基于方向记忆及故障特征分级的故障方向判别方法_陈策富.pdf

基于方向记忆及故障特征分级的故障方向判别方法陈策富，苏小雷，向莉华，李韵怡，谭竣友（长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 ）摘要：基于方向记忆的故障方向判别方法是通过对不同故障时间区间的故障方向判别数据进行统计，得出各时间区间内故障方向判别结果出现的概率，并与各时间区间预先设置的最小概率值进行比较，从而得出方向元件的判别结果。设置级故障特征参数，根据故障时的故障分量特征等级，对故障分量方向元件及功率方向元件的判别结果进行取用决策，实现了故障方向定位。关键词：故障方向；方向元件；记忆电压中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：陈策富（），硕士，从事继电保护和安全自动化工作。引言 电网接线一般采取闭环设计、开环运行的方式，普遍存在多级串供的现象，供电可靠性不高。为了提高重要负荷的供电可靠性，部分地区采用了 双回线合环运行的非常规运行方式。当前保护配置方式下 双回线合环运行存在风险，当环外线路发送故障同时伴随线路保护拒动或断路器拒动时会引起主变后备越级跳闸，从而导致电源侧 母线全部失压。文献 提及的快速解环装置，用于解决双回线合环运行时线路故障伴随线路拒动导致的 母线全部失压的问题，解环装置的核心在于收到启动开入后能正确识别各种故障类型下不同故障点的故障方向，从装置启动（故障发生）到收到启动开入系统的故障特征长时间持续存在，对故障方向的判别重准确轻速度，文献中虽然就快速解环的整体方案进行了论述，但并未对故障方向判别及其实现方法进行详细论述。方向元件用于故障方向的判别，是继电保护装置的重要组成部分。传统方向元件如负序分量方向元件、零序分量方 向 元 件、正 序 分 量 方 向 元 件、功 率 方 向 元 件等，应用于继电保护装置，虽然各有优点但都存在各自的缺陷。零序分量方向元件、负序分量方向元件具有不受负荷电流、过渡电阻影响，灵敏度高，方向性明确等优点，但 零 序 分 量 方 向 元 件 只 适 用 于 接 地 故 障，负序分量 方 向 元 件 只 适 用 于 不 对 称 故 障，且 一 旦 发 生 断线就无法工作。正序分量方向元件进行方向判别时不受故障类型、过渡电阻、负荷电流等因素的影响，无电压死区，但因为其不是分相的，所以在非全相运行以及振荡严重时工作不可靠，并且在大电源侧正序分量较小时无法正确动作。功率方向元件在部分相别 断线工况下，仍可通过识别正常相别进行故障方向判断，但易受负荷电流影响，耐受过渡电阻的能力较弱，过渡电阻过大易产生误判。本文论述一种适用于快速解环装置的故障方向判定方法，基于故障点方向记忆方法输出负序分量方向元件、零序分量方向元件、正序分量方向元件及功率方向元件的判别结果，再结合故障时检测到的故障分量的故障特征等级，按拟定的优先级顺序取用方向结果，充分利用各方向元件的优点，使方向结果更准确。电力自动化电工技术 故障点方向记忆方法装置检测到满足电流突变启动或低压过流启动后，立即开始零序方向元件、负序方向元件、正序方向元件、功率方向元件的判定并将判别结果保存到对应的缓存区。基于故障点方向记忆方法的处理过程如图所示。装置启动后缓存 周波方向元件的判别结果，当需要取用方向判别结果时（收到外部启动开入时），从取用时刻往前推 时刻开始，圈定 时间窗内的方向为判别数据，若圈定时间内的判别数据 为正方向，则判定为正方向，若圈定时间内的判别数据 为反方向，则判定为反方向。若前推 时间窗无法得出有效结果，则往前推 ，圈定 时间窗内的方向为判别数据，若圈定时间内 以上判别数据均为正方向，则判定为正方向，若圈定时间内 以上判别数据均为反方向，则判定为反方向。如果前推 时间窗无法得出有效结果，则往前推 ，圈定 时间窗内的方向为判别数据段，若圈定时间内 以上判别数据均为正方向，则判定为正方向，若圈定时间内 以上判别数据均为反方向，则判定为反方向。