適用于多種供電方式的節點聯鎖保護方法

李 鋼 胡榮遠 周劭亮 劉 輝 張 瓊 沈宇龍 紀浩然 殷照華

(1.南京南瑞集團公司,210061,南京; 2.國核電力規劃設計研究院有限公司,100095,北京∥第一作者,正高級工程師)

1 供電系統繼電保護存在的問題

城市軌道交通交流中壓環網供電系統中,常在兩個車站間設置光纖縱差作為主保護,并按階梯式原則設置定時限過流保護作為后備保護。主保護和后備保護結合,構成完備的保護。由于城市軌道交通供電主變電所有最大允許時限的要求,若按階梯式原則設置定時限過流保護,保護級數太多,難以保證滿足主變電所允許時限的要求。此外,環網通常采用雙電源供電,當供電從日常工作電源改為備用電源供電時,靠近日常工作電源點的動作時限較長,遠離日常工作電源點動作時限較短的階梯式動作時限要顛倒過來,這并不易實現。

為此,繼電保護廠家采取了一些措施,典型的措施是通過相互發送無方向的閉鎖信號,以防止過電流保護誤動作。相互發送無方向信號時,大多采用電纜傳遞接點方式[1],但該方式需考慮電纜線松脫或斷裂、控制接點開合的繼電器故障等問題,這些問題可能會造成保護裝置無法收到閉鎖信號。

無方向閉鎖信號也可通過如GOOSE(面向通用對象的變電站事件)等通信方式予以發送[2-7]。其信號發送判據為:電流超過GOOSE無方向閉鎖式發信定值時,發送無方向閉鎖信號給相鄰保護;其動作判據為:電流超過GOOSE無方向閉鎖式跳閘電流定值時,若未收到母線側和線路側其他相鄰保護發送的任何GOOSE無方向閉鎖信號,則GOOSE無方向閉鎖式電流保護經延時后跳閘,切除故障。之所以需要閉鎖信號,是為了在發生下級保護區域內的故障時,防止在下級保護動作切除之前上級保護越級誤動。該方法存在以下兩個問題:一是閉鎖式保護沒有收到相鄰保護閉鎖信號,可能是相鄰保護程序發生問題,或存在硬件問題、交換機問題、連線/網線問題等,此時不能因沒有收到閉鎖信號而貿然采取跳閘措施,以避免越級跳閘造成誤動,因此,閉鎖式保護跳閘的時限通常設得較長,進而導致不能快速切除故障。輻射狀單電源供電系統也存在此問題。二是如果采用多電源系統,保護可能會出現拒動。這是由于無方向閉鎖保護信號具有無方向性的特點,這導致其不僅能向上級保護發送閉鎖信號,也能向下級保護發送錯誤的閉鎖信號,進而導致下級保護拒動。

在城市軌道交通實際的供電系統中,往往存在著多種多電源情況:為了不影響運營,城市軌道交通線路可能會采取不停電倒閘的工作方式,即短時合上環網中的分段斷路器及聯絡斷路器,這會導致出現短時間內雙電源同時供電的情況。

為了節能環保,越來越多的城市軌道交通線路采用了能量回饋裝置和儲能裝置,即當列車剎車時,列車的動能轉化為電能,并向中壓環網回饋供電或儲能;當列車起動時,該儲能裝置可輸出電能。由于同一條線路上有多列電客車在運行,可視為城市軌道交通系統中動態地出現了多個電源。

在分布式發電和儲能領域中,也存在類似的問題:風機在啟動過程中呈負荷特性,在正常工作時呈電源特性,二者電流方向相反。同樣地,儲能在充電時呈負荷特性,在放電時呈電源特性,二者電流方向相反。所以,新能源發電和儲能也存在多電源點及電源點動態變化的情況。

區域供電系統(包括居住區和工廠等)的環網供電方式也存在與城市軌道交通中壓供電系統相似的問題。

文獻[8]對智能變電站簡易母線保護進行了探討,但該文以母線單元模塊作為最小單元來組合實際系統,模塊組合不太方便;該文假設電源潮流方向固定,不適用于原饋出線變為電源接入的情況。因此,該類論文僅限于母線保護,適用性不夠廣泛。

對于上述閉鎖式保護問題和多電源問題,目前并沒有系統性的解決方法,這給繼電保護的功能設計和定值設定帶來了新的挑戰。為解決上述問題,本文提出一種適用于多種供電方式的節點聯鎖保護方法。

2 方法概述

該方法以節點為核心,適用于各種保護裝置。這里的節點是指在電網一次系統中電氣直接聯系的點。節點包括分段左側母線、分段右側母線、無分段的母線及線路,其中,線路包括一根輸電線或T接線路。將與節點直接相連的斷路器對應的保護裝置簡稱為該節點的保護。直接連接到同一個節點的保護互為相鄰保護。每個保護最多可相連兩個節點。與節點間有時斷開、有時閉合的斷路器對應的保護,也屬于該節點的保護范疇。

