智能变电站站域主保护算法设计及仿真研究

吴小平

（广东电网有限责任公司佛山供电局 广东 佛山528000）

智能变电站站域主保护算法设计及仿真研究

吴小平

（广东电网有限责任公司佛山供电局 广东 佛山528000）

随着信息技术的发展，智能电网成为我国电力技术改革的重点。目前，变电站保护装置仍采用传统判据和原理，保护存在缺陷性，实现变电站智能信息化迫在眉睫。基于国内外研究现状，首先研究了智能变电站体系结构特点，借鉴电流差动保护原理，提出了新型站域主保护算法，通过判断保护区制动状态和差动状态实现智能变电站故障定位和诊断，并采用仿真软件验证了算法的计算精度。研究表明：新型站域主保护算法可以正确判断故障状态，对变电站智能化改造具有一定指导意义。

智能变电站；主保护；故障诊断；仿真；电流差动

为了满足电网安全平稳运行，传统变电站一般采用主保护和后备保护相结合的方式［1-2］。主保护一般基于电流差动原理或者纵联原理，故障响应速度较高，可以迅速隔离区域内各种故障原件［3］。变压器是电力系统中的重要设备，其一般也采用电流差动原理进行保护，由于变压器内部存在励磁涌流，一般采用谐波法对其进行消除，但是谐波具有制动作用，会延迟响应时间。目前，变电站主保护主要存在以下问题［4-6］：

1）中低压母线一般未设置母差保护，主要依靠线路后备保护实现中低压母线保护。中低压母线出现故障时，一般会延迟跳闸，并引起安全事故。

2）比率制动式电流差动保护是变压器主保护，由于变压器的存在，空载合闸会导致励磁涌流；

3）故障电流一般伴随着大量谐波，此时主保护会发出制动信号进行闭锁保护，当谐波衰减到正常值后，保护才会动作，这会造成一定延时。

在现代通信技术的发展下，出现了一些新型保护算法，但现有继电保护算法一般应用于后备保护，改进的主保护算法还不多见［7］。基于国内外研究现状，首先研究了智能变电站体系结构特点，指出了传统变电站的不足之处。电流差动保护可以应用于多个电气元件，而智能变电站可同时获得多个测点的参数值，由此提出了新型站域主保护算法，通过判断保护区制动状态和差动状态实现智能变电站故障定位和诊断。并采用仿真软件验证了算法的计算精度，希望为今后的智能变电站设计提供参考。

1 智能变电站网络结构特点

变电站在电网具有电流汇集、电压等级变换、分配功率、调整电压的作用［8-9］。传统继电保护装置在智能变电站中继续应用，会影响智能断路器、电子互感器的性能，因此有必要对站域主保护算法进行改进，以实现变电站的全部智能化［10］。

智能变电站采用了先进的通讯技术、传感技术、计算机技术，可实现电网的数字化、智能化管理。根据IEC61850通信规约，智能变电站主要由站控层、间隔层和过程层3部分组成，如图1所示。

图1 智能变电站网络结构

图1中站控层主要功能是处理间隔层和过程层实时传输数据，并将数据转发到电力调度中心，同时传达调度中心对电网发出的调节指令。间隔层主要实现过程层数据的实时采集、过程层和站控层间的通讯功能。过程层主要集成了一些一次设备、二次设备、智能电子装置，这部分是整个智能变电站的基础。

智能变电站可通过电子式互感器、光电式互感器等测量设备对电流、电压等参数进行采集，新式测量设备致使测量精度提高，并扩大了智能变电站的动态测量区域，为广域保护的发展奠定了基础。

传统继电保护一般采取主保护+后备保护的双重保护方式，如图2［11］。对于高压母线，双重保护响应速度较快，可以准确隔离区域内的故障原件；但对于中低压母线，一般未设置母差保护，主要依靠线路后备保护实现中低压母线保护。中低压母线出现故障时，一般会延迟跳闸，并引起安全事故。

图2 双重化保护示意图

鉴于传统继电保护存在不足，学者们提出了广域保护，对电网数据实时测量，智能控制电网设备，实现稳定运行。但如果电网出现故障时，测量信息就会出现延迟，信息量太大还可能出现传输错误，导致继电保护装置拒动或者误动。因此，应将无限广域进行合理划分形成一下小的保护区，实现分区域保护。站域保护即为将保护区域定为变电站的广域保护。

