新型超高壓輸電線路保護方案的研究
| 簡介： 介紹了一種基于DSP的新型超高壓輸電線路微機保護方案。它采用雙主雙后的配置，重合閘相對獨立。在保護原理方面采用了補償電壓突變量方向元件和雙原理綜合接地距離繼電器等新方案，并在軟件流程方面采取了模塊化設(shè)計，從而大大提高了保護性能。該方案結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，人機界面友好，通訊功能強大，適用于各種超高壓輸電線路保護。 關(guān)鍵字：數(shù)字信號處理器 補償電壓突變量方向元件 電抗型接地距離繼電器 1 引言 隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的電壓等級不斷提高，結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。隨著三峽工程的逐步完工，國家大電網(wǎng)將以500 kV的電壓等級從三峽輻射全國。因此，對超高壓線路保護方案提出了更高的要求。另外，由于VLSI技術(shù)的不斷進步，特別是新一代的DSP芯片的不斷出現(xiàn)，其高速和并行處理能力越來越強，以及價格越來越便宜的優(yōu)點，使得應(yīng)用DSP替代原來的多CPU單片方式成為可能。 這種情況下，研制新一代的超高壓線路保護使傳統(tǒng)保護得以升級換代，成為比較迫切的任務(wù)。 2 方案的系統(tǒng)設(shè)計 本方案是適用于220～500 kV超高壓輸電線路的主、后備成套保護，可以快速、可靠和有選擇地切除各種類型的線路故障，適用于短線、中長線、超長線、單端電源、雙端電源以及弱電源的各種工況的超高壓輸電線路。 方案中包含交流模件、直流模件、DSP模件、跳閘模件、信號模件、管理模件等7個模件。全部采用6U背插式結(jié)構(gòu)，各模件采用雙插座連接方式，使強、弱電回路相互隔離。DSP單元以及管理單元核心部件均采用多層印制板和表面貼裝技術(shù)，抗干擾能力得到了很大的提高。 3 方案的硬件特點 本方案采用兩個獨立的數(shù)字信號處理(以TI公司的超高速浮點DSP為核心)模件，實現(xiàn)雙主雙后的配置，這樣可以有效地防止由于某DSP單元故障而導(dǎo)致保護的誤動或者拒動，DSP模件主要完成保護采樣、邏輯、出口和事件記錄功能。其強大的指令系統(tǒng)，巨大的地址空間，多總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高速的并行指令處理能力等硬件性能為實現(xiàn)本方案的強大功能提供了硬件基礎(chǔ)。 管理模件基于以高性能、低成本而著稱的微處理器，完成保護方案整定與調(diào)試的人機接口、故障數(shù)據(jù)收集整理以及顯示打印、實時時鐘對時與廣播、各DSP運行狀態(tài)監(jiān)視、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、本地通訊以及遠(yuǎn)程維護通訊等任務(wù)。其豐富的通訊接口包括以太網(wǎng)接口、RS422／485口、RS232口以及CAN總線接口，可以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的各種復(fù)雜要求。 4 方案的技術(shù)性能特點 4．1 保護方案的技術(shù)特點 方案在保護原理和算法方面采用了多種新技術(shù)，從而大大提高了整套保護方案的性能。主保護包括由正序電壓突變量、負(fù)序以及零序電壓方向判別元件所構(gòu)成的快速縱聯(lián)保護、由自適應(yīng)反時限過流保護構(gòu)成的獨立快速I段保護；后備保護包括突變量距離保護、三段式相間和接地距離保護、二段式零序電流保護、反時限零序電流保護以及重合閘、故障測距等。另外考慮了非全相運行、系統(tǒng)振蕩閉鎖、PT及CT斷線閉鎖、合閘于故障加速跳閘等特殊工況。 4．2 方案的主要保護原理 4．2．1 主保護方向判別元件 方案的方向元件采用的是基于補償電壓的突變量方向判別元件［1］，它是利用正、反方向故障時補償電壓突變量與母線電壓突變量之間的關(guān)系而提出的新型故障方向判別原理。