高俊嶺，劉明昌，李 登，韓 慧，宣曉辰

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

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后備保護事故過負荷跳閘閉鎖新方案

高俊嶺1，劉明昌2，李 登1，韓 慧2，宣曉辰2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)蒙東電力通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳閘事件是引發(fā)大停電事故的重要原因之一。針對電力系統(tǒng)關(guān)鍵位置后備保護在事故過負荷下不合理動作，基于廣域信息提出后備保護區(qū)的概念，在后備保護區(qū)內(nèi)，負序功率方向元件實時上傳方向信息到?jīng)Q策單元，準確識別事故過負荷與故障，實現(xiàn)后備保護事故過負荷跳閘閉鎖新方案。通過PSCAD仿真實驗，驗證了保護算法的正確性和可行性。

連鎖跳閘；事故過負荷；后備保護；閉鎖；廣域保護

大量研究表明，潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳閘是引發(fā)大停電事故的重要原因之一，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成的影響是災(zāi)難性的[1]。繼電保護尤其是后備保護(例如距離III段保護)在事故過負荷下的不合理動作，引發(fā)多起大停電事故，嚴重威脅著電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[2]。在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，階段式距離保護被廣泛應(yīng)用到后備保護，通過定值和時限配合來確保選擇性，但僅采集本地信息，存在潮流轉(zhuǎn)移過負荷連鎖跳閘的風(fēng)險。目前PMU和WAMS的推廣與應(yīng)用，為解決該問題開辟了新途徑[3-7]。

文獻[3]根據(jù)支路切除后原有潮流在電網(wǎng)其他支路重新分布的情況，提出了潮流轉(zhuǎn)移因子概念，通過對比線路電流實測值與推算值，判斷是否發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移，但該方法難以回避廣域通信的實時性和大量計算的復(fù)雜性。文獻[4]基于廣域開關(guān)信息區(qū)別故障與過負荷，雖然有廣域信息的參與，但該方法的決策主要取決于基于本地信息電氣量的判斷。文獻[5]提出了故障匹配度的概念，在故障發(fā)生后計算潮流分布，將各支路故障電流的實測值與推算值之差進行比較，取最小元件為故障元件。文獻[6]結(jié)合電流突變量和阻抗加權(quán)值作為故障指標進行識別，該方法對通信具有很強依賴性。廣域電流差動保護[7]將差動范圍從單一電氣元件拓展到多個相鄰元件組成的區(qū)域，提供動作延時小、選擇性好的后備保護功能。差動原理[8]簡單可靠，故障定位準確，但實時數(shù)據(jù)傳輸量大且要求有精確的時間同步，存在難以確定合理保護范圍的問題。

鑒于以上情況，基于廣域信息，提出一種后備保護事故過負荷跳閘閉鎖新方案。該方案基于圖論的觀點將電網(wǎng)劃分為若干個潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域，進而確定后備保護區(qū)，在后備保護區(qū)內(nèi)，負序功率方向元件實時采集方向信息，上傳到?jīng)Q策單元。后備保護啟動后，決策單元根據(jù)負序功率方向信息及判別原則，有效區(qū)分故障和事故過負荷，閉鎖后備保護因事故過負荷而引起的誤跳閘，為控制策略爭取時間。

圖1 割點與塊的示意圖

1 后備保護區(qū)的劃分

1.1 基于圖論的潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域搜索

若只考慮電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，可將其表示為一個只含節(jié)點和邊的圖1(V，E)，其中： V={v1，v2，…，vn}，代表節(jié)點集合，表示電力系統(tǒng)中的母線節(jié)點；E={e1，e2，…，en}，代表邊的集合，表示電力系統(tǒng)中的輸電線路。

根據(jù)電路原理，轉(zhuǎn)移潮流分布在與電源構(gòu)成回路的各個支路中由圖論中割點和塊的特征可知，發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移的線路只能在同一個塊中。綜上所述，若一個圖中存在割點和塊，則發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移過負荷的線路應(yīng)位于同一個塊中，稱該塊為一個潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域。

通過不斷尋找圖的邊界點，從而刪除無法構(gòu)成回路的節(jié)點；采用深度優(yōu)先搜索方法搜索割點和塊[9]，每一個塊為一個潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域，從而將電網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移分析的范圍從整個電網(wǎng)縮小到局部區(qū)域。

