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基于故障多元信息的新型保護系統關鍵技術與應用

一、立項背景繼電保護是保障電網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，歷經多次更新換代，我國繼電保護技術一直處于世界先進水平，為保障電網安全做出了突出貢獻。隨著智能電網的發展、超/特高壓遠距離輸電大通道的建設、區域電網的廣泛互聯和波動性新能源的規模化接入，我國已建成世界上規模最大、結構最復雜的電網。電網的快速發展給繼電保護帶來了嚴峻挑戰： 1、后備保護方面，由于電網結構復雜，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。國內已發生多起類似“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；國際上屢屢發生的因潮流轉移過負荷，后備保護誤動引發的如美加“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損失。這些問題已成為我國電網安全運行的重大隱患！問題的癥結在于傳統保護僅利用設備自身的電氣量信息，在復雜電網環境下，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。不改變傳統保護工作模式，僅對保護判據進行修正或調整定值，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、系統構成模式進行全面創新，構建“站域集中-站間分布式”新型保護系統。圖1 技術發明總體思路三、發明方案技術發明點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振蕩影響，保護誤動的問題。針對上述問題，該項目發明了保護關聯關系在線快速跟蹤和可靠性校核方法；創造性地將故障的空間分布特征映射為站間的保護關聯邏輯量信息，首創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。發明點1.1：發明了保護關聯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拓撲的變化，確定保護的關聯關系，是保護利用站間信息首先要解決的關鍵問題。發明了保護關聯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關系分析方法，創造性地將開關狀態虛擬為支路阻抗并構建節點虛擬阻抗矩陣，在線微調矩陣元素即可實現開關狀態的快速跟蹤，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）發明了電氣量和開關量信息雙重約束的關聯關系可靠性校核方法，首次將電氣量信息引入保護關聯關系識別，通過開關量信息和電氣量信息實時匹配校驗，實現了保護關聯關系的可靠在線校核。發明點1.2：首創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。根據不同位置保護邏輯量反應故障的差異化特征，發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，實現了邏輯量信息與故障分布特征的關聯和匹配，解決了保護強依賴定值的問題；2）首創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，根據動作一致性原則，既實現了故障設備的快速準確識別，又從根本上攻克了系統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；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生；不受系統振蕩和過負荷影響，避免了保護誤動引發的連鎖跳閘和系統性事故發生。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明點2：基于故障模型參數異變特征的主保護技術現有電氣設備主保護僅反應故障外在表現特征，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特征，揭示了故障導致電氣設備模型參數變化的機理，利用故障全過程電氣量信息，構建了可靈敏反應設備參數變化的故障模型，發明了基于故障模型參數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。發明點2.1：首創了可反應變電站電氣設備參數變化的故障模型，從物理本質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）發明了基于線路壓降-阻抗聯合分布的故障網絡模型，建立了線路阻抗、過渡電阻及分布電容壓降之間的幅值、相位關聯關系，創建了僅保留線路阻抗壓降分布情況的故障網絡模型（如圖3所示）；2）發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。發明點2.2：發明了基于故障模型參數異變特征的主保護技術，實現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的變化情況以及三相不一致程度，發明了基于故障模型參數異變特征的主保護技術。關鍵技術包括：1) 發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-阻抗參數關聯矩陣，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、變壓器有載調壓對保護的影響，實時計算各相等效漏感參數的突變量及不一致程度，發明了基于等效漏感參數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損失。技術發明點3：站域集中-站間分布式新型保護系統構建基于故障全過程邏輯量、電氣量信息的新型保護系統是對百年歷史繼電保護模式的重大變革，除滿足復雜電網對繼電保護的要求外，還需要考慮工程實現的可行性、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。該項目首創了站域集中-站間分布式的新型保護系統構成模式，實現了與傳統保護的有機銜接，可靈活組態適用各種電網應用場景；發明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數據校核技術、基于保護關聯關系的數據自適應替代技術，為新型保護系統信息交互提供了可靠保障。發明點3.1：首創了站域集中-站間分布式的新型保護系統構成模式，奠定了新型保護系統在不同電壓等級電網推廣應用的基礎。該項目創建了“站域集中-站間分布式”的新型保護系統（如圖7所示），實現了發明點1和2技術的工程推廣應用。關鍵技術包括：1）發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，可靈活組態適用各種電網應用場景；站域主機實現對站內信息的融合與優化利用；相鄰站域主機虛擬為變電站間隔單元，實現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；2）發明了新型保護系統與傳統保護的集成與自適應轉化技術。新型保護系統在傳統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保護功能。新型保護系統可充分傳承傳統保護成熟的運維經驗，實現了與傳統保護之間的有機銜接。發明點3.2：發明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數據校核技術、基于保護關聯關系的數據自適應替代技術，保證了新型保護系統的可靠性。基于新型保護系統構成模式，發明了站域、站間信息交互可靠性保障技術，實現了異常數據的實時校核與缺失數據的自適應替代。關鍵技術包括：1）發明了基于時間序列特征和電氣量物理約束的數據校核技術，在線修正異常采樣數據，解決了電氣量在采樣或傳輸中出現畸變而影響保護動作性能的難題；2）發明了基于保護關聯關系的數據自適應替代技術，在間隔單元CT斷線、PT斷線等信息源丟失情況下，通過數據互補重構實現缺失數據的自適應替代，保證了保護功能的完整性，有效提升了保護的可靠四、創新性成果該項目攻克了傳統保護不誤動、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，徹底解決了遠后備保護拒動，以及受系統振蕩和過負荷影響誤動的問題； 2、基于故障模型參數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，實現了保護技術在不同電網場景下的廣泛應用。

華北電力大學 2021-05-10

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