双母单分接线方式下母线差动保护逻辑完善方案

冯广杰，王智勇，闫志辉，胡沙沙，王志伟，肖锋

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

随着电力建设的迅速发展，国家电网有限公司和中国南方电网有限责任公司对电力系统二次设备标准规范不断进行完善更新，同时对继电保护产品的整体功能和性能提出了更高的要求。最新的母线保护技术规范针对母联支路电流互感器(CT)断线后发生区内故障做出明确要求：母联(分段)CT断线后相关母线断线相发生区内故障，母差先跳CT断线的母联(分段)，如果母联(分段)发跳令经延时后故障依然存在，再跳故障母线[1-3]。先跳母联(分段)的目的是排除母联CT断线对母线小差差动电流(以下简称差流)的影响；经延时跳母线的目的是保证母线动作的选择性，减小停电范围。

为适应新一代智能变电站建设，各继电保护厂家也在不断开发新的产品，以满足电力建设快速发展的需求。但某研究院最近在进行母线保护装置集中入网试验预检测过程中，针对双母单分接线方式进行实时数字仿真(RTDS)试验时，模拟母联CT断线后非相邻母线发生同名相区内故障，参试厂家均出现误跳非故障母线的母联(断线母联)现象。

对于智能变电站的采样值(SV)保护装置和就地化分布式母线保护装置[4-6]，当母联SV通信中断、SV检修不一致、报文配置异常、SV品质位异常后发生区内故障时，国网规范要求母线保护装置均按照母联CT断线逻辑处理[7]，无疑对保护装置处理母联断线后发生区内故障的能力提出了更高要求。本文引入母线中差保护判据，以配合母线保护装置现有大差和小差保护判据，再次划分双母单分接线方式下的差动保护范围，准确定位具体故障点，保证母线保护动作的可靠性和选择性。

1 试验现象及问题分析

1.1 RTDS动态模拟试验误动现象

在双母单分接线系统中，模拟母联1发生A相CT断线，断线后Ⅲ母A相发生区内金属性接地故障(K1点)，仿真模型如图1所示。参试厂家母线保护装置Ⅲ母差动保护均正确动作，但同时均出现误触发Ⅰ母差动跳母联1出口情况。误跳母联1元件后，造成Ⅰ母、Ⅱ母并列运行系统解列，最终导致Ⅱ母失压。

图1 RTDS系统示意Fig.1 RTDS system sketch

1.2 问题分析

在RTDS系统中，模拟母联1的A相CT断线，断线后Ⅰ母A相和Ⅱ母A相均出现小差差流，且此断线产生的差流(如图2所示)与故障产生的差流特征(如图3所示)相似。由于母线差动保护采用比率制动特性，断线产生的差流与制动电流易落入差动的比率制动动作区[8-10]，但母联CT断线时，Ⅰ，Ⅱ母采样电压均为额定值且A相大差不存在差流，Ⅰ，Ⅱ母保护均不动作。当继续模拟Ⅲ母同名相区内故障时，Ⅲ母A相小差保护和A相大差保护满足动作逻辑。由于故障时系统电流增大，母联断线产生的差流也同步增大，最终导致Ⅰ母A相差流满足差动比率制动特性，即满足Ⅰ母差动动作逻辑，且Ⅲ母故障引起Ⅰ母电压开放，最终导致Ⅰ母差动瞬时跳母联误动作出口。如变电站现场发生类似故障，可能导致Ⅰ母或Ⅱ母母线失压，将故障影响范围扩大。

图2 CT断线时差流与制动电流波形Fig.2 Waveforms of differential current and restraint current during CT disconnection

图3 故障时差流与制动电流波形Fig.3 Waveforms of differential current and restraint current during faults

2 母线中差保护判据

2.1 母线中差保护范围

现有的母线差动保护中设有大差元件和小差元件，大差用于判别母线区内和区外故障，小差用于故障母线的选择[11]，双母单分接线方式下大差和小差保护范围如图4所示。针对母联1的CT断线后Ⅲ母同名相区内故障工况，小差保护范围存在一定的局限性。为解决此问题，本文提出一种双母单分接线方式下母线中差保护判据，再次分解母线内部各段的保护范围，以保证母线保护装置跳闸的选择性。

原有母线保护大差保护范围和小差保护范围均不变，增加3个中差保护判据，即Ⅰ-Ⅱ母中差保护判据、Ⅰ-Ⅲ母中差保护判据、Ⅱ-Ⅲ母中差保护判据，如图5所示。

图4 双母单分接线方式下大差和小差保护范围Fig.4 Big and small difference protection ranges under single-sectionalized double-busbar mode

图5 双母单分接线方式下母线中差保护范围Fig.5 Medium difference protection range under single-sectionalized double-busbar mode

