基于相量集合的站域差动保护研究.pdf

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第43卷第6期2015年3月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,o1.43No.6Mar.16,2015基于相量集合的站域差动保护研究李俊刚1,25孟乐,张爱民。,张杭15刘星,耿英三,魏勇(1.西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049;2.许继集,河南许昌461000;3.西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049)摘要:针对智能变电站发展现状,分析了站域信息共享情况下,采样信息失步对差动保护的影响。在此基础上提出了基于相量集合的站域差动保护算法。该算法采用各支路的电流同步相量参引进行差动保护逻辑计算,依此计算出差动电流和制动电流,解决了由于采样信息失步导致的保护误动或拒动。最后,仿真结果表明,基于相量集合的差动保护算法在SV一定程度的失步情况下,差动保护的灵敏性和可靠性不受影响,能够保证站域差动保护可靠实施。因此,可以在新一代智能变电站站域保护装置上加以采用。关键词:站域差动保护;相量集;差动电流;失步信息ResearchonsubstationdifferentialprotectionbasedonphasesetLIJungang一,MENGLe,ZHANGAimin,ZHANGHang,LIUXing2,GENGYingsan,WEIYong’’(1.SchoolofElectricalEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China;2.XJGroupCorporation,Xuchang’’461000,China;3.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:Basedontheintelligentsubstationdevelopment,thispaperanalyzestheinfluenceofunsynchronizedsamplingvalue(SV)ondifferentialprotectionunderthecircumstanceofsubstationinformationsharing,basedonwhichasubstationdifferentialprotectionalgorithmbasedonphasesetisproposed.ThealgorithmusestheCurrentsynchronousphasorreferencecitationofeachbranchfordifferentialprotectionlogiccalculation,andthecalculateddifferentialcurrentandbrakingcurrentcansolveprotectionmalfunctionorrefusecausedbytheunsynchronizedSV.Finally,thesimulationresultsshowthatusingthedifferentialprotectionalgorithmbasedonphaseset,thesensitivityandreliabilityarenotaffectedunderacertainextentunsynchronizedSV,whichensuresreliableimplementationofsubstationdifferentialprotection.Therefore,thisdifferentialprotectionalgorithmcanbeusedinthenewgenerationintelligentsubstation.Keywords:substationdifferentialprotection;phasorset;differentialcurrent;unsynchronizedinformation中图分类号:TM77文献标识码:A———文章编号:16743415(2015)060093050引言快速可靠的继电保护是电网安全稳定运行的重要保障。而随着通信技术的不断完善发展,为满足大型复杂电网安全稳定运行的要求、需提高继电保护的性能,以适应电网运行多样性的需求。因此,基于丰富变电站信息,站域继电保护成为了研究热点,并取得了一定的研究成果lJJ。基于智能变电站数据信息共享优势,站域保护可以利用站内多间隔线路、元件的电气量、开关量信息、甚至相邻变电站信息来判别故障位置,实现故障点的快速、准确、可靠隔离,并实现站内集中备投、集中式低周、低压减载等功能。目前,智能变电站的过程层设备之间的采样值数据(SV1采用DL/T860.92(IEC61850.9.2)协议,因此,组网传输方式符合智能变电站网络化发展方向,可以实现多间隔信息共享和简化过程层网络结构。但是,其不同间隔SV的同步依赖于时钟同步系统,由于规范【9】明确要求保护装置应不依赖于外部时钟同步系统实现其保护功能。因此,基于组网方式获取SV的站域保护装置,其功能受到了限制,主要表现为其不能采用差动和方向原理的保护或sV失步时需退出差动和方向原理的保护。然而,差动保护是目前继电保护界公认的最先进的保护刚,现有差动保护均要求各支路sV严格同步,SV失步可能导致保护误动或拒动。所以,..94..电力系统保护与控制智能变电站存在保护装置对差动保护原理选择与SV接入方式限制的矛盾。因此,基于上述种种因素,如何在站域保护装置上更好实现差动保护,利用站域信息实现快速保护具有较大的工程意义。