電保護系統的研究帶來了新的契機。

1 ?變電站二次直流失電保護系統

1.1 區(qū)域電網的主站-子站保護系統

基于區(qū)域電網信息的變電站二次直流失電保護需要在區(qū)域電網中以變電站為對象構建一主多子的主站－子站保護系統，具體實施方法為：選擇區(qū)域電網中的一個變電站為主站，設置一臺面向多個變電站的主站裝置，利用各站的綜合信息，實現變電站二次直流失電的判別；在區(qū)域電網的所有變電站內各設置一套子站裝置，子站為面向變電站的集中式保護，其保護功能包含全線速動的線路縱聯保護、主變差動保護及母線差動保護，實現保護的冗余和優(yōu)化，完成并提升變電站層面的保護功能。針對智能化變電站，可以將主站、子站裝置直接接入過程層網絡，直接得到各變電站各個主變、各條線路的電壓、電流及開關量等信息，并輸出跳閘及相關信號；針對常規(guī)變電站，可以使用合智一體采集裝置將模擬量和開關量轉換為數字量，通過IEC?61850-9-2和GOOSE方式傳輸給子站裝置，并接受子站裝置發(fā)出的GOOSE命令進行控制。

主站裝置和各子站裝置間按照星形方式構建通信網，有輸電線路連接的子站間按照點對點方式構建通信連接，通信協議可以采用自定義的通信協議，也可以采用標準的GOOSE通信協議。

以圖1所示系統接線為例，將主站設置在A站，其他各站均設置一個子站，主站和子站之間的通信聯系圖如圖2所示。

圖1 變電站系統接線示意圖

圖2 主站及子站之間的聯系圖

1.2 變電站二次直流電源消失判別

實際工程應用中，一般變電站內的保護系統電源和通信電源是相互獨立的，與傳統保護供電方式不同的是，變電站新增的保護主站、子站裝置及其采集裝置的電源均由通信小室的通信電源供電。因此，即使變電站保護系統二次直流電源消失(以下均簡稱為變電站二次直流失電)，主站及子站裝置仍可正常運行。同時，隨著光纖通道技術的飛速發(fā)展以及繼電保護要求的不斷提高，一般高壓線路保護均會配置光纖縱聯保護裝置(縱聯差動或者縱聯距離)?；诖嗽O計原則，可以進行各變電站直流失電的判別，具體判別方法為：當變電站二次直流失電時，預設的二次直流失電接點動作，將此接點直接接到該變電站的子站裝置并上送給主站裝置；所有與失電變電站有輸電線路相連的相鄰變電站，其既有的線路光纖縱聯保護裝置均將因對側直流電源的丟失而出現光纖通道中斷，輸出通道異常接點，將這些通道異常接點分別接到各自的子站裝置并上送給主站裝置。主站裝置收到某變電站的二次直流失電接點，且收到所有相鄰變電站與之相連輸電線路的既有光纖縱聯保護裝置的通道異常信號，采用與邏輯，經延時確認后判別為該變電站二次直流電源丟失。

以圖1所示的C站二次直流失電為例進行說明：當變電站C全站二次直流失電時，將直流失電接點接至C站子站裝置并上送給主站裝置；同時，與之相鄰的A站、B站、D站對應的CB1、CB3、CB5既有線路光纖縱聯保護裝置將因光纖通道中斷而輸出通道異常接點，分別接入A站、B站、D站子站保護裝置并上送給主站裝置。當主站裝置收到C站發(fā)來的直流失電信號，同時收到A站、B站、D站發(fā)來的光纖縱聯保護通道異常信號，經延時確認后判別C站二次直流失電，具體判別邏輯如圖3。

圖3 變電站直流失電的判別邏輯圖

主站裝置進行各變電站二次直流失電的判別，采用直流失電接點動作結合全站通信異常的雙重化把關判據，可以提高判別結果的可靠性。若原系統中不具備全站通信異常的判別，亦可直接采用直流失電接點動作的方式進行判別。主站判別出某變電站二次直流失電狀態(tài)后，下發(fā)給對應變電站的子站裝置，從而進行后續(xù)保護和控制策略的處理。

