基于电流差动原理的智能变电站层次化保护策略研究

金恩淑，马仲涛，陈亚潇，吴 颖，赵 宇

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012;2.山东省聊城市供电公司，山东 聊城252000;3.国网江西省电力公司检修分公司)

近年来，大电网的发展给变电站安全带来更高的标准，对变电站的继电保护提出更为苛刻的要求。但是，传统继电保护存在着动作时间长、整定配合难、连锁跳闸导致大停电等问题［1］。广域信息的广泛运用为继电保护算法处理以上问题提供了有效的手段。基于广域信息共享的继电保护装置能够实现对系统的运行状况的全面了解并能为电网提供更加全面有效的控制措施，实现电网保护的职能全面化。智能变电站不仅能达到信息采集数字化及信息传输网络化，还可以实现信息全局共享化，从而为后备保护提供了一个全新的发展方向。

从上世纪九十年代开始，国内外学者相继对把广域运用在继电保护中进行了研究［2－5］。文献［6］运用专家系统的思想，可以准确识别变电站内的故障元件，建立了结合故障点与故障电流方向的故障元件判别矩阵，通过对故障特征量的矩阵运算来达到对故障元件的快速判别。然而对于大网络，这类规则库的建立十分复杂且庞大，并引发了专家系统知识库的维护难度大等问题。文献［7］提出一种广域继电保护算法利用的是纵联比较原理，该算法通过比较故障相邻区域多个测量点的测量信息，来达到准确地判断故障位置并采取相应的动作策略的目的。但由于方向元件本身存在一定缺陷即在特定的条件下如系统震荡时可能会发生误动，则影响保护的正确动作性［8－9］。

针对广域后备保护存在的问题，利用智能变电站信息共享的优势［10］，提出了基于改进电流差动保护的层次化保护新算法，对提高智能变电站继电保护性能，特别是提高后备保护性能方面具有重大的意义。

1 层次划分

以KCL定律为基础的传统电流差动保护凭借其原理简单，性能可靠，灵敏度高，被广泛运用在线路、母线以及电气设备的主保护中，在实际运用中成果显著。常规差动保护与广域电流差动保护在原理上基本一样，所不同的是，传统电流差动保护的对象是单个电气元件且无法获取其他元件信息，而广域电流差动保护［11］的保护对象可以是一整个区域。

为了更清晰的解释广域差动保护的作用范围，本文把变电站根据保护作用范围从大到小排列划分为3层，分别是:广域层、站域层和集成层。

图1 典型的广域系统

如图1所示典型的广域系统包含变电站以及相连系统，广域层差动区包含所能涉及的最大保护范围，广域层差动区是获取变电站全部出线的对端电流进行差动计算，即断路器 CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7、CB8、CB9、CB10、CB11、CB12，如图1中CD1区域所示。站域层差动区则是选取本变电站的全部出线电流参与差动计算，即 CB13、CB14、CB15、CB16、CB17、CB18、CB19、CB20、CB21、CB22、CB23、CB24，如图1中CD2区域所示。集成层差动区由多个元件差动区组成，每个元件差动区所保护的是变压器及其一侧母线，图1中的CD3、CD4、CD5皆为元件差动区。

层次化差动保护原理如下:

(1)当保护区内发生故障时，广域层CD1区域的保护动作;正常运行或保护区外发生故障时，则CD1差动区保护不动作。所以，CD1差动区保护动作情况可作为变电站内部故障的启动判据。

(2)站域层CD2差动区保护对象为本变电站内的元件，当CD1差动区保护动作而CD2差动区保护处于制动状态，此时可以确定故障发生在变电站出线位置。当CD1差动区保护动作且CD2差动区保护也动作时，可以确定为变电站内部故障。

(3)当CD1、CD2区域同时为动作状态时，各元件差动区进行差动计算，如果元件差动区保护都动作则判断为变压器故障，否则为动作的元件差动区域内母线故障。

2 各层后备保护原理

2.1 广域层电流差动保护

由于广域层保护差动区CD1包含有多条线路，在外部故障时广域电流差动保护可能会受线路电容电流的影响而导致误动。因此，广域电流差动保护需要消除电容电流造成的影响。

传统的电流差动保护并没有考虑电容电流的影响，因此当电容电流足够大时，差动电流将超过门槛值而导致保护误动。改进的电流差动保护考虑了电容电流的影响，制动电流和动作判据仍采用传统差动保护的，但差动电流是经过修正的，从而能够保证在外部故障时保护可靠不动作。

考虑电容电流影响的广域电流差动保护修正的差动电流为:

制动电流为:

动作判据为:

式中:Id0为差动电流的启动值，值可取为0.5IN，IN是额定电流，k是制动系数，本文取0.5。

图2 π型等值电路

对于长线路而言，有:

式中:Zπ为π型等值电路的等值阻抗;Yπ为π型等值电路的等值导纳为π型等值电路的线路波阻抗为π型等值电路的线路传输系数;l为线路长度。

对于图2中电容支路的icm(t)、icn(t)有:

式中:C=Yπ/jω为线路等值电容。

对m点应用基尔霍夫电流定律，有:

式中:iz(t)为Zπ上流过的电流。

对n点应用基尔霍夫电流定律，有:

将式(7)与式(8)相加，并将式(5)、式(6)代入得:

将计算各条线路得到的i'n(t)折算到高压侧后相加即为icj(t)，将其代入式(1)中，即可得到改进后的差动电流。

2.2 站域层电流差动保护

站域层差动区采用广域电流差动保护，即选取 CB13、CB14、CB15、CB16、CB17、CB18、CB19、CB20、CB21、CB22、CB23、CB24 处电流参与差动计算。

