王彥峰，雷翔勝，王流火，李 飛

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東廣州 510062；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東廣州 510020；3.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北宜昌 443002）

0 引言

隨著我國城市用電負荷不斷加大，出于經(jīng)濟和系統(tǒng)安全考慮，需要在城市中心設置大容量變電站，110 kV 甚至220 kV 預制艙變電站正逐步建設在商業(yè)區(qū)附近。預制艙變電站具有占地面積小，建設周期短，性價比高等優(yōu)點，在大城市甚至中心城市得到廣泛應用[1-7]。預制艙變電站的一次設備和二次設備高度集成，基于信息分布采集集中決策的二次系統(tǒng)是預制艙變電站建設的主流方向。

傳統(tǒng)變電站的配置方式中主后備保護一般采用距離保護或電流保護，重要110 kV 線路通常配置縱聯(lián)保護作為主保護方式，35 kV 及以下的變電站則不安裝單獨的母線保護和斷路器失靈保護設備。傳統(tǒng)配置方式在實際應用中存在保護可靠性較低、母線故障等切除速度慢、二次設備較多且成本高等問題[8-14]。隨著技術及方法的革新，部分學者提出集成式保護、集中式保護、網(wǎng)絡化保護等概念。文獻[15-16]提出一種數(shù)字化集中式保護方案，集成了主變壓器的主保護和后備保護以及35 kV 線路保護、10 kV線路保護、10 kV 電容器保護、小電流接地選線等功能。文獻[17]提出一種基于數(shù)字化集成的保護與控制系統(tǒng)，主要由設備層智能終端、合并單元和系統(tǒng)層多功能保護控制器3 大核心部分構成，測試結果表明系統(tǒng)具備節(jié)省資源、減少運行和維護工作量等優(yōu)勢。文獻[18]針對常規(guī)變電站系統(tǒng)保護功能不完善的現(xiàn)狀，提出了使用間隔層智能設備的通信網(wǎng)絡功能進行信息交互，并通過智能設備之間的配合達到保護的性能。文獻[19-24]分析了針對網(wǎng)絡化的線路保護、母線保護、低頻減載等功能的實現(xiàn)形式。這些研究成果在一定形式下優(yōu)化了保護方案，但考慮到常規(guī)變電站并沒有實施信息集中的方式與條件，因此研究成果很少應用于常規(guī)變電站中。

本文主要面向預制艙變電站條件下信息的集中，提出一種分布采集集中決策的綜合保護系統(tǒng)，優(yōu)化預制艙變電站的保護配置，改善常規(guī)保護的實現(xiàn)方式和保護性能。使用Pscad/Emtdc 仿真驗證了預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站按照間隔的方式進行信息采集與保護配置，各個間隔之間沒有進行信息交換，難以突破傳統(tǒng)的保護限制，如變壓器過負荷保護、新型母線保護、低頻減載策略等。而預制艙變電站設備集中且空間有限，基于一、二次融合的分散采集可以通過電纜傳輸實現(xiàn)信息集中，也可以基于智能變電站模式進行合并單元與交換機實現(xiàn)信息的集中。本文基于預制艙變電站信息集中的優(yōu)勢設計預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)，通過充分挖掘預制艙變電站設備故障與不正常運行狀態(tài)下的特征，提出改進的變壓器過負荷保護策略與10 kV 饋線的低頻減載策略。

預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)設計中，針對常規(guī)變電站保護功能不足的問題，以基本設計原則為出發(fā)點，對構建形式和功能配置進行合理地規(guī)劃，保護系統(tǒng)主要實現(xiàn)3 個基本功能。

1）實現(xiàn)預制艙變電站內各間隔的全部保護功能?？紤]到110 kV 線路的主保護一般與對側變電站構成縱聯(lián)保護，變壓器配置有非電量保護，因此在保留就地保護的基礎上，將采集到的電氣量與開關量上送至綜合保護系統(tǒng)，通過構建完整的集成化保護配置作為就地化保護的后備。進一步利用信息集中的特點提高保護性能，例如通過變壓器與低壓饋線之間的信息交互來改善變壓器的過負荷保護性能等。

