李會新, 謝 俊， 王玉龍， 李 勇， 謝 華， 趙青春

(1. 國家電網(wǎng)公司華中分部, 湖北省武漢市 430077； 2. 柳煥章勞模創(chuàng)新工作室， 湖北省武漢市 430077；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇省南京市 211102)

0 引言

隨著電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，超高線路變得非常密集，在現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)在不斷變化，超高壓線路保護(hù)裝置的定值整定配合越來越困難，整定計(jì)算人員的工作量越來越大[1-2]，超高壓線路一套后備保護(hù)定值不可能實(shí)行完全配合，即使耗費(fèi)大量工作后，對于解決失配的現(xiàn)象微乎其微。同時(shí)，各設(shè)備廠商保護(hù)裝置定值項(xiàng)多、煩、雜且某些定值的整定存在差異，對整定人員知識水平要求較高，存在人為誤整定的風(fēng)險(xiǎn)[3]。為此需要研究超高壓線路保護(hù)裝置的自整定及性能優(yōu)化。

為降低超高壓線路保護(hù)整定難度，提升系統(tǒng)安全運(yùn)行水平，文獻(xiàn)[4-5]提出了針對離線的后備保護(hù)的整定原則進(jìn)行對比分析，提出了可靠系數(shù)分折線的選取方法，但會導(dǎo)致人工整定出現(xiàn)可靠系數(shù)選擇混亂現(xiàn)象，也沒提及自適應(yīng)整定的措施。文獻(xiàn)[6-9]均研究了現(xiàn)有距離保護(hù)自適應(yīng)整定的方法，但對全套距離保護(hù)的優(yōu)化及運(yùn)行方式調(diào)整時(shí)的適應(yīng)性沒有研究，缺少主保護(hù)的整定探討。文獻(xiàn)[10]針對平行雙回線路兩側(cè)的相鄰線路零序電流不一定小于故障線路中的零序電流導(dǎo)致其反時(shí)限零序電流保護(hù)有可能無選擇性動作問題提出了基于廣域信息的零序反時(shí)限加速策略，但對于實(shí)際大電網(wǎng)廣域信息可操作性難度大，處理加速過程復(fù)雜。

為有效解決超高壓線路保護(hù)裝置的整定計(jì)算工作面臨的上述問題，針對超高壓輸電線路現(xiàn)有的各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)、主保護(hù)和后備保護(hù)定值提出自整定原則方案，利用智能軟硬件條件下裝置可以獲取更多的信息，在線加速或自適應(yīng)調(diào)整保護(hù)范圍，后備保護(hù)中主要實(shí)現(xiàn)全新和全套的距離保護(hù)以及零序反時(shí)限過電流保護(hù)的適應(yīng)性策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的自整定，逐步將整定人員從整定計(jì)算的角色轉(zhuǎn)換為填寫的角色，極大地提升了工作效率，減少了前端和后端電網(wǎng)工作人員的工作量，保證了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

1 自整定原則方案

1.1 設(shè)備參數(shù)

對于裝置參數(shù)部分考慮保護(hù)線路的原始參數(shù)、保護(hù)線路的運(yùn)行參數(shù)、電壓互感器(TV)/電流互感器(TA)參數(shù)，在裝置內(nèi)部預(yù)先定制標(biāo)準(zhǔn)的表格，由用戶填表一次值，裝置二次值自適應(yīng)計(jì)算，將設(shè)備參數(shù)定值前置。

保護(hù)線路的原始參數(shù)：線路長度、正序阻抗、零序阻抗、零序互感、正序容抗、零序容抗等。無用、無關(guān)定值可以定制專用的無定義符號。

被保護(hù)線路的運(yùn)行參數(shù)：通道類型、TV/TA參數(shù)等。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)裝置自適應(yīng)具備應(yīng)對過負(fù)荷、靜穩(wěn)破壞和暫穩(wěn)破壞的能力。

