3/2接线方式母差保护扩建间隔压板操作次序优化

刘怀宇，杨 柳，陈 昊，张海华，何嘉弘

（1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211102；2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019；3.东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096）

0 引言

电力系统中直接用于生产、输送、分配电能的电气设备称为“一次设备”，如线路、断路器、母线等。对这些一次设备工况进行监测、控制、调节以及保护的低压电气设备称为“二次设备”［1-3］。将这些二次设备相互连接在一起从而实现特定功能的回路称为“二次回路”［4-7］。二次回路的可靠性直接影响着继电保护系统的可靠性，因而对二次回路的研究意义显著［6-12］。

通常为便于运维检修操作，常规变电站在二次回路中增加1 个～2 个可见断开点，并借助“硬压板”实现对断开点的控制；对于智能变电站则一般是通过软压板实现对二次“虚回路”的控制［13-17］。变电站压板的研究广受关注，文献［18］-文献［22］对变电站压板的状态识别方法以及相关算法进行研究；文献［23］-文献［25］对变电站压板状态监测以及校核技术进行研究；文献［26］对变电站软压板防误操作进行研究。但关于变电站压板操作次序的讨论尚无文献涉及，对压板操作次序优化所带来的工作效率的提高亦无文献涉及。因此在保证电网设备安全的前提下，对变电站压板操作次序优化进行研究有利于提高变电站运维检修的工作效率，并且对电网的安全稳定运行具有重要的意义。

目前大部分500 kV 及以上变电站一次接线采用3/2 接线方式，为便于讨论分析，本文以3/2 接线方式500 kV变电站扩建5011断路器间隔为例，讨论启动过程中500 kV I母母差保护5011断路器间隔压板操作次序的变化及其对5011 断路器保护、500 kV I 母母差保护等动作行为的影响。在保证电网设备安全的前提下，提出500 kV I 母母差保护5011 断路器间隔压板最优操作次序，从而显著减少压板操作量，进而节约时间成本。

1 研究背景

1.1 3/2接线方式母差保护的二次回路

常规变电站通过电缆传递电气量信号，其压板为硬压板；智能变电站通过光缆传递通用面向对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）信号，其压板为GOOSE软压板［27-30］，此处关于智能变电站二次回路的讨论是基于GOOSE 直跳方式展开。图1为500 kV I母母差保护与5011断路器间隔相关二次回路，其中图1（a）为常规变电站、图1（b）为智能变电站。

图1 I母母差保护5011断路器间隔相关二次回路示意图Fig.1 Schematic diagram of the secondary circuit about 5011 circuit breaker bay in the I bus-bar differential protection

为便于分析描述，常规变电站500 kV I 母第一套母差保护的5011断路器失灵联跳开入压板、启动5011断路器失灵开出压板、5011断路器A相跳闸压板、5011断路器B 相跳闸压板、5011 断路器C 相跳闸压板分别从P1.1 至P1.5 进行编号，相应的常规变电站500 kV I母第2套母差保护的5个硬压板分别从P2.1至P2.5进行编号、智能变电站500 kV I母第1套母差保护的两个软压板分别从P3.1 至P3.2 进行编号，智能变电站的500 kV I 母第2 套母差保护的两个软压板分别从P4.1至P4.2进行编号，如图1所示。

1.2 启动步骤

根据《华东电网直调设备技改、大修后设备启动方案编制工作规范》的规定可知，5011 断路器的电流互感器TA 电流回路接入500 kV I 母第1 套母差保护、500 kV I 母第2 套母差保护的启动步骤，为便于分析，对其进行一定程度的简化，如表1所示。

表1 启动步骤Table 1 Start-up steps

2 故障预想

图2为3/2接线方式的一次系统图，其中500 kV甲线与5011 断路器为新扩建一次设备。基于表1，可知需要在启动过程中将5011断路器TA回路接入500 kV I 母第1 套母差保护以及500 kV I 母第2 套母差保护，接着通过5011断路器空充500 kV甲线进行5011断路器TA回路带负荷校验工作，带负荷过程中500 kV I母母差保护单套运行。

图2 一次系统图Fig.2 Primary system diagram

图2 中位置①、②是一次设备故障预想位置。针对故障位置①，即500 kV甲线线路保护范围内存在隐患引起的故障，此时将由500 kV 甲线线路保护、5011断路器过流保护动作跳开5011 断路器。若此时5011断路器失灵，则5011 断路器保护需要联跳500 kV I 母母差保护，从而切除故障。

