超高压输电线路保护装置自适应整定及性能优化

李会新, 谢 俊， 王玉龙， 李 勇， 谢 华， 赵青春

(1. 国家电网公司华中分部, 湖北省武汉市 430077； 2. 柳焕章劳模创新工作室， 湖北省武汉市 430077；3. 南京南瑞继保电气有限公司， 江苏省南京市 211102)

0 引言

随着电网的大规模建设，超高线路变得非常密集，在现实中电网运行方式和结构在不断变化，超高压线路保护装置的定值整定配合越来越困难，整定计算人员的工作量越来越大[1-2]，超高压线路一套后备保护定值不可能实行完全配合，即使耗费大量工作后，对于解决失配的现象微乎其微。同时，各设备厂商保护装置定值项多、烦、杂且某些定值的整定存在差异，对整定人员知识水平要求较高，存在人为误整定的风险[3]。为此需要研究超高压线路保护装置的自整定及性能优化。

为降低超高压线路保护整定难度，提升系统安全运行水平，文献[4-5]提出了针对离线的后备保护的整定原则进行对比分析，提出了可靠系数分折线的选取方法，但会导致人工整定出现可靠系数选择混乱现象，也没提及自适应整定的措施。文献[6-9]均研究了现有距离保护自适应整定的方法，但对全套距离保护的优化及运行方式调整时的适应性没有研究，缺少主保护的整定探讨。文献[10]针对平行双回线路两侧的相邻线路零序电流不一定小于故障线路中的零序电流导致其反时限零序电流保护有可能无选择性动作问题提出了基于广域信息的零序反时限加速策略，但对于实际大电网广域信息可操作性难度大，处理加速过程复杂。

为有效解决超高压线路保护装置的整定计算工作面临的上述问题，针对超高压输电线路现有的各项设备参数、主保护和后备保护定值提出自整定原则方案，利用智能软硬件条件下装置可以获取更多的信息，在线加速或自适应调整保护范围，后备保护中主要实现全新和全套的距离保护以及零序反时限过电流保护的适应性策略，进而实现保护装置的自整定，逐步将整定人员从整定计算的角色转换为填写的角色，极大地提升了工作效率，减少了前端和后端电网工作人员的工作量，保证了电网运行可靠性。

1 自整定原则方案

1.1 设备参数

对于装置参数部分考虑保护线路的原始参数、保护线路的运行参数、电压互感器(TV)/电流互感器(TA)参数，在装置内部预先定制标准的表格，由用户填表一次值，装置二次值自适应计算，将设备参数定值前置。

保护线路的原始参数：线路长度、正序阻抗、零序阻抗、零序互感、正序容抗、零序容抗等。无用、无关定值可以定制专用的无定义符号。

被保护线路的运行参数：通道类型、TV/TA参数等。根据运行参数装置自适应具备应对过负荷、静稳破坏和暂稳破坏的能力。

1.2 保护范围分类

将保护定值根据保护范围划分为两类。一类是保护范围固定不受运行方式影响，如主保护、被保护的线路、被配合邻线的纵联保护和距离保护Ⅰ段，相邻变压器的差动保护;另一类是保护范围不固定受运行方式影响，如被配合的零序过电流保护、距离保护Ⅲ段。这类保护要找到保护范围很不容易，尤其当保护范围伸出本线路，对侧母线接有多分支，对每一个分支都存在一个保护范围。但是，这些保护范围是由一个保护定值决定的。因此，同原理保护配合往往是定值上的配合，即用配合定值乘以分支系数。不同原理保护配合就不能在定值上取得配合，这是因为各序网络独立，存在不同的电流分配系数，两类保护定值没有固定的关系。根据保护范围的分类确定用户前置定值和自整定后置定值，对于超高压线路保护而言前置定值就剩下距离保护Ⅲ段和零序保护Ⅱ段。

1.3 差动保护

随着“九统一”线路保护装置的运用及定值简化，差动定值整定只有差动动作电流定值。装置通过自适应识别电容电流，考虑1.5倍灵敏系数自适应选择不同电压等级的接地高阻，从而完成装置的自适应定值整定。

