广域继电保护的系统结构及故障元件判别

【摘 要】广域继电保护具有传统继电保护在难题解决方面所不具有的优势，因此其相关技术研究受到了广泛的关注。本文对广域继电保护系统的系统结构进行了分析，然后就如何利用故障元件判别原理实现广域继电保护进行了讨论。

【关键字】广域继电保护；系统结构；故障元件判别原理

1　广域继电保护的优势分析

随着我国经济的快速发展，我国正在逐步形成多个前所未有的复杂程度高的供电和用电网络。由于安全稳定运行对电网有着至关重要的意义，因而对继电保护所提出的要求也变得越来越苛刻。但是当前电网中的继电保护还存在如下问题，为维持电网的稳定运转带来了隐患：

1.1定值整定与配合困难。当前的继电保护系统通常由主保护和后备保护两部分构成。现代电网的结构和运行方式复杂多变，导致各相关后备保护之间的动作整定值之间的配合也变得极为复杂，这就容易导致在就地检测量和延时实现配合的方式很难确保选择性。进而导致在继电保护系统中趋向于加强主保护，简化后备保护。但是这种方式无疑增加了在紧急状态下引发电网局部灾难的风险。

1.2远后备保护延时过长。多级阶梯延时配合会导致远后备保护时间会很长，这不利于系统安全

1.3缺乏自适应应变能力。由于传统的后备保护的整定配合运行方式有限，故一旦电网架构和运行方式发生频繁或者大幅度改变，就容易导致后备保护动作特性失配，导致事故的扩大。

1.4存在潜在误动作风险。在非预设情况下电网结构或者运行工况的突变会引发大范围的负电荷潮流转移，这种情况容易引起跳闸，甚至导致大范围停电事故的发生。

上述后备保护问题主要因当前系统信息不全面造成的。基于广域信息的广域继电保护系统弥补了上述传统继电保护中存在的不足，改善了系统性能，成为研究的热点。

2　广域继电保护的系统结构分析

基于故障元件判别原理（FEI）的广域继电保护系统结构主要分为集中式、分布式和分布-集中混合式三种。其中集中式系统结构由于只有一个决策中心，故系统通信量小，可利用的信息量多，便于系统决策，但是其缺点是决策中心的信息交换和处理负担都很重，系统存在单点失效的风险。分布式系统结构的决策机构分布在各个变电站中，这种结构决定了信息交换和处理会进行平摊，且没有了单点失效风险，但是这种结构会造成系统通信量的大大增加，导致系统设计复杂。分布-集中混合式的系统结构采用对整个电网进行分块处理的方式在每个分块内确定一个决策中心，利用该中心负责该区域的广域保护系统的功能实现和与相邻分区的系统信息交换。该方式结合了上述两种方式的优点，弥补了上述两种方式中存在的不足，故称为广域继电保护系统研究的重点

3　利用FEI实现继电保护

实现FEI广域继电保护的关键是故障元件判别机制。本节提出下面三种算法。

3.1　基于故障电压分布实现故障元件判别

该原理利用一侧的电压故障分量的测量值对另一侧的电压故障分量进行估算，因而可以同时获得线路两侧的电压故障分量的测量值和估算值。当线路发生外部故障时，线路任意一侧的电压故障分量的测量值和估算值是一致的，一旦发生内部故障，至少一侧的测量值和估算值会产生较大差异，通过这种差异构成故障元件的识别判据。结合零序分量、正序分量、和负序分量三种判别元件，综合利用线路两侧的元件形成组合判据，可以实现对接地故障、不对称相间故障和三相短路故障的判断。

3.2　基于广域综合阻抗实现故障元件判别

鉴于综合阻抗的纵联保护对分布电容的克制有积极作用，且其灵敏度较高，故可以利用综合阻抗实现故障元件判别，弥补广域电流差动保护的缺陷。

该原理利用区域多端电压和电流构造综合阻抗，定义公式如下：

式中，M为流入广域继电保护区域的线路数目；N为广域继电保护区域边界母线数目。

区域外发生故障时，反映到综合阻抗上为阻抗表现为容抗，虚部为千欧级，阻抗角在-90°左右；区域内发生故障时，综合阻抗表现为感抗，虚部值较小。通过该原理可以对故障进行判断。该方法耐过渡电阻能力强，抗干扰能力强，还具有选相功能。

3.3　基于遗传信息融合技术实现故障元件判别

该方法立足于故障方向的关于继电保护原理，利用参与处理的信息如：主保护、断路器状态及失灵保护、带方向距离保护、一段和二段动作信息等广域冗余信息构建适当的数学模型，通过该数学模型求解各保护状态的期望函数。根据状态值与期望值之间的差异构造适应度函数。通过遗传算法的种群建立实现和快速搜索运算实现最优解的求解，达到故障方向决策和故障元件判别的目的。该方法可以纠正故障方向信息错误，在大范围干扰和信息不完备的情况下实现故障元件的正确判断。

4　总结

本文讨论了基于故障元件判别原理的的广域继电保护系统的系统构成，并从实际应用出发，提出了几种通过故障元件判别原理实现继电保护的方法，这些方法从不同角度实现了传统继电保护中所面临的难题。

参考文献：

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