目前的繼電保護技術(shù)已日臻成熟，但是隨著(zhù)特高壓直流電源混聯(lián)電網(wǎng)的形成，交流保護對電網(wǎng)特性變化的適應性亟待提升。
本文針對開(kāi)關(guān)失靈或CT死區故障時(shí)保護切除故障時(shí)間長(cháng)、可能引發(fā)多回高壓直流電源連續換相失敗、導致系統發(fā)生的嚴重后果，介紹了兩種開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護優(yōu)化方案，將開(kāi)關(guān)失靈或CT死區故障時(shí)切除時(shí)間縮短至200ms以?xún)?，防止引發(fā)電網(wǎng)穩定破壞事故，并搭建了測試系統，對優(yōu)化后的開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護的性能指標進(jìn)行了詳細考核，對系統中發(fā)生異常運行工況時(shí)開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護的動(dòng)作情況進(jìn)行了驗證測試，從而保證優(yōu)化后的開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護在電力系統中運行的穩定性和可靠性。
開(kāi)關(guān)失靈、死區故障時(shí)保護動(dòng)作切除時(shí)間較長(cháng)，在傳統交流電網(wǎng)中，只要保護正確動(dòng)作切除故障，對電網(wǎng)的安全穩定影響就在有限范圍之內。但在當前交高壓直流電源混聯(lián)電網(wǎng)中，多高壓直流電源密集饋入的受端交流電網(wǎng)在發(fā)生上述故障時(shí)，會(huì )導致特高壓直流電源輸電換流站出現多次換相失敗，對送、受端電網(wǎng)造成嚴重功率沖擊，甚至造成穩定破壞，因此，必須有針對性地開(kāi)展相關(guān)新技術(shù)研究。
文獻[5]規定多斷路器接線(xiàn)形式時(shí)應在開(kāi)關(guān)兩側均配置CT，防止死區故障延時(shí)切除造成的系統穩定問(wèn)題，對于已投運變電站有開(kāi)關(guān)與CT間死區問(wèn)題且經(jīng)系統穩定核算存在穩定破壞問(wèn)題的，應逐步進(jìn)行改造。國調要求現場(chǎng)具備加裝常規CT的變電站應組織安裝；開(kāi)關(guān)CT單側布置若發(fā)生死區故障必然導致多回高壓直流電源發(fā)生連續換相失敗的變電站，應組織對站內開(kāi)關(guān)設備進(jìn)行改造，更換為HGIS；對于開(kāi)關(guān)CT單側布置且無(wú)法技改的變電站，可通過(guò)采用加裝光CT或全站綜合信息判別兩種方案，實(shí)現死區故障快速切除。
現場(chǎng)加裝常規CT或將站內開(kāi)關(guān)設備更換為HGIS均可實(shí)現開(kāi)關(guān)CT兩側布置，大大縮短死區故障切除時(shí)間，但無(wú)法優(yōu)化開(kāi)關(guān)失靈時(shí)的故障切除時(shí)間。本文介紹的死區差動(dòng)（失靈）保護和站域死區（失靈）保護分別基于加裝光CT和全站綜合信息判別設計，能有效解決故障切除慢可能存在的問(wèn)題和隱患。針對這兩種方案，搭建了靜模和仿真測試系統，考核了保護在系統中的動(dòng)作情況及技術(shù)指標，驗證了保護滿(mǎn)足快速切除死區和開(kāi)關(guān)失靈的要求。
1 開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護優(yōu)化方案
1.1 死區差動(dòng)（失靈）保護方案
加裝光CT的死區差動(dòng)（失靈）保護如圖1所示。在開(kāi)關(guān)未配置CT側加裝纏繞光CT，每個(gè)光CT接到獨立的合并單元，通過(guò)合并單元將電流轉換為IEC 61850?9?2規約數據。死區差動(dòng)（失靈）保護按串配置，同時(shí)接入光CT數據和常規CT數據，光CT數據與常規CT數據做邏輯運算。
圖1 加裝光CT的死區差動(dòng)（失靈）保護示意圖
當發(fā)生K1點(diǎn)死區故障時(shí)，母線(xiàn)保護判為Ⅰ母區內故障，保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11及Ⅰ母上的其他開(kāi)關(guān)，CT11死區差動(dòng)保護同時(shí)動(dòng)作，直接跳本側開(kāi)關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠跳對側開(kāi)關(guān)，實(shí)現快速切除死區故障。
當發(fā)生K2點(diǎn)死區故障時(shí)，變壓器保護判為區內故障，保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL12、DL13及主變其他側開(kāi)關(guān)，CT12死區差動(dòng)保護同時(shí)動(dòng)作，直接跳本側開(kāi)關(guān)DL11、DL12、DL13，利用光纖通道直接遠跳對側開(kāi)關(guān)，并聯(lián)跳主變各側，實(shí)現快速切除死區故障。