1.2 基于潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域的后備保護區(qū)劃分

距離III段保護多采用帶有偏移特性的測量元件，在潮流轉(zhuǎn)移區(qū)域內(nèi)，根據(jù)距離III段保護作為遠后備的保護范圍，選取距離III段保護所在線路、相鄰下一級線路和反向母線連接的背側(cè)線路作為當(dāng)前后備保護區(qū)。電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，后備保護區(qū)亦會發(fā)生相應(yīng)的變化，可根據(jù)斷路器位置信息及其變化信息，實時更新當(dāng)前后備保護區(qū)。

2 后備保護事故過負荷跳閘閉鎖新方案

新方案應(yīng)在可靠切除區(qū)內(nèi)故障基礎(chǔ)上，對事故過負荷可靠識別并閉鎖，具體滿足以下要求：

1) 后備保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時，保護裝置應(yīng)可靠動作；

2) 所在線路發(fā)生事故過負荷時，保護裝置應(yīng)能夠可靠識別過負荷并閉鎖；

3) 所在線路事故過負荷情況下，保護裝置仍然能夠?qū)髠浔Ｗo區(qū)內(nèi)的故障可靠識別且動作。

2.1 負序功率方向判別元件

負序功率方向判別元件是比較負序分量電壓、電流的相位關(guān)系，判別故障方向，規(guī)定負序電流分量的正方向為母線流向線路。對于雙端電源的輸電線路，比較負序分量電壓、電流的相位關(guān)系，可以明確地判定故障的方向。為提高負序功率方向判別元件的靈敏性，選取其靈敏角為φsen=φs，采用功率的形式表示為

P=ΔUΔIcos(φ-φsen) ，

(1)

當(dāng)P<ε時，判為正方向發(fā)生故障，負序功率方向信息置-1；當(dāng)P>ε時，則判為反方向發(fā)生故障，負序功率方向信息置1；ε為正常情況下負序分量的閾值，此時可令P=0。

2.2 新方案故障判別原則

根據(jù)后備保護區(qū)內(nèi)特點，可以劃分為線路和母線兩種情況對后備保護區(qū)進行故障情況判別，假定后備保護區(qū)包含m條支路，n條母線，e個斷路器。

2.2.1 線路故障判別原則

在已形成的后備保護區(qū)內(nèi)，定義Aline為支路與斷路器的關(guān)聯(lián)矩陣，即

(2)

其中，行表示支路L1-Lm，列表示斷路器1-e，根據(jù)斷路器開合信息，實時更新關(guān)聯(lián)矩陣Aline。

負序功率方向信息存儲于矩陣Dact，即

(3)

其中dk為第k個斷路器方向信息。

定義動作矩陣P=Aline·Dact，即

(4)

線路故障時，線路兩端的負序功率方向信息同時輸出為“-1”，可得線路故障判別原則為：

pi≠0 ，

(5)

其中，pi為動作矩陣P中第i行元素，對應(yīng)線路i故障的判別結(jié)果。

2.2.2 母線故障判別原則

在后備保護區(qū)內(nèi)，定義Bbus為母線與斷路器的關(guān)聯(lián)矩陣，即

(6)

其中，行表示母線B1-Bn，列表示斷路器1-e，根據(jù)斷路器開合信息，實時更新關(guān)聯(lián)矩陣Bbus。

定義動作矩陣Q=Bbus·Dact，即

(7)

母線故障時，母線所連斷路器的負序功率方向信息同時輸出為“1”，可得母線故障判別原則：

qj= bj，

(8)

其中，qj為動作矩陣Q中第j行元素，對應(yīng)母線j故障的判別結(jié)果，bj為關(guān)聯(lián)矩陣Bbus中j行中所有元素之和。

2.3 新方案動作策略

圖2為后備保護事故過負荷跳閘閉鎖策略流程圖，首先形成后備保護區(qū)，保護區(qū)內(nèi)距離III段保護啟動后，根據(jù)故障判別原則，識別區(qū)內(nèi)故障與事故過負荷，閉鎖或開放距離III段保護，同時將后備保護區(qū)內(nèi)的斷路器開合信息及方向信息實時上傳，刷新后備保護區(qū)內(nèi)關(guān)聯(lián)矩陣、動作矩陣。負序功率方向判別元件具有不受負荷、系統(tǒng)振蕩影響，無電壓死區(qū)等優(yōu)點，但無法正確反應(yīng)對稱故障。而在220 kV及以上輸電網(wǎng)中單相接地故障占90%以上，且大多數(shù)的對稱故障由不對稱故障引發(fā)而來，因此本文所述故障為不對稱故障。

