[科普中国]-基于方向比较原理的广域继电保护系统-

简介

基于方向比较原理的广域继电保护算法。根据发电厂或变电站的主接线形式和方向元件位置，分别形成厂站内一次设备和厂站出线对应的一次设备/方向元件关联矩阵。系统发生故障后，根据方向元件指示的故障方向信息和一次设备/方向元件关联矩阵形成一次设备/故障方向关联矩阵，并据此确定具体的故障元件。算例分析表明，该文提出的广域继电保护算法可以很好的判断线路、母线、变压器等一次设备发生的故障，判断结果准确，且对厂站的主接线形式有很好的适应性1。

随着电网结构日趋复杂，运行方式日益灵活，后备保护的整定也日益复杂和难以协调，由继电保护不正确动作而造成的大停电事故也常有发生，随着广域网的不断发展和应用，为了提高继电保护系统的性能，近年来人们提出了广域继电保护的概念并进行了初步的研究。广域继电保护系统的提出并不是要完全代替传统的主保护，而是充分发挥其根据多点故障信息准确判断故障元件的能力，对传统的主保护和后备保护进行补充，从而更准确、更快速的切除系统故障，提高继电保护系统的可靠性。

目前对广域继电保护算法的研究主要分为三类:基于电网中多个距离保护元件的判断结果、依靠专家系统集中决策的广域后备保护算法基于广域电流差动的广域继电保护算法;基于纵联比较原理的广域继电保护算法。广域继电保护系统的基本结构分为三类:区域调度中心集中式广域继电保护系统，即广域继电保护系统的核心决策系统位于区域调度中心;变电站集中式广域继电保护系统，即广域继电保护系统的核心决策系统位于变电站内;分散式广域继电保护系统，即广域继电保护系统的核心决策系统位于分散的智能电了设备(intelligent electronic device IED)内。

广域继电保护系统的结构广域继电保护系统同时基于广域网和局域网，用于保护输电网络的某一固定区域。广域继电保护系统装设于变电站内，它通过搜集保护系统所在变电站及相邻变电站内智能电了设备的故障方向信息，准确的判断出故障元件，其具体结构如概述图所示。变电站内IED经变电站内局域网将故障方向信息上传至广域继电保护决策系统;相邻变电站内IED经变电站问广域网将故障方向信息上传至广域继电保护决策系统，然后由广域继电保护决策系统根据电网拓扑结构选择确定故障元件所需的故障方向信息。广域继电保护决策系统一旦确定故障元件之后，立即向相关的终端执行单元发出跳闸信号以尽快隔离故障元件。

上述以变电站为中心的集中式结构对变电站级的广域保护决策系统有较高的依赖性。为了提高广域保护系统的可靠性，避免因某套广域保护决策系统故障而造成广域保护系统退出运行，变电站级的广域保护决策系统可以采用冗余方式提高系统的可靠性。同时，通信技术的发展及电力专用光纤数据网的普及与应用，也保证了广域继电保护系统的通信可靠性。

基于方向比较原理的广域继电保护算法一次设备及方向IED的表示提出的广域继电保护系统，其保护对象包括了变电站内的所有一次设备以及变电站的出线。鉴于母线保护与厂站的主接线方式有密切关系，因而对一次设备的描述应该能够反映电网的实际拓扑结构，能够清晰的表达一次设备与IED之问的连接关系。为了能够正确的判断故障元件，在被保护系统的每一个断路器或电流互感器处，都装设一个能够测量故障方向的方向IED。中一次设备、IED分别以以下格式进行表示:一次设备ID，设备类型，接线方式，设备名称，设备所属厂站数组，设备状态);IED}ID，类型，状态，I侧连接一次设备，侧连接一次设备，对应断路器ID。

对于一次设备，ID作为关键字是区分不同一次设备的唯一标志。设备类型不仅包括实际电网中的一次设备类型，如线路、母线、两卷变、三卷变、发电机等，还包括虚拟母线。虚拟母线是IED的连接点，但又不是实际母线，一般存在于3/2接线中，图2中的母线B:就是虚拟母线，引入虚拟母线的目的是为了更好的描述IED之问的连接关系。接线方式主要用于描述线路和母线，对于线路，接线方式包括普通两端线路和T接线路;对于母线，接线方式包括单母接线、双母接线、3/2接线等常见接线的母线接线方式。设备名称为具体一次设备的名称。设备所属厂站数组描述了一次设备所连接的厂站，若一次设备为厂站内元件，如母线、变压器，那么设备所属厂站数组维数为1;若一次设备为厂站问元件，如线路，那么设备所属厂站数组的维数由元件连接的厂站数决定，普通两端线路，其设备所属厂站数组维数为2，而T接线对应的设备所属厂站数组维数为3。设备状态分为两种，分别为运行和停运1。

