基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案
齐 郑,郭 锐,杨以涵
(华北电力大学电气与电子工程学院,北京市102206)
摘要:结合IEC 61850协议特征、数字化变电站的通信特点及小电流接地故障选线的特殊要求,提
出了基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案。重点分析了对选线正确性影响最大的3个关键因素,即在合成零序电流过程中电子式互感器的精度问题、多个合并单元的同步采样控制问题、通信模式问题。针对电子式互感器的特点,提出在数字化变电站中接地故障选线方法应以暂态量算法为主,同时提出利用通用面向对象变电站事件(GOOSE )通信技术实现跳闸功能。关键词:小电流接地系统;接地故障选线;数字化变电站;电子式互感器;合并单元中图分类号:TM76
收稿日期:2009205220;修回日期:2009208221。
国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA12Z328)。
0 引言
随着新型电子式互感器技术、智能开关技术和网络通信技术的发展,以一次设备智能化、二次设备网络化为主要特征的数字化变电站技术成为目前研究的技术热点[125]。当前,数字化变电站正在110kV 以上的高压系统试点并推广,随着数字化变电站进程的大力推进,35kV 及以下的配电网实现数字化变电站已为期不远。
在配电网自动化中,小电流接地故障选线是一项重要的功能,必须在数字化变电站中实现。小电流接地故障选线需要利用所有线路的零序电流和母线的零序电压,具有间隔多、数据实时性要求高、数据通信量大等特点,因此其研制难度相对于其他数字保护要大得多。
本文结合IEC 61850协议特征、数字化变电站的通信特点及小电流接地故障选线的特殊要求,提出了基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案。重点分析了对选线正确性影响最大的3个关键因素:①在合成零序电流过程中电子式互感器的精度问题;②多个合并单元的同步采样控制问题;③选线的通信模式问题。同时,结合电子式互感器的特点,提出在数字化变电站中接地故障选线算法应以暂态量信息为主。
1 小电流接地故障选线的实现方案
传统的小电流接地故障选线实现方案原理如
图1所示,所有线路的零序电流和母线的零序电压通过二次电缆接入选线装置,选线装置自带A/D 功能,进行数据采样及分析计算。如果需要选线装置实现跳闸功能,还需要敷设控制电缆。传统方案需要安装单独的零序电流互感器,耗费二次电缆多、占用空间大,而且大量二次电缆长距离并行排列易受电磁干扰
,影响了选线的正确性。
图1 传统选线解决方案
Fig.1 T raditional scheme of line selection
在数字化变电站中,小电流接地故障选线依然属于间隔层的一个组成部分,但是它与短路故障保护的区别在于它的信息不是来源于单个间隔单元,而是一组间隔单元。因此,对小电流接地故障选线有如下几个方面的要求:
1)各间隔单元上传的数字量完全基于同一采样时刻的采样值,对采样同步的要求较高;
2)要求采样数据能实时传送,因此通过过程层交换机交换的数据量很大;
3)要求选线装置中的数据接口模块具有较大的数据缓存空间;
4)如果需要选线装置实现跳闸功能,要求过程层交换机能实时传送跳闸命令。
基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案原理如图2所示。
小电流接地故障选线的解决方案包括选线装
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45—第33卷 第24期2009
年12月25日Vol.33 No.24Dec.25,2009
置、过程层单元和数据通信网络3个部分。为保证
选线装置数据交换的实时性,要求网络交换机具有实时传送采样值和跳闸命令的能力,满足IEC 618502922采样值实时上传的要求和IEC 618502821通用面向对象变电站事件(GOOSE )的要求,能够将跳闸信息从选线装置下传到多个间隔单元,传输延时小于1ms
。
图2 数字化变电站中的选线解决方案Fig.2 Scheme of line selection in the digital substation
2 电子式互感器的精度对选线的影响
数字化变电站采用的电子式互感器可以输出测量用和保护用2类离散数据,对于小电流接地故障,接地电流远小于负荷电流,更小于短路电流,因此应采用测量用的离散数据。但即使采用测量用的数据,仍有可能出现较大的测量误差,原因分析如下。
小电流接地故障选线需要利用各条线路的零序电流和母线的零序电压,获得零序电流的传统方法是利用零序电流互感器或者三相电流互感器二次绕组并联合成2种方式,获得零序电压的传统方法是利用电压互感器的开口三角绕组。由于这些方法都是直接利用了零序模拟量的电磁感应原理,因此除了暂态过程中的非周期分量外,暂态过程中的周期分量和稳态量的测量精度都能够得到保证。