1.2 保護(hù)范圍分類

將保護(hù)定值根據(jù)保護(hù)范圍劃分為兩類。一類是保護(hù)范圍固定不受運(yùn)行方式影響，如主保護(hù)、被保護(hù)的線路、被配合鄰線的縱聯(lián)保護(hù)和距離保護(hù)Ⅰ段，相鄰變壓器的差動保護(hù);另一類是保護(hù)范圍不固定受運(yùn)行方式影響，如被配合的零序過電流保護(hù)、距離保護(hù)Ⅲ段。這類保護(hù)要找到保護(hù)范圍很不容易，尤其當(dāng)保護(hù)范圍伸出本線路，對側(cè)母線接有多分支，對每一個(gè)分支都存在一個(gè)保護(hù)范圍。但是，這些保護(hù)范圍是由一個(gè)保護(hù)定值決定的。因此，同原理保護(hù)配合往往是定值上的配合，即用配合定值乘以分支系數(shù)。不同原理保護(hù)配合就不能在定值上取得配合，這是因?yàn)楦餍蚓W(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，存在不同的電流分配系數(shù)，兩類保護(hù)定值沒有固定的關(guān)系。根據(jù)保護(hù)范圍的分類確定用戶前置定值和自整定后置定值，對于超高壓線路保護(hù)而言前置定值就剩下距離保護(hù)Ⅲ段和零序保護(hù)Ⅱ段。

1.3 差動保護(hù)

隨著“九統(tǒng)一”線路保護(hù)裝置的運(yùn)用及定值簡化，差動定值整定只有差動動作電流定值。裝置通過自適應(yīng)識別電容電流，考慮1.5倍靈敏系數(shù)自適應(yīng)選擇不同電壓等級的接地高阻，從而完成裝置的自適應(yīng)定值整定。

TA斷線差動定值由線路保護(hù)裝置兩側(cè)光纖交互TA參數(shù)，自適應(yīng)整定時(shí)選取兩側(cè)TA一次值較小者，并考慮1.2的可靠系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.4 距離保護(hù)

本著加強(qiáng)主保護(hù)、簡化后備保護(hù)的思想,自整定計(jì)算也允許作相應(yīng)的簡化，簡化整定計(jì)算就是默認(rèn)某些失配。

距離保護(hù)Ⅰ段按可靠性進(jìn)行整定，距離保護(hù)Ⅱ段按靈敏度進(jìn)行簡化整定，距離保護(hù)Ⅲ段將結(jié)合靈敏度、選擇性由用戶前置定值整定。距離保護(hù)Ⅰ段可靠系數(shù)和Ⅱ段靈敏系數(shù)可由裝置內(nèi)置與長度相關(guān)的曲線函數(shù)選取[11-14]，根據(jù)對距離保護(hù)Ⅰ段的曲線函數(shù)，接地距離和相間距離的可靠系數(shù)分別表示為[13]：

(1)

(2)

式中：KK1和KK2分別為接地距離和相間距離Ⅰ段的可靠系數(shù)；L為被保線路長度。

針對距離保護(hù)Ⅱ段的曲線函數(shù)，下限和上限靈敏系數(shù)為[4]：

(3)

(4)

式中：Klm，min和Klm，max分別為接地距離和相間距離Ⅱ段的靈敏系數(shù)最小值和最大值。

對于零序補(bǔ)償系數(shù)而言，在裝置參數(shù)中增加“零序互感”參數(shù)，兩側(cè)線路保護(hù)裝置通過采集本站的母線運(yùn)行信息、開關(guān)和刀閘位置信息交互完成雙回線或多回線的運(yùn)行方式，接地距離保護(hù)Ⅰ段根據(jù)自適應(yīng)識別雙回輸電線路的運(yùn)行方式調(diào)整。

若自適應(yīng)識別輸電線路的運(yùn)行方式失敗時(shí)，則接地距離保護(hù)Ⅰ段零序補(bǔ)償系數(shù)為保證可靠性取K3；對于接地距離保護(hù)的Ⅱ和Ⅲ段的零序補(bǔ)償系數(shù)按雙回線并列運(yùn)行時(shí)整定保證靈敏度，零序補(bǔ)償系數(shù)按K1自整定。

1.5 零序保護(hù)

零序保護(hù)一般僅用作切除高電阻接地故障，動作時(shí)間長于距離保護(hù)Ⅲ段，可以用定時(shí)限或反時(shí)限保護(hù)。零序保護(hù)Ⅱ段在整定中需要考慮末端接地故障有靈敏度，且躲過本線路非全相運(yùn)行的最大零序電流，從而需要用戶結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)自行整定。零序保護(hù)Ⅲ段按高電阻接地故障有靈敏度[14]，一次值取300 A，動作時(shí)間與重合閘時(shí)間配合。反時(shí)限零序過電流保護(hù)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線且定值整定也統(tǒng)一。