2）整合集成控制功能。通過集成化設計綜合保護與控制功能，簡化變電站二次系統(tǒng)結構，精簡二次設備數(shù)量，以此降低成本和占用空間，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3）通過主備設計方案提高可靠性。預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)集中實現(xiàn)各10 kV 饋線保護功能，取消就地保護配置，通過冗余設計綜合保護系統(tǒng)以保證供電可靠性。當110 kV 線路或主變就地保護因異常等原因退出運行或檢修時，綜合保護系統(tǒng)根據(jù)就地保護的配置，在不影響正常供電的情況下承擔相應保護功能。

預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)的構建方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

以智能變電站為例，通過IEC61850 標準協(xié)議構建 的GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Event）網(wǎng)與SV（Sample Value）網(wǎng)，將110 kV 線路GIS 艙、變壓器艙和10 kV 線路艙的信息傳輸至綜合保護系統(tǒng)中，10 kV 線路艙取消按間隔獨立配置的就地保護，由綜合保護系統(tǒng)實現(xiàn)原有的保護功能。將各間隔的合并單元和智能終端連接到SV 網(wǎng)和GOOSE 網(wǎng)，綜合保護系統(tǒng)利用網(wǎng)絡通信采集全站信息，并經(jīng)過集中決策后完成相應的保護控制功能。在非智能變電站的情況下，這一模式也是可行的，可以采用其他通信協(xié)議構建傳輸通道，例如IEC60870-5-103 協(xié)議、ModbusTCP 協(xié)議等，將各個艙室的信息上傳至綜合保護系統(tǒng)。

2 基于信息集中決策的變壓器過負荷保護改進策略

2.1 傳統(tǒng)變壓器過負荷保護原理與問題分析

當變壓器長期過載，繞組會因過熱而損壞，若多臺400 kVA 及以上的變壓器同時并列運行時，在過負荷狀態(tài)下系統(tǒng)不能正常運行，需要通過安裝過負荷保護以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在變壓器過載狀態(tài)下電流是三相對稱的，因此只需要檢測其中的一相電流來實現(xiàn)過負荷保護功能，經(jīng)過較長的延時后發(fā)出信號。在無人值守的變電站中，特殊情況下過負荷保護可出口跳閘以保證系統(tǒng)安全。過負荷保護的電流整定值Iset應躲過變壓器的額定電流IN，即：

式中：Krel為可靠系數(shù)，一般取1.05；Kre為返回系數(shù)，一般取0.85。過負荷保護的動作時間應該大于同一間隔的過電流保護動作時間，一般整定為8～10 s。

變壓器過負荷保護一般都是由某條饋線過載或者饋線的總負荷過載造成，從而導致變壓器的高壓側或者低壓側過負荷保護動作跳閘，最終將低壓側的所有用戶饋線全部切除。而在重要負荷接入的情況下，傳統(tǒng)變壓器過負荷保護策略的動作性能存在不足，可能會切除重要負荷造成巨大損失，因此不能滿足實際需要。預制艙變電站與傳統(tǒng)變電站相比，具有信息集中共享的優(yōu)勢，在此基礎上，可以將變壓器過負荷保護的動作策略加以改進。

2.2 變壓器過負荷保護改進原理與實現(xiàn)方式

為保障重要負荷的安全運行，結合預制艙變電站信息集中的優(yōu)勢，將變壓器過負荷保護的動作策略進行改進。首先通過采集各饋線的開關狀態(tài)及電流大小，進行各斷路器運行狀態(tài)辨識；再將各饋線的重要級別及實時負荷大小進行排序，優(yōu)先保障重要級別高的饋線安全運行；最后根據(jù)過負荷程度，先選擇重要級別低的饋線，再選擇重要級別中等且負荷合適的饋線，最終找到切除負荷的最優(yōu)組合；并計算按照最優(yōu)組合切除負荷后是否躲過變壓器過負荷保護。通過一次性切除線路，避免出現(xiàn)過切的情況，同時保證其他重要饋線可靠供電。

以圖2 所示110 kV 變電站為例，說明變壓器過負荷保護的改進原理。其中，變壓器的容量為SN；DL104 和DL201 分別為主變高低壓側斷路器。各10 kV 饋線的實時負荷量和重要級別分別為L1：P1，1 級；L2：P2，1 級；L3：P3，2 級；L4：P4，2 級；L5：P5，3級；L6：P6，3 級；L7：P7，3 級。由于過負荷保護動作定值是按照電流整定的，為方便判斷，將保護定值Sset整定為容量計算，即：

