基于有限交叠多分区的站域后备保护方案

2015-09-19史宇欣王增平

电力自动化设备 2015年1期

马静，史宇欣，马伟，王增平

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

变电站传统保护仅能获取本地单间隔或局部信息，这造成保护无法同时兼顾选择性、速动性和灵敏性，且愈加不能满足复杂电网对保护提出的更高要求[1-2]。同时，随着计算机、通信技术的不断进步，获取全站信息[3-4]实现站域保护已成为可能，研究站域保护对保证电网安全稳定运行具有重要意义[5-6]。

目前，站域保护主要有集中式和分布式2种方案[7]。集中式站域保护[8-9]是将所有信息集中到一个主站系统，对信息进行集中处理。文献[10]对变电站各类主设备故障进行了电气量特征分析之后，基于差动原理，利用站域冗余信息构建了保护判据，提出了一套面向变电站的站域保护方案。文献[11]提出了一种基于站域方向信息矩阵的故障定位算法，利用站内各元件的方向信息构造可以反映拓扑关系的方向信息矩阵，按照设定的逻辑关系，判断故障位置。另一方面，分布式站域保护[12-14]主要针对分布式母线：文献[15]基于IEC61850标准，提出了一种基于多Agent的分布式母线保护的原理及结构，并设计了具体实现的技术方案；文献[16]改进了智能变电站下母线差动保护整定方式，针对母线故障有电流流出的问题，提出了一种新的制动判据，提高了母线差动保护的可靠性及灵敏性。

集中式站域保护的决策中心能够获取更多信息，从全站的层面定位故障，简化了保护在动作时间上的配合关系，并能提高保护的选择性和可靠性。基于此，本文采取集中式站域保护，提出了一种基于有限交叠多分区的站域保护方案。该方案完全独立于现有的保护，首先按照作用域范围定义了3类有限交叠分区，并根据各分区可能出现的故障情况进行分析，设计了每个分区的动作方案；当站域范围发生故障且主保护不动作时，通过3类有限交叠分区之间的协调配合，有选择性地快速隔离故障。实际变电站故障案例分析结果表明，该方案有效地改善了高中低压元件的后备保护性能，解决了传统阶段式后备保护难以配合且动作延时长等问题，简单可靠，易于实现。

1 站域分区

以典型变电站及相邻连接线路为例，见图1，变压器三侧电压等级分别为220 kV、110 kV、35 kV；站内母线为 M03、M04、M07、M08、M11、M12，通过线路 L1—L8与相邻变电站连接；Load1—Load3为等值负荷；G1—G8为等值电源；B01—B33为断路器。按照作用域范围划分为以下3类有限交叠分区：母线-线路融合区、母线-变压器融合区、多元件协同融合区。以图1为例，说明各区域划分原则。

a.为使站内任一断路器至少被某一区域包含，3类有限交叠分区均包含2个及以上元件，母线-线路融合区包括本站出线及相连的本站母线，如线路L1的母线-线路融合区包含线路L1和母线M03，该区域由边界断路器B01、B05、B06构成，如图1中区域C所示。

图1 典型变电站及相邻电网接线示意图Fig.1 Typical connection between substation and adjacent network

b.母线-变压器融合区包括本站1台变压器及相连的1条母线，如变压器T1的高压侧母线-变压器融合区包含变压器T1以及母线M02，该区域由边界断路器 B02、B21、B12构成，B06为断开状态，不计入边界断路器，如图1中区域B所示，此时分段断路器为断开状态或者该电压等级侧没有分段断路器。

c.当分段断路器为闭合状态时，依据母线-变压器融合区的保护范围，分段断路器B06为其边界断路器（不在该区域中），同时分段断路器B06也为母线-线路融合区的边界断路器（不在该区域中）。由于边界断路器未包含在2个区域中，不满足分区原则，因此设计了多元件协同融合区，覆盖2个同电压等级的母线-变压器融合区，包括站内的2台变压器以及电压等级相同的2条对应母线，如高压侧站域多元件协同融合区包含变压器 T1、T2以及母线 M03、M04，区域由边界断路器 B02、B04、B17、B23、B21、B12共同构成，如图 1中区域A所示。多元件协同融合区动作跳开其区域内的分段断路器后，将形成2个母线-变压器融合区。

