基於方向比較原理的廣域繼電保護系統

基於方向比較原理的廣域繼電保護系統是一種廣域繼電保護系統。根據發電廠或變電站的主接線形式和方向元件位置，分別形成廠站內一次設備和廠站出線對應的一次設備/方向元件關聯矩陣。系統發生故障後，根據方向元件指示的故障方向信息和一次設備/方向元件關聯矩陣形成一次設備/故障方向關聯矩陣，並據此確定具體的故障元件。

基本介紹

• 中文名：基於方向比較原理的廣域繼電保護系統
• 外文名：Wide-area relay protection system based on directional comparison principle
• 類型：繼電保護系統
• 特點：基於方向比較原理
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

基於方向比較原理的廣域繼電保護算法。根據發電廠或變電站的主接線形式和方向元件位置，分別形成廠站內一次設備和廠站出線對應的一次設備/方向元件關聯矩陣。系統發生故障後，根據方向元件指示的故障方向信息和一次設備/方向元件關聯矩陣形成一次設備/故障方向關聯矩陣，並據此確定具體的故障元件。算例分析表明，該文提出的廣域繼電保護算法可以很好的判斷線路、母線、變壓器等一次設備發生的故障，判斷結果準確，且對廠站的主接線形式有很好的適應性。

隨著電網結構日趨複雜，運行方式日益靈活，後備保護的整定也日益複雜和難以協調，由繼電保護不正確動作而造成的大停電事故也常有發生，隨著廣域網的不斷發展和套用，為了提高繼電保護系統的性能，近年來人們提出了廣域繼電保護的概念並進行了初步的研究。廣域繼電保護系統的提出並不是要完全代替傳統的主保護，而是充分發揮其根據多點故障信息準確判斷故障元件的能力，對傳統的主保護和後備保護進行補充，從而更準確、更快速的切除系統故障，提高繼電保護系統的可靠性。

目前對廣域繼電保護算法的研究主要分為三類:基於電網中多個距離保護元件的判斷結果、依靠專家系統集中決策的廣域後備保護算法基於廣域電流差動的廣域繼電保護算法;基於縱聯比較原理的廣域繼電保護算法。廣域繼電保護系統的基本結構分為三類:區域調度中心集中式廣域繼電保護系統，即廣域繼電保護系統的核心決策系統位於區域調度中心;變電站集中式廣域繼電保護系統，即廣域繼電保護系統的核心決策系統位於變電站內;分散式廣域繼電保護系統，即廣域繼電保護系統的核心決策系統位於分散的智慧型電了設備(intelligent electronic device IED)內。

廣域繼電保護系統的結構

廣域繼電保護系統同時基於廣域網和區域網路，用於保護輸電網路的某一固定區域。廣域繼電保護系統裝設於變電站內，它通過蒐集保護系統所在變電站及相鄰變電站內智慧型電了設備的故障方向信息，準確的判斷出故障元件，其具體結構如概述圖所示。變電站內IED經變電站內區域網路將故障方向信息上傳至廣域繼電保護決策系統;相鄰變電站內IED經變電站問廣域網將故障方向信息上傳至廣域繼電保護決策系統，然後由廣域繼電保護決策系統根據電網拓撲結構選擇確定故障元件所需的故障方向信息。廣域繼電保護決策系統一旦確定故障元件之後，立即向相關的終端執行單元發出跳閘信號以儘快隔離故障元件。

上述以變電站為中心的集中式結構對變電站級的廣域保護決策系統有較高的依賴性。為了提高廣域保護系統的可靠性，避免因某套廣域保護決策系統故障而造成廣域保護系統退出運行，變電站級的廣域保護決策系統可以採用冗餘方式提高系統的可靠性。同時，通信技術的發展及電力專用光纖數據網的普及與套用，也保證了廣域繼電保護系統的通信可靠性。