圖2 110 kV變電站主接線圖Fig.2 Main wiring diagram of 110 kV substation

隨著負荷依次投入，當7 條饋線都滿載運行時，可能會造成變壓器的過負荷，為保護變壓器的正常運行和重要負荷的可靠供電，在無閉鎖的情況下需要啟動過負荷保護，過負荷保護的啟動判據(jù)如式（3）所示：

式中：ΔP為過負荷量；∑P為實時負荷總量。

過負荷保護啟動后，先計算所需要切除的過載量，再綜合所有饋線的重要級別和負荷大小來選擇切除饋線的最優(yōu)組合。當ΔP＜時（其中Pi為各饋線的實時負荷量），可根據(jù)過負荷量具體的數(shù)值來選擇重要級別為3 級線路的切除組合；當＜ΔP＜時，需要切除重要級別為3 級的所有饋線，同時在重要級別為2 級的饋線中選擇合適的饋線形成最優(yōu)組合。當＜ΔP＜時，此時需要切除重要級別為2 級和3 級的所有饋線，再考慮重要級別為1 級的饋線中選擇切除次重要的饋線，但這種情況一般不會發(fā)生，因為該情況下總負荷量已經(jīng)達到2 倍的變壓器容量值，各條饋線的過負荷保護將會阻止該類情況的發(fā)生。

3 基于信息集中決策的低頻減載改進策略

3.1 傳統(tǒng)的低頻減載策略與問題分析

低頻減載是實現(xiàn)安全穩(wěn)定控制的最后一道防線，當復雜事故導致系統(tǒng)穩(wěn)定性受損時，首先通過自動解列裝置斷開系統(tǒng)，然后通過低頻減載等保護功能切除部分負荷來確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，防止系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模解列。因變電站采用的低頻減載方案中通常是按照間隔配置的，有限的可用數(shù)據(jù)使得性能優(yōu)化受阻，導致過切和欠切等情況的發(fā)生。因此，結合預制艙變電站的特點，進一步開展基于信息集中決策的預制艙低頻減載方法的研究。

在某常規(guī)低頻減載方案中，每輪具體減載量見表1。此方案通常是由上級調度中心確定后分配下發(fā)到各個指定的變電站，常用的低頻減載策略是按輪次執(zhí)行，在滿足對應輪次動作判據(jù)的情況下，低頻減載功能將會切除相應輪次所需切除的負荷量。

表1 現(xiàn)有低頻減載方案Table 1 Existing under frequency load shedding scheme

低頻減載策略在現(xiàn)場運行中經(jīng)常出現(xiàn)以下重要問題：（1）饋線重要程度的標度問題。為確保低頻減載有效動作，合理的做法應該是利用各個饋線負荷的重要性來確定最優(yōu)切除組合。在電力系統(tǒng)中通常將負荷的重要程度分為3 類，但在變電站的現(xiàn)場運行中，存在1 條饋線中含有不同類別負荷的情況，各饋線之間的負荷類型比例也有差異，需要對負荷的類別和比例進行綜合考慮，合理地劃分負荷饋線的整體重要程度；（2）減載線路的優(yōu)選問題。低頻減載策略的動作出口是變電站的各條負荷饋線，為優(yōu)化選擇減載線路，負荷的重要程度和切除量是需一并考慮的重要因素，在達到切除量的條件下，選擇切除負載線路時要求所切除負荷最小，同時負荷的重要程度最低；（3）負荷自身調節(jié)特性的影響問題。負荷具有一定的自身調節(jié)能力，有功功率會根據(jù)系統(tǒng)頻率變化而發(fā)生改變。因此，研究預制艙變電站綜合保護系統(tǒng)的低頻減載方案時，需考慮負荷頻率調節(jié)特性的情況，將有助于利用信息集中的優(yōu)勢進一步提高低頻減載方案的效果。

3.2 信息集中下的低頻減載改進策略

通過預制艙變電站信息集中的優(yōu)點，可以實時獲取各條饋線的數(shù)據(jù)，并根據(jù)調度中心下發(fā)給變電站的減載量，將重要程度和負荷頻率調節(jié)特性的情況進行考慮，對線路的切除組合優(yōu)化配置，以改進低頻減載的功能。

1）饋線重要程度的標度方法。

參考操作人員的實際經(jīng)驗和饋線所帶負荷的類型與比例，可以劃分出預制艙變電站內全部負荷饋線的重要程度，負荷饋線的重要程度可依據(jù)其數(shù)量、重要程度和減載精確度等相關因素歸納為2—4個等級，以優(yōu)化各饋線負荷的切除順序。