當Ⅰ母發(fā)生K4點(diǎn)故障、開(kāi)關(guān)DL11失靈[6]時(shí)，加裝光CT后，理論分析可以利用光CT無(wú)類(lèi)似常規互感器電流拖尾問(wèn)題的優(yōu)良傳變特性，壓縮失靈保護動(dòng)作時(shí)間，達到快速切除開(kāi)關(guān)失靈故障的目的。
1.2 站域死區（失靈）保護方案
利用本站及相鄰站模擬量信息[7]構建的站域死區（失靈）保護如圖2所示，通過(guò)封故障開(kāi)關(guān)CT并由相鄰開(kāi)關(guān)CT重構差動(dòng)保護，從而快速切除故障。
圖2 站域死區（失靈）保護示意圖
當發(fā)生K1點(diǎn)死區故障時(shí)，母線(xiàn)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11、DL21、DL31，站域死區保護收到母線(xiàn)保護跳令、DL11的跳位且判出CT11仍有電流，經(jīng)短延時(shí)封CT11，此時(shí)由CT12、CT41、CT42構成的差動(dòng)保護滿(mǎn)足動(dòng)作條件，站域差動(dòng)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠跳對側開(kāi)關(guān)，實(shí)現快速切除死區故障。
當發(fā)生K2點(diǎn)死區故障時(shí)，L2線(xiàn)路保護判為區內故障，線(xiàn)路差動(dòng)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL12、DL13、DL52、DL53，站域死區保護收到線(xiàn)路保護跳令、DL12的跳位且判出CT12仍有電流，經(jīng)短延時(shí)封CT12，此時(shí)由CT11、CT41、CT42構成的差動(dòng)保護滿(mǎn)足動(dòng)作條件，站域差動(dòng)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11、DL12、DL13，利用光纖通道直接遠跳對側開(kāi)關(guān)，實(shí)現快速切除死區故障。
當發(fā)生K4點(diǎn)故障且開(kāi)關(guān)DL11失靈時(shí)，站域失靈保護收到母線(xiàn)保護跳令、DL21或DL31的跳位且判出CT11仍有電流，經(jīng)短延時(shí)封CT11，此時(shí)由CT12、CT41、CT42構成的差動(dòng)保護滿(mǎn)足動(dòng)作條件，站域差動(dòng)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11、DL12，利用光纖通道直接遠跳對側開(kāi)關(guān)，實(shí)現快速切除死區故障。
2 開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護測試系統
2.1 靜模測試系統
為驗證開(kāi)關(guān)死區（失靈）保護功能的正確性并考核其技術(shù)指標是否滿(mǎn)足電力系統的要求，搭建的靜模測試系統如圖3所示。通過(guò)繼電保護測試儀對雙端死區（失靈）保護施加模擬量和跳閘開(kāi)入/跳位開(kāi)入，死區（失靈）保護通過(guò)縱聯(lián)光纖通道獲取對側保護的模擬量信息，滿(mǎn)足差動(dòng)動(dòng)作條件后死區（失靈）保護將跳閘開(kāi)出信息反饋給繼電保護測試儀。
圖3 靜模測試系統
2.2 仿真測試系統
為了進(jìn)一步驗證保證死區（失靈）保護在電力系統發(fā)生故障時(shí)正確動(dòng)作，利用RTDS搭建的數模實(shí)時(shí)仿真系統如圖4所示。對現場(chǎng)可能發(fā)生的異常工況進(jìn)行模擬，考核死區（失靈）保護的動(dòng)作情況的正確性。
圖4 RTDS實(shí)時(shí)仿真測試系統
3 測試內容
3.1 保護功能及性能測試
通過(guò)靜模測試系統對保護功能及性能進(jìn)行了測試，主要測試內容如下：
1）壓板、控制字有效性。2）定值準確度測試。3）動(dòng)作時(shí)間測試。4）差動(dòng)保護制動(dòng)特性。5）開(kāi)入、開(kāi)出功能正確性。6）遠跳功能正確性。7）縱聯(lián)光纖通道測試。8）CT斷線(xiàn)對保護的影響。9）系統頻率偏移對保護的影響。10）光CT信號異常對保護的影響。11）裝置自檢出錯對保護的影響。
3.2 電力系統故障仿真
在RTDS實(shí)時(shí)仿真測試系統中模擬死區故障或開(kāi)關(guān)失靈，考核死區（失靈）保護動(dòng)作的正確性，并模擬故障保護切除故障后考核死區（失靈）保護是否誤動(dòng)作，主要測試內容如下：
