高振军，任景，霍超，范越，牛拴保，孙骁强，柯贤波

（西北电网有限公司，陕西西安 710048）

保护定值的合理性对于保护系统的可靠、正确动作具有极为重要的意义。近年来，对保护定值的校核从离线校核逐渐向在线校核发展[1-3]。由于高压电网主保护普遍实现双重化，使得后备保护有简化的趋势。在这种情况下，由于后备保护定值不合理而导致故障时保护误动或拒动的概率已非常小。后备保护突出的问题在于，在电网发生连锁故障时距离III段可能因无法躲过大负荷电流而发生误动。在历史上多次大停电事故中，距离III段误动作都在事故发展中起到了推波助澜的作用，特别是近期发生的印度大停电，再一次暴露出这个问题。为此，“8.14”大停电最终调查报告中明确提出：应对230 kV以上线路的距离III段定值重新进行评估。因此，对后备保护定值校核的重点应是距离III段。

保护定值校核功能所需的输入信息主要有两类：1）保护安装处的实时电压与电流；2）保护的配置与定值。已有的在线校核系统都安装在调度端，上述信息1）主要通过在线潮流计算得到，上述信息2）主要通过调度MIS系统得到。为此，要求调度端维护全网准确的系统参数以及保护配置与定值信息，这在目前仍是难以做到的。近年来国内建设了大量故障信息处理系统，该系统可通过模拟量召唤功能和保护定值召唤功能实时获得上述信息1）和2）[4-5]。电网本身就相当于一个巨型交流计算台，来自现场的数据无疑最能反映电网当前的运行方式和系统参数。故本文提出利用保护装置的模拟量召唤和定值召唤功能对保护定值进行在线校核。

保护定值分为整定定值和装置定值。已有的保护定值校核系统仅对整定定值进行校核。而事实上，当电网发生连锁故障时，距离III段误动的原因除了因线路电流增大、电压降低而导致保护测量阻抗绝对值变小外，另一个重要因素是负荷功率因数严重低于正常值，最终导致测量阻抗进入保护动作特性区。因此，对距离III段进行定值校核必须基于装置定值，且必须考虑保护动作特性。

1 保护裕度

1.1 IEC 61850

本文针对保护装置定值进行校核，并需要考虑保护动作特性。实际保护装置的装置定值差别很大，不利于编写通用的校核程序。

IEC 61850建立了距离保护装置定值的统一信息模型[6]，见表1。

表1 IEC 61850距离保护模型（部分）Tab.1 IEC 61850 distance protection model(segment）

1.2 保护裕度计算

图1为美加“8.14”停电Sammis-Star线路距离III段阻抗特性图。由图1所示，在正常情况下，线路距离III段测量阻抗远离保护动作特性圆。但在重潮流情况下，线路首端节点电压降低，线路功率增大，距离III段测量阻抗进入保护动作特性圆内，保护误动切除线路。

图1 Sammis-Star线路距离III段阻抗特性图Fig.1 Characteristics of impedance on Sammis-Star′s distance zone III

继电保护设备做为电力系统安全防御的第一道防线，动作迅速（以秒为数量级）。在重潮流情况下，安全自动装置动作来阻止系统运行状况的恶化，但由于安全自动装置动作时间相对后备保护较长(以分钟为数量级)，保护迅速动作切除线路，则安全自动装置无法发挥应有的作用。

因此，本文提出建立保护在线校核系统，实时监视保护的动作裕度，并根据保护裕度向调度人员发出预警信号，可以避免距离III段误动，发挥安全自动装置的作用，避免停电范围的扩大。

距离Ⅲ段阻抗特性曲线见图2。图2中，用IEC 61850的定值符号，给出圆特性、透镜特性以及四边形特性距离Ⅲ段动作裕度公式。

图2 距离III段阻抗特性曲线Fig.2 Characteristics curves of impedance of distance zone III

假定节点i保护安装处的测量电压为Vi，测量电流为Ii，则测量阻抗ZJ由式（4）计算得到：

定义i处距离III段保护裕度Mi为

2 预警性校核

2.1 关键线路选择

并非所有线路的距离保护III段可能发生过负荷引起的误动。以500 kV线路为例，若以3.6 kA作为线路过负荷电流的最大值，电压按降低到额定电压的0.85×525/1.732＝371.875 kV，而此时的测量阻抗ZJ=71.5674 Ω，假设测量阻抗角为30°，距离III段保护的最大灵敏角为85°，则在ZJ=71.5674 Ω情况下，距离III段可能误动的前提是距离III段的整定值Zset＝71.5674/cos（85-30）=124.7684 Ω，考虑保护的可靠系数，则Z′set=124.7684×0.7＝87.3379 Ω，以华东电网500 kV线路为例，距离III段整定值大于87.3379 Ω的只有13条线路。所以，本系统可以设置距离III段整定值的门槛值，来过滤掉不需要进行保护校核的线路。