2）減載線路的優(yōu)選方案。

因傳統(tǒng)低頻減載方案對實時負荷不具有適應性，將會導致負荷過切或欠切。為解決該類問題的發(fā)生，需要對原有的低頻減載策略進行改進。傳統(tǒng)方案通常是選擇切除線路，本文采用的改進方案為選擇保留線路。其中保留負荷量Ph的計算方法如式（4）所示：

式中：Pij為第i條重要程度為j的饋線實時負荷量；Pxq為需要切除的負荷量。

較高重要等級的負荷應該優(yōu)先保留，當保留所有重要等級為j的負荷以后，再進一步調整保留負荷量，其修正方法如式（5）所示：

式中：Psj為保留的重要程度為j的負荷總和。

將式（5）的結果作為調整后的保留負荷量，計算下一個重要等級的負荷保留，直到P*h 小于0 或者全部等級的負荷均完成保留。

3）考慮負荷調節(jié)特性影響的低頻減載方案。以低頻減載為例，負荷的有功功率會隨著系統(tǒng)頻率變化而發(fā)生變化，具有一定的自身調節(jié)能力，即頻率調節(jié)特性，該特性可以表示為：

式中：P為頻率為f時的整個系統(tǒng)的有功負荷；PDN為頻率為fN(=50 Hz)時的整個系統(tǒng)的有功負荷，即額定負荷；α0,α1,α2,…,αn為與頻率的0,1,2,…,n次方成正比的負荷占額定負荷PDN的百分數(shù)，且α0+α1+α2+…+αn=1。

當系統(tǒng)頻率f穩(wěn)定在額定值較近范圍內，負荷頻率調節(jié)特性可以近似地用1 條直線來表示，該直線的斜率即為負荷的頻率調節(jié)系數(shù)KD，KD的含義可以由式（7）表示：

當考慮負荷頻率調節(jié)特性的因素后，需要調整減載線路的優(yōu)選方案，對于第i條重要程度為j的饋線實時負荷量Pij，其系統(tǒng)頻率為f，低頻減載的目標是要把系統(tǒng)頻率拉回至額定頻率fres，此時負荷將由實際有功功率Pij變?yōu)椤疤摂M”有功功率，其計算方法如式（8）所示：

通過將“虛擬”有功功率帶入式（4），就可以計算對應調整后的Ph。此方案是以拉回到額定頻率后的修正保留負荷量為改進對象，計算出的減載方案將會更加接近額定頻率，可以進一步提高預制艙綜合保護系統(tǒng)的低頻減載性能。

4 仿真驗證

4.1 變壓器過負荷保護改進方案仿真驗證

在Pscad 中對本節(jié)所述的變壓器過負荷保護改進方案進行仿真分析。以圖2 為例對本文所提出的改進方法進行驗證，其中變壓器的容量為40 MVA，典型的3 種過負荷場景下的7 條饋線的實時負荷與重要級別如表2 所示。

表2 饋線的重要級別及實時負荷Table 2 Importance level and real-time load of feeders

改進前的過負荷保護策略如圖3 所示。根據(jù)式（1）可計算出變壓器過負荷保護的整定值，即Iset=0.259 kA。場景1 下的變壓器高壓側電流I1如圖3 中實線所示，線路L3 在1 s 時投入運行，在投入的20 ms 后，I1的數(shù)值已經(jīng)大于整定值Iset，因此在裝設了傳統(tǒng)變壓器過負荷保護的情況下，經(jīng)過一定的延時后，保護將跳開主變高壓側的開關。

圖3 改進前的過負荷保護策略Fig.3 Overload protection strategy before improvement

結合預制艙變電站信息集中的特點，將變壓器過負荷保護的動作策略進行改進。當負荷達到整定值時，立刻啟動過負荷保護策略，對當前各個饋線的實時負荷及重要程度進行排序，針對場景1 的情況，計算整體的過負荷量為0.588 MVA，綜合考慮實時負荷大小及重要程度，優(yōu)先從重要程度為3 級的饋線開始切除，由于L5 饋線的負荷為1.4 MVA，達到躲過過負荷保護定值的要求，因此選擇在短時間內切除L5 饋線，圖4 為改進后的過負荷保護動作情況。

