高压输电线路广域后备保护研究

摘 要

随着电网规模的不断扩大、网络拓扑结构的日趋复杂，给后备保护的整定、时限的配合造成了很大困难，而且在保证元件安全的同时可能会牺牲系统的稳定性。广域保护通过获取电网多点信息，对故障进行更加准确、可靠的切除，同时考虑故障切除对系统安全稳定运行的影响，防止保护误动作导致系统稳定性的破坏。

【关键词】高压输电线路 广域保护 比较后备保护

1 引言

传统的纵联比较保护是通过比较被保护对象各侧的相关信息，能快速判断出内部故障和外部故障，在发生内部故障时瞬时跳闸，在外部故障时闭锁保护不动作。传统的纵联比较保护只用做电气元件的主保护，它无法为相邻设备提供后备保护。在高压和超高压系统中，人们为了提高主保护的可靠性，从多个方面对主保护进行加强，如对主保护进行双重化配置，采用各种原理提高主保护的灵敏度和可靠性。虽然如此，仍然不能确保各种条件下主保护都能可靠动作，而且诸如保护拒动、保护误动、变电站直流电源故障等情况仍然是无法避免的，因此除了配备高性能的主保护外，还必须配置后备保护。当前的后备保护多采用分段式的距离和过流保护，上级保护和下级保护之间的动作要依靠整定不同的延时进行配合，存在着动作延时大、故障切除范围大、相互之间配合复杂等问题。

2 广域保护的功能组成

广域保护系统是以广域信息的采集、传送、分析和使用为主线，整个系统的功能构成基本上可以分为三大部分：

第一部分是电力系统实时动态监测系统，即对电力系统动态过程进行监测和分析的系统。由安装在各厂站的智能电子装置，电力系统调度中心、变电站或发电厂的主站，以及它们之间相互通讯构成电网广域测量系统，实现对地域广阔的电力系统运行状态的监测和分析。

第二部分包括广域继电保护算法和广域自动控制策略（基于广域信息切负荷、切机等），安装在各变电站的IED相互通讯，就地完成部分的常规保护功能，且主站根据采集到的电网中分布的各变电站IED实时测量数据，检测故障，分析扰动，提出投切线路、负荷和机组等控制策略。

第三部分是电力系统实时控制系统，由安装在各变电站的自动控制装置与安装在调度的控制中心联网，实现广域自动控制策略。故障发生后，主保护（纵联或差动保护）迅速切除故障，主保护和广域保护构成“或门”，对故障进行快速切除。广域保护故障后的监视控制功能包括对断路器失灵、过负荷、频率电压异常的监视控制和系统失步解列等。如果断路器失灵，广域保护根据由当前的网络结构形成的关联矩阵，选择最小的跳闸范围，确保由于故障和断路器失灵造成的影响范围最小，同时缩短故障切除时间；监视故障后的系统运行状态是要防止由过负荷引起相邻线路保护的误动作；出现系统频率、母线电压降低或发生失步时，广域保护执行广域切负荷、发电机控制、解列等紧急控制策略，防止系统崩溃事故的发生。

3 输电线路保护原理分析

在高压输电线路中，线路参数具有电抗大，分布电容大，电阻小的特点，这给输电线路的保护带来一些特殊问题，如暂态过程较长、过渡电阻较大、非全相运行等。目前，国内外输电线路采用的保护主要有高频方向保护、电流差动保护和高频距离保护，实际运行中一般采用几种保护配合使用，对线路故障进行快速、可靠、准确、无死区的切除。

利用电力线载波通信方式构成的继电保护称为载波保护或高频保护。高频保护于上世纪二十年代和三十年代出现，之后电流相位差动高频和方向高频保护相继问世。目前电流相位差动高频保护和方向高频保护（包括距离高频保护），己成为世界各国高压和超高压线路的主要保护方式。高频保护可按动作原理和高频信号的性质分类。按动作原理，高频保护可分为反应工频电气量和非工频电气量两大类。反应工频电气量的高频保护又可以分为方向高频保护（包括距离高频保护）和电流相位差动高频保护。按信号的性质，高频保护可分为基于闭锁信号、允许信号或跳闸信号的高频保护。

