集成保护中母线保护设计.pdf

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第4O卷第21期2012年l1月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.40NO.2lNOV.1.20l2集成保护中母线保护设计武春艳,和敬涵,张浩,薄志谦(1.北京交通大学,北京100044;2.阿尔斯通电网自动化,英国斯塔福郡ST174LX)摘要:概述了母线差动保护的现状。针对电子式互感器对母线差动保护的影响、母线保护在内部故障时有汲出电流、数据失步等问题,提出了削波判据与插值拟合补偿法及相关保护配合措施。研究分析了四种不同原理母线保护算法,以此为基础,基于集成保护提出了信息融合与信息分权的母线保护综合算法。仿真及实验分析表明了算法的优势和对母线保护性能的提升关键词:母线保护;集成保护;削波判据;信息分权;综合算法Designofbusprotectionforintegratedprotection—WUChun.yan,HEJing.han,ZHANGHao,BOZhiqian(1.BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.ALSTOMGridAutomation,StaffordST174LX,UK1——Abstract:Thispaperoverviewsthecurrentstatusofbusdifferentialprotection,proposespeakscugingcriterionandinterpolationfittingcompensationmethodandrelevantprotectioncoordinationmeasuresinrespecttotheinfluenceofelectronictransformeronbusdifferentialprotection,andtheproblemsofdraincurrent.datalOSS,etc.wheninternalfaultofbusprotectionoccurs.Fourkindsofbusprotectionalgorithmsareresearchedandanalyzed,basedonwhich,thebusprotectioncomprehensivealgorithmofinformmionintegrationandinformationdecentralizationispresentedbasedonintegratedprotection.Simulationandexperimentalanalysisverifythatthisalgorithmissuperior,greatlyimprovingthepropertyofthebusbarprotection.ThisworkissupposedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50677003).—Keywords:busprotection;integratedprotection;peaks・cutting--criterion;informationdecentralization;comprehensivealgorithm中图分类号:TM77文献标识码:A——文章编号:16743415(2012)210125.070引言母线是电力系统非常重要的组成部分之一,它连接着发电机、变压器等重要电气设备。母线保护的误动或拒动甚至可能导致系统瓦解崩溃等重大事故。数字化变电站的迅猛发展在提高了系统可靠性、自动化水平的同时,也为母线保护带来了诸如采样数据削波、多结点采样数据不同步等新的问题。此外,数据信息缺失、汲出电流等原有问题也一直未能妥善解决。集成保护是指将变电站全部信息集中于一个计算机系统中,形成灵活、可靠、多样互补集中式保护系统J。从逻辑和功能上可以将数字化变电站系统分为站控层、间隔层、过程层等三层。如图1基金项目:国家自然科学基金项目(50677003);阿尔斯通一北京交通大学国际合作研究项目(R/T5.1.4-D)“所示,处于间隔层的集成保护设备采用多CPU,”多线程,多模块的架构设计来实现多种保护算法并行运算,具有强大的计算能力。图1数字化变电站内集成保护通信系统框架平台Fig.IFrameworkforthecommunicationsystemofintegratedprotectioninadigitalsubstation电力系统保护与控制本文基于集成保护获得的丰富信息,以及架构设计带来的信息获取及计算优势,针对目前已有母线保护中存在的关键问题,提出解决方案,改进并研究了母线保护新算法,并在集成保护实验平台上验证了算法的可行性和有效性。1问题的提出母线差动保护是目前应用最为广泛的母线保护。带比率制动特性的电流差动保护的动作判据为其中:,。。