基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法.pdf

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基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法1 基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法2 基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法3 基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法4 基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法5 基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法6
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第41卷第22期2013年11月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.41NO.22Nov.16.2013基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法金恩淑,汪有成,王红艳,陈喜峰,王星棋(1.东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;2.国网通辽供电公司,内蒙古通辽028000;3.河南省电力公司许昌供电公司,河南许昌461000;4.吉林省延边朝鲜族自治州广播电视台,吉林延边133000)摘要:提出一种基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法。根据智能电子设备(IntelligentE1ectricDevice,IED)的安装位置,形成包含有母线及线路在内的IED关联域。系统发生故障后,通过IED在关联域内对故障信息的采集和共享,结合定义的故障判别原则,确定故障的位置;并根据IED预定的动作策略,快速地切除故障。该算法既能做系统发生故障后快速动作的主保护,同时又兼顾后备保护的功能。通过仿真验证了该算法的有效性,表明该算法可以很好地实现主保护和后备保护的功能。关键词:广域继电保护;负序功率;方向比较;关联域;IEDAwide-arearelayingprotectionalgorithmbasedonnegativesequencepowerdirectioncomparisonprinciple————JINEnshu,WANGYoucheng,WANGHong-yan,CHENXifeng,WANGXingqi(1.SchoolofElectricalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China;2.TongliaoPowerSupplyCompany,Tongliao028000,China;3.XuchangPowerSupplyCompany,ElectricPowerofHenan,Xuchang461000,China;4.YanbianBroadcastingandTVStation,Yanbian133000,China)Abstract:Awideareaprotectionalgorithmbasedonneg ̄ivesequencepowerdirectioncomparisonisproposed.Thespecialassociatedintelligentelectronicdevices(IEDs)zoneswhichcontainbusesandtransmissionlinesarecreatedaccordingtotheinstallationlocationoftheIEDs.WhenafaultOccursinpowernetwork,combiningthefaultinformationcollectingandsharingfromassociatedzoneswiththefaultdiscriminationprincipledefinedinthepaper,theIEDsCanidentifythefaultpositionandcutthefaultaccordingtothepredeterminedactionstrategy.Thisalgorithmcanbeusedasaprimaryprotectionforquickactionafterasystemfault,whilepossessingtheback-upprotectionfunction.Theresultsofcasestudyshowthattheproposedalgorithmcanachievethe—primaryprotectionandbackupprotectionfunctionperfectly,verifyingtheeffectivenessofthealgorithm.