基於方向比較原理的廣域繼電保護算法

一次設備及方向IED的表示

提出的廣域繼電保護系統，其保護對象包括了變電站內的所有一次設備以及變電站的出線。鑒於母線保護與廠站的主接線方式有密切關係，因而對一次設備的描述應該能夠反映電網的實際拓撲結構，能夠清晰的表達一次設備與IED之問的連線關係。為了能夠正確的判斷故障元件，在被保護系統的每一個斷路器或電流互感器處，都裝設一個能夠測量故障方向的方向IED。 中一次設備、IED分別以以下格式進行表示:一次設備ID，設備類型，接線方式，設備名稱，設備所屬廠站數組，設備狀態);IED}ID，類型，狀態，I側連線一次設備，側連線一次設備，對應斷路器ID。

對於一次設備，ID作為關鍵字是區分不同一次設備的唯一標誌。設備類型不僅包括實際電網中的一次設備類型，如線路、母線、兩卷變、三卷變、發電機等，還包括虛擬母線。虛擬母線是IED的連線點，但又不是實際母線，一般存在於3/2接線中，圖2中的母線B:就是虛擬母線，引入虛擬母線的目的是為了更好的描述IED之問的連線關係。接線方式主要用於描述線路和母線，對於線路，接線方式包括普通兩端線路和T接線路;對於母線，接線方式包括單母接線、雙母接線、3/2接線等常見接線的母線接線方式。設備名稱為具體一次設備的名稱。設備所屬廠站數組描述了一次設備所連線的廠站，若一次設備為廠站內元件，如母線、變壓器，那么設備所屬廠站數組維數為1;若一次設備為廠站問元件，如線路，那么設備所屬廠站數組的維數由元件連線的廠站數決定，普通兩端線路，其設備所屬廠站數組維數為2，而T接線對應的設備所屬廠站數組維數為3。設備狀態分為兩種，分別為運行和停運。

ID是區分不同IED的唯一標誌位。IED根據其具體的安裝位置分為4類:普通斷路器IED，安裝於普通斷路器處;母聯斷路器IED，安裝於母聯斷路器處;虛擬母聯斷路器IED，安裝處的斷路器位於兩個虛擬母線之問，如3/2接線方式中的中問斷路器;非斷路器IED，安裝於電流互感器而非斷路器處，一般位於3/2接線的出線或變壓器處，圖2中的IED 1, IED20, IEDS , IED 13分別為普通斷路器IED、母聯斷路器IED、非斷路器IED和虛擬母聯斷路器IED o IED狀態為運行和停運兩種。I側連線一次設備、J側連線一次設備分別為IED兩側所連線的一次設備。若IED為上述3種斷路器IED類型之一，對應斷路器ID則為該方向元件IED對應的斷路器ID號，否則該項為0.

一次設備/方向元件關聯矩陣的形成

一次設備/方向元件關聯矩陣描述了一次設備和方向元件的連線關係。一次設備和方向元件的連線關係分為三類:直接相關，即方向元件直接與一次設備相連，可直接用於判斷一次設備是否為故障元件;問接相關，即方向元件與一次設備跨過一個一次設備問接相連，在直接相關方向元件拒動或信息丟失的情況下可用於判斷相應的一次設備是否為故障元件;不相關，即方向元件與一次設備不相連，不相關方向元件的動作情況亦不能作為相應一次設備是否為故障元件的判據。在一次設備/方向元件關聯矩陣中，對應於一次設備，直接相關方向元件用“+”表示，問接相關方向元件用“①”表示，不相關方向元件用“X”表示。為了清晰描述不同類型的一次設備與方向元件的連線情況，一次設備/方向元件關聯矩陣根據具體的一次設備類型分為線路/方向元件關聯矩陣、母線/方向元件關聯矩陣、兩卷變/方向元件關聯矩陣、三卷變/方向元件關聯矩陣等。一次設備/方向元件關聯矩陣為MxN維矩陣，其中M為廣域繼電保護系統保護範圍內的相同類型一次設備數目，N為廣域繼電保護系統保護範圍內的方向元件數目。一次設備/方向元件關聯矩陣的形式如式(1)所示，每一行代表一個一次設備，而每一列則代表一個方向元件，矩陣中的具體元素描述了一次設備與方向元件的連線關係。方向元件按類型排列於關聯矩陣中，即在關聯矩陣的列向量中，先是非斷路器IED，然後是普通斷路器IED、母聯斷路器IED、虛擬母聯斷路器IED. 提出的廣域繼電保護系統的核心之一就是一次設備/方向元件關聯矩陣的形成。為了更好的闡述一次設備/方向元件關聯矩陣的形成過程， 將結合具體的電網結構和廣域繼電保護系統進行說明，圖2為示例系統。一次設備/方向元件關聯矩陣的形成具體分為4個步驟:

步驟1:確定廣域繼電保護系統的保護對象。廣域繼電保護系統的保護對象包括保護系統所在廠站內的所有母線、兩卷變、三卷變、發電機以及該廠站的出線。如圖2所示系統，Subl廣域繼電保護系統的保護對象為母線Bm Bi其中B Bi為虛擬母線、線路L1 L3、三卷變T，和TZ 。

步驟2:確定廣域繼電保護系統保護範圍內的方向元件。這些方向元件不僅包括與保護對象直接相關的方向元件，還包括與保護對象問接相關的方向元件。如圖2所示系統，Subl廣域繼電保護系統包含的方向元件不僅涵蓋了變電站Subl內的所有方向元件，還涵蓋了相鄰變電站Sub2, Sub3內的部分相關方向元件(這些方向元件與L1, L2, L:直接或問接相連，且都標註於圖2上)。

步驟3:形成原始的一次設備/方向元件關聯矩陣，包括線路/方向元件關聯矩陣、母線/方向元件關聯矩陣、兩卷變/方向元件關聯矩陣、三卷變/方向元件關聯矩陣等。這一步主要做兩個工作:遍歷廠站內及廠站問的一次設備，根據類型進行分類，以便形成對應的原始關聯矩陣;遍歷廣域繼電保護系統保護範圍內的方向元件，並按類型進行分類，形成類似於式(1)的矩陣形式，只是矩陣元素仍然是未知的。同時，分別建立一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯矩陣中的位置索引，一次設備位置索引指示一次設備在關聯矩陣中的行位置，而方向元件位置索引指示方向元件在關聯矩陣中的列位置。如圖2所示系統，一次設備有3類，分別為母線(B mB io)，線路(L 1 }L3)，三卷變(Tu T2)方向元件有4類，分別為非斷路器IED(5，8, 16,17)，普通斷路器IED(1，4, 9一12, 15, 18, 21,22)，母聯斷路器IED(20)，虛擬母聯斷路器IED(13,14, 19)。

步驟4:遍歷方向元件，根據方向元件兩側所連線的一次設備，對一次設備/方向元件關聯矩陣進行初始化，根據上述方向元件和一次設備連線關係的定義確定方向元件與所有一次設備的連線關係。如圖2所示系統，方向元件7與線路L1和虛擬母線B}直接相關，與母線Bi和虛擬母線By問接相關。

按照上述4個步驟，Subl廣域繼電保護系統對應的線路/方向元件關聯矩陣和母線/方向元件關聯矩陣分別如式(2)、式(3)所示，變壓器/方向元件關聯矩陣的形成類似。 一次設備/方向元件關聯矩陣形成後，存儲於廣域繼電保護系統中，當方向元件動作後，廣域繼電保護系統依據一次設備/方向元件關聯矩陣來判斷具體的故障元件。

一次設備/方向元件關聯矩陣不是固定的，它隨網路結構的變化而變化。當網路結構變化後，一次設備/方向元件關聯矩陣必須與之相適應。網路拓撲結構的變化既可能由一次設備退出運行引起，亦可能由變電站改造引起，同時還可能由一次設備增加引起。對於不同的情況，可以採取不同的措施使一次設備/方向元件關聯矩陣與網路拓撲結構相適應。