ID是区分不同IED的唯一标志位。IED根据其具体的安装位置分为4类:普通断路器IED，安装于普通断路器处;母联断路器IED，安装于母联断路器处;虚拟母联断路器IED，安装处的断路器位于两个虚拟母线之问，如3/2接线方式中的中问断路器;非断路器IED，安装于电流互感器而非断路器处，一般位于3/2接线的出线或变压器处，图2中的IED 1, IED20, IEDS , IED 13分别为普通断路器IED、母联断路器IED、非断路器IED和虚拟母联断路器IED o IED状态为运行和停运两种。I侧连接一次设备、J侧连接一次设备分别为IED两侧所连接的一次设备。若IED为上述3种断路器IED类型之一，对应断路器ID则为该方向元件IED对应的断路器ID号，否则该项为0.

一次设备/方向元件关联矩阵的形成一次设备/方向元件关联矩阵描述了一次设备和方向元件的连接关系。一次设备和方向元件的连接关系分为三类:直接相关，即方向元件直接与一次设备相连，可直接用于判断一次设备是否为故障元件;问接相关，即方向元件与一次设备跨过一个一次设备问接相连，在直接相关方向元件拒动或信息丢失的情况下可用于判断相应的一次设备是否为故障元件;不相关，即方向元件与一次设备不相连，不相关方向元件的动作情况亦不能作为相应一次设备是否为故障元件的判据。在一次设备/方向元件关联矩阵中，对应于一次设备，直接相关方向元件用“+”表示，问接相关方向元件用“①”表示，不相关方向元件用“X”表示。为了清晰描述不同类型的一次设备与方向元件的连接情况，一次设备/方向元件关联矩阵根据具体的一次设备类型分为线路/方向元件关联矩阵、母线/方向元件关联矩阵、两卷变/方向元件关联矩阵、三卷变/方向元件关联矩阵等。一次设备/方向元件关联矩阵为MxN维矩阵，其中M为广域继电保护系统保护范围内的相同类型一次设备数目，N为广域继电保护系统保护范围内的方向元件数目。一次设备/方向元件关联矩阵的形式如式(1)所示，每一行代表一个一次设备，而每一列则代表一个方向元件，矩阵中的具体元素描述了一次设备与方向元件的连接关系。方向元件按类型排列于关联矩阵中，即在关联矩阵的列向量中，先是非断路器IED，然后是普通断路器IED、母联断路器IED、虚拟母联断路器IED. 提出的广域继电保护系统的核心之一就是一次设备/方向元件关联矩阵的形成。为了更好的阐述一次设备/方向元件关联矩阵的形成过程，将结合具体的电网结构和广域继电保护系统进行说明，图2为示例系统。一次设备/方向元件关联矩阵的形成具体分为4个步骤:

步骤1:确定广域继电保护系统的保护对象。广域继电保护系统的保护对象包括保护系统所在厂站内的所有母线、两卷变、三卷变、发电机以及该厂站的出线。如图2所示系统，Subl广域继电保护系统的保护对象为母线Bm Bi其中B Bi为虚拟母线、线路L1 L3、三卷变T，和TZ 。

步骤2:确定广域继电保护系统保护范围内的方向元件。这些方向元件不仅包括与保护对象直接相关的方向元件，还包括与保护对象问接相关的方向元件。如图2所示系统，Subl广域继电保护系统包含的方向元件不仅涵盖了变电站Subl内的所有方向元件，还涵盖了相邻变电站Sub2, Sub3内的部分相关方向元件(这些方向元件与L1, L2, L:直接或问接相连，且都标注于图2上)。