TA断线差动定值由线路保护装置两侧光纤交互TA参数，自适应整定时选取两侧TA一次值较小者，并考虑1.2的可靠系数来实现。

1.4 距离保护

本着加强主保护、简化后备保护的思想,自整定计算也允许作相应的简化，简化整定计算就是默认某些失配。

距离保护Ⅰ段按可靠性进行整定，距离保护Ⅱ段按灵敏度进行简化整定，距离保护Ⅲ段将结合灵敏度、选择性由用户前置定值整定。距离保护Ⅰ段可靠系数和Ⅱ段灵敏系数可由装置内置与长度相关的曲线函数选取[11-14]，根据对距离保护Ⅰ段的曲线函数，接地距离和相间距离的可靠系数分别表示为[13]：

(1)

(2)

式中：KK1和KK2分别为接地距离和相间距离Ⅰ段的可靠系数；L为被保线路长度。

针对距离保护Ⅱ段的曲线函数，下限和上限灵敏系数为[4]：

(3)

(4)

式中：Klm，min和Klm，max分别为接地距离和相间距离Ⅱ段的灵敏系数最小值和最大值。

对于零序补偿系数而言，在装置参数中增加“零序互感”参数，两侧线路保护装置通过采集本站的母线运行信息、开关和刀闸位置信息交互完成双回线或多回线的运行方式，接地距离保护Ⅰ段根据自适应识别双回输电线路的运行方式调整。

若自适应识别输电线路的运行方式失败时，则接地距离保护Ⅰ段零序补偿系数为保证可靠性取K3；对于接地距离保护的Ⅱ和Ⅲ段的零序补偿系数按双回线并列运行时整定保证灵敏度，零序补偿系数按K1自整定。

1.5 零序保护

零序保护一般仅用作切除高电阻接地故障，动作时间长于距离保护Ⅲ段，可以用定时限或反时限保护。零序保护Ⅱ段在整定中需要考虑末端接地故障有灵敏度，且躲过本线路非全相运行的最大零序电流，从而需要用户结合实际电网自行整定。零序保护Ⅲ段按高电阻接地故障有灵敏度[14]，一次值取300 A，动作时间与重合闸时间配合。反时限零序过电流保护现采用标准反时限曲线且定值整定也统一。

2 自整定保护原理优化方案

2.1 距离保护优化

1)距离全长段

Ⅰ段与Ⅲ段(躲过振荡周期)之间的时间间隙很宽，0～1.5 s，根据一般时间级差可以插入3至4个时间阶梯。另外，Ⅰ段与Ⅱ段之间的距离空间和时间也很宽，可以轻松插入一个过渡段，从而距离保护可以再加入一段，即全长段，全长段加入后使得距离保护在时间和空间上的分布密集均匀，从而距离保护配置距离Ⅰ段、全长段、Ⅱ段和Ⅲ段。全长段考虑到系统的测量误差整定取线路全长阻抗的90%，时间与相邻线路距离保护Ⅰ段或纵联保护配合，则接地距离全长段时间取0.3 s，相间距离全长段时间取0.5 s。

2)距离Ⅱ段加速

现有的距离加速往往只有手合和重合后加速，已经不能满足电网安全稳定的运行要求。当输电线路光纤保护存在因光纤通道同时故障或闭锁时造成保护装置失去主保护，当后备保护不加速时会影响故障切除时间，从而也可能扩大故障切除范围。另外对侧三跳时，当单端保护检测到故障时可以加快切除以提高保护切除的可靠性和速度，让后备保护得以完善，提高了电网运行的稳定性和可靠性。

随着站域保护、广域保护的研究与推进，当站域和广域决策信息给微机保护装置实现加速动作时，可以触发后备保护的加速逻辑，保证保护间的配合关系以适应系统保护的要求，从而降低扩大系统切除故障的风险。