城市軌道交通交流中壓供電系統如圖1所示。圖1中:有三個電源(電源1、電源2及電源3);A、B、C、E均為車站;DL1(A1)為斷路器(同時表示負責分合此斷路器的保護裝置),其中DL后面的1是斷路器的編號,(A1)表示與A站的1號母線(以下簡稱“A站1母”) 相連,其余斷路器的含義類似;LAB1表示A站1母與B站1母直接相連的輸電線路,其余線路的含義類似;k1表示在LBC1輸電線路上可能的故障點,k2、k3及k4的含義類似。

圖1 城市軌道交通交流中壓供電系統圖

由圖1可知:B站1母為1個節點,包含的相鄰保護分別為DL1(B1)、DL2(B1)、DL3(B)及DL4(B1);B站2母為另外1個節點,包含的相鄰保護分別為DL1(B2)、DL2(B2)及DL3(B)。其余相鄰保護類似。

3 方法判據

在繼電保護裝置中設置節點聯鎖保護,包括無方向閉鎖式保護、逆向閉鎖式保護、允許式保護、無方向失靈保護、逆向失靈保護及聯跳等方式,每種保護均包含聯鎖保護發信判據和動作判據兩個部分。無方向閉鎖式保護、無方向失靈保護及聯跳的發信判據和動作判據均為傳統方式,本文不再贅述。

1) 逆向閉鎖式保護的發信判據為:最大相電流或零序電流大于閉鎖式發信定值時,發送逆向閉鎖信號給最大相電流或零序電流逆向指向的母線側/線路側。其動作判據為:當最大相電流或零序電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值,且未收到電流順向指向的母線側或線路側任一相鄰保護發送的逆向閉鎖信號時,在規定時延后跳閘。

2) 逆向失靈保護的發信判據為:最大相電流大于無流門檻定值時,保護發出跳閘命令,經過發信時延,發送逆向啟動失靈信號給最大相電流逆向指向的母線側/線路側。其動作判據為:當最大相電流大于逆向失靈跳閘電流定值,且收到最大相電流順向指向的母線側或線路側任一相鄰保護發送的逆向啟動失靈信號時,在規定時延后跳閘。

3) 允許式保護的發信判據有兩個:一是當最大相電流或零序電流大于順向允許式發信電流定值時,發送順向允許信號給最大相電流或零序電流順向指向的母線側/線路側;二是當電流小于無流門檻定值且收到任一相鄰保護分相無方向閉鎖信號時,或當在斷路器處于合位、電壓從額定電壓變為小于無壓門檻定值時,發送無方向允許信號給所有相鄰保護。允許式保護的動作判據為:當最大相電流或零序電流大于允許式跳閘電流定值,且收到電流順向指向的母線側或線路側所有相鄰保護發送的允許信號時,保護動作,切除故障。

4 技術路線

電流順向指向和電流逆向指向是指將電流與母線參考電壓進行實時比較,判斷出電流的流向,將順著電流流向方向稱為電流順向指向,將逆著電流流向方向稱為電流逆向指向。判別電流指向的目的是讓保護明確發送和接收聯鎖信號的方向,即明確需要發送和接收聯鎖信號的對象,使得本文所提方法能夠適應短路電流方向不確定的情況。這是本文所提方法的另一個技術核心。

本方法規定保護電流正方向指向線路側,反方向指向母線側。對于分段或母聯保護,則規定保護電流正方向指向1母側,反方向指向2母側。當電流判斷為正方向時,電流順向指向線路側,電流逆向指向母線側;反之,當電流判斷為反方向時,電流順向指向母線側,電流逆向指向線路側。

在保護中分別配置線路側和母線側的所有相鄰保護,該操作也可通過GOOSE的拉線完成。

平時在分位的斷路器對應的保護,也參與保護的聯鎖邏輯,以保證此保護對應的斷路器合閘后的聯鎖邏輯正確。如果保護退出運行,則將此保護置于“檢修位”,此時該保護不再參與相鄰保護連鎖信號的判斷。

相鄰保護之間可通過GOOSE網、局域網、無線網及硬接線傳遞接點信號等方式傳遞聯鎖信號;輸電線路兩側的保護則可通過光纖或載波等方式傳遞聯鎖信號。

由于允許式保護、逆向閉鎖式保護、無方向閉鎖式保護的安全性依次遞減,因此,各保護整定的動作時限應依次加長。這三種保護方式應相互配合,構成完備的保護方案。

由于逆向失靈保護的安全性高于無方向失靈保護,因此逆向失靈保護整定的動作時限可以短于無方向失靈保護整定的動作時限。這兩種保護方式相互配合,以構成完備的失靈保護方案。

該方法兼顧了速動性和選擇性,在不增加額外保護裝置的情況下,不僅能快速、準確切除線路故障,還能快速、準確切除母線故障。

可以把電流判據改為阻抗判據,即用無方向阻抗定值代替電流定值,方向判斷采用方向阻抗。由于電流與阻抗為倒數關系,只需將上文的各判據中的“大于”改為“小于”,判據仍然適用。