是起动电流,其值选为进出线电流之和“”的模值,也称为差电流;/dO是差电流的动作限值,按照躲过母线上任一电气元件的最大负荷电流整定,保证最小运行方式下差动保护足够灵敏;…是比率制动系数,通常整定为0.5~0.8。,是制动电流,其值选为进出线电流相量的模之和,也“”称为和电流。以上原理的差动保护在某些运行情况下会存在不正确动作,且随着数字化变电站技术的发展和应用,对母线保护的判据等带来新的问题。1.1电子式电流互感器削波电子式互感器被认为是具备广泛应用前景的新一代互感器,它具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优势。但一次系统发生近端较严重外部故障时,存在数据超过采集卡量程的现象,采样电流的波峰波谷数据采集不到,发生削波L5J。削波视其严重程度可以分为轻度削波和严重削波,削波程度的不同对母线差动保护的影响程度也不同。为说明削波影响,本文利用PSCAD建立图2所示110kV变电站的模型,并模拟削波波形,观测仅f2处发生故障时母线差动保护的计算结果。图3是电流互感器一次侧波形,一次侧额定电流为0.5kA。削波通常在超过一次侧额定电流20~30倍发生,模型中设置超过额定电流25倍后发生。A相接地故障,0.2~0-3S是故障时间。模型中过渡电阻设置为1.6Q,发生严重削波,故障阶段的差电流很大,使比率制动曲线超过整定值,造成差动保护发生误动作。从图4中可以看出,此时保护处于对削波抑制的临界状态,程度较轻的削波可以被抑制,而更加严重的削波会导致保护发生误动作。图2变电站短路故障Fig.2Shortcircuitfaultofasubstation要运。50图3外部故障削波图Fig.3Waveofsevereclippingcase制动电流/kA图4削波情况下母线差动保护计算结果Fig.4ResultofbusdifferentialprotectioninthesevereclippingCase1.2内部故障有汲出电流若图2中系统在.处发生故障时,线路上处同时发生故障,受穿越性电流的影响,故障电流的流出会造成母线电流保护的灵敏度下降,甚至出现拒动情况。图5是仅.处发生故障,也就是母线发生内部故障时,母线电流差动保护计算出的比率制动曲线的变化情况。由图中可以看出,实际曲线明显超过整定曲线,保护能够准确动作。图6是处和.处同时发生故障,即汲出电流占总短路电流48%时的∞,>一>..∑=叩武春艳,等集成保护中母线保护设计.127.\帽jIllIlO2O3O制动电流/kA图5A相内部故障计算结果Fig.5ResultofAGinternalfault050lOO制动电流/kA图6A相内部故障有汲出电流计算结果Fig.6ResultofbusdifferentialprotectionunderAGintemalfaultwithdraincurrent母线差动保护计算结果。由图中可以看出,汲出电流明显造成实际曲线的降低,致使在内部故障时母线差动保护不能鉴别故障,发生拒动。1.3数据失去同步由于网络延时、数据拥塞、时钟不同步等原因的影响,数据可能造成不同步。数据不同步时,部分线路信息超前或者滞后到达。可能造成正常状态或者外部故障时,差动电流变大,从而导致母线差动保护的误动作。还可能造成在内部故障情况下,差电流减小,甚至导致母线差动保护发生拒动。1.4CT信息缺失集成保护装置采集全站实时信息,能够迅速、有选择性地切除故障。然而当变电站网络通信流量较大时,或者有电磁干扰、电子式电流互感器故障等情况时,可能导致集成保护装置采集到的实时信息发生数据缺失【6】。针对信息缺失,传统解决方式都是采用CT断线检测元件,一旦发生断线就闭锁保护,闭锁期间保护对故障失去鉴别能力,使可靠性降低。2几种母线保护算法分析有别于电流差动原理的母线保护算法很多,它们在不同工况下的适用性也有差别。本文选取三种较有优势的保护算法予以介绍,以寻求解决以上问题的方案。2.1电流比相式母线保护电流比相式母线保护根据母线外部故障和内部故障时连接在母线上各元件电流相位的变化来实现。如图7所示,假设一条母线只有两个元件,当母线内部发生故障时,和都流入母线,相位相同。而外部故障时,J『和,的相位方向相反。利用比相元件来比较各个元件的电流相位可以判断出是否故障,从而确定保护是否动作【7】af)(f1r、rf)(,、●r、fa)图7母线内外部故障示意图Fig.7Intemalfaultandexternalfaultofbus-bar2.2综合阻抗算法综合阻抗定义为母线电压与差电流的相量之比为2d:u/j。d(2)当母线发生内部故障时,综合阻抗为过渡电阻的值,通常为几欧姆到几十欧姆;当母线发生外部故障时,综合阻抗为对地电容值,远远大于过渡电阻。因此,内部故障时综合阻抗很小,且阻抗角约为0;外部故障时,综合阻抗很大,且阻抗角为一90。左右18]。2.3有功功率差动算法正常运行或外部故障时,流入流出母线的功率是平衡的,所有支路流入瞬时功率之和为零。而内部故障时,破坏了功率的收支平衡。因此,利用瞬时功率可以判别内部故障还是外部故障。