如果前推 时间窗无法得出有效结果，则往前推 ，圈定 时间窗内的方向为判别数据段，若圈定时间内 以上判别数据均为正方向，则判定为正方向，若圈定时间内 以上判别数据均为反方向，则判定为反方向。图 故障点方向记忆处理过程基于故障点方向记忆的故障方向判别方法，在前推 的时间处理与传统保护处理一致，可确保此算法不会降低判别结果的准确性，当存在个别异常数据点导致无法得出结果时，方向判别结果可能存在波动（如飞点或 饱和使得故障区间小部分数据畸变导致个别点落入反方向）从而导致无法得出故障方向结果，适当放宽前推故障数据范围及统计占比，得出的结果亦具有较高的准确度。特殊工况故障方向判别 近端相故障方向判别考虑线路近端相金属性故障时，母线电压几乎为零，此种工况需结合记忆电压进行故障方向的判别。相金属性故障采用引入记忆电压的功率方向元件，用于识别线路近端相金属性故障时的故障方向。正常运行工况下，装置缓存周波母线电压采样值，当近端相金属性故障导致母线电压全部跌落时，使用故障前记忆电压与故障电流进行功率方向元件计算。为了明确使用记忆电压的边界，引入长时记忆电压有效标志，其判据为：保护启动的周波内，无电压频率异常。记忆电压取用处理过程如图所示，若实时端电压大于，则功率方向元件选用端电压，若实时端电压小于 同时满足长时记忆电压有效标志，则功率方向元件选用记忆电压计算；不满足长时记忆电压有效标志时，若实时端电压大于 则使用端电压参与计算，若不满足实时端电压大于 且长时记忆电压有效标志有效期结束，则保持之前的方向判断结果直到装置启动整组返回。图记忆电压取用处理过程当系统频率偏移时，每周波的采样点数会发生变化，当频率偏移较大时如果仍按系统频率 对应的采样点数取用记忆电压，就会使记忆电压与当前电流因为不对应而引入额外角差，可能导致故障方向判断出现错误结果。可按系统频率最大 的偏移量分配记忆电压缓冲区，若频率在正常范围（）内，则按照系统频率取用周波前的记忆电压；若频率发生偏移，则按实际频率折算到系统频率的周波数前的记忆电压。断线工况的方向判别考虑 断线对零序、负序、正序故障分量方向干扰很大，此时采用功率方向元件对方向的判定且需要规避 断线的相别。断线工况的故障处理过程如图所示。若无母线 断线，对于近端相金属性故障，则任一故障相对应的 功率方向结果都可正确反映故障方向。电工技术电力自动化若发生单相 断线，对于近端相金属性故障，则未断线的两相线电压与对应的相电流的 功率方向可正确反映故障方向。若发生两相 断线，对于近端相金属性故障，则未断线的相电压及对应相电流的 功率方向可正确反映故障方向。图 断线工况的故障方向处理过程分级故障特征故障方向判别方法由于母联电流会跟随两段母线负荷分配及用电高峰变化而变化，也会跟随负荷的变化频繁变化，同时考虑线路远端经高阻的故障，部分地区接入补偿设备等影响，单一方向元件难以覆盖所有故障工况。本文拟同时采用故障分量方向元件及功率方向元件，依据不同的附加故障特征筛选条件，输出综合决策的故障方向结果。各方向元件的结果均基于故障点方向记忆方法输出。分级故障特征表见表，设置级故障特征参数，根据故障期间故障分量定义不同的故障特征等级进而采取不同的取用策略。表 分级故障特征表故障特征级级零序电流.负序电压 .正序电流变化量.相近端故障，分级故障特征方向元件取用处理如图所示。检测是否满足近端相故障特征或 断线，若满足则直接取用带记忆电压处理的功率方向元件；不符合取用方向元件的条件时，检测级负序电压特征，若满足则取用负序方向元件；不符合取用方向元件的条件时，检测级零序电流特征，若满足则取用零序方向元件；不符合取图分级故障特征方向元件取用处理用方向元件的条件时，检测级正序电流变化量特征，若满足则取用正序方向元件；不符合取用方向元件的条件时，在判出结果的元件中取级故障特征占多数的方向元件；不符合取用方向元件的条件时，在判出结果的元件中按正序、负序、零序的顺序取用。其中故障分量方向元件均基于故障点记忆方法输出对应的方向判别结果。