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基于故障多元信息的新型保護系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)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(yīng)用以來，歷經(jīng)多次更新?lián)Q代，我國繼電保護技術(shù)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(shè)、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(jié)構(gòu)最復(fù)雜的電網(wǎng)。電網(wǎng)的快速發(fā)展給繼電保護帶來了嚴峻挑戰(zhàn)： 1、后備保護方面，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路距離長，短路電流變化大，造成主保護對變壓器匝間短路、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(jié)在于傳統(tǒng)保護僅利用設(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(shè)備自身信息的限制，綜合利用站間保護關(guān)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(gòu)成模式進行全面創(chuàng)新，構(gòu)建“站域集中-站間分布式”新型保護系統(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1：基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護技術(shù) 傳統(tǒng)后備保護既存在對相鄰元件故障反應(yīng)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(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技術(shù)，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(guān)聯(lián)關(guān)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(chǔ)。快速跟蹤和可靠識別電網(wǎng)拓撲的變化，確定保護的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是保護利用站間信息首先要解決的關(guān)鍵問題。發(fā)明了保護關(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)點虛擬阻抗矩陣，在線微調(diào)矩陣元素即可實現(xiàn)開關(guān)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(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關(guān)聯(lián)關(guān)系識別，通過開關(guān)量信息和電氣量信息實時匹配校驗，實現(xiàn)了保護關(guān)聯(lián)關(guān)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(shù)，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(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邏輯量信息，按近后備和遠后備靈敏性要求設(shè)定保護范圍，實現(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(shù)（如圖2所示）。利用邏輯量對故障反應(yīng)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(shè)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(shù)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(yīng)的靈敏性，避免了后備保護拒動導(dǎo)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(shù) 技術(shù)發(fā)明點2：基于故障模型參數(shù)異變特征的主保護技術(shù) 現(xiàn)有電氣設(shè)備主保護僅反應(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(dǎo)致電氣設(shè)備模型參數(shù)變化的機理，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)異變特征的主保護技術(shù)，顯著提升了對輕微故障的反應(yīng)能力。發(fā)明點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主保護靈敏性的影響。突破主保護僅反應(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，建立了對故障高靈敏而對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(shù)，實現(xiàn)了保護對輕微故障反應(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(shù)（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(shù)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(yīng)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(shè)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(shù)發(fā)明點3：站域集中-站間分布式新型保護系統(tǒng) 構(gòu)建基于故障全過程邏輯量、電氣量信息的新型保護系統(tǒng)是對百年歷史繼電保護模式的重大變革，除滿足復(fù)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(yīng)用場景的適用性和運行維護的便利性等重大工程應(yīng)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(gòu)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(yīng)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(shù)、基于保護關(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(gòu)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(yīng)用的基礎(chǔ)。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(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-站間分布式保護構(gòu)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(yīng)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(yīng)轉(zhuǎn)化技術(shù)。新型保護系統(tǒng)在傳統(tǒng)保護基礎(chǔ)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(shù)、基于保護關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)自適應(yīng)替代技術(shù)，保證了新型保護系統(tǒng)的可靠性。基于新型保護系統(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(yīng)替代。關(guān)鍵技術(shù)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(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)畸變而影響保護動作性能的難題；2）發(fā)明了基于保護關(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)互補重構(gòu)實現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)的自適應(yīng)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(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技術(shù)，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(shù)，顯著提升了保護對輕微故障的反應(yīng)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(shù)在不同電網(wǎng)場景下的廣泛應(yīng)用。

華北電力大學(xué) 2021-05-10

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