数字化变电站由于采用了电子式互感器,为了降低投资和设备复杂程度,一般只测量相分量的离散值,然后对相分量的离散值进行合成得到零序分量的离散值。举例来说,如果测量某出线的A ,B ,C 三相电流的离散值为i A (1),i A (2),…,i A (n ),i B (1),i B (2),…,i B (n ),i C (1),i C (2),…,i C (n ),则零序分量的离散值为:
i 0(1)=1
3(i A (1)+i B (1)+i C (1))
i 0(2)=1
3(i A (2)+i B (2)+i C (2))
…
i
0(n )=1
3
(i A (n )+i B (n )+i C (n ))
(1)
对于小电流接地系统来说,一般金属性接地情况下架空线路的零序电流有效值在5A 以内,电缆线路的零序电流在20A 以内,而线路的负荷相电流可以达到100A 以上。因此,式(1)是3个值较大的数合成一个值较小的数,从数值分析的角度来说这种情况容易出现较大的误差。
设某条线路的三相负荷电流为150A ,电子式互感器的测量精度为012级,如果A 相为正误差、B 和C 两相为负误差,则相量图如图3所示。
图3 零序电流误差分析
Fig.3 Z ero 2sequence
current error analysis
由图3可得,由于测量误差导致零序电流计算值不等于0,其有效值为I 0=016A 。设金属性接地情况下该线路的零序电流为5A ,发生单相经电阻接地时,若零序电压升高到20%U N ,则零序电流为1A 。可见此时由于测量误差导致的零序电流计算值已经达到了实际零序电流的60%,必然导致对实际零序电流的幅值相位测量不准,影响选线正确性。
为了解决合成零序电流时带来的误差问题,应采用自适应滤波的算法,在线路正常运行时获得三相电流测量值的特征,即误差信息,在发生单相接地后从合成的零序电流信息中排除误差信息,保留真正的零序电流分量。自适应滤波系统如图4所示。当被测电流处于稳态时,稳态电流参考模型的测量输出作为期望信号,该信号中包含了测量误差。发生单相接地故障后,应用自适应滤波对零序电流的测量输出进行实时自适应校正,消除稳态时测量误差对零序电流的影响,获得了相应的自适应滤波的输出。具体实现方法可以参见文献[6]。
图4 自适应滤波系统Fig.4 Ad aptive f ilter system
3 多个合并单元的同步采样控制问题
小电流接地故障选线是一种跨多间隔的系统,
选线所需的量来自母线所连接的所有出线零序电流以及母线零序电压。因此,各间隔同步采样是实现
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5—?研制与开发? 齐 郑,等 基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案
接地选线正确性的关键。对传统的选线装置来说,零序电流量和零序电压量都是通过二次电缆连接的,以电磁波的传输速度传送到选线装置,由选线装置统一进行采样,此时认为各通道的采样是完全同步的。但对数字化变电站来说,各合并单元初始工作状态可能不同步,因此,必须通过某种方式来控制所有关联的间隔同时采样。
当前国内数字化变电站采用2种同步方式:外部时钟同步方式和内部时钟同步方式[7]。采用内部时钟同步方式时,同步设备与被同步设备间必须建立一对一的同步网络通道或复用原有的通信网络通道,加大了系统网络的复杂度。考虑到配电网设备较少,为了实现性价比最优,不宜增加网络的复杂度,因此应采用外部时钟同步方式。
外部时钟同步方式是通过外设的全站同步时钟源以固定间隔向全站需要同步的设备发出同步序列波形实现的。在同步时钟源中用硬件方式实现多路同步对时高速串口,通过点对点的方式与过程层合并单元的对时口相连接。
需要强调的是,如果A/D 功能在合并单元中实现,则合并单元获得同步信号后进行A/D 转换即可;如果A/D 功能在电子式互感器中进行,则合并单元获得同步信号后应进一步控制电子式互感器的A/D 转换,保证信号同步。
4 选线算法
对于传统互感器而言,单相接地故障电流很小,不存在饱和问题。但是,接地发生后的暂态过程中,非周期分量和非平稳振荡分量无法准确测得,这是由电磁感应测量原理限制的。与传统互感器相比,电子式互感器的优点在于能够将故障信息全面地进行测量,特别是针对暂态非周期分量和非平稳振荡分量能够有效地进行测量。
目前已经提出了很多种选线方法,总体上可以分为暂态量选线和稳态量选线2种[8211]。过去制约暂态量选线方法实用化的一个重要原因是测量暂态信息不完整。随着数字化变电站的不断推广,电子式互感器的使用弥补了这个不足,由于电子式互感器能够全面测量暂态信号,而暂态数据中故障信息更加明显,因此,数字化变电站的选线方法应以暂态量算法为主,如小波法等。
5 通信模式问题
选线装置通过以太网或者光纤按照IEC 618502
922协议获得合并单元的数据量,但是如果将所有间隔的相电流和相电压都通过交换机上传至选线装置,那么网络数据的流量非常大,必须采用高速交换机。考虑到降低工程成本,可以将零序电流和零序电压的合成计算由合并单元实现,选线装置直接获得合成后的零序电压和零序电流信号,这样就可以降低网络数据流量,选用低速交换机,降低成本。