增加新的距离Ⅱ段加速策略，如图1所示。

图1 触发Ⅱ段后备保护加速逻辑图Fig.1 Logic diagram of accelerating zone Ⅱ backup protection

图1中当通道异常、“通道异常加速Ⅱ段后备”控制字投入和本侧主保护投入时则实现加速，从而实现投入主保护的输电线路因通道异常时退出后来加速切除故障，以避免不必要的损失。另外建立了光纤传输机制将对侧断路器位置信息传给本侧，当对侧三跳本侧单端运行时，从而加速Ⅱ段后备保护来加快切除故障。制定开放站域和广域决策信息的加速接口来实现线路后备保护加速动作逻辑，降低扩大系统切除故障的风险，距离Ⅱ段的加速提高了电网运行的稳定性和可靠性，同样该逻辑也用于零序保护Ⅱ段。

3)反偏距离保护

当母线差动保护停运时，一般通过修改母线所连线路对侧保护的后备定值来实现母线故障的后备保护。另外随着区域和广域母线故障信息的获得，可以适当调整距离保护范围，简化流程提高效率，从而增加反偏距离保护并开放反偏接口便于母线差动保护停用，决策需要时再投入使用。反偏距离阻抗一次值取值不大，因只考虑到母线的阻抗，建议取5 Ω，且反向接地距离延时取0.3 s，相间建议取0.5 s。

结合距离全长段、距离Ⅱ段加速和反偏距离，得到优化后的距离保护示意图如图2所示。图2中在各段处给出的参考时间，前面为接地距离时间，后面为相间距离时间。

增加全长段、反偏距离保护以及完善距离加速后使得距离保护在后备中能保证线路全长和相邻设备的故障，实现距离保护的动作特性随运行方式自适应调整。

图2 距离保护配合示意图Fig.2 Cooperation schematic diagram of distance protection

2.2 零序反时限过电流保护的优化

零序反时限过电流保护在故障时动作时间的快慢与故障电流大小成正比关系，主要用于高阻接地故障，目前线路保护采用的零序反时限特性方程[5]为：

(5)

式中：I0为零序电流；IP为零序反时限过电流定值；TP为时间常数，为零序反时限时间。

高阻接地时保护安装处测量电压为：

(6)

工作电压为：

(7)

图3 高阻接地距离元件电压相量图Fig.3 Voltage phasor diagram of high-resistance distance component

结合图3，高阻接地的距离元件送端动作方程为：

(8)

(9)

受端动作方程为：

(10)

(11)

由式(8)至式(11)构成的高阻接地距离元件不受过渡电阻的影响，从而具有较好的故障定位，即选择性，在零序反时限过电流保护中增加高阻接地距离来提高零序反时限保护的选择性，优化后的零序反时限过电流保护逻辑图如图4所示。

图4中将高阻接地的距离元件设定为三段，Ⅰ段保证区内经过渡电阻接地的可靠性取线路全长的70%，与零序反时限过电流定值结合后延时躲振荡周期取2 s；Ⅱ段取线路全长的90%，延时取2.5 s；Ⅲ段为了保证灵敏度取线路的1.3倍，延时取3 s。当高阻接地距离元件不动作时则按反时限零序动作，此时对于定值“零序反时限配合时间”在整定时要求时间大于3 s，建议取3.5 s。零序反时限与高阻接地距离元件的配合可以提高保护范围内的单相高阻接地短路的灵敏度，从而适当地缩短零序反时限的动作延时，降低零序反时限越级误动的风险。

图4 优化后零序反时限过电流保护逻辑图Fig.4 Logic diagram of zero-sequence inverse-time over-current protection after optimization

3 算例及仿真分析

3.1 用户定值单前置示例

定值简化自整定后,用户需要填写和整定的定值则简化。从而对于线路而言，用户填写和整定的前置定值改为如附录A表A1所示。

在装置实现自适应定值整定后，设备参数部分由用户填写，用户只需要整定零序过电流保护Ⅱ段和距离保护Ⅲ段，从而减少了人工计算环节，提高了工作效率。

3.2 距离保护系数选择算例

结合式(1)至式(4)，在自整定中接地距离保护可靠系数和相间距离保护的灵敏系数与线路长度关系如表1所示。从表1分析发现，距离保护Ⅰ段整定可由装置根据用户输入的线路参数，如长度、阻抗等，自行完成，减少了用户的工作量。距离全长段实现取线路全长90%的阻抗自整定。实现Ⅱ段自整定时，直接根据线路的长度距离保护Ⅱ段灵敏度取距离下限灵敏系数Klm,min。距离保护Ⅲ段需考虑配合后人工干预进行整定，同时将距离上限灵敏系数Klm,max作为验证是否满足本线下限灵敏度要求，如果不满足则直接按下限灵敏度整定，距离保护Ⅰ段和Ⅱ段的自整定减少了人工整定工作量，将人工整定的Ⅲ段与灵敏度上限校核减少人为误差，进而降低失配的风险。