1.3 變電站直流二次失電保護方案

當變電站二次直流失電時，由于二次直流失電保護系統的子站裝置及其合智一體采集裝置由通信電源供電，故模擬量、開關量的采集和保護功能的判斷邏輯不受影響，可正常運行。因此當子站裝置收到主站裝置下發(fā)的全站直流失電信號后，若變電站內主變、母線或者其出線發(fā)生系統故障，子站裝置對應的主變差動元件、母線差動元件、線路縱聯保護元件能夠正確識別出故障，則發(fā)遠跳命令給所有相鄰變電站子站裝置，其具體邏輯如圖4。

圖4 失電子站發(fā)失電遠跳邏輯圖

從圖4可以看出，當發(fā)生失電變電站區(qū)外的故障(如相鄰變電站的母線、相鄰變電站與失電變電站的連接線除外的其他出線等)，失電子站不會發(fā)送失電遠跳命令給任何相鄰變電站，因此不存在誤動的風險。

與二次直流失電變電站相鄰的變電站收到失電子站發(fā)來的失電遠跳信號后，從可靠性原則考慮，需要結合本側電流量啟動元件以及距離III段阻抗元件進行相關故障的判別，滿足條件后直流失電保護動作，跳開與失電子站相聯系的開關，以快速隔離故障。圖5為直流失電保護邏輯圖。

注：距離III段阻抗按照包含下一級線路全長，或包含對側變電站主變低壓側原則整定。

仍然以圖1所示的C站二次直流失電為例，此時C站所有開關都無法跳開，對直流失電保護方案進行詳細說明。

(1)?若此時在AC線上發(fā)生f1故障，子站C的線路縱聯保護功能正常工作，與對側A子站的通信交互也正常工作，故可正確判出區(qū)內發(fā)生故障，一方面發(fā)縱聯允許信號讓A子站CB1快速跳閘；另一方面輸出跳閘信號給本子站，本子站結合已判斷出的直流失電信號，將遠跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A子站由于CB1已由線路縱聯保護跳開，不再跳閘，B、D子站結合各自就地故障判據，滿足后分別將CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

(2)?若此時子站C發(fā)生主變#1或者主變#2故障，子站C的主變差動保護功能正常工作，判出故障，輸出跳閘信號給本子站，本子站結合已判斷出的直流失電信號，將遠跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A、B、D子站結合各自就地故障判據，滿足后分別將CB1、CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

(3)?若此時子站C發(fā)生母線故障，子站C的母差保護功能正常工作，判出故障，輸出跳閘信號給本子站，本子站結合已判斷出的直流失電信號，將遠跳命令分別發(fā)給相鄰的A、B、D子站，A、B、D子站結合各自就地故障判據，滿足后分別將CB1、CB3和CB5跳開，將故障快速隔離。

1.4 二次直流失電保護系統與既有保護的關系

基于區(qū)域電網的直流失電保護系統，雖然集線路縱聯保護、主變差動保護、母線差動保護、直流失電保護于一體，但其僅是對原系統既有保護的功能優(yōu)化以及性能提升、全面提高區(qū)域電網保護的整體性能，而不能替代原系統的既有保護，因此兩者并行存在，除了子站直流失電保護動作后，需要輸出閉鎖重合閘信號給原系統既有線路保護以閉鎖重合閘外，兩者完全獨立。

2 ?RTDS仿真試驗

為了考核變電站二次直流失電保護系統在變電站二次直流失電且發(fā)生各種區(qū)內故障情況下的動作行為，搭建了如圖6所示的RTDS試驗仿真系統。

圖6 RTDS仿真試驗模型

采用典型的雙端電源供電試驗系統，共設置三個變電站、兩條線路和一臺主變。其中在A站配置一臺直流失電保護主站以及一臺子站、B站和C站分別配置一臺直流失電保護子站，各子站保護功能配置相同，均包含線路縱聯保護、主變差動保護、母線差動保護以及直流失電保護。

二次直流失電保護系統主站、各子站以及RTDS之間的聯系關系如圖7所示。

圖7 RTDS測試系統連接關系

試驗系統共設置f1～f5共五個故障點，其中線路上的故障點f1和f3的故障距離可以靈活控制。試驗時，模擬B站發(fā)生變電站直流失電，即直流失電接點以及既有的光纖縱聯保護裝置通道異常接點均動作，且變電站B內所有開關均無法跳開。子站A和子站C失電遠跳就地判據的距離III段阻抗按照包含下一級線路全長及包含B站主變低壓側這兩者中的大值整定。