2 站域主保护算法设计

电流差动可以根据元件两端参数判断故障位置，可靠并快速的切除故障，保护元件安全。因此，对于发电机、变压器、高压母线、大型电机等重要设备均采用差动保护作为主保护，这些设备结构简单，接线方便，两端电气量易于获得［12-13］。由于站域保护中含有变压器，以变压器为例对差动保护进行说明，图3给出了站域保护仿真系统图。

图3 站域保护仿真系统

图3中变压器类型为Y-Δ，其两端分别为母线1和母线2，CB01-CB05为5个断路器，其中CB03和CB04与变压器两端相连接。站域保护的对象为变压器T和母线1、母线2，保护范围划分是智能变电站继电保护的重点，其直接关系到保护可靠性。站域保护与广域保护的区别为：保护范围仅为变电站。站域保护将变电站划分为CD1和CD2两个保护区。CD1保护区在CB02和CB04之间，其主要保护对象为母线1和变压器；CD2保护区在CB03和CB05之间，其主要保护对象为变压器和母线2。 根据保护范围制定主保护算法流程图，如图4所示。

图4 主保护算法流程图

图4中，如果 CD1区域和CD2区域同时出现跳闸信号，则故障点位于T变压器；若只有CD1区域出现跳闸信号，则为母线1发生故障；若只有CD2区域出现跳闸信号，则为母线2发生故障。由于CD1区域和CD2区域都包含变压器，因此均需要考虑励磁涌流对保护的影响。传统差动保护采用谐波制动法防止继电保护系统误动。

比率式差动保护电流计算式为［14］：

其中，I.2A为CB02处A相电流，A；I.2C为CB02处C相电流，A；I.4a为CB04处A相二次电流，A；a为变压器变比。

制动电流计算式为［14］：

差动保护动作条件为：

其中，Ioffset为偏置电流，A。

比率式差动保护算法使变电站保护模块和功能模块有机结合，简化了分散到变压器、母线1和母线2的重复设置保护模块。该方法可以利用采集数据对故障位置进行判断，并发出隔离信号，保证系统安全稳定。但由于保护区中均含有变压器T，变压器中的励磁涌流容易引发差动保护误动。变压器内部发生故障时，电流中的谐波分量较多，差动保护系统将保护闭锁，因此隔离存在一定延时［15］。因此，需要对保护算法进行改进，减缓延时。

以 CD1区域为研究对象，对变压器T的铁芯饱和前后的差动电流进行修正。铁芯饱和之前磁化电流完全忽略不计，CD1区域差动电流为：

其中，i2A为CB02处A相电流，A；ai4ab为二次侧相电流，A。铁芯饱和之后磁化电流很大，已不能忽略，此时CD1区域差动电流为：

其中，imA为磁化电流，A。

由于imA和i4ab不能直接通过测量得到，因此必须对变压器磁化电流和相电流进行计算。

当t=t0时，式（4）中的差动电流大于整定电流，此时铁芯已经开始饱和，此时的差动电流即为磁化电流，将差动电流代入磁化曲线，即可得到初始磁通量φA0。铁芯饱和后，任意时刻的磁通可以通过积分获得：

根据式（6）计算得到φA并入磁化曲线，即可求出磁化电流。

3 站域主保护仿真分析

为了验证上述算法的可行性，以图3站域保护系统为例，建立仿真模型。图3中，电源取恒压模型，变压器T的额定容量设置为55 MVA，额定电压为154 kV/22 kV。以A相为例，采用改进的主保护算法进行仿真并与传统方法进行对比。以CD1保护区域为例，设置了压器内部出现故障工况进行仿真。

当变压器空载投入运行时，合闸角度为零，此时会导致变压器铁芯饱和。假设变压器在62.5ms处出现单相接地，CD1区域传统差动保护动作情况如图5（a）所示，本文改进的差动保护动作情况如图5（b）所示。图5中，纵坐标idA为传统保护的差动电流；i为差动保护谐波成分；87 R为传统保护发出的信号；87 BL为谐波制动信号；Trip为保护动作信号；iCD1为改进差动保护一次侧电流；iba1为改进差动保护二次侧电流；im1为磁化电流；id1为修正的差动电流。图5（b）中实线为传统保护动作信号，虚线为改进的差动保护动作信号。

