基于故障多元信息的新型保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用
一、立項(xiàng)背景
繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線。自上世紀(jì)80年代微機(jī)保護(hù)應(yīng)用以來,歷經(jīng)多次更新?lián)Q代,我國繼電保護(hù)技術(shù)一直處于世界先進(jìn)水平,為保障電網(wǎng)安全做出了突出貢獻(xiàn)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展、超/特高壓遠(yuǎn)距離輸電大通道的建設(shè)、區(qū)域電網(wǎng)的廣泛互聯(lián)和波動(dòng)性新能源的規(guī)模化接入,我國已建成世界上規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的電網(wǎng)。電網(wǎng)的快速發(fā)展給繼電保護(hù)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn):
1、后備保護(hù)方面,由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行方式多變,造成后備保護(hù)定值更難整定,保護(hù)選擇性和靈敏性的矛盾更加突出,保護(hù)拒動(dòng)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)并存。國內(nèi)已發(fā)生多起類似“6.18”西安南郊站,因后備保護(hù)靈敏性不足拒動(dòng),造成變壓器燒毀的重大事故;國際上屢屢發(fā)生的因潮流轉(zhuǎn)移過負(fù)荷,后備保護(hù)誤動(dòng)引發(fā)的如美加“8.14”、印度“7.30”等大停電事故,也不斷地對(duì)我國電網(wǎng)敲響警鐘。
2、主保護(hù)方面,超/特高壓電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路距離長,短路電流變化大,造成主保護(hù)對(duì)變壓器匝間短路、線路高阻接地等輕微故障的反應(yīng)靈敏性下降。“11.22”濟(jì)南特高壓泉城站變壓器爆炸正是由于保護(hù)對(duì)起始發(fā)生的輕微故障未能靈敏切除,引起事故擴(kuò)大,造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
這些問題已成為我國電網(wǎng)安全運(yùn)行的重大隱患!問題的癥結(jié)在于傳統(tǒng)保護(hù)僅利用設(shè)備自身的電氣量信息,在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下,保護(hù)反應(yīng)的電氣量在故障和非故障間差異變小甚至混疊,依靠定值配合無法保證保護(hù)可靠正確動(dòng)作。不改變傳統(tǒng)保護(hù)工作模式,僅對(duì)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行修正或調(diào)整定值,只能在一定程度上單方面地解決保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的問題。
二、發(fā)明思路
突破保護(hù)僅利用設(shè)備自身信息的限制,綜合利用站間保護(hù)關(guān)聯(lián)邏輯量、站域故障全過程電氣量等信息,對(duì)后備保護(hù)、主保護(hù)、系統(tǒng)構(gòu)成模式進(jìn)行全面創(chuàng)新,構(gòu)建“站域集中-站間分布式”新型保護(hù)系統(tǒng)。
圖1 技術(shù)發(fā)明總體思路
三、發(fā)明方案
技術(shù)發(fā)明點(diǎn)1:基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù)
傳統(tǒng)后備保護(hù)既存在對(duì)相鄰元件故障反應(yīng)能力不足,保護(hù)拒動(dòng)的問題,又存在受過負(fù)荷和系統(tǒng)振蕩影響,保護(hù)誤動(dòng)的問題。針對(duì)上述問題,該項(xiàng)目發(fā)明了保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系在線快速跟蹤和可靠性校核方法;創(chuàng)造性地將故障的空間分布特征映射為站間的保護(hù)關(guān)聯(lián)邏輯量信息,首創(chuàng)了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù),攻克了保護(hù)不誤動(dòng)和不拒動(dòng)無法兼顧的難題。
發(fā)明點(diǎn)1.1:發(fā)明了保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系在線快速跟蹤和可靠性校核方法,為保護(hù)可靠利用站間信息奠定了基礎(chǔ)。
快速跟蹤和可靠識(shí)別電網(wǎng)拓?fù)涞淖兓_定保護(hù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,是保護(hù)利用站間信息首先要解決的關(guān)鍵問題。發(fā)明了保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系在線快速跟蹤和可靠性校核方法,關(guān)鍵技術(shù)包括:1)提出了基于虛擬阻抗矩陣的保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析方法,創(chuàng)造性地將開關(guān)狀態(tài)虛擬為支路阻抗并構(gòu)建節(jié)點(diǎn)虛擬阻抗矩陣,在線微調(diào)矩陣元素即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的快速跟蹤,跟蹤時(shí)間由秒級(jí)縮短至毫秒級(jí),為后備保護(hù)快速動(dòng)作提供了可靠保障;2)發(fā)明了電氣量和開關(guān)量信息雙重約束的關(guān)聯(lián)關(guān)系可靠性校核方法,首次將電氣量信息引入保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系識(shí)別,通過開關(guān)量信息和電氣量信息實(shí)時(shí)匹配校驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的可靠在線校核。
