适用于双母线的继电保护方式对比分析与研究

2021-07-19李玉琳张紫凡肖燕纯王智东邱晨灿

湖北电力 2021年2期

李玉琳 1，张紫凡 1*，肖燕纯 1，王玕 1，王智东 1，邱晨灿

（1.广州城市理工学院电气工程学院，广东广州 510800；2.广东电网有限责任公司韶关供电局，广东韶关 512028）

0 引言

目前为满足母线保护的速动性和选择性的要求，母线保护基本上是按差动原理构成的，主要有完全式电流差动保护、电流相位比较式保护、母联电流相位比较式差动保护和带比率制动特性的母线差动保护［1-3］。为了不断提高母线运行的安全性和可靠性，文献［4］提出基于行波暂态量作为征量构建的保护原理，文献［5］基于人工神经网络模型的母线保护原理，但其保护判定不够稳定，对硬件等要求高，实现比较困难。目前微机型母线保护利用现代计算机技术的数字计算、逻辑判断等能力，可轻松实现各种复杂的母线保护判据，降低二次接线的复杂程度，是母线保护的主要发展方向［6-11］。在充分利用现有条件下，本文对比分析目前普遍采用的完全式电流差动保护和母联电流相位比较保护，提出一个更经济可行的微机型母线保护方案。当前针对母线保护的仿真工作多在Matlab/Simulink平台开展，而故障属于系统暂态现象，因此本文采用电磁暂态仿真平台搭建母线保护，进一步提高仿真准确度。

1 完全式电流差动保护与母联电流相位比较式保护

1.1 两种保护原理对比

完全式电流差动保护和母联电流相位比较式差动保护原理简单，实现容易。完全式电流差动保护根据基尔霍夫电流定理，比较进出线电流的差值，从而确定母线是否发生故障和选择故障母线，需装设3个差动继电器。而电流相位比较式差动保护则根据差动电流和相位比较来区分母线故障和选择故障母线，装设两个继电器即可实现保护功能。结构上母联电流相位比较式差动保护比完全式电流差动保护更简洁。

图1 母线差动保护原理对比图Fig.1 Comparison diagram of bus differential protection principle

1.2 改进保护原理避免死区保护

双母运行，当母联继电器与电流互感器之间发生故障时，流经完全式电流差动保护和母联电流相位比较式差动保护的电流如图2所示，流过KD2的电流为零，流过KD1和KD3的电流不为零。流过相位比较继电器KP的电流相位差为180°，因此完全式电流差动保护和母联电流相位比较式差动保护均判断为母线I发生故障，跳母线I上所有连接单元后故障仍然存在即存在保护死区［12-19］，无法有效地将故障切除。

图2 传统母线差动保护故障分析图Fig.2 Fault analysis diagram of traditional bus differential protection

从降低二次接线的复杂程度和可靠性考虑，本文将在母联上装设两个电流互感器，实现小差动保护范围的交叉，从而避免完全式电流差动保护出现保护死区。完全式电流差动保护改进后的接线图如图3所示，流过KD1～KD3的电流均不为零，KD1～KD3动作跳开双母线上所有的连接单元，可有效切除故障。

图3 完全式电流差动保护改进后的故障分析图Fig.3 Fault analysis diagram of improved complete current differential protection

母联电流相位比较式差动保护出现保护死区的主要原因是母联断路器退出运行后，保护无法进行相位比较，因而母联电流相位比较式差动保护的保护死区则通过改进控制回路进行避免。改进后的控制回路如图4所示，虚线框内为增加的控制回路。增加了母联断路器的备用触点与母线复压闭锁触点，当母联断路器跳闸后，母线仍存在故障时，则通过带延时的备用触点和本母线复压闭锁触点开放跳闸。

图4 母联电流相位比较式保护改进后控制回路图Fig.4 Control loop diagram after improvement of bus current phase comparison protection

1.3 基于PSCAD的双母线继电保护模型搭建及比对

220 kV双母线接线的完全式电流差动保护模型和母联电流相位比较式保护模型如图5所示，通过控制系统改变一次主接线系统的运行方式以及模拟一次主接线系统发生各类暂态故障。220 kV的母线采用双母线固定连接方式的主接线，双母线并列运行并且每组母线固定连接约二分之一的供电电源和输电线路。

本模型关键在于差动电流继电器和相位比较继电器功能的实现。完全式电流差动保护模型二次侧保护系统整个外观如图5红框所示，模块KD1～KD3分别表示每组母线的小差动电流继电器和大差动电流继电器，引入相应的电流信号，利用傅里叶快速变换分离各支路电流基波幅值与相位，通过直角坐标/极坐标变换电流形式后再进行差动电流的求值，最后通过两输入比较器比较每相差动电流的幅值与最大不平衡电流，输出KD1～KD3的动作信号。

图5 基于PSCAD双母线保护模型Fig.5 Double bus protection model based on PSCAD

母联电流相位比较式保护系统中的总差动电流KA模块与完全式电流差动保护模型中的差动电流KA模块设计方案一致，相位比较KP引入总差动电流KA处理后的总差动电流的相位值和母联三相电流，利用傅里叶快速变换分离出母联电流基波相位，通过角度解析元件变换相位形式后再进行相位差的求值，最后通过功率比较元件确定故障母线，在母联电流相位比较式保护模型中将复合电压闭锁保护放入逻辑模块中。部分功能块如图6所示。

图6 内部部分主功能模块展示图Fig.6 Display diagram of the main function modules of the internal part

2 保护动作情况对比分析

为探究完全式电流差动保护原理和母联电流相位比较式保护原理的差异，对比分析在不同故障点、改变双母线固定连接方式、双母线分列运行以及双母线相继发生故障时各继电器以及断路器的动作情况。验证保护原理能否满足系统对保护可靠性的要求，测试其对母线运行方式发生改变的自适应能力［20-23］。

