110 kV智能变电站备自投保护用母线电压的分析

王鹏程

（国网晋中供电公司，山西晋中030600）

0 引言

随着国家经济的飞速发展、科学技术的不断提高以及居民用电需求的不断增长，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，备自投装置是电力系统中非常重要的安全自动装置，对于提高供电可靠性起着十分重要的作用。因此，备自投装置已成为中低压系统变电站自动化的最基本功能之一。典型的110 kV电压等级变电站为2条110 kV进线，分别连接到110 kV 2段母线上，2段母线通过分段断路器连接，即单母分段接线运行方式。正常运行方式有以下2种[1]：一是1条110 kV进线断路器运行，分段断路器合位运行，另1条进线断路器处于热备用状态，运行线路间隔断路器带全站负荷；二是2条进线间隔断路器处于运行状态，分段断路器分位热备用状态，各自带站内一段负荷。对应这2种运行方式下的110 kV备自投保护装置也有2种运行方式，即进线备自投方式和分段备自投方式。不论哪种方式，备自投保护装置动作的判据都是在失去母线电压后进行的，所以母线电压对于备自投保护装置的正确动作起着至关重要的作用。

依据国家电网公司规范要求，智能变电站继电保护装置通常采用“直采直跳”的原则，110 kV备自投保护也遵循这个原则[2]。依据各继电保护生产厂家备自投保护装置原理，通常需要采集110 kV母线电压、进线间隔电流、进线线路电压的采样值SV（sampled value）信息及各间隔断路器位置、合后位置等面向通用对象的变电站事件GOOSE（generic object oriented substation event）信息。涉及各间隔的信息都是从各间隔的合智一体装置采集的，比如间隔电流、线路电压及位置信息等；而母线电压则既可以直接从母线电压合并单元装置取，也可以从各间隔合智一体装置取。本文将分别介绍这2种母线电压的取法，并从4个方面对2种取法进行比较。

1 备自投保护用母线电压

1.1 备自投装置的工作原理及基本要求

备自投装置的工作原理[3]：采用交流不间断采样方式，采集到信号后实时进行傅立叶法计算，能精确判断电源状态，并实施延时切换电源。备自投装置具有在线运行状态监视功能，可观察各输入电气量、开关量、定值等信息，有比较可靠的软硬件看门狗功能和事件记录功能。目前110 kV变电站大多数都配置了110 kV备自投装置，且多采用进线备投的运行方式来保证在发生电网事故或线路故障时对用户供电的连续性，将负荷损失降至最低。

对备自投装置的基本要求[4]有以下几点：一是装置的启动部分应能反映工作母线失去电压的状态；二是工作电源断开后，备用电源才能投入；三是备自投装置只能动作一次，以免在母线上或引出线上发生持续性故障时，备用电源被多次投入到故障元件上，造成更严重的事故；四是备自投装置应该保证停电时间最短，使电动机容易自启动；五是当电压互感器的熔断器熔断时备自投装置不应动作；六是当备用电源无电压时，备自投装置不应动作。

1.2 进线合智一体装置取用

1.2.1 备自投保护装置体系结构

备自投保护装置经光纤直接与2个进线的合智一体装置连接，实现直接采集各进线间隔电流SV、线路电压SV及母线电压SV，直接输出跳合闸进线断路器GOOSE命令，通过GOOSE网络实现多间隔传输采集各间隔断路器位置、合后位置等信号，并发出备自投保护装置的合分段断路器命令[5-6]。备自投保护装置从间隔合智一体装置取电压结构如图1所示。

图1 备自投保护装置从间隔合智一体装置取电压结构

1.2.2 备自投保护装置虚端子连接关系

进线间隔合智一体装置从所在母线处的母线合并单元装置上级联母线电压，再将母线电压转发给各间隔继电保护装置、测控采集装置、故障录波器及网络在线分析装置，同样可以将母线电压、间隔电流、线路电压转发给备自投保护装置。

1.3 母线合并单元取用

1.3.1 备自投保护装置体系结构

备自投保护装置经光纤直接与2个进线的合智一体装置连接，实现直接采样各进线间隔电流SV、线路电压SV，直接输出跳合闸进线断路器GOOSE命令；单独与110 kV母线电压合并单元连接，采集2段母线电压SV，仍通过GOOSE网络实现多间隔传输采集断路器位置、合后位置等信号，并发出备自投保护的合分段断路器命令。备自投保护从母线合并单元取电压结构如图2所示。

图2 备自投保护从母线合并单元取电压结构

1.3.2 备自投保护装置虚端子连接关系

备自投保护装置从各间隔合智一体装置处取各进线间隔电流SV、线路电压量SV；而母线电压则单独通过光纤链路从A套母线电压合并单元处接收。

2 2种取用方法的比对

从上述2种方案来看，都可以实现备自投保护装置用母线电压的接取。从实际投运的变电站看，有采用第一种方案从各进线合智一体装置取母线电压，也有采用第二种方案从母线电压合并单元取母线电压，这2种方案各有优势，但也存在各自的弊端，下面从4个方面对此进行分析。