圖2 后備保護事故過負荷閉鎖策略流程圖

需要說明的是，保護區(qū)內(nèi)以距離III段保護為啟動信息，配合負序功率方向信息檢測區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障，當(dāng)未檢測到故障信息，則需閉鎖保護，此時應(yīng)結(jié)合控制系統(tǒng)，通過切機切負荷來消除過負荷的影響，待過負荷消除后解除閉鎖。發(fā)生事故過負荷時，如果控制措施沒能在線路熱穩(wěn)定的允許時間內(nèi)消除線路過載，應(yīng)可靠開放距離III段保護，防止線路熱穩(wěn)定遭到破壞。

3 PSCAD仿真驗證

為了驗證本文提出的保護方案的有效性和可行性，以3機9節(jié)點系統(tǒng)為例搭建PSCAD仿真模型。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以線路L1靠近母線4側(cè)的距離III段保護為例，其所對應(yīng)的后備保護區(qū)為虛線框區(qū)域，對應(yīng)的線路為L1-L3，母線為B4、B6，斷路器為1-6。

圖3 新英格蘭3機9節(jié)點仿真系統(tǒng)圖

(1) 事故過負荷

系統(tǒng)在0 s-1 s時，正常運行，線路L3在1 s時刻因故障切除。圖4為斷路器1處測量阻抗模值及距離III段動作情況，圖5對應(yīng)斷路器1-4負序功率。

系統(tǒng)在1 s時，線路L3因故障切除，距離III段保護啟動，根據(jù)動作策略，刷新斷路器信息、負序功率方向信息，此時后備保護區(qū)包含線路L1、L2，母線B4、B6，斷路器1-4，對應(yīng)的Aline、Bbus、Dact為：

動作矩陣P=[0 0]T，Q=[0 0]T，根據(jù)故障判別原則(9)和(12)，后備保護區(qū)內(nèi)未發(fā)生故障，判為事故過負荷，閉鎖距離Ⅲ段保護。

(2) 事故過負荷后又發(fā)生故障

系統(tǒng)在0 s-1 s時，正常運行，線路L3在1 s時刻因故障切除，在2 s時刻線路L2的中點發(fā)生A相接地故障。圖6為斷路器1處測量阻抗模值及距離III段保護動作情況，圖7對應(yīng)斷路器1-4負序功率。

圖4 斷路器1測量阻抗模值及距離III段動作情況圖5 斷路器1-4負序功率

圖6 斷路器1測量阻抗模值及距離III段動作情況圖7 斷路器1-4負序功率

4 結(jié) 語

本文首先將整個電力系統(tǒng)依據(jù)割點和塊的原理劃分為若干個潮流轉(zhuǎn)移區(qū)；然后在各個潮流轉(zhuǎn)移區(qū)內(nèi)，依據(jù)后備保護的保護范圍形成后備保護區(qū)；后備保護區(qū)內(nèi)距離III段保護啟動后，實時搜集后備保護區(qū)內(nèi)的負序功率方向元件方向信息，決策單元根據(jù)故障判別原則判斷區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障或過負荷，進而開放或閉鎖后備保護。該原理簡單可靠，避免了在整個系統(tǒng)內(nèi)的信息交換，具有實時性好，能有效區(qū)分后備保護區(qū)內(nèi)短路故障和事故過負荷。

由PSCAD仿真實驗表明，該方案能夠可靠地閉鎖或開放后備保護，保證在區(qū)域發(fā)生過負荷時可靠識別過負荷，為保護控制爭取時間，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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A New Scheme of Overload Tripping Lockout for Backup Protections

GAO Jun-ling1，Liu Ming-chang2，LI Deng1，HAN Hui2，XUAN Xiao-chen2

(1.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Tongliao Power Supply Company of State Grid，Neimenggu Tongliao 028000)

Cascading trips caused by flow transferring is one of the important reasons of many well-known blackouts.To avoid the unreasonable operation caused by overload trip of the key backup protections，the concept of backup protection zone based on wide-area information is presented，in the backup protection zone，the directional elements of negative sequence power upload direction information to decision unit，accurate identification of the post-fault overload and fault，a new scheme for overload tripping lockout in backup protection is achieved.By the PSCAD simulation experiment，the correctness and feasibility of the protection algorithm are verified.

Cascading trips；Post-fault overload；Backup protection；Blocking；Wide-area protection

2016-05-11

高俊嶺(1990-)，男，河南省鄭州市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護.

1005-2992(2016)05-0019-06

TM76

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