瞬时功率为“P(,)=()f(f)=√“2cos(oX+) ̄/2Icos(cot+f)=(3)““U/cos( ̄o一f)+cos(2ax+f+)将公式(3)对一个基频周期进行积分后得,+P=(1/T)』p(t)dt=U/COS(4)t在一个基频周期内积分,积分值与初始时刻无关,有功功率是时不变函数。以每个周期24个采样∞加O∞∞加O一128一电力系统保护与控制点为例,则有1里.=—V(一j)i(mJ)【5)‘j=0其中,P,,,为一条支路在m时刻的瞬时功率。在t∑时刻,第k条线路流入母线的功率为Pk>P。。t。母线上总的有功功率为l_=>。只(6)‘』_一‘k=l其中:n为母线上连接的支路数;P。。t为瞬时功率的整定值,也可以给功率引入比率制动特性。2.4各种算法适用性分析电子式电流互感器削波时,带比率制动特性的电流差动保护对其有一定的抑制作用,但在严重削波情况下会受到影响发生误动,其他三种保护算法在严重削波情况下也会发生误动。在高压和超高压系统中,可能出现母线内部故障有汲出电流的情况。综合阻抗算法中过渡电阻值与对地电容值相差很大,可以有效抑地制汲出电流的影响而不发生拒动,母线差动保护,电流比相式保护都会受汲出电流影响,严重时发生拒动。个别数据或短时数据发生失步情况下,有功功率差动保护因其为计算一周期功率平均值,受个别点失步影响较小,对数据失步的抑制效果,是另外的保护算法无法比拟的。此外,互感器信息缺失时,四种保护算法皆无法正确判断故障状态,发生失效。电流比相式保护的突出优点是减小通信负担,多间隔之间只需要知道电流方向即可,且适应灵活的接线方式。综上,削波情况和信息缺失情况仍需要合理有效的判据和配合逻辑来鉴别和抑制。数据失步和汲出电流情况时功率差动算法和综合阻抗算法较有优势。但是,上述任意一种保护算法均不能保证在四种情况下均有优势。3集成保护中母线保护设计集成保护是在数字化变电站基础上提出的,其强大的运算能力和信息集成的优势为母线保护新算法的研究带来新思路。3.1削波判据与插值拟合补偿法由图3可知,电子式互感器削波后传变的电流波形,与饱和情况下波形特征不同。电磁式电流互感器在故障的最初瞬间(1/4 ̄I/2周波1不会饱和,此后由于磁感应强度B沿磁滞回线进入饱和区而饱和,而削波情况多是数据溢出而引起的,可能故障瞬间就会产生。因此,提出如下削波鉴别判据。在采样程序中,建立一个动态短时数据窗,数据窗可以根据一周期采样点数不同设置有所不同,一般保证3个采样点以上,5ms以下。在这个短时数据窗中,如果相邻采样点的采样值都相等,说明发生了削波现象。另外,当前采样点绝对值需大于一定限值,在互感器量程无法获知时,限值设置为额定电流,在互感器量程已知时,可以设置为互感器量程最大值。为保证削波判据的可靠性,判据为[Ik->IkqI。ll,I>e式中:七为当前时刻采样点的电流值;Ik一1为前一时刻采样点的电流值;,。t为削波判据的整定值;为互感器额定电流值。图8是母线差动保护与削波判据配合的逻辑框图。在母差保护动作而削波判据不启动时,认为是内部故障不削波。差动保护与削波判据同时动作,有误动出现的可能,利用差值拟合算法补全采样值波形。图9中分别是没有发生削波时的原始波形,削波波形和拟合波形,本文经过计算,所得拟合波形的最大误差为2.6%。虽然插值拟合算法计算出的峰谷波形与实际采样波形会有一定偏差,但是相对于未修正的削波波形,数据的可靠性已经有了很大提高。补全波形之后,重新进行母差保护运算,如保护依然出口,则判为内部故障情况下发生削波。图8母差保护与削波判据逻辑框图Fig.8Busdifferentialprotectionandpeaks・cutting-criterionlogicdiagram要。025502600.26502700275t/s图9削波后拟合波形Fig.9Waveofdatafiringafterpeaks-cuttin武春艳,等集成保护中母线保护设计一129.3.2基于信息融合与分权的母线保护综合算法前述分析的四种母线保护算法在不同情况下各有所长,也各有弱点,将四种算法结合构成图lO中的综合算法,以发挥集成优势,实现在不同情况下性能最优。0『母线差动保护lIIJ(fl ̄l波)lIl1电流比栩式保护lj一图10母线保护综合算法Fig.10COmDrehensivealgorithmforbusprotectiOil该算法的核心是综合判据,图11是综合判据信息分权示意图。判据首先进行分权信息积累,分权信息主要包括相邻保护状态、削波判据状态、数据失步状态和信息缺失的状态等。每种分权信息与四种保护算法有不同的相关度。相关度的设置对综合判据来说至关重要,在进行设置的时候主要考虑的信息包括:(1)接线方式和运行方式;(2)系统的参数(包括电压等级,阻抗值等);(3)历史相关度等。图11综合判据信息分权示意图Fig.11Structureofcomprehensivecriterion图12是权重分配计算过程。将每种分权信息视作一个独立事件,每个事件对应四种算法有各自的相关度P表示根据分权信息状态1或0,计算图12分权计算示意图Fig.12Weightdistributioncalculation出每种算法的相关值。