1）金屬性故障（死區范圍內、外故障）測試。2）發(fā)展/轉換性故障測試。3）經(jīng)過(guò)渡電阻故障測試。4）開(kāi)關(guān)失靈測試。5）CT斷線(xiàn)測試。6）CT飽和測試。7）CT拖尾測試。
4 測試驗證結果
4.1 死區（失靈）保護動(dòng)作指標
常規變電站發(fā)生死區故障或開(kāi)關(guān)失靈時(shí)，保護動(dòng)作后切除故障約需要400ms[8]，通過(guò)死區（失靈）保護方案優(yōu)化，保護切除故障時(shí)間可控制在200ms以?xún)取?/p>
1）死區差動(dòng)（失靈）保護動(dòng)作時(shí)間
模擬死區故障，實(shí)測死區差動(dòng)保護動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表1，即保護動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)30ms，若考慮操作箱出口時(shí)間為5ms，開(kāi)關(guān)分閘時(shí)間不超過(guò)60ms，通道延時(shí)5ms及遠跳信號確認10ms[9]，則保護動(dòng)作跳本側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)95ms，跳對側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)110ms。
模擬母線(xiàn)故障邊開(kāi)關(guān)失靈，考慮光CT無(wú)電流拖尾問(wèn)題，壓縮失靈保護延時(shí)為90ms，實(shí)測失靈保護動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表2。若保護動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)120ms，則失靈保護動(dòng)作跳本側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)185ms，跳對側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)200ms。
2）站域死區（失靈）保護動(dòng)作時(shí)間
模擬死區故障，實(shí)測站域死區保護動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表3。若保護動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)115ms，則站域保護動(dòng)作跳本側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)180ms，跳對側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)195ms。
模擬母線(xiàn)故障邊開(kāi)關(guān)失靈，實(shí)測站域失靈保護動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表4。保護動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)115ms，則站域保護動(dòng)作跳本側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)180ms，跳對側開(kāi)關(guān)時(shí)間不超過(guò)195ms。
4.2 CT拖尾工況模擬
開(kāi)關(guān)跳開(kāi)時(shí)發(fā)生CT拖尾，保護可能誤判為開(kāi)關(guān)失靈，導致失靈保護誤動(dòng)作，擴大事故范圍[10]。在圖4所示的系統中模擬母線(xiàn)發(fā)生區內故障，母線(xiàn)保護動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)DL11、DL21和DL31，故障切除時(shí)出現CT11拖尾的情況，考核站域失靈保護是否存在誤動(dòng)作的情況。
電流互感器拖尾波形如圖5所示，通過(guò)測試結果分析，站域失靈保護未出現CT拖尾時(shí)誤動(dòng)作的情況，主要原因是在封CT邏輯中增加電流差分把關(guān)，消除CT拖尾或衰減高壓直流電源分量對保護的影響。
圖5 電流互感器拖尾波形
結論
隨著(zhù)特高壓直流電源輸電的不斷發(fā)展，發(fā)生故障時(shí)在最短的時(shí)間內可靠地隔離故障點(diǎn)，才能保證電力系統的安全穩定運行[10-11]?；诩友b光CT的死區差動(dòng)（失靈）保護和基于本站及相鄰站信息的站域死區（失靈）保護在河南駐馬店500kV嵖岈變電站掛網(wǎng)試運行，經(jīng)過(guò)系統試運行后取得相關(guān)運行經(jīng)驗，為進(jìn)一步升級改造變電站先行實(shí)踐。
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