110 kV線路距離保護裝置的研制

孫會浩，杜肖功，宋曉東

（1.中國石化勝利油田，山東 東營 257000；2.積成電子股份有限公司，山東 濟南 250001；3.山東電力集團公司，山東 濟南 250001）

0 引言

目前，在電力系統(tǒng)中，智能化微機保護產(chǎn)品得到廣泛應用。微機保護產(chǎn)品在繼承常規(guī)保護成熟技術的基礎上,其智能化特點日益突出,這不僅更好地滿足了電力系統(tǒng)對可靠性和安全性的要求，而且為保護的測試試驗和現(xiàn)場維護帶來了更多的便利。

隨著電壓等級的越來越高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復雜，電力系統(tǒng)對繼電保護的要求也越來越高。同時，隨著新技術的陸續(xù)出現(xiàn)和微電子技術的發(fā)展，特別是高性能浮點DSP技術在繼電保護中的應用，使得開發(fā)研制功能完善、性能優(yōu)越、動作迅速、可靠性高的微機高壓線路保護成為可能。

SAL331距離保護裝置就是適應這種要求，采用多種新原理和新技術研發(fā)的新一代微機線路保護裝置。

1 整體介紹

1.1 硬件平臺

硬件平臺是繼電保護算法的載體，高性能的硬件平臺是實現(xiàn)智能化保護的基礎。

SAL331距離保護裝置的硬件平臺是在分析和借鑒國內(nèi)、外同類產(chǎn)品基礎上，從技術和開發(fā)手段的先進性、軟硬件資源的通用性和系統(tǒng)的可靠性等方面出發(fā)開發(fā)的一款高性能硬件平臺。該平臺的核心單元是由基于32位浮點型DSP的保護處理單元和基于32位微處理器的MMI處理單元構(gòu)成，即采用雙CPU并行工作模式。采用這種模式，能夠在充分利用DSP數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)點的同時，發(fā)揮微處理器I/O引腳豐富、邏輯處理能力強及通信處理能力強等優(yōu)點；雙CPU并行處理模式的采用，減輕了保護CPU的負載，為保護算法采用高級語言進行模塊化設計奠定了基礎。

1.2 軟件設計

在軟件上，保護處理單元的保護算法采用浮點運算，避免了定點計算數(shù)據(jù)溢出問題，簡化了編程，提高了計算精度。采用基于狀態(tài)調(diào)度的模塊化編程，提高了保護算法的可靠性、增強了產(chǎn)品的可維護性、同時提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性；MMI處理單元采用工業(yè)級強實時操作系統(tǒng)作為支持系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)具有較高的可靠性，良好的可裁減性和可移植性，同時具有高性能的微內(nèi)核，因此具有任務間切換時間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡流量大并且兼容流行的軟件標準以及豐富的接口資源，為系統(tǒng)的升級奠定了基礎。

在功能劃分上，保護處理單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能模塊運算、保護邏輯判斷、開入量采集、開出控制等功能；MMI處理單元實現(xiàn)人機界面、定值管理、事項管理、通信管理、監(jiān)視保護處理單元等功能。

2 技術特點

2.1 主要保護功能

本裝置配置了豐富的保護元件，主要元件有：三段式相間距離保護、三段式接地距離保護、工頻變化量距離、四段式零序電流保護、加速保護、系統(tǒng)振蕩閉鎖、三相自動重合閘、低周減載、故障測距、TV/TA斷線檢測、故障錄波及手合檢同期等。

2.2 保護裝置主要技術特點

2.2.1 綜合性方向元件在接地距離中的應用

四邊形特性距離繼電器以耐過渡電阻能力強、具有躲負荷和方向判別功能而得到廣泛應用。但是四邊形特性繼電器不能解決出口和背后母線發(fā)生故障的方向性問題［1］。

采用四邊形距離繼電器和方向元件相配合的方案，可以解決這一問題。

采用的方向元件主要是距離方向元件、零序方向元件和負序方向元件。方向元件的基本功能是確保保護的安全性和選擇性，而每種方向元件又有自己的特性［3-4］。

距離方向元件的優(yōu)點：靈敏度較高，即使在遠處發(fā)生故障，距離方向元件也能準確測量并判斷方向。缺點：在出口附近發(fā)生故障時，由于電壓較低導致距離方向元件失效。