1智能变电站中站域信息失步及其影响1.1信息失步分析现状目前,智能变电站中,过程层中合并装置(MU)会对电子互感器采集的数据进行处理,其根据时标将原始数据合并为相应的数据集,上送至间隔层保护装置,进行保护控制算法分析。如图1所示,过程层采用组网方式,保护装置SV采样的最大通道延时为2ms+10ms+,所以在MU失步的状态下,不同MU的SV最大失步时间为2ms+10ms+。目前,不同MU的SV一般失步1~2(以MU重采样为同步点计算,不同MU的SV最大失步时间为0.25ms+l0ms+)。同步SV采样通道的最大离散为:2ms+lObts+T ̄延时不大‘于个采sV采样通道的最大延时为:2ms+lOs+图1信息失步分析Fig.1Unsynchronizedinformationanalysis1.2失步对差动保护影响分析对于32点采样来说,=0.625ms,SV采样的最大延时为2.635ms,对应相位差为47.43。(以MU重采样为同步点计算,不同MU的SV最大失步时间为0.885ms,对应相位差为15.93。)。图2显示,两大小相等、方向相反的相量,在失步2.635ms时其差流为+2sin丁47.43 ̄-0.804[/'M可见差流本来为0的两相量失步时,将产生较大差流。同样相量失步亦对制动电流的计算产生很大影响。故在模拟量失步时,系统非故障或区外故障时差动保护有误动可能;同时系统区内故障时,保护灵敏度降低,有拒动可能。因此目前继电保护装置在模拟量失步时均退出差动原理的相关保护。M……一图2差流分析Fig.2Differentialcurrentanalysis2相量集差动保护原理差动保护的理论基础依据基尔霍夫电流定律:电路中任一节点,任何时刻,所有流入流出结点的支路电流的代数和恒等于零。目前差动保护均采用同一时刻各支路的电流的相量进行计算,当各支路电流失步时,即各支路电流不再是同一时刻,差动保护的理论基础不再存在。若计算出一个大于失步时间的连续时间段内的各支路各个时刻的电流的相量值,每个支路电流相量组成一个集合。由于各支路相量集时间窗大于失步时间窗,所以各支路的电流相量集中必然存在一个该支路与其他各支路同步的电流相量。若采用各支路的电流同步相量参引差动保护逻辑计算,则失步情况下仍然可以投入差动保护。2.1基于相量集合的差动保护分析一个连续时间段内各个时刻的电流相量有无穷多个,根据该时间窗里所包含的采样点,在每个采样点处计算一个相量值。若装置的采样频率为1600点/s,即采样周期为=0.625ms,要想包含2.635ms的失步时间,可取5个作为相量集的时问窗。分别计算当前采样点和依次前推1~5个点处的相量形成相量集。图3相量集Fig.3Phasorset在此定义集合加减法:两集合相加减等于集合内每个元素和另一集合各元素分别相加减,若两个集合的元素个数分别为m和,则他们的和或差是一个元素个数为m×n的集合。下面以两端差动李俊刚,等基于相量集合的站域差动保护研究.95.为例,进行相量集求取差动电流和制动电流的分析。首先将当前采样点前推1~5个点,分别计算当前点(下标为0)和前推各点(下标为1~5)处的相量值,形成相量集合。设电流、IN的相量集合分Imn+I曲∞ImL+I∞I+I∞I吣+I∞I+II+I∞I棚一I一—II曲—∞ImI—II哟I一I^00+,n11+,n1,m2+,n+1I七I5+L1。一一L一,n,m,一L,m一,m一2.2差动电流在差动电流集合的基础上,可以求取差动电流。求取最小差流:首先求取差动电流集合中幅值最小的两个元素,若两最小元素反相位(相位差在160。~200。之间,则取最小差流为01,否则取差流集合的最小元素为最小差流。求取最大差流:取差流集合的最大元素为最大差流。区内故障识别:由于非区内故障时,差动电流最小,理论上为0;在区内故障时差动电流很大,为故障点流出的电流。因此采用最小差流进行故障识别:若.min<kmax{Imo,In0】取0.3~0.7) ̄dJ认为系统区内故障,否则认为系统正常或区内故障。上述判据的适用条件:系统正常或区外故障时,lcd.min0<<kmax{Im0,/nO】,区内故障时由于、相量集合元素问的最大相位差为相量固△有角差与失步角度之和。如图4所示,Ic.min随着0的增大而减小,当0不变时.min=Imsin(n一),若要满足,cd.min>kmax{Imo,Ino】,必须有<兀一sinf)。因此上述故障判据的适用范围为:模拟量失步△时问造成的失步角度小于兀一sin()一,如取开△0.5时,要求失步角度小于一。6因此差流选取:若判为系统故障则差动电流取最大差流,否则差动电流取最小差流。别为(,m,)、(。,n,n:,,n)。那么两相量集合相加求取差动电流集合,结果如式(1)所示,两相量集合相减求取制动电流集合,结果如式(2)所示。I+II+II+II+I吐I七I5+—ImI一I一I一L:—III一I也Im+I,m+I+II+I以I+I5+3I鹋一I心一,—II—II,m一Ll一II+II+II七II+II+I5+—ImI—III一I—II—II—IiIm七I,m1+L5I屺+II+II+I5+,n5—ImnI一I一II一Im4一,n5—II』厶d-min厶图4最小差流示意图Fig.4Minimumdifferentialcurrentdiagram2.3制动电流求取制动电流集合中的最大元素为制动电流。系统正常或区内故障时,制动电流很大更加能保证差动保护不误动;区内故障时由于、相量集△合元素间的最大相位差为相量固有角差与失步△角度的和,由于小于90。,所以始终有,M一1N<+1N,即制动电流小于差动电流,差动保护仍能可靠动作。2.2节的实现方法要求模拟量失步时间造成的△△失步角度小于兀一sin(Ji})一驴,相量固有角差取决于系统正常运行时的各支路电源的固有相角差,其大小取决于支路电源间的有功功率传输,其△不能超过电力元件的稳定运行极限,即矽<。