這種方向元件耐受過渡電阻的能力較強，不受正、反方向外部故障切除時電壓 恢復(fù)的影響，對系統(tǒng)振蕩不敏感，不受對側(cè)故障以及大電源側(cè)電壓靈敏度不足的影響，并且用模值比較方式實現(xiàn)，動作速度快 文獻［1］提出的具體原理如下： 當(dāng)發(fā)生故障時，正方向元件ΔD＋的動作條件可以寫為：  式中：ΔUop為補償電壓突變量，ΔU為保護安裝處的電壓突變量，ε為裕度門坎。 本方案不經(jīng)選相僅以故障電流******相為參考相，直接求取正序電壓突變量并構(gòu)成保護正、反方向判據(jù)：  式中：ΔU1op＝ΔU1－ΔI1×Z1Y為正序補償電壓突變量，ΔU1為正序電壓突變量，ΔI1為正序電流突變量，Z1Y為整定正序阻抗。 考慮到突變量只能在故障開始后有限的時間內(nèi)獲得，在故障進入穩(wěn)態(tài)且無法準(zhǔn)確獲取突變量時，本方案采用負(fù)序電壓補償式方向元件，其基本原理同正序突變量方向類似，其判據(jù)如下：  式中：U2op為負(fù)序補償電壓，U2為負(fù)序電壓。 為了提高線路保護對單相經(jīng)高阻接地故障時的靈敏度，增加了零序方向元件，其判據(jù)如下：   式中：U0op為零序補償電壓，U0為零序電壓。 另外，為了盡快切除近端、尤其是出口故障，本保護特設(shè)了不依靠通道的自適應(yīng)反時限過流保護構(gòu)成的獨立快速I段保護。當(dāng)本側(cè)保護快速I段保護動作時，將同時向?qū)?cè)發(fā)正方向信號，以使對側(cè)能以最快的速度跳閘。 4．2．2 電抗型接地距離和I0極化接地距離綜合判別繼電器 本方案的接地距離保護采用了傳統(tǒng)的電抗型接地距離繼電器和I0極化接地距離繼電器綜合判別的新方案。它成功地克服了常規(guī)I0極化接地距離繼電器受端穩(wěn)態(tài)超越問題和電抗型接地距離繼電器送端超越問題。 I0極化接地距離繼電器是以補償后的零序電 流為極化量的電抗型接地距離繼電器，判據(jù)如下：  其特點就是能耐受較大的過渡電阻和負(fù)荷的影響，但存在一個重要的問題就是應(yīng)用于線路受端時，當(dāng)過渡電阻增大到某個臨界值時，會出現(xiàn)所謂的“同相”問題，當(dāng)過渡電阻進一步增大時，會出現(xiàn)超越誤動現(xiàn)象［2］。 電抗型接地距離繼電器的判據(jù)如下： 其特點就是測量阻抗包括了由于過渡電阻而產(chǎn)生的測量誤差ΔZ，在線路送端的情況下，ΔZ的角度為負(fù)，當(dāng)其值大到某個值時，如果故障點在整定點不遠(yuǎn)處，則會出現(xiàn)超越動作。而在受端，則情況相反，過渡電阻可能引起繼電器的拒動，從而縮小了動作范圍。 經(jīng)過仿真分析，把它們綜合起來使用，互為補充，既提高了保護的抗過渡電阻能力又能防止超越。仿真結(jié)果如圖2所示。其中橫坐標(biāo)為接地電阻大小(0～300Ω)，縱坐標(biāo)是不同的短路點，50指線路全長，40是線路全長的80％，即保護的整定點；陰影和(b)中的曲線為動作區(qū)。 4．2．3 保護程序流程的實現(xiàn) 由于本保護判據(jù)較多，加上重合閘邏輯以及非全相運行、振蕩等多種工況，使得程序邏輯十分復(fù)雜。如果按照傳統(tǒng)程序流程來編寫程序，將使得程序可讀性差，編程易于出錯，調(diào)試不夠靈活。為了解決這些問題，本方案特采用模塊化設(shè)計。把中斷程序分成三大模塊如圖3所示：計算模塊、判據(jù)模塊、邏輯模塊。 計算模塊負(fù)責(zé)采樣后所有的變量(基本量和中間量)計算；判據(jù)模塊是在所有變量的基礎(chǔ)上，計算所有的判據(jù)包括啟動判據(jù)、故障處理判據(jù)、重合閘判據(jù)。邏輯模塊，是按照整個保護的邏輯出口的要求，對所有的出口進行邏輯判斷，決定是否跳閘或重合閘。 這種處理充分發(fā)揮了DSP強大的計算能力，并且根據(jù)用戶的不同需求，更方便地修改跳閘邏輯(只需修改與之相關(guān)的邏輯模塊)，更易于調(diào)試保護功能和實現(xiàn)上層分析系統(tǒng)的跳閘邏輯分析功能。 5 結(jié)論 基于超高速浮點DSP的新型超高壓線路保護方案由于其強大的數(shù)學(xué)運算能力和保護原理的設(shè)計，功能更趨強大。該方案結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，人機界面友好，通訊功能強大，適用于各種超高壓輸電線路保護。 |
