新型超高壓輸電線路保護(hù)方案的研究
| 簡(jiǎn)介： 介紹了一種基于DSP的新型超高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)方案。它采用雙主雙后的配置，重合閘相對(duì)獨(dú)立。在保護(hù)原理方面采用了補(bǔ)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(jì)，從而大大提高了保護(hù)性能。該方案結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，人機(jī)界面友好，通訊功能強(qiáng)大，適用于各種超高壓輸電線路保護(hù)。 關(guān)鍵字：數(shù)字信號(hào)處理器 補(bǔ)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(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的電壓等級(jí)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(guó)家大電網(wǎng)將以500 kV的電壓等級(jí)從三峽輻射全國(guó)。因此，對(duì)超高壓線路保護(hù)方案提出了更高的要求。另外，由于VLSI技術(shù)的不斷進(jìn)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(lái)越強(qiáng)，以及價(jià)格越來(lái)越便宜的優(yōu)點(diǎn)，使得應(yīng)用DSP替代原來(lái)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(hù)使傳統(tǒng)保護(hù)得以升級(jí)換代，成為比較迫切的任務(wù)。 2 方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hù)，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(zhǎng)線、超長(zhǎng)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(hào)模件、管理模件等7個(gè)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(qiáng)、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(diǎn) 本方案采用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理(以TI公司的超高速浮點(diǎn)DSP為核心)模件，實(shí)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(hù)的誤動(dòng)或者拒動(dòng)，DSP模件主要完成保護(hù)采樣、邏輯、出口和事件記錄功能。其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)本方案的強(qiáng)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(hù)方案整定與調(diào)試的人機(jī)接口、故障數(shù)據(jù)收集整理以及顯示打印、實(shí)時(shí)時(shí)鐘對(duì)時(shí)與廣播、各DSP運(yùn)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(hù)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(chǎng)的各種復(fù)雜要求。 4 方案的技術(shù)性能特點(diǎn) 4．1 保護(hù)方案的技術(shù)特點(diǎn) 方案在保護(hù)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(hù)方案的性能。主保護(hù)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(hù)、由自適應(yīng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)構(gòu)成的獨(dú)立快速I段保護(hù)；后備保護(hù)包括突變量距離保護(hù)、三段式相間和接地距離保護(hù)、二段式零序電流保護(hù)、反時(shí)限零序電流保護(hù)以及重合閘、故障測(cè)距等。另外考慮了非全相運(yùn)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(hù)原理 4．2．1 主保護(hù)方向判別元件 方案的方向元件采用的是基于補(bǔ)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(shí)補(bǔ)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(guò)渡電阻的能力較強(qiáng)，不受正、反方向外部故障切除時(shí)電壓 恢復(fù)的影響，對(duì)系統(tǒng)振蕩不敏感，不受對(duì)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(shí)現(xiàn)，動(dòng)作速度快 文獻(xiàn)［1］提出的具體原理如下： 當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，正方向元件ΔD＋的動(dòng)作條件可以寫為：  式中：ΔUop為補(bǔ)償電壓突變量，ΔU為保護(hù)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(hù)正、反方向判據(jù)：  式中：ΔU1op＝ΔU1－ΔI1×Z1Y為正序補(bǔ)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(shí)間內(nèi)獲得，在故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)且無(wú)法準(zhǔn)確獲取突變量時(shí)，本方案采用負(fù)序電壓補(bǔ)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(bǔ)償電壓，U2為負(fù)序電壓。 為了提高線路保護(hù)對(duì)單相經(jīng)高阻接地故障時(shí)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(bǔ)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(hù)特設(shè)了不依靠通道的自適應(yīng)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)構(gòu)成的獨(dú)立快速I段保護(hù)。當(dāng)本側(cè)保護(hù)快速I段保護(hù)動(dòng)作時(shí)，將同時(shí)向?qū)?cè)發(fā)正方向信號(hào)，以使對(duì)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(hù)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(wèn)題和電抗型接地距離繼電器送端超越問(wèn)題。 I0極化接地距離繼電器是以補(bǔ)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(diǎn)就是能耐受較大的過(guò)渡電阻和負(fù)荷的影響，但存在一個(gè)重要的問(wèn)題就是應(yīng)用于線路受端時(shí)，當(dāng)過(guò)渡電阻增大到某個(gè)臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“同相”問(wèn)題，當(dāng)過(guò)渡電阻進(jìn)一步增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超越誤動(dòng)現(xiàn)象［2］。 電抗型接地距離繼電器的判據(jù)如下： 其特點(diǎn)就是測(cè)量阻抗包括了由于過(guò)渡電阻而產(chǎn)生的測(cè)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(gè)值時(shí)，如果故障點(diǎn)在整定點(diǎn)不遠(yuǎn)處，則會(huì)出現(xiàn)超越動(dòng)作。而在受端，則情況相反，過(guò)渡電阻可能引起繼電器的拒動(dòng)，從而縮小了動(dòng)作范圍。 經(jīng)過(guò)仿真分析，把它們綜合起來(lái)使用，互為補(bǔ)充，既提高了保護(hù)的抗過(guò)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(diǎn)，50指線路全長(zhǎng)，40是線路全長(zhǎng)的80％，即保護(hù)的整定點(diǎn)；陰影和(b)中的曲線為動(dòng)作區(qū)。 4．2．3 保護(hù)程序流程的實(shí)現(xiàn) 由于本保護(hù)判據(jù)較多，加上重合閘邏輯以及非全相運(yùn)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(lái)編寫程序，將使得程序可讀性差，編程易于出錯(cuò)，調(diào)試不夠靈活。為了解決這些問(wèn)題，本方案特采用模塊化設(shè)計(jì)。把中斷程序分成三大模塊如圖3所示：計(jì)算模塊、判據(jù)模塊、邏輯模塊。 計(jì)算模塊負(fù)責(zé)采樣后所有的變量(基本量和中間量)計(jì)算；判據(jù)模塊是在所有變量的基礎(chǔ)上，計(jì)算所有的判據(jù)包括啟動(dòng)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(gè)保護(hù)的邏輯出口的要求，對(duì)所有的出口進(jìn)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(qiáng)大的計(jì)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(hù)功能和實(shí)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(diǎn)DSP的新型超高壓線路保護(hù)方案由于其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和保護(hù)原理的設(shè)計(jì)，功能更趨強(qiáng)大。該方案結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，人機(jī)界面友好，通訊功能強(qiáng)大，適用于各種超高壓輸電線路保護(hù)。 |