（1） 一次設備退出運行。一次設備退出運行時，與其直接相連的斷路器也必須退出運行，相應的方向元件IED也退出運行。若退出運行的一次設備是母線，則停運的方向元件是與該母線相連的斷路器對應的斷路器IED。若退出運行的是其它一次設備，則停運的IED是與該一次設備直接相關的非斷路器IED以及與該一次設備相連的斷路器對應的斷路器IED，具體取決於該一次設備所連線母線的接線方式。如圖2所示系統，當線路L:因檢修退出運行時，方向元件IEDB, 17, 3, 14, 18, 19也需要退出運行。確定退出運行的一次設備和方向元件後，通過對初始一次設備/方向元件關聯矩陣進行修改即可得到與網路拓撲結構相適應的臨時一次設備/方向元件關聯矩陣，其修改原則為:將退出運行的一次設備對應的行從一次設備/方向元件關聯矩陣中冊U除，將退出運行的方向元件IED對應的列從一次設備/方向元件關聯矩陣中刪除。同時更新一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯矩陣中的位置索引。

（2）變電站改造。變電站改造可能會涉及母線接線方式的改變或新母線的投運，此時僅僅對初始一次設備/方向元件關聯矩陣進行修改，往往無法很好的描述一次設備和方向元件之問的關係，因而需要按照上述步驟重新形成新的一次設備/方向元件關聯矩陣。

（3）一次設備增加。一次設備增加包括新的線路、變壓器等一次設備的投入運行，而新母線的投運被歸入變電站改造中。根據投入運行的一次設備及相應的方向原件，通過對初始一次設備/方向元件關聯矩陣進行修改即可得到與網路拓撲結構相適應的新一次設備/方向元件關聯矩陣，其修改原則為:在初始一次設備/方向元件關聯矩陣中增加新投入一次設備對應的行從;根據新投入方向元件IED的類型，在初始一次設備/方向元件關聯矩陣中增加

與之對應的列N;根據新投入一次設備與方向元件IED的關係，對一次設備/方向元件關聯矩陣的第從行元素進行初始化;根據新投入方向元件IED與一次設備的關係，對一次設備/方向元件關聯矩陣的第N列進行初始化。更新一次設備和方向元件在一次設備/方向元件關聯矩陣中的位置索引。

故障定位

方向元件的方向按流出母線為正、流入母線為負來定義，若方向元件安裝於兩個母線之問，那么按流出ID較小者母線為正、流入ID較小者母線為負，這樣每個方向元件的輸出值可能為 當廣域繼電保護系統檢測到保護範圍內有方向元件啟動時，經過一定時問的延遲後(在這段延遲時問內，廣域繼電保護系統等待保護範圍內的所有方向元件的動作信息上傳至廣域繼電保護系統)，廣域繼電保護系統根據方向元件的輸出值對一次設備/方向元件關聯矩陣進行賦值，形成一次設備/故障方向關聯矩陣。在對一次設備/方向元件關聯矩陣進行賦值時，若方向元件與一次設備直接相關(對應一次設備/方向元件關聯矩陣中的“+”，則將方向元件的輸出值賦給一次設備/方向元件關聯矩陣的對應元素;若方向元件與一次設備是問接相關或不相關(對應一次設備/方向元件關聯矩陣中的“①”和uXm，則直接將一次設備/方向元件關聯矩陣的對應元素賦值為0。若方向元件為母聯斷路器IED在給一次設備/方向元件關聯矩陣賦值時必須注意如下問題:若一次設備為母聯所連線的較小ID母線，那么矩陣元素的值直接取方向元件的輸出值;若一次設備為母聯所連線的較大ID母線，那么矩陣元素的數值取方向元件輸出值的負數。

故障門檻值確定根據故障方向信息的完整性分為兩種情況:①所有方向元件均有輸出;②某一故障方向元件沒有輸出。在缺少多個故障方向元件的輸出結果時，廣域繼電保護系統將閉鎖，不對故障元件進行判斷。

