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基于故障多元信息的新型保護系統(tǒng)關鍵技術與應用

一、立項背景繼電保護是保障電網(wǎng)安全運行的第一道防線。自上世紀80年代微機保護應用以來，歷經(jīng)多次更新?lián)Q代，我國繼電保護技術一直處于世界先進水平，為保障電網(wǎng)安全做出了突出貢獻。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展、超/特高壓遠距離輸電大通道的建設、區(qū)域電網(wǎng)的廣泛互聯(lián)和波動性新能源的規(guī)模化接入，我國已建成世界上規(guī)模最大、結構最復雜的電網(wǎng)。電網(wǎng)的快速發(fā)展給繼電保護帶來了嚴峻挑戰(zhàn)： 1、后備保護方面，由于電網(wǎng)結構復雜，運行方式多變，造成后備保護定值更難整定，保護選擇性和靈敏性的矛盾更加突出，保護拒動誤動風險并存。國內(nèi)已發(fā)生多起類似“6.18”西安南郊站，因后備保護靈敏性不足拒動，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)移過負荷，后備保護誤動引發(fā)的如美加“8.14”、印度“7.30”等大停電事故，也不斷地對我國電網(wǎng)敲響警鐘。 2、主保護方面，超/特高壓電氣設備結構復雜、線路距離長，短路電流變化大，造成主保護對變壓器匝間短路、線路高阻接地等輕微故障的反應靈敏性下降。“11.22”濟南特高壓泉城站變壓器爆炸正是由于保護對起始發(fā)生的輕微故障未能靈敏切除，引起事故擴大，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。這些問題已成為我國電網(wǎng)安全運行的重大隱患！問題的癥結在于傳統(tǒng)保護僅利用設備自身的電氣量信息，在復雜電網(wǎng)環(huán)境下，保護反應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可靠正確動作。不改變傳統(tǒng)保護工作模式，僅對保護判據(jù)進行修正或調(diào)整定值，只能在一定程度上單方面地解決保護拒動或誤動的問題。二、發(fā)明思路突破保護僅利用設備自身信息的限制，綜合利用站間保護關聯(lián)邏輯量、站域故障全過程電氣量等信息，對后備保護、主保護、系統(tǒng)構成模式進行全面創(chuàng)新，構建“站域集中-站間分布式”新型保護系統(tǒng)。圖1 技術發(fā)明總體思路三、發(fā)明方案技術發(fā)明點1：基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護技術傳統(tǒng)后備保護既存在對相鄰元件故障反應能力不足，保護拒動的問題，又存在受過負荷和系統(tǒng)振蕩影響，保護誤動的問題。針對上述問題，該項目發(fā)明了保護關聯(lián)關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關聯(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技術，攻克了保護不誤動和不拒動無法兼顧的難題。發(fā)明點1.1：發(fā)明了保護關聯(lián)關系在線快速跟蹤和可靠性校核方法，為保護可靠利用站間信息奠定了基礎。快速跟蹤和可靠識別電網(wǎng)拓撲的變化，確定保護的關聯(lián)關系，是保護利用站間信息首先要解決的關鍵問題。發(fā)明了保護關聯(lián)關系在線快速跟蹤和可靠性校核方法，關鍵技術包括：1）提出了基于虛擬阻抗矩陣的保護關聯(lián)關系分析方法，創(chuàng)造性地將開關狀態(tài)虛擬為支路阻抗并構建節(jié)點虛擬阻抗矩陣，在線微調(diào)矩陣元素即可實現(xiàn)開關狀態(tài)的快速跟蹤，跟蹤時間由秒級縮短至毫秒級，為后備保護快速動作提供了可靠保障；2）發(fā)明了電氣量和開關量信息雙重約束的關聯(lián)關系可靠性校核方法，首次將電氣量信息引入保護關聯(lián)關系識別，通過開關量信息和電氣量信息實時匹配校驗，實現(xiàn)了保護關聯(lián)關系的可靠在線校核。發(fā)明點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技術，攻克了保護不誤動和不拒動無法兼顧的難題。電流元件、方向元件、阻抗元件等保護邏輯量信息，蘊涵著故障方向、故障范圍等故障直接特征，并且信息交互簡單、可靠。根據(jù)不同位置保護邏輯量反應故障的差異化特征，發(fā)明了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護技術。關鍵技術包括：1）首次將電網(wǎng)故障的空間分布特征映射為保護邏輯量信息，按近后備和遠后備靈敏性要求設定保護范圍，實現(xiàn)了邏輯量信息與故障分布特征的關聯(lián)和匹配，解決了保護強依賴定值的問題；2）首創(chuàng)了基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護技術（如圖2所示）。利用邏輯量對故障反應的交叉重疊特征，根據(jù)動作一致性原則，既實現(xiàn)了故障設備的快速準確識別，又從根本上攻克了系統(tǒng)振蕩及過負荷造成保護誤動的難題。基于站間邏輯量信息的后備保護技術可實現(xiàn)近后備保護全范圍速動，遠后備保護延時由1.5s以上縮短至0.5s以內(nèi)；在原理上保證了對相鄰元件故障反應的靈敏性，避免了后備保護拒動導致的重大事故發(fā)生；不受系統(tǒng)振蕩和過負荷影響，避免了保護誤動引發(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技術技術發(fā)明點2：基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護技術現(xiàn)有電氣設備主保護僅反應故障外在表現(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，易造成保護拒動。為解決上述問題，該項目基于故障的物理本質(zhì)特征，揭示了故障導致電氣設備模型參數(shù)變化的機理，利用故障全過程電氣量信息，構建了可靈敏反應設備參數(shù)變化的故障模型，發(fā)明了基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護技術，顯著提升了對輕微故障的反應能力。發(fā)明點2.1：首創(chuàng)了可反應變電站電氣設備參數(shù)變化的故障模型，從物理本質(zhì)上消除了非故障因素對主保護靈敏性的影響。