由图5可以看出，变压器内部出现故障后，由于谐波的存在，致使传统保护动作信号滞后，改进算法的电流差动保护动作信号的响应时间比传统算法快28ms。根据CD1区域和CD2区域的响应情况，改进算法还可判断故障类型和故障位置。

4 结 论

变压器是电力系统中的重要设备，一般采用电流差动原理进行保护。目前，一般采用谐波法对励磁涌流进行消除，但是谐波具有制动作用，会延迟响应时间。基于国内外研究现状，首先研究了智能变电站体系结构特点，阐述了传统差动保护的优劣，在此基础上提出了新型站域主保护算法，通过判断保护区制动状态和差动状态实现智能变电站故障定位和诊断。研究表明：改进算法不受励磁涌流的影响，响应时间比传统算法快28ms；改进算法还可以根据不同区域的响应情况判断故障类型和故障位置。希望为今后的智能变电站设计和主保护改进提供理论指导。

图5 空载投入变压器保护动作情况

［1］李振兴，尹项根，张哲，等.分区域广域继电保护的系统结构与故障识别［J］.中国电机工程学报，2011，31（28）:95-103.

［2］Kim H H，Lee JJ，Kang D J.A platform for smart substations［J］.Proceedings of Future Generation Communication and Networking，FGCN，2007（1）:579-582.

［3］王宾，董新洲，许飞，等.智能配电变电站集成保护控制信息共享分析［J］.中国电机工程学报，2011，31（S1）:1-6.

［4］尹项根，李振兴，刘颖彤，等.广域继电保护及其故障元件判别问题的探讨［J］.电力系统保护与控制，2012，40（5）:1-9.

［5］GAOGuang-ling，PAN Zhen-cun，GAO Hou-lei，etal.Study on electrical digital simulation system following IEC61850［C］∥Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2009:20-25.

［6］蔡小玲，王礼伟，林传伟，等.基于智能变电站的站域保护原理和实现 ［J］.电力系统及其自动化学报，2012，40（6）: 128-133.

［7］齐超，周志宇.调控中心监控自动化系统与通讯功能浅析［J］.电子设计工程，2012，20（23）:127-130，133.

［8］廖先泽.基于IEC 61850的智能变电站站域保护研究［D］.成都：西南交通大学，2015.

［9］孔凡东.智能变电站站域后备保护开发与测试［D］.济南：山东大学，2014.

［10］陈磊，张侃君，夏勇军，等.智能变电站站域保护研究综述［J］.华东电力，2013，41（5）:947-953.

［11］宋璇坤，李颖超，李军，等.新一代智能变电站层次化保护系统［J］.电力建设，2013，34（7）:24-29.

［12］彭放，高厚磊，孔凡东，等.智能变电站站域后备保护装置开发与测试［J］.北京交通大学学报，2014，38（5）:119-122，127.

［13］丁毅，陈福锋，张云，等.基于背板总线的站域保护控制装置设计［J］.电力系统自动化，2014，38（24）:102-107.

［14］刘益青，高厚磊，李乃永，等.适用于站域后备保护的智能变电站站间信息传输方案［J］.电力系统保护与控制，2015，（2）:96-102.

［15］廖先泽，庄圣贤，施孟阳.基于智能变电站站域保护的研究［J］.浙江电力，2015，（5）:6-9，13.

Design and simulation ofmain protection algorithm in intelligent substation

WU Xiao-ping
（Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Limited，Foshan 528000，China）

With the development of information technology，smart grid has become the focus of power technology reform in China.At present，the substation protection device is still using the traditional criteria and principles.The protection of the existencewas defective，realizing the intelligent information was imminent.Based on the research status athome and abroad，firstly，the characteristics of smartsubstation system were studied，and a new type ofmain protection algorithm was proposed based on current differential protection principle.The fault location and diagnosis of intelligent substation were realized by judging the braking state and differential status of protected area.And the simulation softwarewas used to verify the accuracy of the algorithm.The study shows that the new type of station domainmain protection algorithm can correctly judge the fault state，which hasa certain guiding significance for the substation intelligent transformation.

intelligent substation；main protection；fault diagnosis；simulation；current differential

TM63；TM774

A

1674－6236（2016）20-0017-03

2016-03-04 稿件编号：201603047

国家自然科学基金项目（50977094）；中国南方电网公司科技项目（K-GD2014-0891）

吴小平（1985—），男，江西南昌人，硕士，工程师。研究方向：电力系统及其自动化。