發(fā)明點(diǎn)1.2:首創(chuàng)了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù),攻克了保護(hù)不誤動(dòng)和不拒動(dòng)無法兼顧的難題。
電流元件、方向元件、阻抗元件等保護(hù)邏輯量信息,蘊(yùn)涵著故障方向、故障范圍等故障直接特征,并且信息交互簡(jiǎn)單、可靠。根據(jù)不同位置保護(hù)邏輯量反應(yīng)故障的差異化特征,發(fā)明了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)包括:1)首次將電網(wǎng)故障的空間分布特征映射為保護(hù)邏輯量信息,按近后備和遠(yuǎn)后備靈敏性要求設(shè)定保護(hù)范圍,實(shí)現(xiàn)了邏輯量信息與故障分布特征的關(guān)聯(lián)和匹配,解決了保護(hù)強(qiáng)依賴定值的問題;2)首創(chuàng)了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù)(如圖2所示)。利用邏輯量對(duì)故障反應(yīng)的交叉重疊特征,根據(jù)動(dòng)作一致性原則,既實(shí)現(xiàn)了故障設(shè)備的快速準(zhǔn)確識(shí)別,又從根本上攻克了系統(tǒng)振蕩及過負(fù)荷造成保護(hù)誤動(dòng)的難題。
基于站間邏輯量信息的后備保護(hù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)近后備保護(hù)全范圍速動(dòng),遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)由1.5s以上縮短至0.5s以內(nèi);在原理上保證了對(duì)相鄰元件故障反應(yīng)的靈敏性,避免了后備保護(hù)拒動(dòng)導(dǎo)致的重大事故發(fā)生;不受系統(tǒng)振蕩和過負(fù)荷影響,避免了保護(hù)誤動(dòng)引發(fā)的連鎖跳閘和系統(tǒng)性事故發(fā)生。
圖2 基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù)
技術(shù)發(fā)明點(diǎn)2:基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護(hù)技術(shù)
現(xiàn)有電氣設(shè)備主保護(hù)僅反應(yīng)故障外在表現(xiàn)特征,在變壓器匝間短路及線路高阻接地等輕微故障情況下,外部故障與內(nèi)部故障特征差異不明顯,易造成保護(hù)拒動(dòng)。為解決上述問題,該項(xiàng)目基于故障的物理本質(zhì)特征,揭示了故障導(dǎo)致電氣設(shè)備模型參數(shù)變化的機(jī)理,利用故障全過程電氣量信息,構(gòu)建了可靈敏反應(yīng)設(shè)備參數(shù)變化的故障模型,發(fā)明了基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護(hù)技術(shù),顯著提升了對(duì)輕微故障的反應(yīng)能力。
發(fā)明點(diǎn)2.1:首創(chuàng)了可反應(yīng)變電站電氣設(shè)備參數(shù)變化的故障模型,從物理本質(zhì)上消除了非故障因素對(duì)主保護(hù)靈敏性的影響。
突破主保護(hù)僅反應(yīng)故障外在表現(xiàn)特征的局限,利用設(shè)備故障全過程全相電氣量信息,建立了對(duì)故障高靈敏而對(duì)非故障不敏感的模型。關(guān)鍵技術(shù)包括:1)發(fā)明了基于線路壓降-阻抗聯(lián)合分布的故障網(wǎng)絡(luò)模型,建立了線路阻抗、過渡電阻及分布電容壓降之間的幅值、相位關(guān)聯(lián)關(guān)系,創(chuàng)建了僅保留線路阻抗壓降分布情況的故障網(wǎng)絡(luò)模型(如圖3所示);2)發(fā)明了基于電壓磁鏈方程的變壓器故障模型,建立了變壓器高、中、低壓各側(cè)繞組電壓與主磁鏈、漏磁鏈的等值平衡關(guān)系,消除主磁鏈的非線性成分,建立了僅反應(yīng)漏磁鏈變化的變壓器故障模型(如圖4所示),從原理上擺脫了分布電容電流、負(fù)荷電流、勵(lì)磁涌流等非故障因素的影響。
發(fā)明點(diǎn)2.2:發(fā)明了基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護(hù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了保護(hù)對(duì)輕微故障反應(yīng)能力的大幅提升。
利用站域故障全過程電氣量信息,反應(yīng)故障前后模型參數(shù)的變化情況以及三相不一致程度,發(fā)明了基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護(hù)技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)包括:1) 發(fā)明了基于阻抗壓降變化特征的線路主保護(hù)技術(shù),構(gòu)建了線路壓降-阻抗參數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣,通過實(shí)時(shí)追蹤矩陣中各元素的變化量以及元素間的差異,準(zhǔn)確識(shí)別故障線路及故障位置(如圖5所示);2) 計(jì)及CT誤差、變壓器有載調(diào)壓對(duì)保護(hù)的影響,實(shí)時(shí)計(jì)算各相等效漏感參數(shù)的突變量及不一致程度,發(fā)明了基于等效漏感參數(shù)變化特征的變壓器主保護(hù)技術(shù)(如圖6所示),顯著提升了保護(hù)對(duì)變壓器輕微匝間短路識(shí)別的靈敏性。
基于故障全過程電氣量信息的主保護(hù)技術(shù)可以做到變壓器匝間短路識(shí)別死區(qū)由5%降至2%,500kV線路接地故障過渡電阻反應(yīng)能力由300Ω提升至1000Ω,故障定位誤差由5%下降至1.3%。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備輕微故障的靈敏切除,可有效避免事故擴(kuò)大造成的重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