—Keywords:widearearelayingprotection;negativesequencepower;directioncomparison;associatedzone;IED中图分类号:TM77文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2013)220001.060引言继电保护作为电网安全的重要防线,其动作的可靠性和速动性直接影响到电网的安全运行。近几年,国内外一系列的大停电事故均在不同程度表明,由于某一元件的故障或电力系统检修中的误操作导致电力系统潮流转移,进而造成后备保护的误动作,是导致电网大面积崩溃的主要原因。随着国家电网“”提出的建设坚强智能电网的要求,互联电网的扩大化和复杂化也在一定程度上增加了大面积停电的风险,给继电保护提出了更高的要求ll】。近年来,随着广域测量技术(WideAreaMeasurementSystem,WAMS)和通信技术的发展,一种基于电力系统多点信息、可对故障进行快速识别的广域保护系统越来越受到国内外学者的关注,给解决上述问题提供了新的思路和方法【2]。根据国际大电网会议(CIGRE)的阐述,广域保护系统既能够利用广域信息对电网安全稳定进行实时监测和控制,又能够利用所得到的信息进行故障定位和切除,实现继电保护功能J。目前,国内外学者提出了多种广域信息下的继电保护新算法:J.C.Tan提出了一种通过收集多个距离元件的判别结果,运用专家系统进行故障定位的广域后备保护J;文献[9】提出了一种基于多Agent.2.电力系统保护与控制系统的广域后备保护系统,并制定了一套反应后备保护系统的行为准则;有学者将广域信息与传统的电流差动保护相结合,提出了一种基于电流差动原—理的广域继电保护算法L1UJ;文献【11121则利用广域系统内方向元件的故障信息,提出了一种基于纵联(方向)比较原理的广域继电保护算法,对故障进行定位和切除,但文中所提的IED关联域的划分方法过于复杂,且关联域不能随着系统拓扑结构的变化而调整,有效性仍有待验证。本文提出了一种新的基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法。该算法根据lED的安装位置,形成包含有母线及线路在内的lED关联域;故障发生后,关联域内的lED根据其获得的故障信息和故障时规定的动作策略,可快速确定故障位置并切除故障。该算法既能够做系统故障后母线和线路的主保护,又可以在主保护拒动时,兼顾后备保护的功能。通过大量的仿真实验,验证了该算法的有效性。1负序功率方向NBiJ元件负序功率方向判别元件是指利用测定的负序电压和负序电流之间的相位夹角来判别负序功率方向的元件。与传统方向元件不同的是,这里定义的负序功率方向判别元件仅用于判别负序功率的方向,并不动作于发出动作信号[13-14】。规定流过保护的负序电流正方向是从母线指向线路。如图1所示为双电源网络K点发生故障时的负序等效网络,保护装置安装在M侧。当保护正方向发生不对称故障时,如图1(a)所示,则有U2=z2(一12)(1)其所对应的向量图如图2(a)所示,此时为保护背后系统负序阻抗的阻抗角,且有,90。<arg卫<270。(2)一,2当保护反方向发生不对称故障时,如图1fb)所示,则有U2=(Z2L+Z2)12(3)其所对应的向量图如图2(b)所示,此时为保护对侧系统负序阻抗角,且有r7-90。<arg<90。(4)一,2为了提高负序功率方向元件的灵敏性,这里取负序功率方向元件的灵敏角。=,则K点故障时,保护负序功率表达式为P=U2I2cos( ̄一。)(5)综上分析,基于负序功率方向的方向元件故障方向判别的依据为IP<0,正方向故障,且负序功率方向为负(6)lP>0,反方向故障,且负序功率方向为正(7)系统发生故障后,当负序功率方向判别元件测得的负序功率满足式(6)时,判断其负序功率方向为负;满足式(7)时,判断其负序功率方向为正。fa)正方向故障(b)反方向故障图1负序等效网络Fig.1Equivalentnetworkofnegativesequence180(a)正方向故障向量图(b)反方向故障向最图图2负序电压电流向量图Fig.2Negativesequencevoltageandcurrentvectordiagram2基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法广域继电保护系统一般采用两种结构形式,即集中式和分布式。