在负序方向保护中，对线路的电容电流补偿方法有三种：（一）半补偿方式。即在线路两端各补偿电容电流的一半，但是这种补偿方式存在明显的缺点：当某一端合闸于短路时，在此端三相断开条件下，两端保护将拒绝动作，而且，在运行中，当保护的正方向发生短路时，补偿电流将使保护中电流减小、灵敏度降低；（二）全补偿方式。即采用在线路一侧补偿的方法，但这种补偿方式只能在补偿端进行合闸，给运行方式带来不便；（三）灵活补偿方式。为了使线路空载合闸能在任何一端进行，并且补偿装置不采用两端都全补偿的方式，可在线路对端三相断开时，合闸端采取全补偿方式，在合闸后切换为半补偿方式。

4 输电线路广域故障方向比较后备保护研究

广域继电保护系统是通过收集故障发生时故障相邻区域多个测点的电气量信息或IED的故障判断信息，并对这些信息进行综合比较，不仅能区分出区内和区外故障，而且对区外故障的具体位置也能明确，在主保护因为各种原因没有成功切除故障时能采取其它措施跳开相应的断路器，达到在较小范围内快速切除故障的目的。

基于叠加原理，故障后的系统可以视为正常运行系统和故障附加系统的叠加。在故障附加系统中故障分量是故障后所特有的信息，原则上它能够清楚的表征故障状态。因此，先后出现了三种利用故障分量的方向元件：正序故障分量方向元件、负序方向元件和零序方向元件。这三种方向元件的基本原理都是通过比较故障分量序电流和序电压之间的相位关系（计算两个相量的相位差）来判断故障方向。由于正序故障分量只在故障后短时间可以提取（如图1和图2所示），而广域后备保护在信息处理上又不可避免的带有延时，因此正序故障分量方向元件不适用于广域后备保护，而负序和零序故障分量方向元件动作具有稳定性，因而成为首选的方向元件。

故障分量可以分为两类：1）稳定的故障分量，包括负序分量和零序分量；2）短暂的故障分量即正序突变量。由于故障分量为在短路前没有、仅在短路后才出现的电气量，所以正序突变量通常只在故障后短时间可以提取。从图2中我们可以看出：在故障发生5”ms以内，正序电压突变量非常突出明显，可以准确提取。当故障进入稳态后，正序电压突变量也趋于稳定并逐渐向零逼近。

5 输电线路广域电流差动后备保护的研究

广域电流差动保护功能的实现，首先需要解决两个问题：一是确定好对任意IED的保护范围，即哪些元件应该包含在保护单元内，在保护单元内的这些元件中哪些属于最小保护范围，哪些属于最大保护范围；二是根据保护范围划分好IED的关联域，即故障发生后IED

应该与哪些对应的IED交换电流信息进行差动计算，在这些IED中先与谁交换电流信息，后与谁交换电流信息。在单母线结构中母线和线路的连接关系很简单，一经确定后IED的保护范围和关联域不会变化。但对于结构比较复杂的电网，母线和线路的连接关系不再是固定不变的，IED的保护范围和关联域将会随着网络结构的变化而变化。在这种情况下必须建立适应各种网络结构的保护范围和关联IED的搜索准则。依据该准则和开关位置状态的变化，为每个IED动态的确定保护范围和关联域。双母线是常见的接线方式之一，在高压和超高压系统中广泛采用的接线方式也可等效为双母线结构。

6 结语

本文探讨的输电线路广域后备保护的网络结构相对来说比较单一，如果出现多个保护误动、拒动，甚至开关拒动等复杂情况时，仍需要多方面的考虑问题。借于其复杂性，在更大规模的电网结构中采用的高压输电线路广域后备保护仍然需要做进一步探讨研究。

参考文献

[1]陈逵，赵普.基于网形结构矩阵的单电源配电网故障定位方法[J].电气技术，2008（11）.

[2]王金铭，高键.基于PSAT的电力系统时域仿真研究[J].科学技术与工程，2008（17）.

[3]王慧芳，何奔腾.利用状态量信息的集合保护规范化判据研究[J].中国电机工程学报，2008（22）.

[4]赵勇军，刘沛，罗承廉，胡家跃.电力系统新型广域后备保护系统的设计[J].电气应用，2007（03）.

[5]徐沙能.精确匹配输电线路暂态模型的快速距离保护新原理研究[D].华中科技大学 ，2013.

作者单位

广西金海电力有限公司 广西壮族自治区北海市 536000