试验测试为了验证故障定位的准确性，结合典型 变电站的运行工况，搭建了双回线合环运行的 模型进行仿真测试。模型示意图如图所示。线路参数配置见表。图典型 主接线示意图表线路参数配置表电阻（）电抗（）电容（）正序 零序 侧 系 统 等 效 电 源 ，的 系 统 阻 抗 ，。变压器 容 量 为 ，接 线，变 比 为 ，短路阻抗标幺值为高中 、高低 、中低 。主变直接接地，主变不接地。侧的 站可设置为纯负荷，或者小系统。丙线对侧 站为小系统，丁线对侧 站为纯负荷。负载容量（可调节），。小系统等效阻抗 ，。电流互感器变比为 。电压互感器变比为 。线路长度为 ，可调。丙线设置故障点 、分别对应近端故障、中间故障、远端故障。丁线设置故障点 、分别对应近端故障、中间故障、（下转第 页）电力自动化电工技术 表阀控优化后执行步骤的自检信号换流阀启停过程 停运不控充电（模块自检完成前）不控充电（模块自检完成后）可控充电 运行 闭锁停运表阀控优化后执行步骤、的自检信号换流阀启停过程 停运（阀控主机和光纤分配屏掉电后复电）不控充电（模块自检完成前）不控充电（模块自检完成后）可控充电 运行 闭锁停运由表、表可以看出，运行的阀组在收到闭锁命令后各桥臂的桥臂控制板收到的自检信息标志位均为，此时功率模块旁路条件不再满足。当再次对系统进行不控充电时，在模块取电成功前无论阀控系统是否检测到故障，功率模块旁路使能均无效。这从根本上解决了上述功率模块自检功能试验失败的问题。结语本文基于柔性直流阀控系统的全链路试验方案，通过实时仿真平台开展柔性直流换流阀自检功能试验，并对该试验结果进行分析。试验结果表明，该阀控系统自检功能的识别是可靠及正确的，然而在对阀控主机屏及脉冲分配屏进行掉电重启试验时，阀控系统也呈现出了逻辑上的漏洞，通过增加阀组闭锁时对功率模块控制板卡进行自检信号自清除的措施，使该逻辑漏洞得以补全，极大提升了阀控系统的可靠性及自适应性。参考文献 谢惠藩，付超，李诗旸，等 昆柳龙多端直流线路故障恢复及换流站在线退站的系统稳定特性分析 南方电网技术，（）：成慧雯，王渝红 混合型 单站带电投入运行的充电策略南方电网技术，（）：黄润鸿，陈俊，龚文明，等柔性直流阀控全链路试验方案及实时仿真南方电网技术，（）：杨卫刚，宗文志，姜喜瑞，等厦门 柔性直流输电换流阀及阀控制保护系统设计和工程应用智能电网，（）：刘涛，李婧靓，李明，等南方电网鲁西背靠背直流异步联网工程控制保护系统设计方案南方电网技术，（）：（上接第 页）远端故障。每个故障点均涵盖单相接地、相间故障、三相故障；故障类型包括金属性接地、高阻接地、相间经高阻、频率偏移等。故障前系统运行工况，按如下种工况设置。（）各站均设置为负荷，正常负荷时母联电流为。（）各站均设置为小系统，正常负荷时母联电流为。（）各站均设置为小系统，正常负荷时母联电流为。在上述故障前系统运行工况下，针对甲线、，丁线 、在不同故障类型下触发的故障状态，装置的故障方向判断结果均正确。结语基于故障点方向记忆及故障特征分级的故障方向判别方法，实现原理简单，可在一定程度上提高方向元件的准确性，提高方向元件对异常波动及 饱和等工况的适应性；通过故障特征分级筛选的方法，可充分发挥各方向元件的优点。本文论述的故障方向判别实现方法，对于解环装置等对方向判别要求重准确轻速度的工况，具有一定参考价值。参考文献 王彦国，余群兵，金震一种快速解环保护及合解环方案电工电气，（）：陈晓彬，孙旭，陆金凤，等基于母联功率方向的环网快速解列方法电气技术，（）：屈万龙，高树功，梁健，等双回线环网运行的快速解环装置研制 电力自动化，（）：张保会，尹项根 电力系统继电保护 版 北京：中国电力出版社，申志成，张慧媛，龚仁敏 反应全类型故障的改进零序方向元件 电力系统保护与控制，（）：谢俊，李勇，刘宏君，等线路纵联零序方向保护误动机理分析及对策研究 电力系统保护与控制，（）：武凯 饱和对方向元件的影响及应对措施济南：济南大学，电工技术电力自动化