差动保护动作电流为:

制动电流、动作判据同公式(2)、(3)。

2.3 集成层电流差动保护

集成层差动区采用的基于变电站全站信息的集成保护算法可以加强各个保护之间的配合，提高效率，增强可靠性。

如图1中变压器T2侧集成层有三个元件差动区:CD3、CD4和CD5差动区。

CD3区域选取CB13、CB25、CB28、CB29处的电流参与差动计算。

差动保护动作电流为:

制动电流、动作判据同公式(2)、(3)。

CD4区域选取CB23、CB24、CB27、CB29处的电流参与差动计算。动作电流、制动电流、动作判据分别同公式(11)、(2)、(3)。

CD5 区域选取 CB20、CB21、CB22、CB27、CB28 处的电流参与差动计算。动作电流、制动电流、动作判据分别同公式(11)、(2)、(3)。

如果CD3、CD4、CD5区域电流差动保护同时出现跳闸信号，则判断为变压器T2发生故障;如果仅有其中一个区域出现跳闸信号，则为该区域内母线发生故障，例如，仅CD3区域出现跳闸信号，则判断为CD3区域内220 kV母线发生故障。

该集成保护算法实现了变电站后备保护原理和功能模块的统一，使原来分散到变压器、母线的重复设置的后备保护得到简化，可以充分利用站域信息，快速检测到故障位置，发出故障信号，保护非故障元件。

图3 算法流程图

2.4 算法流程

利用三类差动区的特点，可以准确地确定故障元件，图3给出了其运行流程图。首先判断CD1差动区、CD2差动区是否同时满足差动判据，区分变电站内部元件故障和出线故障，然后进行元件故障判断或者进行故障选线。

3 PSCAD仿真验证

为了验证本文提出的保护算法的有效性和可行性，以图1为例搭建PSCAD仿真模型。针对系统正常运行和各处发生故障情况进行全面仿真。限于篇幅，以下给出典型算例结果。

图4 变压器故障时各层保护区动作情况

(1)变压器T2故障

在0.2 s时刻，变压器T2引出线发生单相接地故障时，广域层CD1差动区、站域层CD2差动区和集成层CD3、CD4、CD5差动区差动电流和动作信号分别如图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)和4(e)所示。

由图4(a)、4(b)可以看出，在0.2s变压器T2处发生单相接地接地故障后，CD1、CD2差动区电流差动保护可靠动作。

由于发生故障后CD1区域、CD2区域同时处于动作状态，集成层各元件差动区同时进行差动。如图4(c)、4(d)和4(e)所示，CD3、CD4、CD5差动区电流差动保护均可靠动作，由此判断出为变压器T2发生故障。

(2)广域层CD1区域外部故障

在0.2 s时刻，线路L1上靠近电源侧发生单相接地故障时，CD1、CD2差动区差动电流和动作信号分别如图5(a)、图5(b)所示。

图5 CD1区域外部故障时各区域动作情况

由图5(a)、5(b)可知，在0.2 s时刻发生外部故障时，广域层、站域层差动区电流差动保护均可靠不动作。

仿真结果表明，基于差动原理的层次化保护策略在各种故障情况下均能正确区分区内与区外故障，而且可以快速确定故障位置，是可靠稳定的后备保护。

4 结 语

本文在分析了传统后备保护不足的基础上，提出了智能变电站站域后备保护的新方案。该方案以整个变电站内部及对外出线为保护对象，并划分为三层不同作用的保护区，将广域层电流差动作为保护启动的判据，根据广域层差动区与站域层差动区是否同时处于动作状态区分线路故障和元件故障，而且对广域层电流差动保护进行了改进，并利用共享信息构成变电站集成层保护区，准确定位故障元件，发送跳闸信号，保护非故障元件。

由PSCAD仿真实验表明，此方案的后备保护算法正确判断各层故障状态，在各种情况下均能够准确定位故障元件，在广域层保护区外部故障时不会因电容电流影响而误动，并具有足够的灵敏度。经仿真结果证实该方案可行，并具有推广的价值。

［1］高厚磊，刘益青，苏建军，等.智能变电站新型站域后备保护研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41(2):33－38.

［2］丁伟，和奔腾，王慧芳，等.广域继电保护系统研究综述［J］.电力系统保护与控制，2012，40(1):145－155.

［3］李振兴，尹项根，张哲，等.基于序电流相位比较和幅值比较的广域后备保护方法［J］.电工技术学报，2013，28(1):242－250.

［4］王旸，尹项根，张哲，等.基于遗传信息融合技术的广域继电保护［J］.电工技术学报，2010，25(8):174－179.

［5］杨春生，周步祥，林楠，等.广域保护研究现状及展望［J］.电力系统保护与控制，2010，38(9):147－150.

［6］熊小伏，周家启，赵霞，等.快速后备保护研究［J］.电力系统自动化，2003，27(11):45－47.

［7］丛伟，潘贞存，赵建国.基于纵联比较原理的广域继电保护算法研究［J］.中国电机工程学报，2006，26(21):8－14.

［8］梁立凯，韩学山，王艳玲，等.输电线路载荷能力在线定值［J］，电工技术学报，2013，28(2):279－284.

［9］丛伟，房凡秀，史方芳，等.智能配电网分布式区域纵联保护关联域的在线确定方法［J］.电力系统自动化，2014，38(12):67－73.

［10］徐光福，张春合，严伟，等.基于EPON通信的智能配电网馈线差动保护［J］.电力系统自动化，2014，38(2):91－96.

［11］金恩淑，杨健，张有才，等.异步法在T型线路电流差动保护中的应用［J］.东北电力大学学报，2014，34(1):31－34.