2 自整定保護(hù)原理優(yōu)化方案

2.1 距離保護(hù)優(yōu)化

1)距離全長段

Ⅰ段與Ⅲ段(躲過振蕩周期)之間的時(shí)間間隙很寬，0～1.5 s，根據(jù)一般時(shí)間級差可以插入3至4個(gè)時(shí)間階梯。另外，Ⅰ段與Ⅱ段之間的距離空間和時(shí)間也很寬，可以輕松插入一個(gè)過渡段，從而距離保護(hù)可以再加入一段，即全長段，全長段加入后使得距離保護(hù)在時(shí)間和空間上的分布密集均勻，從而距離保護(hù)配置距離Ⅰ段、全長段、Ⅱ段和Ⅲ段。全長段考慮到系統(tǒng)的測量誤差整定取線路全長阻抗的90%，時(shí)間與相鄰線路距離保護(hù)Ⅰ段或縱聯(lián)保護(hù)配合，則接地距離全長段時(shí)間取0.3 s，相間距離全長段時(shí)間取0.5 s。

2)距離Ⅱ段加速

現(xiàn)有的距離加速往往只有手合和重合后加速，已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行要求。當(dāng)輸電線路光纖保護(hù)存在因光纖通道同時(shí)故障或閉鎖時(shí)造成保護(hù)裝置失去主保護(hù)，當(dāng)后備保護(hù)不加速時(shí)會影響故障切除時(shí)間，從而也可能擴(kuò)大故障切除范圍。另外對側(cè)三跳時(shí)，當(dāng)單端保護(hù)檢測到故障時(shí)可以加快切除以提高保護(hù)切除的可靠性和速度，讓后備保護(hù)得以完善，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著站域保護(hù)、廣域保護(hù)的研究與推進(jìn)，當(dāng)站域和廣域決策信息給微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)加速動作時(shí)，可以觸發(fā)后備保護(hù)的加速邏輯，保證保護(hù)間的配合關(guān)系以適應(yīng)系統(tǒng)保護(hù)的要求，從而降低擴(kuò)大系統(tǒng)切除故障的風(fēng)險(xiǎn)。

增加新的距離Ⅱ段加速策略，如圖1所示。

圖1 觸發(fā)Ⅱ段后備保護(hù)加速邏輯圖Fig.1 Logic diagram of accelerating zone Ⅱ backup protection

圖1中當(dāng)通道異常、“通道異常加速Ⅱ段后備”控制字投入和本側(cè)主保護(hù)投入時(shí)則實(shí)現(xiàn)加速，從而實(shí)現(xiàn)投入主保護(hù)的輸電線路因通道異常時(shí)退出后來加速切除故障，以避免不必要的損失。另外建立了光纖傳輸機(jī)制將對側(cè)斷路器位置信息傳給本側(cè)，當(dāng)對側(cè)三跳本側(cè)單端運(yùn)行時(shí)，從而加速Ⅱ段后備保護(hù)來加快切除故障。制定開放站域和廣域決策信息的加速接口來實(shí)現(xiàn)線路后備保護(hù)加速動作邏輯，降低擴(kuò)大系統(tǒng)切除故障的風(fēng)險(xiǎn)，距離Ⅱ段的加速提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，同樣該邏輯也用于零序保護(hù)Ⅱ段。

3)反偏距離保護(hù)

當(dāng)母線差動保護(hù)停運(yùn)時(shí)，一般通過修改母線所連線路對側(cè)保護(hù)的后備定值來實(shí)現(xiàn)母線故障的后備保護(hù)。另外隨著區(qū)域和廣域母線故障信息的獲得，可以適當(dāng)調(diào)整距離保護(hù)范圍，簡化流程提高效率，從而增加反偏距離保護(hù)并開放反偏接口便于母線差動保護(hù)停用，決策需要時(shí)再投入使用。反偏距離阻抗一次值取值不大，因只考慮到母線的阻抗，建議取5 Ω，且反向接地距離延時(shí)取0.3 s，相間建議取0.5 s。

結(jié)合距離全長段、距離Ⅱ段加速和反偏距離，得到優(yōu)化后的距離保護(hù)示意圖如圖2所示。圖2中在各段處給出的參考時(shí)間，前面為接地距離時(shí)間，后面為相間距離時(shí)間。

增加全長段、反偏距離保護(hù)以及完善距離加速后使得距離保護(hù)在后備中能保證線路全長和相鄰設(shè)備的故障，實(shí)現(xiàn)距離保護(hù)的動作特性隨運(yùn)行方式自適應(yīng)調(diào)整。