2.1 光缆连接数量

从图1和图2可以看出，采用从母线电压合并单元处取母线电压时，需要多敷设一根光缆，且备自投保护装置需单独开设一个光口用于接收母线电压。而从各进线间隔合智一体装置处取母线电压时，对于备自投保护装置而言，只接收进线合智一体装置发出的SV信息，向进线合智一体装置发出GOOSE跳合闸命令，可共用一个光口实现收发；2个进线间隔则需要2个光口，再配置一个GOOSE组网光口即可实现保护功能。此方案下备自投保护装置、进线合智一体装置的光口数量配置最少，母线电压SV则通过已有的光纤链路转发，节省光缆及光口数量。

2.2 虚端子连线

不同二次继电保护设备生产厂家的110 kV备自投保护装置模型并不统一，有具备母线电压额定延时的模型，有具备进线电源额定延时的模型，有2个额定延时都具备的模型，也有备自投保护装置没有额定延时的模型。针对不同的装置模型，应该设计不同的虚端子连线以满足正常的运行要求。当进线合智一体装置与备自投保护装置分属不同的设备生产厂家时，必须注意采样额定延时的问题。从备自投保护装置虚端子连接情况和图2来看，备自投保护装置只有进线间隔的额定延时，没有母线电压的额定延时，此时从各进线间隔合智一体装置取母线电压更能满足保护安全运行的要求。若从母线电压合并单元取用母线电压，则母线电压SV经一个合并单元输出，其固有额定延时在500～750 μs之间，也就是一级延时；而进线间隔电流经合智一体装置输出，合智一体装置又经IEC61850-9-2级联了母线电压后，其固有延时在1 000～1 500 μs之间，也就是二级延时。这种情况将造成备自投保护装置接收到母线电压SV和进线电流SV存在延时差别，影响保护装置正常逻辑判断。所以，应根据备自投保护装置不同的模型来设计虚端子连线，以确定从母线电压合并单元取还是从进线合智一体装置取母线电压更符合备自投保护装置的运行要求。

2.3 备自投保护装置校验

110 kV智能变电站备自投保护装置的校验通常是用模拟量试验仪给母线电压合并单元加试验电压的方法来实际模拟，因此上述2种备自投取母线电压的方法对试验没有影响，都可以正常进行。当我们用数字式试验仪单独校验备自投保护装置时，采用母线电压合并单元取电压的模式更为便捷，1路光口关联电压SV，另外2路光口分别关联进线GOOSE信息。而当采用从各进线合智一体装置取电压时，需要2路光口关联SV采样值，另外2路光口分别关联进线GOOSE量，4路光口对于手持式数字试验仪很难满足，增加了现场调试难度[7]。

2.4 设备检修

遇有智能变电站内任一段母线电压互感器一次设备检修时，被检修母线的二次设备可以通过电压并列功能实现母线电压的输出，此时对于2种母线电压取用的方式没有影响，备自投保护装置可以正常运行。

当站内110 kV母线A套电压合并单元故障退出运行时，此时不论哪种备自投装置取母线电压的方式，都将失去110 kV母线I母电压，2种取用方式都需要将备自投保护装置退出运行。

当站内110 kV母线B套电压合并单元故障退出运行时，此时备自投装置从母线A套合并单元取母线电压方式的，将不会受到影响，备自投装置可以正常运行；而从进线合智一体装置取母线电压方式的，由于B套电压合并单元故障，不能输出Ⅱ母电压至进线2合智一体装置，造成备自投保护装置Ⅱ母失压，这时需要将备自投保护装置退出运行。

3 结束语

随着我国人民生产生活的现代化程度日益提高，人们对电力的需求和依赖程度也在倍增，对电能质量的要求也更加严格，供配电在各个领域也不断向自动化、无人值守、远程控制、不间断供电的目标迈进。有些电力用户尤其对不间断供电的要求显得更加突出。在《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB 50062—2016）中第十一章明确规定了备用电源和备用设备自动投入的具体要求。备自投保护装置母线电压的取用直接关系装置的正常运行，目前多数110 kV电压等级变电站采用110 kV备自投保护用电压取用110 kV母线A套合并单元，各110 kV电压等级变电站应在慎重考虑各种因素下的情况，综合比较判断后选择最佳的接取方案，以保障供电质量和供电可靠性。本文对目前110 kV智能变电站中110 kV备自投保护装置母线电压的取用方式进行了简单的分析和探讨，旨在对今后智能变电站备自投保护装置验收调试工作有所帮助，希望电力行业的学者专家多提意见和建议。