技術(shù)發(fā)明點(diǎn)3:站域集中-站間分布式新型保護(hù)系統(tǒng)
構(gòu)建基于故障全過程邏輯量、電氣量信息的新型保護(hù)系統(tǒng)是對(duì)百年歷史繼電保護(hù)模式的重大變革,除滿足復(fù)雜電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的要求外,還需要考慮工程實(shí)現(xiàn)的可行性、應(yīng)用場(chǎng)景的適用性和運(yùn)行維護(hù)的便利性等重大工程應(yīng)用問題。該項(xiàng)目首創(chuàng)了站域集中-站間分布式的新型保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成模式,實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)保護(hù)的有機(jī)銜接,可靈活組態(tài)適用各種電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景;發(fā)明了基于時(shí)間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術(shù)、基于保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)自適應(yīng)替代技術(shù),為新型保護(hù)系統(tǒng)信息交互提供了可靠保障。
發(fā)明點(diǎn)3.1:首創(chuàng)了站域集中-站間分布式的新型保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成模式,奠定了新型保護(hù)系統(tǒng)在不同電壓等級(jí)電網(wǎng)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。
該項(xiàng)目創(chuàng)建了“站域集中-站間分布式”的新型保護(hù)系統(tǒng)(如圖7所示),實(shí)現(xiàn)了發(fā)明點(diǎn)1和2技術(shù)的工程推廣應(yīng)用。關(guān)鍵技術(shù)包括:1)發(fā)明了以間隔為基本單元的站域集中-站間分布式保護(hù)構(gòu)成模式。間隔單元做到“即插即用”,擴(kuò)展性強(qiáng),可靈活組態(tài)適用各種電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景;站域主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)信息的融合與優(yōu)化利用;相鄰站域主機(jī)虛擬為變電站間隔單元,實(shí)現(xiàn)站間分布對(duì)等交互信息。該模式通信鏈路清晰簡(jiǎn)捷,易于工程實(shí)現(xiàn);2)發(fā)明了新型保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護(hù)的集成與自適應(yīng)轉(zhuǎn)化技術(shù)。新型保護(hù)系統(tǒng)在傳統(tǒng)保護(hù)基礎(chǔ)上集成故障全過程信息進(jìn)化形成,在故障信息缺失的極端情況下仍具備傳統(tǒng)保護(hù)功能。新型保護(hù)系統(tǒng)可充分傳承傳統(tǒng)保護(hù)成熟的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)保護(hù)之間的有機(jī)銜接。
發(fā)明點(diǎn)3.2:發(fā)明了基于時(shí)間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術(shù)、基于保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)自適應(yīng)替代技術(shù),保證了新型保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。
基于新型保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成模式,發(fā)明了站域、站間信息交互可靠性保障技術(shù),實(shí)現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校核與缺失數(shù)據(jù)的自適應(yīng)替代。關(guān)鍵技術(shù)包括:1)發(fā)明了基于時(shí)間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術(shù),在線修正異常采樣數(shù)據(jù),解決了電氣量在采樣或傳輸中出現(xiàn)畸變而影響保護(hù)動(dòng)作性能的難題;2)發(fā)明了基于保護(hù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)自適應(yīng)替代技術(shù),在間隔單元CT斷線、PT斷線等信息源丟失情況下,通過數(shù)據(jù)互補(bǔ)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)的自適應(yīng)替代,保證了保護(hù)功能的完整性,有效提升了保護(hù)的可靠
四、創(chuàng)新性成果
該項(xiàng)目攻克了傳統(tǒng)保護(hù)不誤動(dòng)、不拒動(dòng)無法兼顧的難題,取得了以下關(guān)鍵技術(shù)突破:
1、基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù),保護(hù)最長動(dòng)作時(shí)間縮短至500ms以內(nèi),徹底解決了遠(yuǎn)后備保護(hù)拒動(dòng),以及受系統(tǒng)振蕩和過負(fù)荷影響誤動(dòng)的問題;
2、基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護(hù)技術(shù),顯著提升了保護(hù)對(duì)輕微故障的反應(yīng)能力;
3、站域集中-站間分布式新型保護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了保護(hù)技術(shù)在不同電網(wǎng)場(chǎng)景下的廣泛應(yīng)用。
華北電力大學(xué)
2021-05-10