圖2 距離保護(hù)配合示意圖Fig.2 Cooperation schematic diagram of distance protection

2.2 零序反時(shí)限過電流保護(hù)的優(yōu)化

零序反時(shí)限過電流保護(hù)在故障時(shí)動作時(shí)間的快慢與故障電流大小成正比關(guān)系，主要用于高阻接地故障，目前線路保護(hù)采用的零序反時(shí)限特性方程[5]為：

(5)

式中：I0為零序電流；IP為零序反時(shí)限過電流定值；TP為時(shí)間常數(shù)，為零序反時(shí)限時(shí)間。

高阻接地時(shí)保護(hù)安裝處測量電壓為：

(6)

工作電壓為：

(7)

圖3 高阻接地距離元件電壓相量圖Fig.3 Voltage phasor diagram of high-resistance distance component

結(jié)合圖3，高阻接地的距離元件送端動作方程為：

(8)

(9)

受端動作方程為：

(10)

(11)

由式(8)至式(11)構(gòu)成的高阻接地距離元件不受過渡電阻的影響，從而具有較好的故障定位，即選擇性，在零序反時(shí)限過電流保護(hù)中增加高阻接地距離來提高零序反時(shí)限保護(hù)的選擇性，優(yōu)化后的零序反時(shí)限過電流保護(hù)邏輯圖如圖4所示。

圖4中將高阻接地的距離元件設(shè)定為三段，Ⅰ段保證區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻接地的可靠性取線路全長的70%，與零序反時(shí)限過電流定值結(jié)合后延時(shí)躲振蕩周期取2 s；Ⅱ段取線路全長的90%，延時(shí)取2.5 s；Ⅲ段為了保證靈敏度取線路的1.3倍，延時(shí)取3 s。當(dāng)高阻接地距離元件不動作時(shí)則按反時(shí)限零序動作，此時(shí)對于定值“零序反時(shí)限配合時(shí)間”在整定時(shí)要求時(shí)間大于3 s，建議取3.5 s。零序反時(shí)限與高阻接地距離元件的配合可以提高保護(hù)范圍內(nèi)的單相高阻接地短路的靈敏度，從而適當(dāng)?shù)乜s短零序反時(shí)限的動作延時(shí)，降低零序反時(shí)限越級誤動的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 優(yōu)化后零序反時(shí)限過電流保護(hù)邏輯圖Fig.4 Logic diagram of zero-sequence inverse-time over-current protection after optimization

3 算例及仿真分析

3.1 用戶定值單前置示例

定值簡化自整定后,用戶需要填寫和整定的定值則簡化。從而對于線路而言，用戶填寫和整定的前置定值改為如附錄A表A1所示。

在裝置實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)定值整定后，設(shè)備參數(shù)部分由用戶填寫，用戶只需要整定零序過電流保護(hù)Ⅱ段和距離保護(hù)Ⅲ段，從而減少了人工計(jì)算環(huán)節(jié)，提高了工作效率。

3.2 距離保護(hù)系數(shù)選擇算例

結(jié)合式(1)至式(4)，在自整定中接地距離保護(hù)可靠系數(shù)和相間距離保護(hù)的靈敏系數(shù)與線路長度關(guān)系如表1所示。從表1分析發(fā)現(xiàn)，距離保護(hù)Ⅰ段整定可由裝置根據(jù)用戶輸入的線路參數(shù)，如長度、阻抗等，自行完成，減少了用戶的工作量。距離全長段實(shí)現(xiàn)取線路全長90%的阻抗自整定。實(shí)現(xiàn)Ⅱ段自整定時(shí)，直接根據(jù)線路的長度距離保護(hù)Ⅱ段靈敏度取距離下限靈敏系數(shù)Klm,min。距離保護(hù)Ⅲ段需考慮配合后人工干預(yù)進(jìn)行整定，同時(shí)將距離上限靈敏系數(shù)Klm,max作為驗(yàn)證是否滿足本線下限靈敏度要求，如果不滿足則直接按下限靈敏度整定，距離保護(hù)Ⅰ段和Ⅱ段的自整定減少了人工整定工作量，將人工整定的Ⅲ段與靈敏度上限校核減少人為誤差，進(jìn)而降低失配的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 零序反時(shí)限優(yōu)化仿真

零序反時(shí)限過電流保護(hù)中因分汲支路的影響導(dǎo)致其誤動，從而為了驗(yàn)證零序反時(shí)限優(yōu)化后的性能，在PSCAD軟件建立如圖5所示的500 kV仿真系統(tǒng)模型。