根2据失步相位可计算出相量集差动要求模拟量失步时间T<兀一sin。(k)2nO2345n235、Ek李俊刚,等基于相量集合的站域差动保护研究.97.相量差动不降低;由于选取制动电流集合中的最大元素为制动电流保护,相量集差动的制动电流较常规相量差动方式下的制动电流大,同时故障时其又小于差动电流。故相量集差动保护更能做到非区内[6]故障下保护不误动。因此,基于本文所述的差动算法可以在新一代智能变电站站域保护装置上加以应用,依据站域共享信息,实现故障点的快速、准确、可靠隔离。提高继电保护的性能,为满足大型复杂电网安全稳定运行的要求提供支撑。参考文献_7_[1]王宾,董新洲,许飞.智能配电变电站集成保护控制信息共享分析[J].中国电机工程学报,2011,31(增刊):1.6.WANGBin,DONGXinzhou,XUFei.Analysisofdatasharingforprotectionandcontrolsysteminsmartdistributionsubstation[J].ProceedingsoftheCSEE,2011,31(S):1-6.[8][2]马静,曾惠敏,林小华.基于广域信息多端高压输电区域后备保护[J].电力系统保护与控制,2012,40(11):61.69.MAJing,ZENGHuimin,L1NXiaohua.Anovelwide—areabackupprotectionformultiterminaltransmissionlinessystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(11):61-69.[3]朱林,段献忠,苏盛.基于证据理论的数字化变电站继电保护容错方法[J].电工技术学报,2011,26(1):154.161.ZHULin,DUANXianzhong,SUSheng.Evidence—theorybasedfaulttolerantmethodforprotectiverelaysindigitalsubstations[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(1):154-161.[4]李振兴,尹项根.基于综合阻抗比较原理的广域继电保护算法[J].电工技术学报,2012,27(8):179-186.LIZhenxing,YINXianggen.Astudyofwide-areaprotectionalgorithmbasedonintegratedimpedancecomparison[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(8):179-186.[5]姜宪国,王增平.区域自治式后备保护分区方案[J】.电工技术学报,2013,23(1):234.241.[9][1o]JIANGXianguo,WANGZengping.Zoningschemeofregionalautonomybackupprotection[J].Transactionsof—ChinaElectrotechnicalSociety,2013,23(1):234241.陈朝晖,赵曼勇,周红阳.基于广域一体化理念的网络保护系统研究与实施[J].电力系统保护与控制,2009,37(24):106-108,113.CHENZhaohui,ZHAOManyong,ZHOUHongyang.Researchandimplementationofnetworkprotectionsystembasedonintegratedandwideareainformation[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(24):106-108,113.李振兴,尹项根,张哲.广域继电保护故障区域的自适应识别方法[J].电力系统自动化,2011,35(16):15.20.LIZhenxing,YINXianggen,ZHANGZhe.Anadaptiveidentificationmethodoffaultregionforwideareaprotection[J].AutomationofElectricPowerSystems,2011.35(16):15-20.李振兴,尹项根,张哲,等.基于多Agent的广域保护系统体系研究[J]_电力系统保护与控制,2012,4O(4):71.75.LIZhenxing,Y1NXianggen,ZHANGZhe,eta1.Hierarchyofwideareaprotectionsystembasedonmulti-Agent[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(4):71-75.智能变电站继电保护通用技术条件[S】.2013.王阳光,尹项根,游大海,等.遵循IEC61850标准的广域电流差动保护IED[J].电力系统自动化,2008,—32(2):5356.WANGYangguang,YINXianggen,YOUDahai,eta1.DevelopmentofwideareacurrentdifferentialprotectionIEDconformingwithIEC61850[J].Automationof—ElectricPowerSystems,2008,32(2):5356.收稿日期:2014-06-19作者简介:李俊刚(1981-),男,博士生,研究方向为智能化变电站系统以及智能电网相关产品研发。E-mail:aogusdu@gmail.com(编辑周金梅)
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