2.1 不同故障点保护动作情况

1）保护区内发生故障

当母线I发生A相接地故障时，完全式电流差动保护小差动电流继电器KD1和大差动电流继电器KD3起动，断路器QF1、QF2和QF5动作跳闸，故障母线I被切除，母线II继续运行，动作曲线如图7（a）所示。本模型中，相位比较继电器KP为0时，则判断为母线I发生故障，相位比较继电器KP为1时，则判断为母线II发生故障。母联电流相位比较式保护在母线I发生A相接地故障时，总差动继电器KA起动，结合相位比较继电器KP在故障发生时的相位比较，起动断路器QF1、QF2和QF5动作跳闸切除故障母线I，动作曲线如图7（b）所示。

图7 母线I单相故障保护动作曲线Fig.7 Bus I single phase fault protection action curve

2）保护区外发生故障

仿真第0.3 s区外发生A相接地故障时，完全式差动保护和母联电流相位比较式差动保护的差动继电器KD1、KD2、KD3以及KA均无故障电流流过，继电器不起动，保护不动作，动作曲线如图8所示。

图8 区外故障保护动作情况Fig.8 Fault protection actions outside the zone

在母线I发生单相接地故障时，完全式电流差动保护和母联电流相位比较式差动保护均可靠动作，快速切除故障母线。同理验证了当母线区内发生各类型故障时，完全式差动保护和相位比较式差动保护均能正确动作。而在区外发生不同故障类型时，完全式电流差动保护和电流相位比较式差动保护均可有效地判别故障，保护不动作。因此在双母线固定连接模式下，完全式差动保护和相位比较式差动保护均能满足电力系统安全运行的要求。

2.2 固定连接方式发生改变保护动作情况

如图9所示，现将S3断开，S4闭合，即将连接于母线I的一条进出线改接于母线II，改变母线进出线的运行方式。

图9 改变双母线固定连接方式Fig.9 Change the fixed connection mode of double bus

当母线I发生A相接地故障时，由于双母线固定连接方式发生改变，完全式电流差动保护的二次回路不能自适应切换连接方式，失去故障选相功能，继电器KD1、KD2和KD3均动作，因误跳闸而扩大事故范围。动作曲线如图10（a）所示。母联电流相位比较式差动保护在固定连接方式发生改变的情况下发生故障时，继电器KA和KP可靠动作，故障有效切除，动作曲线如图10（b）所示。

图10 母线I发生A相故障动作情况Fig.10 A phase fault action of bus I

2.3 双母线分列运行保护动作情况

双母线分列运行时，因母联断路器断开，母联电流互感器无电流流过，相位比较式继电器KP失去选择性，区内发生故障时保护出现拒动，无法切除故障，动作曲线如图11（b）所示。完全式电流差动保护的KD1和KD2与KD3构成单母线差动保护，可正确切除区内故障，躲开区外故障，动作曲线如图11（a）所示。

2.4 双母线相继发生故障保护动作情况

当仿真第0.3 s母线I发生故障后，第0.5 s母线II相继发生故障，改进后的母联电流相位比较式差动保护在正确切除第一个区内故障后，母联断路器QF5已开断，此后母线II出现的故障，将由母线II复合电压闭锁起动，切除相应故障，动作曲线如图12（b）所示。而完全式电流差动保护在切除区内第一次故障后，小差动继电器和大差动继电器将构成单母线差动保护，保护仍能正确反应系统故障，动作曲线如图12（a）所示。

根据上述仿真结果综合对比分析了完全电流差动保护与母联电流相位比较式差动保护，具体性能对比如表1所示。

表1 差动保护性能比较Table 1 Comparison of differential protection performance

3 相位比较式微机型母线保护

3.1 微机型母线保护

微机型母线保护利用计算机在数学计算、逻辑判断、记忆等方面的优势，不再要求有公共的差电流回路，不用并联各回路的电流互感器二次绕组后引到保护盘，使保护的可靠性得到了很大的提高。本文所探讨的完全式电流差动保护和母联电流相位比较式差动保护也是目前微机型母线保护中比较普遍采用的两种保护原理［24-31］。基于如下考虑，运行方式经常改变的双母线微机保护采用母联电流相位比较式原理作为保护装置的基本原则。

1）母联电流相位比较式差动保护对母线运行方式具有较强的适应能力。虽然微机母线保护可利用隔离开关辅助接点判断母线运行方式，解决了完全式电流差动保护在原理上的不足，但因此刀闸辅助触点的可靠性将直接影响到保护安全运行，降低了保护的可靠性。

2）微机保护装置测量电流瞬时值，以瞬时分相比较为基础，保护装置动作速度很快，在母线内部故障时，保护装置的起动元件、选择元件在电流互感器饱和前动作。再加上母联电流相位比较式差动保护起动元件若采用具有比率制动特性的差动电流原理，可解决电流互感器饱和而引起的母线差动保护在区外故障时的误动问题。

3）对于母联电流相位比较式差动保护原理上的不足，利用微机母线保护CPU计算和逻辑判断能力，在母联断路器退出运行时，微机母线保护停用母联电流相位比较保护，采用单母线保护——复合电压保护。

3.2 相位比较式微机型母线保护的故障选相

采用母联电流相位比较式差动保护和复合电压闭锁作为双母线微机保护的主保护，充分利用母联电流相位比较式差动保护对系统运行方式自适应能力，当母联断路器退出运行或双母线相继发生故障后第一个故障被切除时，微机型母线保护则采用复合电压闭锁原理进行保护跳闸等，减弱对母联继路器的依赖，提高微机型母线保护的可靠性，具体流程图如图13所示。