圖5仿真系統(tǒng)模型中線路L1全長50 km，線路L2為雙回線全長為100 km，線路的單位正序阻抗Z1=0.02+j0.28、單位零序阻抗Z0=0.183+j0.86 和ZL2分別為線路L1和L2的線路全長阻抗，α為保護(hù)3距故障點(diǎn)所占線路L2百分比。結(jié)合零序反時(shí)限優(yōu)化方案，對于線路L1，高阻接地距離保護(hù)Ⅰ段元件取9.83 Ω，Ⅱ段元件取12.63 Ω，Ⅲ段元件取16.84 Ω；對于L2取相應(yīng)的倍數(shù)。零序反時(shí)限電流定值一次值取300 A，零序反時(shí)限時(shí)間定值取0.4 s，配合時(shí)間取3.5 s。

表1 線路系數(shù)、保護(hù)范圍長度變化與線路長度關(guān)系Table 1 Relationship between line coefficient, length change of protection range and line length

在圖5中系統(tǒng)在線路L2一回線上分別對在α=0,α=50%,α=100%處的故障進(jìn)行仿真，同時(shí)，在各故障點(diǎn)分別模擬高阻為0,50,100,200,300 Ω單相接地后零序反時(shí)限過電流保護(hù)優(yōu)化前后的動作

特性，記錄保護(hù)3動作情況的同時(shí)并記錄保護(hù)3動作時(shí)保護(hù)1的動作情況，仿真過程中故障一直存在，α=0,50%,100%故障時(shí)的各判據(jù)元件動作行為分別見表2至表4。

圖5 PSCAD仿真系統(tǒng)模型Fig.5 Simulation system model in PSCAD

表2 α=0處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 2 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=0

表3 α=50%處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 3 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=50%

表4 α=100%處故障各判據(jù)元件動作行為特性Table 4 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=100%

從表2至表4中仿真結(jié)果可看出，高阻接地距離元件隨著過渡電阻的增大靈敏度降低，但能提高零序反時(shí)限保護(hù)的選擇性，在線路L2一回線中間和末端故障時(shí)，因?yàn)橥饧撤种У拇嬖冢Ｗo(hù)1流過的電流比保護(hù)3大很多，從而當(dāng)零序過電流反時(shí)限保護(hù)不優(yōu)化時(shí)，因反時(shí)限保護(hù)故障電流越大動作越快且兩保護(hù)定值一致時(shí)，保護(hù)1會出現(xiàn)超越誤動，仿真中保護(hù)1誤動的情況見表2至表4。優(yōu)化后的零序反時(shí)限通過增加高阻接地距離元件后對于保護(hù)的選擇性有所提升，從而只有當(dāng)線路末端高阻接地時(shí)零序反時(shí)限過電流保護(hù)才會出現(xiàn)誤動的可能，一般在誤動前已由對側(cè)優(yōu)化后的零序反時(shí)限過電流保護(hù)動作切除，從而保護(hù)1就不會因外汲而誤動，從而優(yōu)化后的零序反時(shí)限過電流保護(hù)在一定程度上提高了其選擇性，避免了一些系統(tǒng)運(yùn)行方式下超越誤動，同時(shí)給零序反時(shí)限過電流保護(hù)定值的統(tǒng)一性提供借鑒。

4 結(jié)語

隨著超高壓輸電線路保護(hù)定值的統(tǒng)一化和保護(hù)裝置的智能化，為保護(hù)裝置從離線整定到自整定的角色轉(zhuǎn)換提供了便利條件。通過從用戶整定定值前置、自適應(yīng)整定定值后置、自適應(yīng)整定原則出發(fā)提出了各保護(hù)定值自整定的方案，其中主保護(hù)定值簡化固化，距離保護(hù)制定長度曲線函數(shù)，優(yōu)化零序補(bǔ)償系數(shù)的選擇，并提出距離保護(hù)所需改進(jìn)的思路來提升保護(hù)裝置性能?；陔妷合嗔糠ǖ母咦杈嚯x識別元件提高零序反時(shí)限過電流保護(hù)選擇性后實(shí)行加速，為超高壓線路保護(hù)自整定裝置的開發(fā)提供明確的理論基礎(chǔ)，大大減輕現(xiàn)有整定工作量和降低人為錯(cuò)誤。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

李會新(1973—),男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及專業(yè)管理。

謝 俊(1980—),男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及專業(yè)管理。E-mail: xjvhj@163.com

王玉龍(1988—),男,通信作者,工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及開發(fā)。E-mail： wanglonglon@163.com