按照上述区域划分原则，在图1所示的变电站中，共有 2个多元件协同融合区（记为 A1、A2），各区命名及其所保护对象、边界断路器编号见表1；共有6个母线-变压器融合区（记为B1—B6），各区命名及所保护对象、边界断路器编号见表2。母线-线路融合区数目同线路数目，对应所保护线路编号分别命名为 C1、C2、…、C8。站域后备保护方案整体流程图如图2所示，该方案由母线-线路融合区、母线-变压器融合区、多元件协同融合区3个部分组成，依据融合区边界断路器对应的电流所构成的差动是否满足启动条件，判断融合区是否启动。方案中包含t1、t22个延时，t1取后备保护动作时间 0.5 s，t2比t1增加时限Δt，t2取1.0 s。由图2可知，该保护方案中站域多元件协同融合区保护范围包含母线-变压器融合区的保护范围，同时，母线-变压器融合区与母线-线路融合区的保护范围有交叠，利用这些区域之间的包含关系及交叠关系，切除站域范围内故障元件。

表1 多元件协同融合区保护对象、边界断路器编号Table 1 Numbering of protection objects and boundary breakers in multi-component integration division

表2 母线-变压器融合区保护对象、边界断路器编号Table 2 Numbering of protection objects and boundary breakers in bus-transformer integration division

1.1 母线-线路融合区动作分析及方案

母线-线路融合区C1见图3，C1启动说明故障可能发生在母线M03或线路L1上。若母线M03故障，则跳开断路器 B02、B05、B06；若线路 L1故障，则跳开断路器B01、B02。但无论母线M03还是线路L1故障，均需跳开断路器B02，若B02跳开，线路L1已不能向变电站供电，且该站也不能通过线路L1向外送电，即使是母线故障，跳开B01也不会造成影响。因此，母线-线路融合区动作，达到延时t1跳开其区域内线路两侧断路器。这种情况下，若是线路故障，则切除故障，若是母线故障，则跳开其中1个母线关联断路器。

1.2 母线-变压器融合区动作分析及方案

母线-变压器融合区B1如图4所示，此时分段断路器B06为断开状态。B1启动说明故障可能发生在母线M03、变压器T1上。若母线M03故障，则跳开断路器 B02、B05；若变压器 T1故障，则跳开断路器 B05、B12、B21。无论是母线M03还是变压器T1故障，均需跳开断路器B05。若变压器故障跳开B02，或母线故障跳开B12、B21，均扩大了故障切除范围，因此母线-变压器融合区动作，达到延时t1先跳开其区域内母线-变压器关联断路器，再通过各区域的配合后可以有效切除故障，在第2节中将对其进行具体分析。

1.3 站域多元件协同融合区动作分析及方案

站域多元件协同融合区A1如图5所示，此时分段断路器为闭合状态。若A1启动，说明故障可能发生在变压器T1、T2或者母线M02、M04上。若任一母线故障，均需跳开B06；若变压器故障，则需跳开变压器三侧断路器。若跳开B06，则切断了故障变压器三侧电源负荷与非故障变压器的联系，虽有一定的影响，但是避免了非故障变压器严重过负荷。另外，站域保护也有就地备自投等功能，在这种情况下，与跳开B06的影响相比，变压器故障而保护拒动将带来更为严重的问题。因此，站域多元件协同融合区动作，达到t1延时后跳开站域多元件协同融合区内的分段断路器。

图2 站域保护方案流程图Fig.2 Flowchart of proposed substation protection

图3 母线-线路融合区C1Fig.3 Bus-line integration division C1

图4 母线-变压器融合区B1Fig.4 Bus-transformer integration division B1

图5 多元件协同融合区A1Fig.5 Multi-component integration division A1

图5中，A1动作跳开B06之后，形成2个母线-变压器融合区B1、B4，然后按照母线-变压器融合区的动作方案，原有的站域多元件协同融合区分为2个母线-变压器融合区，二者各自判断本区域是否满足启动条件，若满足，则经延时 Δt即达到 t2（t2=t1+Δt）延时后，跳开该区域内的母线-变压器关联断路器。

2 典型故障案例

2.1 变压器故障

a.分段断路器均断开。若变压器T1故障，且变压器主保护拒动，未将变压器故障切除，见图6。

图6 变压器主保护拒动且分段断路器均为断开状态情况下，所提方案的动作情况Fig.6 Actions of proposed scheme when main transformer protection refuses to act and both segment breakers are open