根据算法的需要,本文采用的是分布式的决策形式。在分布式结构中,没有控制中心对数据进行集中处理,而是在每一个断路器处都装设有一个包含有负序功率方向元件的方向IED。IED负责采集安装点处的电气信息,并对数据进行处理和必要的运算,同时每个IED还需要将信息通过广域网共享给关联域内的其他IED。当故障发生后,各个IED根据其在关联域内获得的故障信息,按照预先规定的故障判别原则和动作策略,判断出故障的位置并切除故障。2.1关联域的划分考虑到每个IED的关联域既要能够感知其所在金恩淑,等基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法一3一线路的故障,又可以反应其背后母线的故障,因此关联域的划分原则分为如下三部分:(1)每个IED与其所在线路对端的IED相关联;(2)每个IED与其相连母线上直接连接的其他IED相关联;(3)某个IED故障时,其相连母线上其他lED与其线路对端的IED相关联。各个IED按照上述的关联原则与相关联的IED形成关联域。IED将只与其关联域内的其他lED进行信息的交换,这样大大降低了盲目的大范围信息交换给通信系统带来的压力。以图3所示的电网结构为例,说明IED的关联…原则。图中的数字1,2,,8为IED的编号,lED所在的位置亦为断路器所在的位置。以IED3为研究对象,其不仅与同线路末端的IED4相关联,同时又与B母线上相连的IED2、IED5相关联,形成自身的关联域,如图3(a)所示。(a)关联原则(3)故障IED口智能电子设备(IED)(b)图3系统结构图Fig.3Systemstructure若IED3故障,IED3关联域内的其他lED感受不到IED3的存在,则将与其关联域内除自身外的其他IED组成新的关联域,如图1(b)所示。各个IED具体的关联IED如表1所示。表1各个IED所关联的IEDTable1AssociatedIEDf0reachIED2.2故障的判别原则基于负序方向元件的负序方向纵联保护由于其具有不受系统振荡的影响、且无电压死区等特点,广泛应用于线路及母线保护中。然而以负序功率方向为原理的lED在通过广域系统进行故障方向的判别时,也必然会遇到常规负序方向元件所遇到的问题,例如不能有效地反应对称故障。对于上述问题,在广域继电保护系统中可以利用正序方向元件或其他辅助判据来解决。而且在220kV及以上系统中,发生对称故障的几率非常小,即使发生了对称故障,大多也是由不对称故障转变而来。因此对称故障的情况就不予讨论,本文所提到的故障均认为是不对称故障。为了能够更清晰地阐释故障判别原则,这里有必要对各个IED的位置关系进行简单的定义。如图3所示,对于IED3而言,IED2、IED4、IED5(IED6)分别为其相邻IED、相连IED及平行lED,且这里规定每个IED与其相连IED具有相同的ID。根据IED关联的特点,可以分为主保护和后备保护两种情况对故障进行判别。2.2.1主保护故障判别原则(1)线路故障』(8)l…其中:f,户1,2,,,为IEDi关联域内IED的数量;DrEDf为IEDi的负序功率方向。因此,当某一IED在其关联域内满足式(8)时,判断为线路故障,且故障的位置位于IEDi与IED,之间。(2)母线故障{]DIEDi ̄:izID…IEDjn{老ln...n{姻=DIEDIDI=哪一IDlED=上+,~一【(9)其中,f,“其中IDIEDk=11)IEDf),产12,;,z为IEDi关联域内IED的数量,DIEDf为IEDi的负序功率方向。因此,当某一IED在其关联域内满足式f9)时,判断为母线故障,且故障位置位于上述IED相连接的公共母线上。2.2.2后备保护故障判别原则(1)某IED拒动此情况为保护未动作,但通信功能正常。此时,拒动IED向关联域内其他IED发动作信号,实现其后备保护功能。一4-电力系统保护与控制(2)某IED故障此情况为保护未动作,且通信中断。此时,根据关联域划分原则(3)形成新的IED关联域。≠j正o。rilEDf101≠IDp枷Dpar2正D其中:adjIED、conIED分别为故障lED的相邻IED及相连IED;par11ED,par2IED为故障IED平行线路两端IED。因此,若在新形成的关联域中IED满足式00),判断为有故障发生,且故障位置位于adjIED与conlED之间。2.3IED的动作策略故障判别原则是本文内容的核心,为了更好地加以阐释,下面将以图3系统为例,分析在系统发生故障时,各个IED的动作情况,以及主保护拒动时,后备保护的实现过程。2-3.1线路故障如图3所示,当K1点发生接地故障时,系统“”中各个IED的负序功率方向如表2所示,+代表“”负序功率方向为正,一代表负序功率方向为负。