重點進行了如下試驗項目：

(1)?線路1上發(fā)生各種故障時保護的動作行為考核；

(2)?線路2上發(fā)生各種故障時保護的動作行為考核；

(3)?B站母線發(fā)生故障時各保護的動作行為考核；

(4)?B站主變發(fā)生故障時各保護的動作行為考核。

(5)?C站母線發(fā)生故障時各保護的動作行為考核。

試驗結果如下：

(1)?線路1在f1發(fā)生各種故障時。子站A線路縱聯保護動作跳開開關CB1；子站B線路縱聯保護動作，但由于直流失電無法跳開開關CB2；子站C直流失電保護動作跳開開關CB4，從而實現了故障的快速隔離。

(2)?線路2在f3發(fā)生各種故障時。子站C線路縱聯保護動作跳開開關CB4；子站B線路縱聯保護動作，但由于直流失電無法跳開開關CB3；子站A直流失電保護動作跳開開關CB1，從而實現了故障的快速隔離。

(3)?B站主變f4發(fā)生各種故障時。子站B的主變差動保護動作，但由于直流失電無法跳開開關CB5、CB6；子站A直流失電保護動作跳開開關CB1；子站C直流失電保護動作跳開開關CB4，從而實現了故障的快速隔離。

(4)?B站母線f2發(fā)生各種故障時。子站B的母線差動保護動作，但由于直流失電無法跳開母線支路的開關CB2、CB3、CB5；子站A直流失電保護動作跳開開關CB1；子站C直流失電保護動作跳開開關CB4，從而實現了故障的快速隔離。

(5)?C站母線f5發(fā)生各種故障時。子站C的母線差動保護動作跳開開關CB4，從而實現了故障的快速隔離，子站A和子站B不動作。

RTDS試驗結果表明，基于區(qū)域電網信息的變電站二次直流失電保護系統能夠實現區(qū)域信息的快速、有效地互通。當變電站二次直流失電且發(fā)生站內或者出線故障時，基于區(qū)域電網信息的直流失電保護將快速、可靠地將故障隔離，不再單純依賴于傳統長延時的遠后備保護，從而提升了區(qū)域電網整體的保護性能以及整個系統的供電可靠性。

3 ?結語

本文基于區(qū)域電網提出了主站-子站的二次直流失電保護系統的概念，在此架構上提出了一種變電站二次直流電源消失的判別方法以及直流失電保護的具體方案。通過區(qū)域信息結合本地電氣量的方式，能夠有效判別出變電站二次直流失電的狀態(tài)，當直流失電變電站發(fā)生區(qū)內故障時，采取遠跳相鄰變電站開關的直流失電保護能最大限度地提高電力系統故障的隔離速度。

本文提出的變電站二次直流失電保護系統的整體方案在區(qū)域電網中具有良好的推廣和使用價值，已在國內某區(qū)域電網中投入實際運用，運行穩(wěn)定。

[1] 龐紅梅, 李淮海, 張志鑫, 等. 110 kV智能變電站技術研究狀況[J]. 電力系統保護與控制, 2010, 38(5): 146-150.

PANG Hongmei, LI Huaihai, ZHANG Zhixin, et al. Research situation of 110 kV smart substation technology[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(5): 146-150.

[2] 王同文, 謝名, 孫月琴, 等. 智能變電站繼電保護系統可靠性分析[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(6): 58-66.

WANG Tongwen, XIE Ming, SUN Yueqin, et al. Analysis of reliability for relay protection systems in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(6): 58-66.

[3] 周長友, 周華遷. 110 kV超短線路群環(huán)網保護配置[J]. 湖北工業(yè)大學學報, 2010, 25(1): 34-37.

ZHOU Changyou, ZHOU Huaqian. The relay-protection' setting of the ultra short lines group in the DFM power grid[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2010, 25(1): 34-37.

[4] 吳罡, 李琳, 李翔. 110 kV智能變電站設計方案初探[J].江蘇電機工程, 2011, 30(2): 31-35.