6 跳闸命令传送
一般来说,小电流接地故障选线不需要跳闸,但是对于一些特殊用户,需要选线装置实现跳闸功能,这就要求过程层交换机能实时传送跳闸命令。
为此,参考保护装置的跳闸操作,可以采取IEC 61850标准中的发布者/订阅者(P/S )模式,基于GOOSE 协议将跳闸命令转换成GOOSE 报文,通过数据交换网络下发到过程层各控制单元发布跳闸的动作[12]。
7 结语
配电网实现数字化变电站是未来的发展趋势。本文提出了基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案。在实现方案中,采用全站同步时钟源同步方案能够有效解决各个合并单元的采样同步问题;采用自适应滤波算法能够保证合成零序分量的准确性;利用GOOSE 协议能够有效传送小电流接地故障选线的跳闸命令。对小电流接地故障选线实现方案的深入研究必将对数字化变电站技术的发展起到积极的作用。
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齐 郑(1977—
),男,通信作者,博士,讲师,主要研究方向:电力系统分析与控制、配电网自动化。E 2mail :qizheng319@https://www.doczj.com/doc/ae1700765.html,
郭 锐(1987—
),男,硕士研究生,主要研究方向:配电网自动化。
杨以涵(1927—
),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统分析与控制、光学互感器、配电网自动化。
Scheme for E arth F ault Line Selection in N eutral Point Non 2effectively G rounded System B ased
on Digital Substation T echnology
Q I Zheng ,GUO R ui ,YA N G Yi han
(North China Electric Power University ,Beijing 102206,China )
Abstract :Considering the characteristics of IEC 61850protocol ,features of digital substation communication and special requirements for earth fault line selection ,a scheme for earth fault line selection based on digital substation technology is proposed.Three key elements that affect the correctness of line selection most is analyzed ,including precision of electronic instrument transformers when merging zero sequence current ,control on synchronized sampling of several merging units ,and communication mode.Considering the feature of electronic instrument transformers ,transient 2based algorithm of line selection is the first choice in the digital substation environment.Meanwhile ,generic object oriented substation event (GOOSE )communication technology is adopted to realize tripping f unction.
This work is supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863Program )(No.2008AA12Z3475736).
K ey w ords :neutral point non 2effectively grounded system ;fault line selection ;digital substation ;electronic instrument transformer ;merging unit
立足行业 鼓励创新 面向应用促进电力工业科技进步
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5—?研制与开发? 齐 郑,等 基于数字化变电站的小电流接地故障选线实现方案