例如分权信息状态为1101,则第一种算法的相关值为p112l31。根据分权信息状态计算出每种算法的相关值,然后按照相关值的比例来分配每种算法的权重尼。分配权重之后,按照母线保护综合算法的判据进行运算,判据为4∑f=1i=14(8)∑尼fTf=Ki=1≥et其中:kf为每种保护算法的权重,其取值范围是0~1之间;f是保护算法电口信息,有0,1两种状态;K称为决策系数;k。。为其整定值。3.3信息缺失情况下保护的配合逻辑集成保护中针对变电站内部信息缺失及边界信息缺失的不同,制定了不同的逻辑。图2中所示变电站,当CT2发生信息缺失,称为变电站内部信息缺失。可利用CT1和CT3,CT4,CT5,CT6将变压器差动保护信息和母线差动信息进行融合,构成大范围差动来判断变电站内是否发生故障。而当CT5此类处于变电站边界处信息发生缺失时,需母线保护与线路保护进行配合。首先利用基尔霍夫定律计算出缺失数据,再由线路保护计算信息缺失线路是否故障,如未故障则认为是无故障情况下信息缺失;如线路保护判断为故障则跳开该线路。线路断路器跳开后,再由母线保护计算是否发生故障。如此时判断无故障则视为线路故障并已切除,如有故障则确定为母线故障,跳开母线连接的所有断路器。4算例验证集成保护系统鉴于安全性和实时性的需求,在Linux系统C++环境中采用多线程编程实现。针对图2所示变电站进行算例验证。母线保护线程中,每种算法设置为独立模块,多模块并行计算,模块计算后将保护计算结果发送给综合判据。综合判据根据分权信息不同,智能调整相关度,继而计算并且分配权重系数。图13是A相接地故障时,多种分权信息相继出现的决策系数计算结果与每种算法独立计算的结果对比。算例中,综合算法整定值设置为0.6。从图中可以看出,在外部故障削波阶段,值受到削波的影响相比正常情况及单纯外部故障有所上升,但未达整定值;而综合阻抗算法,有功功率差动算法.130.电力系统保护与控制正常运行IJ外部故障削波lI外部故障内部故障Il外部故障汲出电流Il有数据失步—二=錾龛法一一一一一一f:寺_二二二…一一整定值r一…■一一一r一一一一一_r_二二二图13综合算法计算结果Fig.13Resultofcomprehensivealgorithm都发生误动。在内部故障有汲出电流阶段,值可达整定值,但受汲出电流影响,相比于1有所降低;而电流差动保护,电流比相式保护与有功功率差动保护都发生拒动。在外部故障有数据失步阶段,值有所升高,但仍能够鉴别故障是否发生,避免误动作;而此阶段的电流差动,综合阻抗和电流比相式保护都发生了误动。综上所述,算例计算结果可以说明,在相关度调节合理情况下,按照本文所述的分权计算方法,可得到合理的权重系数值,从而得到可靠电口值。因此,综合保护算法有单独一种算法无法比拟的优越性。5结论本文针对电子式互感器采样电流削波的问题,提出了削波判据及插值拟合补偿法,并给出补偿波形的计算结果。其结果表明,削波判据及插值拟合补偿方法的应用,可以提高母线差动保护的可靠性。分析研究了母线电流差动保护、电流比相式保护、基于综合阻抗算法的母线保护、有功功率差动保护等四种保护算法,结合集成保护的优势,提出了基于信息融合、信息分权的综合算法。并给出其中综合判据的具体结构和计算依据,针对综合算法进行了算例验证。验证结果可以表明,综合判据结合了几种母线保护算法的优势,在文中所述几种不同情况下都能保证正确出口,充分发挥了集成保护信息集成的优势,多模块并行计算的设计也能够保证母线保护的快速性,提升了母线保护性能。参考文献[1]和敬涵,朱光磊,薄志谦.基于多Agent技术的电力系统集成保护[J].电工技术学报,2007,22(6):141-147.HEJing-han,ZHUGuang-lei,BOZhi-qian.Integratedprotectionforpowersystemsbasedonthemulti--agenttechnology[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2007,22(6):141-147.[2]薄志谦,和敬涵,董新洲.电力系统集成保护【J】.继电器,2005,33(14):6.10,47.—BOZhiqian,HEJing-han,DONGXin-zhou.Integratedprotectionforpowersystems[J].Relay,2005,33(14):6.1O,47.[3]王宾,董新洲,薄志谦.数字化变电站全频带故障信息利用可行性分析初探[J】.电力系统保护与控制,2010,38(13):17-21.—WANGBin,DONGXinzhou,BOZhi-qian.Feasibilityanalysisoffullbandfaultsignalswithapplicationsindigitalsubstations[J].PowerSys 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