情況1:所有方向元件均有輸出信息。故障門檻值取決於與一次設備直接相連的方向元件數，可以根據一次設備/方向元件關聯矩陣求得，但停運的方向元件IED不包括在內。對於普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對於T接線路，''set_ trans(i)-3·對於兩卷變'set_ trans(i) -2，對於三卷變''set trans(i)-3·對於母線，'set bus(i)視母線直接連線的方向元件數而定。對於情況I，前述一次設備/故障方向關聯矩陣完全適用。

情況2:缺少單一故障方向元件的輸出信息。在缺少單一故障方向元件的輸出信息時，與該故障方向元件直接相連的一次設備需啟用與該方向元件連線於同一母線的問接相關方向元件，形成計及問接相關方向元件的一次設備/故障方向關聯矩陣。為保證判據的一致性，問接相關方向元件應該與失效方向元件的方向保持一致，一次設備/故障方向關聯 故障門檻值確定根據故障方向信息的完整性分為兩種情況:①所有方向元件均有輸出;②某一故障方向元件沒有輸出。在缺少多個故障方向元件的輸出結果時，廣域繼電保護系統將閉鎖，不對故障元件進行判斷。

情況1:所有方向元件均有輸出信息。故障門檻值取決於與一次設備直接相連的方向元件數，可以根據一次設備/方向元件關聯矩陣求得，但停運的方向元件IED不包括在內。對於普通兩端線路，'set_ line(i)-2;對於T接線路，''set_ trans(i)-3·對於兩卷變'set_ trans(i) -2，對於三卷變''set trans(i)-3·對於母線，'set bus(i)視母線直接連線的方向元件數而定。對於情況I，前述一次設備/故障方向關聯矩陣完全適用。

情況2:缺少單一故障方向元件的輸出信息。在缺少單一故障方向元件的輸出信息時，與該故障方向元件直接相連的一次設備需啟用與該方向元件連線於同一母線的問接相關方向元件，形成計及問接相關方向元件的一次設備/故障方向關聯矩陣。為保證判據的一致性，問接相關方向元件應該與失效方向元件的方向保持一致，一次設備/故障方向關聯矩陣的取值視如下兒種情況而定:①問接相關方向元件為普通斷路器IED或非斷路器IED，且與失效元件連線於虛擬母線，矩陣元素值為方向元件的輸出值;②問接相關方向元件為普通斷路器IED或非斷路器IED，且與失效元件連線於普通母線，矩陣元素值為方向元件輸出值的負數;③問接相關方向元件為虛擬斷路器IED，若連線母線為ID較大的虛擬母線，則矩陣元素值為方向元件的輸出值，否則矩陣元素值為方向元件輸出值的負數;④問接相關元件為母聯斷路器IED，若連線母線為ID較大的母線，則矩陣元素值為方向元件的輸出值，否則矩陣元素值為方向元件輸出值的負數。

故障門檻值取決於與一次設備直接相連的有效方向元件數和問接相關有效方向元件數，但停運的方向元件IED不包括在內。

廣域繼電保護決策系統確定故障元件之後，根據一次設備/方向元件關聯矩陣表示的一次設備與方向元件的關係以及方向元件IED的描述檔案，確定與故障元件直接相連的斷路器，進而向這些斷路器對應的終端執行單元發出跳閘信號，從而完成對故障元件的隔離。

總結

介紹了一種基於方向比較原理的廣域繼電保護算法，基於該算法的廣域繼電保護系統採用變電站集中式結構，它通過變電站內的區域網路和變電站問的廣域網獲得方向元件的輸出值。該系統首先根據網路拓撲結構和方向元件安裝位置形成一次設備/方向元件關聯矩陣，當系統發生故障時，根據廣域繼電保護系統保護範圍內方向元件的輸出只對一次設備/方向元件關聯矩陣進行數值初始化，形成一次設備/故障方向關聯矩陣，並據此確定具體的故障元件。廣域繼電保護算法可以很好的判斷線路、母線、變壓器等一次設備發生的故障，且對廠站的主接線形式有很好的適應性，判斷結果準確。