零序方向元件的優(yōu)點：系統(tǒng)零序阻抗相對穩(wěn)定，保護元件的計算量小。缺點：受并行雙回線的零序耦合阻抗的影響，在系統(tǒng)無窮大情況下，遠處發(fā)生故障時，存在零序電流滿足靈敏度但是零序電壓不滿足靈敏度的情況。

負序方向元件的優(yōu)點：耐過渡電阻能力強，例如在長線末端發(fā)生故障時，耐過渡電阻能力比零序方向元件強。同時，在并行雙回線情況下受零序耦合影響小，在系統(tǒng)無窮大情況下，發(fā)生出口故障時，負序電壓比零序電壓幅值高［4］。另外，零、負序方向元件屬于故障分量元件，具有只對故障分量進行判斷的優(yōu)點：方向性明確、動作速度快、不受運行方式和系統(tǒng)振蕩影響的特點，并且可以長期獲得［1］等。

從上述分析看出，每一種方向元件在具有各自優(yōu)點的同時都有局限性。本接地距離保護的方向元件采用的是綜合方向元件,具體方案是：

1）長線路時，采用常規(guī)的四邊形距離特性繼電器、零序電抗器、小矩形繼電器配合綜合方向元件。

具體保護邏輯是：當測量阻抗落在小矩形外時采用距離方向元件；在測量阻抗落入小矩形內(nèi)時，首先采用零序方向元件，零序方向元件是正方向時，判定為正方向故障。在零序方向元件失效的情況下，采用負序方向元件，如果負序方向元件為正，則判定是正方向故障（圖1）。

圖1用于長線路的接地距離

2）短線路時，Xzd、Rzd整定值較小,按常規(guī)處理方式小矩形的X′、R′變得很小。發(fā)生出口短路故障或者保護背側(cè)發(fā)生經(jīng)過渡電阻單相接地故障時，由于弧光電阻等影響，測量阻抗有可能落在圖1所示的接地距離繼電器的范圍外，導致保護拒動或者延時動作。采用全阻抗四邊形距離繼電器配合零序電抗器和綜合方向元件的策略，能夠較好的解決上述問題（圖 2）。

圖2 用于短線路的接地距離

采用綜合方向元件，充分利用了每一種方向元件的優(yōu)點，這一措施提高了方向元件動作門檻定值，增強了方向元件的可靠性。

2.2.2 改進的靜穩(wěn)破壞檢測元件

距離保護的靜穩(wěn)破壞檢測一般是通過判斷靜穩(wěn)破壞啟動元件是否動作的方式來判斷。靜穩(wěn)啟動元件分ZBC阻抗啟動元件和A相靜穩(wěn)電流啟動元件兩種。系統(tǒng)發(fā)生靜穩(wěn)破壞時，兩側(cè)系統(tǒng)的擺角周期性地變化，保護安裝處的測量阻抗也周期性地變化。ZBC阻抗啟動元件是通過阻抗的變化判斷系統(tǒng)是否發(fā)生靜穩(wěn)破壞。在兩側(cè)系統(tǒng)擺角接近180°時測量阻抗進入相間距離III段內(nèi)，在兩側(cè)系統(tǒng)擺角離開180°測量阻抗出相間距離III段時，ZBC阻抗啟動元件啟動，即：靜穩(wěn)啟動元件啟動。靜穩(wěn)啟動元件動作后保護程序進入相應的故障處理程序中。

發(fā)生間歇性三相PT斷線時，由于三相PT斷線判據(jù)是延時動作，存在PT斷線判據(jù)尚未動作，而距離保護由于靜穩(wěn)啟動元件－ZBC阻抗啟動元件誤啟動，導致距離保護誤動［2］的情況。在系統(tǒng)發(fā)生靜穩(wěn)破壞時，電流、電壓幅值一般都有一個周期性變化過程［1］。利用電流幅值周期性變化的特征，能夠較好地解決由于發(fā)生三相PT間歇性斷線，引起ZBC阻抗啟動元件誤啟動，以致距離保護元件誤動作的問題。