2.2 预想事故排序

为提高电力系统的安全预警能力，本系统在电网当前运行方式的基础上进行“N-1”开断，校核相间距离III段后备保护的躲负荷能力，及时发现电网中存在连锁跳闸危险的薄弱环节。

严格的N-1检验需要对全部线路进行N次断线分析，计算工作量很大。实际上，网络中有一些线路在开断后并不引起关键线路的过负荷，由上分析，线路过负荷是引起保护裕度降低的主要原因，因此在线校核系统采用标量函数PI对N-1线路开断进行排序[7]，在线路开断引起保护裕度变化很小（小于预先设定的门槛值）时，停止开断计算。

2.3 断线分析的灵敏度法

对于N-1开断计算，为提高计算速度，系统采用断线分析的灵敏度法[8]。

假设开断线路为节点i和j间的线路，则节点i和j的节点功率变化量ΔPi，ΔQi，ΔPj，ΔQj由式（6）求得：

式中，H为4×4的矩阵，具体定义见文献[8]；Pij，Qij，Pji，Qji为N-1开断前线路的功率。N-1开断后节点电压的修正量由式（7）求得：

式中，ΔV，Δθ为开断后节点电压幅值和相角的修正量；S为灵敏度矩阵，为电网开断前潮流计算迭代结束时的雅克比矩阵J的逆矩阵。

由ΔV，Δθ求得开断后节点电压幅值V和相角θ，即可得到各支路N-1开断后的线路电流幅值和相角的修正量ΔI，Δδ。

3 系统实现

系统结构如图3所示。在调度端故障信息系统主站完成N-1开断计算，将开断计算得到的电压和电流的修正量发送给相应的各个子站，由子站的故障信息系统召唤保护装置的定值和实时模拟量，与修正量叠加，完成预警性校核。图4为系统的详细算法流程图。

图3 保护在线校核系统结构图Fig.3 Structure of on-line verification system of protection

图4 保护在线校核系统流程图Fig.4 Flowchart of on-line verification system of protection

4 算例

以某区域电网500 kV线路作为研究对象。

1）以福州到双龙的90021-50231双回线断面为例，如表2所示，正常情况下，保护裕度M在10左右，不可能发生误动。但当福建后山6#机组满出力投入运行时，断面潮流迅速增大，保护裕度M缩小到5，此时启动预警性校核，由事故排序得到如双回线1号线断开对2号线影响最大，N-1开断计算结果见表2，线路2的距离III段保护裕度降低到1.406，校核系统向调度人员发出报警信号。

2）以任庄到上河的40300－40400双回线断面为例，如表3所示，正常情况下，保护裕度M在16左右，不可能发生误动。但当母线40900-90200的1号线开断时，断面潮流迅速增大，保护裕度M缩小到10，此时启动预警性校核，由事故排序得到母线40900到90200的1号线开断时对40300－40400双回线断面影响最大，N-1开断计算结果见表2，此时保护裕度已缩小到4，在此基础上进行N-1开断，若此时40300－40400的2号回路开断，则40300－40400的1号线距离III段保护裕度降低到1.60，校核系统向调度人员发出报警信号。

表2 保护在线校核系统测试结果1Tab.2 Testing results 1 for on-line verification system of protection

表3 保护在线校核系统测试结果2Tab.3 Testing results 2 for on-line verification system of protection

5 结论

1）距离保护在大潮流下误动是电网发生连锁故障的重要诱因。对距离III段进行在线校核是保护定值校核的重要方面。

2）利用数字式保护装置自身的模拟量召唤和定值召唤功能，可对保护定值进行准确的在线校核和监视，该功能不依赖外部系统，易于实现。

3）对距离III段进行校核应立足于装置定值，并考虑保护动作特性。

4）利用灵敏度分析方法，可快速对装置定值进行预警性校核，调度端与各厂站交换的信息很少，同时实现了全网并行校核。

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