3.3 零序反时限优化仿真

零序反时限过电流保护中因分汲支路的影响导致其误动，从而为了验证零序反时限优化后的性能，在PSCAD软件建立如图5所示的500 kV仿真系统模型。

图5仿真系统模型中线路L1全长50 km，线路L2为双回线全长为100 km，线路的单位正序阻抗Z1=0.02+j0.28、单位零序阻抗Z0=0.183+j0.86 和ZL2分别为线路L1和L2的线路全长阻抗，α为保护3距故障点所占线路L2百分比。结合零序反时限优化方案，对于线路L1，高阻接地距离保护Ⅰ段元件取9.83 Ω，Ⅱ段元件取12.63 Ω，Ⅲ段元件取16.84 Ω；对于L2取相应的倍数。零序反时限电流定值一次值取300 A，零序反时限时间定值取0.4 s，配合时间取3.5 s。

表1 线路系数、保护范围长度变化与线路长度关系Table 1 Relationship between line coefficient, length change of protection range and line length

在图5中系统在线路L2一回线上分别对在α=0,α=50%,α=100%处的故障进行仿真，同时，在各故障点分别模拟高阻为0,50,100,200,300 Ω单相接地后零序反时限过电流保护优化前后的动作

特性，记录保护3动作情况的同时并记录保护3动作时保护1的动作情况，仿真过程中故障一直存在，α=0,50%,100%故障时的各判据元件动作行为分别见表2至表4。

图5 PSCAD仿真系统模型Fig.5 Simulation system model in PSCAD

表2 α=0处故障各判据元件动作行为特性Table 2 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=0

表3 α=50%处故障各判据元件动作行为特性Table 3 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=50%

表4 α=100%处故障各判据元件动作行为特性Table 4 Action behavior of every judgement component of the line fault when α=100%

从表2至表4中仿真结果可看出，高阻接地距离元件随着过渡电阻的增大灵敏度降低，但能提高零序反时限保护的选择性，在线路L2一回线中间和末端故障时，因为外汲分支的存在，保护1流过的电流比保护3大很多，从而当零序过电流反时限保护不优化时，因反时限保护故障电流越大动作越快且两保护定值一致时，保护1会出现超越误动，仿真中保护1误动的情况见表2至表4。优化后的零序反时限通过增加高阻接地距离元件后对于保护的选择性有所提升，从而只有当线路末端高阻接地时零序反时限过电流保护才会出现误动的可能，一般在误动前已由对侧优化后的零序反时限过电流保护动作切除，从而保护1就不会因外汲而误动，从而优化后的零序反时限过电流保护在一定程度上提高了其选择性，避免了一些系统运行方式下超越误动，同时给零序反时限过电流保护定值的统一性提供借鉴。

4 结语

随着超高压输电线路保护定值的统一化和保护装置的智能化，为保护装置从离线整定到自整定的角色转换提供了便利条件。通过从用户整定定值前置、自适应整定定值后置、自适应整定原则出发提出了各保护定值自整定的方案，其中主保护定值简化固化，距离保护制定长度曲线函数，优化零序补偿系数的选择，并提出距离保护所需改进的思路来提升保护装置性能。基于电压相量法的高阻距离识别元件提高零序反时限过电流保护选择性后实行加速，为超高压线路保护自整定装置的开发提供明确的理论基础，大大减轻现有整定工作量和降低人为错误。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

李会新(1973—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护及专业管理。

谢 俊(1980—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统继电保护及专业管理。E-mail: xjvhj@163.com

王玉龙(1988—),男,通信作者,工程师,主要研究方向:电力系统继电保护及开发。E-mail： wanglonglon@163.com