具體的處理策略是：在3U0<5 V和3U2<5 V時，檢測到ZBC阻抗進入距離III段動作范圍內(nèi)，并且持續(xù)20 ms，置JWBCQ=1,并記錄這個時刻的正序電流幅值I1_start。在JWBCQ=1到ZBC阻抗出距離III段的時間內(nèi)，一直檢測正序電流幅值，并把這期間最大的正序電流幅值賦給I1_end。在JWBCQ=1，并且ZBC阻抗出距離III段時如果同時滿足以下三個條件：

I1_START>0.75×INI1_END>I1_START

I1_END－I1_START|>0.15×IN

ZBC阻抗啟動元件動作，并開放啟動繼電器（QDJ）。在檢測到零序電壓或負序電壓不滿足條件時閉鎖ZBC阻抗啟動元件。

2.2.3 負荷限制繼電器

在線路比較長，負荷比較重的情況下，負荷阻抗有可能落入距離三段阻抗動作范圍內(nèi)。對于負荷，最常給出的是最大有功功率,那么在阻抗平面上，負荷阻抗是一個圓［5］。傳統(tǒng)的距離保護檢測到負荷限制繼電器動作時，閉鎖距離三段，這導致線路的遠后備保護失效。隨著微機技術在繼電保護中的應用，傳統(tǒng)的距離保護方案已經(jīng)有所改善，采用負荷限制線方式較好解決了在負荷阻抗入侵時，距離三段保護拒動的問題（圖3）。

圖3 負荷限制繼電器與姆歐繼電器配合圖

本保護負荷限制繼電器設計方案考慮負荷阻抗特性。考慮在重負荷時，線路的功率因數(shù)不會低于0.9，兼顧保護可靠性,改進后負荷限制繼電器的線路負荷角取30°。改進后負荷限制繼電器特性如圖4所示，Rset是系統(tǒng)最大運行方式下的最小負荷阻抗，改進后負荷限制繼電器與姆歐保護的配合情況見圖4。圖中：Zset為姆歐元件的動作定值；A是負荷限制區(qū)和保護動作區(qū)的交疊區(qū)，是負荷阻抗可能導致保護誤動的區(qū)域；Rset為系統(tǒng)最大運行方式下的最小阻抗。

圖4 改進后負荷限制繼電器與姆歐繼電器配合關系

從圖3和圖4的對比中可以看出，改進后的負荷限制繼電器擴大了姆歐繼電器的保護范圍。

改進后的負荷限制繼電器的判斷邏輯為：在啟動元件不動作的情況下，檢測到正序阻抗進入距離III段范圍內(nèi)并且負荷阻抗繼電器動作，經(jīng)確認延時，裝置產(chǎn)生過負荷告警事項，提示用戶。在啟動元件動作情況下，如果發(fā)生三相故障，姆歐繼電器的動作范圍是不包含交疊區(qū)的特性圓。

3 結(jié)語

裝置于2006年5月在國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心動態(tài)模擬實驗室進行了動態(tài)模擬試驗，模擬試驗根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T871-2004及110 kV電力輸電線路原型系統(tǒng)參數(shù)建立110 kV輸電線路試驗模型。試驗表明，SAL331距離保護裝置硬件平臺資源豐富、處理能力強，同時保護算法采用各種新原理和新方案，滿足110 kV高壓線路保護設計要求。

［1］朱聲石．高壓電網(wǎng)繼電保護原理與技術［M］．北京：中國電力出版社，2005．

［2］孫倩薇,田偉，等.WXH-802距離保護誤動的原因分析及改進［J］.黑龍江電力,2006,28（3）．

［3］Application Guidelines For Ground Fault Protection Joe Mooney，P.E.，Jackie Peer Schweitzer Engineering Laboratories，Inc.

［4］Ahmed F.Elneweihi,“Useful Applications for Negative-Sequence Overcurrent Relaying”22nd Annual Western Protective Relay onference,Spokane,Washington,October 24-26,1995

［5］張?zhí)?，羅承廉,等．四邊形特性距離保護躲負荷性能分析［J］．繼電器，2004， 32（1）：28-31．

［6］丁曉兵，趙曼勇，徐振宇．接地故障零序方向元件拒動保護改進方案［J］．電力系統(tǒng)自動化，2006，30（9）：88-90．