突破主保護僅反應故障外在表現(xiàn)特征的局限，利用設備故障全過程全相電氣量信息，建立了對故障高靈敏而對非故障不敏感的模型。關鍵技術包括：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、相位關聯(lián)關系，創(chuàng)建了僅保留線路阻抗壓降分布情況的故障網(wǎng)絡模型（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系，消除主磁鏈的非線性成分，建立了僅反應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、負荷電流、勵磁涌流等非故障因素的影響。發(fā)明點2.2：發(fā)明了基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護技術，實現(xiàn)了保護對輕微故障反應能力的大幅提升。利用站域故障全過程電氣量信息，反應故障前后模型參數(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)異變特征的主保護技術。關鍵技術包括：1) 發(fā)明了基于阻抗壓降變化特征的線路主保護技術，構建了線路壓降-阻抗參數(shù)關聯(lián)矩陣，通過實時追蹤矩陣中各元素的變化量以及元素間的差異，準確識別故障線路及故障位置（如圖5所示）；2) 計及CT誤差、變壓器有載調(diào)壓對保護的影響，實時計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技術（如圖6所示），顯著提升了保護對變壓器輕微匝間短路識別的靈敏性。基于故障全過程電氣量信息的主保護技術可以做到變壓器匝間短路識別死區(qū)由5%降至2%，500kV線路接地故障過渡電阻反應能力由300Ω提升至1000Ω，故障定位誤差由5%下降至1.3%。實現(xiàn)了對電氣設備輕微故障的靈敏切除，可有效避免事故擴大造成的重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。技術發(fā)明點3：站域集中-站間分布式新型保護系統(tǒng) 構建基于故障全過程邏輯量、電氣量信息的新型保護系統(tǒng)是對百年歷史繼電保護模式的重大變革，除滿足復雜電網(wǎng)對繼電保護的要求外，還需要考慮工程實現(xiàn)的可行性、應用場景的適用性和運行維護的便利性等重大工程應用問題。該項目首創(chuàng)了站域集中-站間分布式的新型保護系統(tǒng)構成模式，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)保護的有機銜接，可靈活組態(tài)適用各種電網(wǎng)應用場景；發(fā)明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術、基于保護關聯(lián)關系的數(shù)據(jù)自適應替代技術，為新型保護系統(tǒng)信息交互提供了可靠保障。發(fā)明點3.1：首創(chuàng)了站域集中-站間分布式的新型保護系統(tǒng)構成模式，奠定了新型保護系統(tǒng)在不同電壓等級電網(wǎng)推廣應用的基礎。該項目創(chuàng)建了“站域集中-站間分布式”的新型保護系統(tǒng)（如圖7所示），實現(xiàn)了發(fā)明點1和2技術的工程推廣應用。關鍵技術包括：1）發(fā)明了以間隔為基本單元的站域集中-站間分布式保護構成模式。間隔單元做到“即插即用”，擴展性強，可靈活組態(tài)適用各種電網(wǎng)應用場景；站域主機實現(xiàn)對站內(nèi)信息的融合與優(yōu)化利用；相鄰站域主機虛擬為變電站間隔單元，實現(xiàn)站間分布對等交互信息。該模式通信鏈路清晰簡捷，易于工程實現(xiàn)；2）發(fā)明了新型保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護的集成與自適應轉(zhuǎn)化技術。新型保護系統(tǒng)在傳統(tǒng)保護基礎上集成故障全過程信息進化形成，在故障信息缺失的極端情況下仍具備傳統(tǒng)保護功能。新型保護系統(tǒng)可充分傳承傳統(tǒng)保護成熟的運維經(jīng)驗，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)保護之間的有機銜接。發(fā)明點3.2：發(fā)明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術、基于保護關聯(lián)關系的數(shù)據(jù)自適應替代技術，保證了新型保護系統(tǒng)的可靠性。基于新型保護系統(tǒng)構成模式，發(fā)明了站域、站間信息交互可靠性保障技術，實現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)的實時校核與缺失數(shù)據(jù)的自適應替代。關鍵技術包括：1）發(fā)明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數(shù)據(jù)校核技術，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)畸變而影響保護動作性能的難題；2）發(fā)明了基于保護關聯(lián)關系的數(shù)據(jù)自適應替代技術，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)互補重構實現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)的自適應替代，保證了保護功能的完整性，有效提升了保護的可靠四、創(chuàng)新性成果該項目攻克了傳統(tǒng)保護不誤動、不拒動無法兼顧的難題，取得了以下關鍵技術突破： 1、基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護技術，保護最長動作時間縮短至500ms以內(nèi)，徹底解決了遠后備保護拒動，以及受系統(tǒng)振蕩和過負荷影響誤動的問題； 2、基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護技術，顯著提升了保護對輕微故障的反應能力； 3、站域集中-站間分布式新型保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了保護技術在不同電網(wǎng)場景下的廣泛應用。

華北電力大學 2021-05-10

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