表2IED负序功率方向Table2IEDnegativesequencepowerdirection由表2可知,IED5与IED6具有相同的ID且负序功率方向相同,满足式(8)的判别条件,判断为线路故障,故障位置位于IED5和IED6之间。则IED5,IED6动作,并向其所对应的断路器发出跳闸信号;而其他IED不满足故障判别条件,均不动作。如果IED5拒动,根据后备保护故障判别原则中IED拒动的情况,IED5将会把拒动信息发送给关联域内的其他lED,即IED2、IED3和IED6。IED2和IED3将向相应的断路器发出跳闸信号,实现对IED5拒动时的后备保护功能。如果IED5故障,结合表2中各个lED负序功率方向及式(10)的判别条件,可以判断故障位置位于IED2和IED6之间,则IED2、IED3和IED6将向相应的断路器发出跳闸信号,实现对IED5故障时的后备保护功能。2.3.2母线故障当K2点发生接地故障时,系统中各个lED的负序功率方向如表3所示。表3IED负序功率方向Table3IEDnegativesequencepowerdirection由表3可知,IED2、IED3和IED5的负序功率方向相同,且三者的ID互不相同,满足式(9)的判别条件,判断为母线故障,故障的位置位于IED2、IED3、IED5相连接的公共母线上。则IED2,1ED3,IED5动作,向其所对应的断路器发出跳闸信号;其他IED不满足故障判别条件,故均不动作。如果上述某一IED拒动或故障,其后备保护的动作情况与线路故障时后备保护的原理相同,这里就不再赘述。3仿真验证图4所示为利用PSCAD搭建的500kV仿真示意图。图4仿真示意图Fig.4Diagramofsimulation算例1:线路K1点发生A相接地故障图5所示为IED5、IED6负序功率及其动作情况。由图5可知,IED5和IED6在故障发生后,其负序功率方向相同,且两者具有相同的ID,满足式(8)的判别条件,因此IED5、IED6动作于发出跳闸信号。E三三=二]iE三三三三三三三E三三三ffs———————0卜].j。恙墨E三三三三UUUUU)UIUU1)UUU)UjUUj)U4Uuq3U)uUS图5IED5,IED6负序功率及动作情况金恩淑,等基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法.5.算例2:母线K2点发生A相接地故障图6所示为IED2、IED3、IED5负序功率及动作情况。由图6可知,IED2、IED3、IED5在故障发生后,其负序功率方向全部相同,且三者问的ID互不相同,满足式(9)的判别条件,因此IED2、IED3、IED5动作于发出跳闸信号。表4总结了各种不对称母线及线路故障时各个“”“”IED的动作情况,1代表动作,0代表不动作。由仿真结果可知,当母线或线路发生不对称故障时,IED均能正确发出跳闸信号。E三三三二三E三三三三三j5Fi二i—二Ii—i—iiiE三三三三三三三———‘01.........JL..........J,.-.-.--..J...........J-.-........J..........JL..........JL.......-...I.................__JE三三三三三三三l丽志。一iE三三三三图6IED2、IED3、IED5负序功率及动作情况表4不同故障类型下各个IED动作情况Table4IEDactionsituationunderdifferentfaulttypes4结论提出一种基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法。该算法根据IED关联域的划分和故障的判别原则,在系统发生故障后,能快速地确定故障的位置,并结合IED预先规定的动作策略,有效地切除故障。由于关联域划分的特点,IED信息的采集和交换只在自身的关联域内进行,减少了对通信系统的压力;且当系统内某条线路退出运行或系统拓扑结构发生变化时,不会对其他IED的可靠动作造成影响。通过大量仿真实验表明,该算法不仅能够做线路或母线的主保护,同时又兼顾后备保护的功能。在母线及线路发生不对称故障时,能够很好地判断出故障的位置并切除故障;且其后备保护时的工作原理简单,躲过了传统后备保护复杂的整定问题。参考文献[1]张文亮,刘壮志,王明俊,等.智能电网的研究进展及发展趋势[J]_电网技术,2009,33(13):1-11.ZHANGWenliang,LIUZhuang-zhi,WANGMing-jun,eta1.Researchstatusanddevelopmenttrendofsmartgrid[ 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