步骤3:形成原始的一次设备/方向元件关联矩阵，包括线路/方向元件关联矩阵、母线/方向元件关联矩阵、两卷变/方向元件关联矩阵、三卷变/方向元件关联矩阵等。这一步主要做两个工作:遍历厂站内及厂站问的一次设备，根据类型进行分类，以便形成对应的原始关联矩阵;遍历广域继电保护系统保护范围内的方向元件，并按类型进行分类，形成类似于式(1)的矩阵形式，只是矩阵元素仍然是未知的。同时，分别建立一次设备和方向元件在一次设备/方向元件关联矩阵中的位置索引，一次设备位置索引指示一次设备在关联矩阵中的行位置，而方向元件位置索引指示方向元件在关联矩阵中的列位置。如图2所示系统，一次设备有3类，分别为母线(B mB io)，线路(L 1 }L3)，三卷变(Tu T2)方向元件有4类，分别为非断路器IED(5，8, 16,17)，普通断路器IED(1，4, 9一12, 15, 18, 21,22)，母联断路器IED(20)，虚拟母联断路器IED(13,14, 19)。

步骤4:遍历方向元件，根据方向元件两侧所连接的一次设备，对一次设备/方向元件关联矩阵进行初始化，根据上述方向元件和一次设备连接关系的定义确定方向元件与所有一次设备的连接关系。如图2所示系统，方向元件7与线路L1和虚拟母线B}直接相关，与母线Bi和虚拟母线By问接相关。

按照上述4个步骤，Subl广域继电保护系统对应的线路/方向元件关联矩阵和母线/方向元件关联矩阵分别如式(2)、式(3)所示，变压器/方向元件关联矩阵的形成类似。一次设备/方向元件关联矩阵形成后，存储于广域继电保护系统中，当方向元件动作后，广域继电保护系统依据一次设备/方向元件关联矩阵来判断具体的故障元件。

一次设备/方向元件关联矩阵不是固定的，它随网络结构的变化而变化。当网络结构变化后，一次设备/方向元件关联矩阵必须与之相适应。网络拓扑结构的变化既可能由一次设备退出运行引起，亦可能由变电站改造引起，同时还可能由一次设备增加引起。对于不同的情况，可以采取不同的措施使一次设备/方向元件关联矩阵与网络拓扑结构相适应。

（1）一次设备退出运行。一次设备退出运行时，与其直接相连的断路器也必须退出运行，相应的方向元件IED也退出运行。若退出运行的一次设备是母线，则停运的方向元件是与该母线相连的断路器对应的断路器IED。若退出运行的是其它一次设备，则停运的IED是与该一次设备直接相关的非断路器IED以及与该一次设备相连的断路器对应的断路器IED，具体取决于该一次设备所连接母线的接线方式。如图2所示系统，当线路L:因检修退出运行时，方向元件IEDB, 17, 3, 14, 18, 19也需要退出运行。确定退出运行的一次设备和方向元件后，通过对初始一次设备/方向元件关联矩阵进行修改即可得到与网络拓扑结构相适应的临时一次设备/方向元件关联矩阵，其修改原则为:将退出运行的一次设备对应的行从一次设备/方向元件关联矩阵中册U除，将退出运行的方向元件IED对应的列从一次设备/方向元件关联矩阵中删除。同时更新一次设备和方向元件在一次设备/方向元件关联矩阵中的位置索引。

（2）变电站改造。变电站改造可能会涉及母线接线方式的改变或新母线的投运，此时仅仅对初始一次设备/方向元件关联矩阵进行修改，往往无法很好的描述一次设备和方向元件之问的关系，因而需要按照上述步骤重新形成新的一次设备/方向元件关联矩阵。

（3）一次设备增加。一次设备增加包括新的线路、变压器等一次设备的投入运行，而新母线的投运被归入变电站改造中。根据投入运行的一次设备及相应的方向原件，通过对初始一次设备/方向元件关联矩阵进行修改即可得到与网络拓扑结构相适应的新一次设备/方向元件关联矩阵，其修改原则为:在初始一次设备/方向元件关联矩阵中增加新投入一次设备对应的行从;根据新投入方向元件IED的类型，在初始一次设备/方向元件关联矩阵中增加

与之对应的列N;根据新投入一次设备与方向元件IED的关系，对一次设备/方向元件关联矩阵的第从行元素进行初始化;根据新投入方向元件IED与一次设备的关系，对一次设备/方向元件关联矩阵的第N列进行初始化。更新一次设备和方向元件在一次设备/方向元件关联矩阵中的位置索引。