2.2 母线中差保护差流计算

Ⅰ-Ⅱ母中差保护范围为Ⅰ，Ⅱ母线连接的所有支路，由于母联1为Ⅰ，Ⅱ母的内部连接元件，因此其电流不参与Ⅰ-Ⅱ母中差保护差流计算。根据基尔霍夫电流定律，Ⅰ-Ⅱ母中差差流为除母联1支路外的Ⅰ，Ⅱ母各支路(包括母联2和分段)电流和。

(1)

(2)

同理，Ⅰ-Ⅲ母中差保护差流为挂在Ⅰ母或Ⅲ母上，除母联2支路外的各支路电流矢量和；Ⅱ-Ⅲ母中差保护差流为除分段支路外挂在Ⅱ母或Ⅲ母各支路电流矢量和。

2.3 中差保护的比率差动制动特性

同母线大差、小差保护逻辑一样，中差保护采用采样点比率制动特性的分相电流差动算法[12-14]，其采样点动作特征方程为

Id1+2>Iset，

(3)

Id1+2>kIr1+2，

(4)

式中：k为比率制动系数；Iset为采样点差动保护判别电流门槛，考虑零漂数据影响且保证故障发生时判别门槛的灵敏性，Iset取值为0.4倍差动保护启动电流门槛。

当某个采样点数据同时满足式(3)、式(4)时，判定此采样点具备区内故障特征方程。针对每周波24点采样的保护装置，发生典型的区内故障时，每周波至少20点满足区内故障特征方程。区内故障时，受CT饱和及非周期分量传变误差的影响，二次回路电流将不能正确传变一次故障电流，如图6所示。为保证速动性和可靠性，差动保护比率制动采用半周数据窗，若连续的12个采样点中有5个采样点满足区内故障特征方程，则认定满足中差保护判据，即中差保护范围内发生区内故障。

图6 区内故障CT饱和时差流与制动电流波形Fig.6 Waveforms of differential current and restraint current during CT saturation caused by internal faults

2.4 中差制动系数的选取

因此，中差保护制动特性根据以下原则自适应取值：双母单分接线在合环情况下取低制动系数(0.30)，否则取高制动系数(0.50)。

图7 双母单分合环运行时故障电流流向示意Fig.7 Fault current direction during single-sectionalized double-busbar closing-loop operation

2.5 中差保护判据在保护逻辑中的应用

由于母线比率差动保护基于傅式算法的向量判据和采样点的比率制动原理，以及每条母线的A，B，C相均实时判别中差保护逻辑，会影响程序代码的执行效率，为提高运算效率，保证保护装置的速动性，中差保护判据采用有条件方式投入。仅当母联(分段)支路CT断线时，与之相连2条母线保护的中差逻辑投入判别，若发生故障，其大差、小差以及中差差流和制动电流均满足式(3)和(4)时，差动保护动作；若无母联(分段)支路CT断线时，母线发生区内故障，其大差、故障母线小差差流和制动电流均满足式(3)和(4)时，比率差动保护动作。差动保护逻辑实现方案如图8所示(图中：m，n分别为大差、小差制动系数)。

图8 中差保护在母线保护逻辑中的应用Fig.8 Application of medium differential protection in busbar protection logic

3 仿真试验对比验证

增加中差保护判据后再次进行仿真试验验证。在母联1发生断线时，Ⅲ母发生故障区内故障，对Ⅰ-Ⅱ母中差来说，属于区外故障，中差保护动作条件不满足，可以闭锁Ⅰ，Ⅱ母差动动作逻辑；Ⅲ母保护逻辑无变化，可正确动作。

为验证双母单分接线母线保护程序增加Ⅰ-Ⅱ母、Ⅰ-Ⅲ母、Ⅱ-Ⅲ母中差保护判据后，系统发生各种故障时保护动作行为的正确性，在图1所示的RTDS动模仿真系统中分别模拟电力系统发生各种典型的区内外故障，对比验证增加中差保护逻辑前、后的动作情况，见表1。

表1 增加中差判据前、后保护动作情况Tab.1 Comparison of protection performance before and after adding medium differential criterion

注：不正确动作打×；正确动作打√。

由表1可知：中差保护判据能有效解决双母单分接线方式下母联(分段)CT断线，非相连母线同名相故障时，出现误跳断线母联(分段)出口现象；无母联CT断线情况下，各种区内外故障及发展性等各种复杂故障时，保护装置的动作均正确。

4 结论

现有母线保护装置增加中差保护判据后，保护方案具有以下特点：(1)中差逻辑选择性投入，无母联CT断线情况下，原有保护逻辑不改变，保护装置的可靠性和速动性不受影响；(2)在仅一个母联CT断线(包括SV采样保护装置的母联SV通信中断、SV检修不一致、报文配置异常、SV品质位异常等)时，中差保护判据能准确判别出故障点位置，有效闭锁相邻母线保护误动作情况；(3)在母联CT断线，相连母线同名相故障时，中差保护判据能有效快速动作，保证动作的可靠性。

增加中差保护判据的母线保护装置已通过集中入网试验检测，相关产品已在变电站现场稳定运行。