WU Gang, LI Lin, LI Xiang. Primary exploration on the design of 110 kV smart substation[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2011, 30(2): 31-35.

[5] 王超, 王慧芳, 張弛, 等. 數字化變電站繼電保護系統的可靠性建模研究[J]. 電力系統保護與控制, 2013, 41(3): 8-13．

WANG Chao, WANG Huifang, ZHANG Chi, et a1. Study of reliability modeling for relay protection system in digital substations[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(3): 8-13.

[6] 劉宏君, 裘愉濤, 徐成斌, 等. 一種新的智能變電站繼電保護架構[J]. 電網與清潔能源, 2015, 31(3): 49-51, 61.

LIU Hongjun, QIU Yutao, XU Chengbin, et al. A new architecture of relay protection in smart substations[J]. Power System and Clean Energy, 2015, 31(3): 49-51, 61.

[7] 吳國旸, 王慶平, 李剛. 基于數字化變電站的集中式保護研究[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(4): 15-18.

WU Guoyang, WANG Qingping, LI Gang. Study of centralized protection based on digital substation[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(4): 15-18.

[8] 王媛, 焦彥軍, 馬葉芝. 利用本地信息實現新型站域保護方案[J]. 電力系統及其自動化學報, 2014, 26(8): 60-64.

WANG Yuan, JIAO Yanjun, MA Yezhi. Research on substation-area protection scheme based on local information[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2014, 26(8): 60-64.

[9] 李倍, 和敬涵, 劉琳. 基于信息冗余的站域保護優(yōu)化方案[J]. 電力與能源, 2014, 35(3): 243-247.

LI Bei, HE Jinghan, LIU Lin. Optimization scheme of substation area protection based on redundant information[J]. Power & Energy, 2014, 35(3): 243-247.

[10] 李俊剛, 張愛民, 彭華廈, 等. 區(qū)域層次化保護系統研究與設計[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(11): 34-40.

LI Jungang, ZHANG Aimin, PENG Huasha, et al. Research and design of zone area hierarchical protection system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(11): 34-40.

[11]劉益青, 高厚磊, 李乃永, 等. 適用于站域后備保護的智能變電站站間信息傳輸方案[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(2): 96-102.

LIU Yiqing, GAO Houlei, LI Naiyong, et al. A communication scheme between smart substations for substation-area backup protection[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 96-102.

[12]何志勤, 張哲, 尹項根, 等. 集中決策式廣域后備保護的分區(qū)模型與優(yōu)化算法[J]. 電工技術學報, 2014, 29(4): 212-219.

HE Zhiqin, ZHANG Zhe, YIN Xianggen, et al. Partition model and optimization algorithm for wide-area backup protection based on centralized decision-making mode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4): 212-219.

(編輯 姜新麗)

Protection system of substation’s secondary DC power loss based on regional power grid information

DAI Guangwu, XIE Hua, XU Xiaochun, LI Yuanyuan, CHEN Hongjun, LIU Geming, ZHAO Qingchun, ZHU Xiaotong

(NR Electirc Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

When the power system substation or its transmission line occurs system fault after substation’s secondary DC power has lost, the stability of the system will be reduced because the protection device can’t isolate the fault quickly. In order to solve this problem, a protection system of substation’s secondary DC power loss based on regional power grid information is presented, which is oriented to substation. The regional master-sub-substation control system’s concept and its construct mode, the judgment of substation’s secondary DC power loss, as well as the whole program of secondary DC power loss protection, are introduced in detail. The confirmatory test based on the RTDS simulation indicates that the presented judgment of substation’s secondary DC power loss and whole program have superior performance, which can correctly judge substation’s secondary DC power loss state and quickly isolate the fault in the area.

secondary DC power loss; fault isolation; regional power grid information; master-sub-substation control system; DC power loss protection

10.7667/PSPC150891

2015-05-28；

2015-06-24

戴光武(1984-)，男，碩士，工程師，從事電力系統繼電保護方面的研究；E-mail: daigw@nrec.com 謝 華(1983-)，男，碩士，工程師，從事電力系統繼電保護方面的研究； 徐曉春(1984-)，男，碩士，工程師，從事電力系統繼電保護方面的研究。