某些區域供電系統存在子站沒有斷路器、只有隔離刀閘的情況,該類子站發生故障時,可依靠主站斷路器跳閘,再通過子站自主操作或主站遙控等方式斷開故障區域的隔離刀閘。該類故障下,可以把本文所提方法放入子站智能裝置中,由故障區域的子站進行判斷,在故障電流消失后自主斷開隔離刀閘;也可以把子站的跳閘決策發送給主站,由主站遙控斷開故障區域的隔離刀閘。

分布式電源大多通過逆變器并網,逆變器外短路時,逆變器的限流控制策略使得分布式電源不能提供明顯的短路電流。該情況下的電流不像典型的短路電流那么大,但仍有可能超過傳統的無方向閉鎖式GOOSE聯鎖保護的閉鎖發信電流定值,進而導致線路側無方向閉鎖式GOOSE聯鎖保護被誤閉鎖,不能跳閘。本文所提方法有效規避了此問題,當電流大于閉鎖式發信電流定值時,發送逆向閉鎖信號。由于在分布式電源采用逆變器供電情況下,逆向閉鎖信號發送給分布式電源側,而不是發送給線路側,即不閉鎖線路側的逆向閉鎖式GOOSE聯鎖保護,使得此保護能夠正確動作。同理,允許式保護也能正確動作。

5 應用舉例

結合圖1的城市軌道交通交流中壓供電系統,對本文所提方法在多種供電方式下不同故障點的各種保護動作行為進行詳細的分析和說明。圖1中:電源1和電源2為城市軌道交通的供電電源,可視為區域供電電源;電源3為城市軌道交通能量回饋系統的電源,也可視為區域供電系統及分布式發電、儲能系統的電源。

假設兩個車站之間線路兩端的光纖縱差保護沒有工作或沒有設置,電源1、電源2、電源3均正常運行,B站1母中k2點發生故障(此故障為母線故障),分析該情況下各種保護的動作行為:

1) 傳統的無方向閉鎖式保護的動作情況。該保護方式下,DL2(B1)保護故障相電流大于無方向閉鎖式跳閘電流定值,但由于收到了DL1(C1)、DL1(B1)及DL4(B1)保護發送的無方向閉鎖信號,保護拒動。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護也拒動。

2) 逆向閉鎖式保護的動作情況。在該保護方式下,DL2(B1)保護故障相電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值,但未收到DL1(C1)、DL1(B1)、DL4(B1)及DL3(B)發送的逆向閉鎖信號,該保護正確跳閘,并通過B站與C站之間的光纖聯跳DL1(C1)。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護也正確跳閘。故障相電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值的其他所有保護(DL1(A1)、DL2(A1)、DL1(C1)及DL2(C1)),因收到電流順向指向的至少1個相鄰保護發送的逆向閉鎖信號,保護不會誤跳閘。

3) 允許式保護的動作情況。在該保護方式下,DL2(B1)保護故障相電流大于允許式跳閘電流的定值,收到了DL1(C1)、DL1(B1)、DL4(B1)及DL3(B)發送的允許信號,該保護正確跳閘,并通過B站與C站間的光纖聯跳C站的DL1(C1)。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護也正確跳閘。故障相電流大于允許式跳閘電流定值的其他所有保護(DL1(A1)、DL2(A1)、DL1(C1)及DL2(C1)),因沒有收到電流順向指向的至少1個相鄰保護發送的允許信號,保護不會誤跳閘。

單電源及雙電源下的保護動作行為類似,本文不再贅述。

由此可見,傳統的無方向閉鎖式保護方法在多電源情況下會出現拒動現象。

線路LBC1中k1點發生線路故障、E站1母中k3點發生饋出母線故障、B站2母中k4點在分段DL3(B)合閘狀態發生母線故障等,聯鎖保護的動作行為與上文所述k2點的動作行為類似,本文不再贅述。

6 結語

本文用節點來統一各種保護之間的關系,以此來界定各個節點的相鄰保護,進而建立統一的節點聯鎖保護方法。該方法規定了各種保護的正方向指向,通過正反方向的判定來確定電流順向和逆向指向。在此基礎上提出允許式保護和逆向閉鎖式保護,這兩種保護方式克服了傳統的無方向閉鎖式保護在多電源系統可能出現的拒動問題。允許式保護不存在閉鎖式保護需要等待閉鎖信號的問題,所以在收到故障電流順向指向的其相連節點所有相鄰保護主動發送的允許信號時,可以快速跳閘,所以允許式保護的動作時限可以設置小于閉鎖式保護的動作時限。

采用該方法后,只需要對本站保護,以及本站進出線對端的保護相互進行聯鎖,不需要其他站保護參與聯鎖即可實現全電網的聯鎖保護,其實施和維護的難度較低。如果線路之間光纖縱差保護沒有工作或沒有配置,也能夠對各種供電方式下的故障提供完備的保護。

該方法適用于單電源、雙電源及多電源等各種供電方式,也適用于電源點動態變化及多個供電方向的供電系統。該方法適用于各種保護裝置,適用于輻射狀供電系統和環網供電系統,適用于城市軌道交通供電系統及其能量回饋系統、分布式發電和儲能系統、區域供電系統等多個應用場合。