110 kV变电站简易母线保护数字化改造方案

朱 峥

（1.全球能源互联网发展合作组织，北京 100031；2.全球能源互联网集团有限公司，北京 100031）

0 引 言

在全球碳中和以及我国新型电力系统建设的背景下，越来越多的110 kV新建数字化变电站投运、运行，同时，还有众多的常规110 kV变电站改造成数字化变电站[1-3]。常规变电站改造成数字化变电站需要按照“三层两网”的结构分别进行站控层、间隔层和过程层的改造[4,5]。其中间隔层将采用IEC61850规约进行改造，过程层将把常规的电流互感器（Current Transformer，CT）和电压互感器（Phase Tranformer，PT）用电子式CT和PT所替代[7-9]。变压器低压侧10 kV母线由于没有配置单独的母线保护，利用变压器后备保护、母联、母线上所连线路等保护的逻辑关系共同组成变压器低压侧母线保护。

1 简易母线保护

简易母线保护并不是一套针对低压母线的独立保护装置，而是由110 kV变电站内变压器低压侧后备保护、10 kV侧母联（分段）过流保护以及连接在10 kV低压母线上相关元件或线路组成的一套闭锁和跳闸逻辑。总体逻辑是10 kV母线所连接的元件或线路由其对应的保护装置动作跳开相应的开关，而当低压侧母线发生故障时，由简易母线保护动作跳开变压器低压侧和母联（分段）开关，以在最小范围内隔离故障，提高配电线路的供电可靠性。

2 简易母线保护实现方案

2.1 闭锁信号传递方式

简易母线保护通过传送不同保护装置的闭锁接点给邻近相关的保护，闭锁相关联的保护装置，确保相关联保护不误动，造成扩大事故范围的后果。随着智能电网的成熟，数字化变电站在新型电力系统建设中日趋广泛，这其中包括常规的110 kV变电站数字化改造，也包括了新投产的全数字化变电站。由于数字化变电站传递信号的是光纤，而非常规变电站的电缆，这就使得利用数字化变电站的面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）通信能更高效地传输各种闭锁信号，避免了常规变电站误碰接线的风险，此外具有可扩展性强的优点。

2.2 闭锁跳闸逻辑

2.2.1 10 kV母线及相邻段母线出线故障

110 kV变电站10 kV侧主接线形式如图1所示，出线保护需配置过流保护，当出线发生故障后，过流保护需将闭锁信号发给相邻的变压器低压侧和母联（分段）开关保护，通过出线过流保护动作直接跳开出线，防止保护误动。当出线断路器失灵后，收回闭锁信号，通过变压器低压侧保护动作充当失灵保护的作用，将故障隔离，简易母线保护逻辑如图2所示。

图1 110 kV变电站10 kV侧主接线形式

图2 简易母线保护逻辑

2.2.2 变压器低压侧母线故障

当变压器低压侧母线上发生故障时，由变压器低压侧后备保护动作跳开低压侧开关，将故障隔离。

2.2.3 母联（分段）保护配置要求

当母联（分段）过流保护启动后，将闭锁信号传送给相邻的变低保护，并将其闭锁，只动作跳开母联（分段）断路器。如果断路器失灵，则停止发送闭锁信号，变压器低压侧后备保护如未接收到闭锁信号则保护动作跳闸，将故障切除隔离。

2.2.4 母联（分段）死区故障

如故障点恰好在母联（分段）断路器CT和开关之间时，即故障点在死区时，母联（分段）保护跳开对应开关，但是故障短路电流仍然存在。此时，经过变压器低压侧开关需短暂延时将低压侧开关跳开。

2.2.5 10 kV侧连接小电源上网处理逻辑

当10 kV母线前面几个预留间隔连接有小电源上网线路时，当小电源线路发生故障后，为了快速隔离故障，将闭锁信号传给变压器和母联（分段）保护，此时简易母线保护I段逻辑满足，并经过短时限I动作跳闸，时限I是与小电源线路保护切除时间相配合。为应对小电源线路开关失灵，通过整定一个短延时时限II和长延时III，简易母线保护II段和III段逻辑开放，通过变压器低压侧和高压侧动作切除故障，充当失灵保护功能。

3 改造方案及建议

鉴于常规110 kV变电站10 kV母线侧采用常规电缆接线较为复杂和烦琐，采用数字化改造后，电缆将被光纤所替代，因此能更方便地采集相关间隔的电流、电压等模拟信号，将大大简化变电站的二次回路，采用GOOSE报文机制能方便共享各元件或线路的信息，并及时对故障进行判断和处理。目前该保护逻辑方案已在国内多个数字化变电站和电厂得到应用和实施，效果良好，提升了经济性和安全性。在全球能源转型背景下，很多发展中国家都正在大力开展基础设施建设，对电网进行改造和升级，数字化变电站的新建或改造将会得到进一步的大力实施，因此低压侧简易母线保护的应用，对于常规变电站改造将发挥重要作用。然而，对于新建数字化变电站来说，考虑到GOOSE机制虽然较为完善，但时常也会发生GOOSE断链、网络阻塞等潜在风险，可能会引发相关保护误动或拒动，造成安全事故事件，因此可考虑以下两种方案建议。

方案一：新建数字化变电站低压侧母线带小电源出线时，考虑到小电源会增加简易母线保护误动的概率，建议将简易母线保护升级配置成专用的母线保护装置，通过原理成熟的母线电流差动保护及相关过流、失灵、死区等保护功能，实现同主网相同可靠性的母线保护，可大大提高运行的可靠性和安全性。

方案二：新建数字化变电站低压母线侧不带小电源出线时，可考虑将简易母线保护暂时保留，提高经济性，降低工作量，但是需要对于GOOSE报文机制及相关通道加强实时监测，当通信网发生故障时应尽快解决网络故障，防止由于通信网引发保护的误动或拒动。

考虑到建设新型电力系统的大背景下，分布式新能源上网会越来越多，屋顶光伏等广泛应用后，微电网不断增加，小电源线路上网场景也越来越多，会增加对GOOOSE闭锁机制及通信网的依赖，从而会增加简易母线保护误动或拒动的概率。因此，建议采用方案一进行配置改造，为小电源线路并网做好远期规划。

4 结 论

本文分析了110 kV常规变电站简易母线保护数字化改造的实现方案，通过闭锁信号的传递，有效防止了保护误动，能可靠的隔离故障，尤其是当有小电源线路上网时，通过时限I将发送闭锁信号的小电源线路跳开，时限II、III实现变压器低压侧及高压侧开关联跳，能有效应对相关保护误动或拒动的情况，并提出了两种场景下的改造方案，经过现场实际工程改造案例验证，取得了良好的效果，对于110 kV常规变电站数字化改造具有良好的借鉴意义。