故障定位方向元件的方向按流出母线为正、流入母线为负来定义，若方向元件安装于两个母线之问，那么按流出ID较小者母线为正、流入ID较小者母线为负，这样每个方向元件的输出值可能为当广域继电保护系统检测到保护范围内有方向元件启动时，经过一定时问的延迟后(在这段延迟时问内，广域继电保护系统等待保护范围内的所有方向元件的动作信息上传至广域继电保护系统)，广域继电保护系统根据方向元件的输出值对一次设备/方向元件关联矩阵进行赋值，形成一次设备/故障方向关联矩阵。在对一次设备/方向元件关联矩阵进行赋值时，若方向元件与一次设备直接相关(对应一次设备/方向元件关联矩阵中的“+”，则将方向元件的输出值赋给一次设备/方向元件关联矩阵的对应元素;若方向元件与一次设备是问接相关或不相关(对应一次设备/方向元件关联矩阵中的“①”和uXm，则直接将一次设备/方向元件关联矩阵的对应元素赋值为0。若方向元件为母联断路器IED在给一次设备/方向元件关联矩阵赋值时必须注意如下问题:若一次设备为母联所连接的较小ID母线，那么矩阵元素的值直接取方向元件的输出值;若一次设备为母联所连接的较大ID母线，那么矩阵元素的数值取方向元件输出值的负数。

故障门槛值确定根据故障方向信息的完整性分为两种情况:①所有方向元件均有输出;②某一故障方向元件没有输出。在缺少多个故障方向元件的输出结果时，广域继电保护系统将闭锁，不对故障元件进行判断。

情况1:所有方向元件均有输出信息。故障门槛值取决于与一次设备直接相连的方向元件数，可以根据一次设备/方向元件关联矩阵求得，但停运的方向元件IED不包括在内。对于普通两端线路，'set_ line(i)-2;对于T接线路，''set_ trans(i)-3·对于两卷变'set_ trans(i) -2，对于三卷变''set trans(i)-3·对于母线，'set bus(i)视母线直接连接的方向元件数而定。对于情况I，前述一次设备/故障方向关联矩阵完全适用。

情况2:缺少单一故障方向元件的输出信息。在缺少单一故障方向元件的输出信息时，与该故障方向元件直接相连的一次设备需启用与该方向元件连接于同一母线的问接相关方向元件，形成计及问接相关方向元件的一次设备/故障方向关联矩阵。为保证判据的一致性，问接相关方向元件应该与失效方向元件的方向保持一致，一次设备/故障方向关联矩阵的取值视如下儿种情况而定:①问接相关方向元件为普通断路器IED或非断路器IED，且与失效元件连接于虚拟母线，矩阵元素值为方向元件的输出值;②问接相关方向元件为普通断路器IED或非断路器IED，且与失效元件连接于普通母线，矩阵元素值为方向元件输出值的负数;③问接相关方向元件为虚拟断路器IED，若连接母线为ID较大的虚拟母线，则矩阵元素值为方向元件的输出值，否则矩阵元素值为方向元件输出值的负数;④问接相关元件为母联断路器IED，若连接母线为ID较大的母线，则矩阵元素值为方向元件的输出值，否则矩阵元素值为方向元件输出值的负数。

故障门槛值取决于与一次设备直接相连的有效方向元件数和问接相关有效方向元件数，但停运的方向元件IED不包括在内。

广域继电保护决策系统确定故障元件之后，根据一次设备/方向元件关联矩阵表示的一次设备与方向元件的关系以及方向元件IED的描述文件，确定与故障元件直接相连的断路器，进而向这些断路器对应的终端执行单元发出跳闸信号，从而完成对故障元件的隔离。

总结介绍了一种基于方向比较原理的广域继电保护算法1，基于该算法的广域继电保护系统采用变电站集中式结构，它通过变电站内的局域网和变电站问的广域网获得方向元件的输出值。该系统首先根据网络拓扑结构和方向元件安装位置形成一次设备/方向元件关联矩阵，当系统发生故障时，根据广域继电保护系统保护范围内方向元件的输出只对一次设备/方向元件关联矩阵进行数值初始化，形成一次设备/故障方向关联矩阵，并据此确定具体的故障元件。广域继电保护算法可以很好的判断线路、母线、变压器等一次设备发生的故障，且对厂站的主接线形式有很好的适应性，判断结果准确。