圖4 場景1保護改進策略動作情況Fig.4 Protection improvement strategy action under scenario 1

場景2 中的總過負荷量為7.788 MVA，綜合考慮實時負荷大小及重要程度，優(yōu)先從重要程度為3級的饋線開始切除，通過比較可知最優(yōu)切除組合為饋線L6 和L7，總切除量為8.6 MVA，達到躲過過負荷保護定值的要求，動作情況如圖5 所示。

圖5 場景2保護改進策略動作情況Fig.5 Protection improvement strategy action under scenario 2

場景3 中的過負荷量為13.59 MVA，由于過負荷量滿足，因此需要切除重要程度為3 級的所有饋線，同時還要將饋線L4 加入切除組合中，總切除量為18.2 MVA，達到躲過過負荷保護定值的要求，動作情況如圖6 所示。

圖6 場景3保護改進策略動作情況Fig.6 Protection improvement strategy action under scenario 3

雖然場景3 中切除的負荷量過多，但是可以保證其他重要程度高的饋線穩(wěn)定運行，通過按重要級別切除線路，以保證其他重要饋線可靠供電。改進前及改進后各場景的仿真數(shù)據(jù)證明了本文所提的變壓器過負荷保護改進策略的可行性以及正確性。

4.2 低頻減載改進策略仿真驗證

以圖2 為例，通過采用Pscad 軟件進行仿真分析，來驗證所提低頻減載策略改進方案的有效性。其中，同步發(fā)電機和變壓器的容量均為40 MVA，典型的3 種過負荷場景下的7 條饋線的實時負荷與重要級別見表2。

根據(jù)本文第3.2 節(jié)所提出的低頻減載改進策略，將負荷的重要程度劃分為3 個等級。場景2 中系統(tǒng)在1 s 時投入全部10 kV 饋線，由于功率缺額導致系統(tǒng)頻率降低，此時啟動預制艙的低頻減載功能，綜合考慮線路的重要級別、減載線路的排序及頻率調節(jié)特性，確定低頻減載的最優(yōu)保留組合后，一次性將其余應切負荷切除，最終使得系統(tǒng)頻率快速恢復至額定頻率50 Hz 附近。傳統(tǒng)低頻減載方案與綜合保護系統(tǒng)中低頻減載方案的頻率曲線對比如圖7 所示。

圖7 場景2低頻減載方案對比Fig.7 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 2

由圖7 可知，改進后的方案可以滿足頻率恢復穩(wěn)定的時間要求，與傳統(tǒng)低頻減載方案的時間很接近。但傳統(tǒng)方案的弊端是在3.1 s 后頻率超調，說明傳統(tǒng)方案的確造成了一部分的負荷過切，最終將頻率恢復至50.2 Hz。而改進方案的優(yōu)勢是不會出現(xiàn)負荷過切的情況，并且優(yōu)先保證重要級別更高的負荷可靠運行，同時將頻率恢復至額定頻率附近。

場景3 中低頻減載方案的頻率曲線對比如圖8所示。由圖8 可知，傳統(tǒng)方案的弊端是在2.5 s 后頻率超調，由于造成一部分的負荷過切，最終將頻率恢復至50.3 Hz。而改進方案計算出最優(yōu)保留組合并切除后，使得頻率恢復至50.08 Hz，更加接近額定頻率。

圖8 場景3低頻減載方案對比Fig.8 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 3

通過與傳統(tǒng)減載方法的比較可知，當計及負荷頻率調節(jié)影響時，本文所提出的改進低頻減載方法效果好，其優(yōu)勢更明顯。該方法可在較短的時間內確定系統(tǒng)實際的有功缺額，并啟動綜合保護系統(tǒng)切除負荷，不至于使頻率值太低，有利于系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，同時會優(yōu)先保證重要級別更高的負荷可靠運行，方法總體性能更優(yōu)。

5 結語

本文主要面向預制艙變電站下信息的集中，提出一種分布采集集中決策的綜合保護系統(tǒng)，所提系統(tǒng)可以優(yōu)化預制艙變電站保護配置，改善常規(guī)保護的實現(xiàn)方式和保護性能。同時，對綜合保護系統(tǒng)中的變壓器過負荷保護與低頻減載策略進行了詳細的研究，通過分析目前傳統(tǒng)變電站變壓器過負荷保護與低頻減載策略的不足之處，提出了基于預制艙變電站信息集中優(yōu)勢下的保護改進原理，不僅在理論上分析了改進原理的可行性，并通過仿真軟件驗證了改進原理的有效性和正確性。