设高压分段断路器B06和低压分段断路器B22均处于断开状态，此时形成母线-变压器融合区B1—B6，其中，B1、B2、B3这 3 个启动的融合区在达到 t1延时后，跳开B1区内的母线-变压器关联断路器B05、B2区内的母线-变压器关联断路器B12以及B3区内的母线-变压器关联断路器B21。最终在t1延时后将变压器故障切除，未扩大故障切除范围。

b.分段断路器不全是断开状态。若2个分段断路器并不全是断开状态，设高压分段断路器B06处于闭合状态，低压分段断路器B22处于断开状态，如图7所示，此时形成站域多元件协同融合区A1以及母线-变压器融合区 B2—B6。其中，A1、B2、B3这 3 个区域启动，在达到t1延时后，跳开A1区内的分段断路器B06、B2区内的母线-变压器关联断路器B12以及B3区内的母线-变压器关联断路器B21，然后区域A1分为 2个母线-变压器融合区 B1、B4，再经过Δt延时，B1动作跳开区内的母线-变压器关联断路器B05，最终在t2延时后将变压器故障切除。若2个分段断路器均处于闭合状态，则低压侧也将先形成站域多元件协同融合区A2，其动作情况类似A1，最终在t2延时将变压器故障切除。

图7 变压器主保护拒动且部分分段断路器为闭合状态情况下，所提方案的动作情况Fig.7 Actions of proposed scheme when main transformer protection refuses to act and partial segment breakers are closed

2.2 母线故障

a.分段断路器为断开状态。

若母线M03故障，而其对应的母线主保护拒动，未将母线故障切除，如图8所示。分析站内故障母线侧融合区，设与故障母线相连的分段断路器B06处于断开状态，此时形成母线-变压器融合区B1、B4，在达到t1延时后，B1区动作跳开B05，同时母线-线路融合区C1跳开区内线路两侧断路器B01、B02，最终在t1延时后将母线M03的故障切除，跳开的B01并未扩大故障切除范围。

图8 母线主保护拒动且分段断路器均为断开状态情况下，所提方案的动作情况Fig.8 Actions of proposed scheme when main bus protection refuses to act and both segment breakers are open

b.分段断路器为闭合状态。

设与故障母线相连的分段断路器B06处于闭合状态，如图9所示，此时形成站域多元件协同融合区A1，在达到t1延时后，跳开A1区内的分段断路器B06，同时母线-线路融合区C1将跳开区内线路两侧断路器B01、B02，然后A1分为2个母线-变压器融合区B1、B4，再经过Δt延时，B1区动作跳开区内的母线-变压器关联断路器B05，最终在t2延时后将母线故障切除，跳开B01并未扩大故障切除范围。

图9 母线主保护拒动且分段断路器均为闭合状态情况下，所提方案的动作情况Fig.9 Actions of proposed scheme when main bus protection refuses to act and both segment breakers are closed

2.3 线路故障

如图10所示，若线路L1发生故障，而其主保护拒动，此时仅母线-线路融合区C1启动，在达到t1延时后，C1跳开区内线路L1两侧断路器B01、B02，最终在t1延时后将线路故障切除，未扩大故障切除范围。

图10 线路主保护拒动时所提方案的动作情况Fig.10 Actions of proposed scheme when main line protection refuses to act

若母线上有多条线路，此时其中1条线路故障，仅该故障线路所在母线-线路融合区启动，跳开区内线路两侧断路器，将故障切除。

3 方案性能分析

本方案是一套完全独立于现有保护的站域保护方案，从信息的采集到数据的处理，到最后的出口跳闸，均与现有主保护完全独立，不依赖于主保护的信息，且出口跳闸的延时长于主保护。因此本方案的分析是基于主保护未能切除故障的情况，是主保护拒动时的有效补充，同时提升了后备保护的性能。

a.传统后备保护配置中，中低压元件的后备保护通常为阶段式过电流保护，高压元件的后备保护通常为距离保护；本文利用站域后备保护可直接获取多处电气量的特点，采取基于电流差动原理的保护作为后备保护，简化了后备保护整定困难、配合复杂的问题，同时，更加保证了保护的选择性。

b.传统后备保护采取阶段式配合方式，其动作时限往往较长。以图1所示电网为例，若采取传统电流后备保护，线路L7的近后备保护动作时限最短为0.5 s，远后备保护动作时限最短为1.0 s，变压器的近后备保护动作时限最短为1.0 s。实际中，由于出线有多级线路，后备保护动作时限往往要达到1.5 s及以上，甚至3 s。本文的站域保护方案中，线路故障的动作时限为0.5 s，变压器和母线故障的最长动作时限为1.0 s，保证了保护的速动性。