针对故障位置②，即500 kV I 母母差保护范围内存在隐患引起的故障，此时将由500 kV I 母母差保护动作跳开5011 断路器、5021 断路器，从而切除故障。此时通过5011断路器空充500 kV甲线，故障位置②仅有经过5021断路器提供的电源点，5011断路器失灵与否并不影响故障切除。

3 500 kV 母差保护压板操作次序优化分析

基于故障分析结果，可知在5011断路器从热备用改运行前，即表1 中步骤4，500 kV I 母母差保护5011断路器间隔压板的状态对系统发生故障时保护动作切除故障无任何影响。由于带负荷校验工作的结束，表明新设备具备入网运行条件，上述间隔压板必须投入运行。因而扩建间隔压板是在步骤5或步骤6的信号改为跳闸状态时投入、还是在步骤3 的信号改为跳闸状态时投入、亦或在步骤1之前便投入，有必要做进一步的分析。

3.1 500 kV I母第1套母差保护影响分析

如表2所示，500 kV I母第1套母差保护5011断路器间隔压板在步骤1 前投入后的状态变化情况，其中●表示压板投入、○表示压板退出。由表2 可知常规站压板P1.1-P1.5、智能站压板P3.1-P3.2 在此种方式下需要投入3次、退出2次。

表2 优化前500 kV I母第一套母差保护压板状态Table 2 Plate states of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection before optimization

对于500 kV I母第1套母差保护5011断路器失灵联跳母差保护开入压板，如未在步骤3时投入，根据故障分析结果，当5011 断路器失灵时，将因5011 断路器失灵联跳母差回路功能缺失导致500 kV I 母第1 套母差保护拒动，此时500 kV I母第2套母差保护尚处于信号状态，从而存在丙线、丁线后备保护动作切除故障而扩大事故范围的风险。若开入压板在步骤1 前投入，则将存在5011 断路器保护装置因未进行带负荷校验误发失灵联跳500 kV I 母第1 套母差保护的风险。由于3/2接线母差保护失灵联跳无电压闭锁等闭锁逻辑，若此时I母母线区外故障通过较大穿越性电流引起电网扰动，这将引起母差保护误动。由于断路器保护经出厂检测、现场调试、竣工验收等多层把关，误动可能性几乎为零。

对于500 kV I母第1套母差保护5011断路器间隔开出压板，如未在步骤3 投入，将存在500 kV I 母第1套母差保护无法出口5011 断路器跳闸以及启动5011断路器保护失灵的风险。根据故障分析结果，当500 kV I母第1套母差保护5011断路器失灵联跳母差保护开入压板在步骤3时投入，无论500 kV I母第1套母差保护5011 断路器间隔开出压板是否投入均不影响故障切除。因而可以考虑开入压板在步骤6 投入，从而减少运维人员压板操作工作量，进而节约时间成本。

综上所述，可得优化后500 kV I母第1套母差保护5011断路器间隔压板启动过程中的状态情况，即如表3所示，由表可知常规站压板P1.1、智能站压板P3.1需要投入2 次、退出1 次；常规站压板P1.2-P1.5、智能站压板P3.2仅需要投入1次。

表3 优化后500 kV I母第一套母差保护压板状态Table 3 Plate states of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection after optimization

为方便分析统计，将压板投入与退出各计为1 次操作，则可得如表4所示的优化前后500 kV I母第1套母差保护5011 断路器间隔压板操作量对比，由表4 可知，优化前后常规站操作量由25次降为7次，操作量减少18 次；优化前后智能站操作量由10 次降为4 次，操作量减少6次。

表4 优化前后500 kV I母第一套母差保护压板操作量对比Table 4 Comparison of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection plate workload before and after optimization

3.2 500 kV I母第2套母差保护影响分析

如表5所示，500 kV I母第2套母差保护5011断路器间隔压板在步骤1前投入后的状态变化情况。由表5可知常规站压板P2.1-P2.5、智能站压板P4.1-P4.2在此种方式下需要投入2次、退出1次。

表5 优化前500 kV I母第2套母差保护压板状态Table 5 Plate states of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection before optimization

基于500 kV I母第1套母差保护的分析过程，可知5011 断路器失灵联跳母差保护开入压板至少应在步骤5时投入，500 kV I母第2套母差保护5011断路器间隔开出压板是否投入均不影响故障切除，则可得优化后500 kV I母第2套母差保护5011断路器间隔压板启动过程中的状态情况，即如表6所示。

表6 优化后500 kV I母第2套母差保护压板状态Table 6 Plate states of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection after optimization

表7 所示为优化前后500 kV I 母第2 套母差保护5011断路器间隔压板操作量对比，由表7可知，优化前后常规站操作量由15 次降为5 次，操作量减少10 次；优化前后智能站操作量由6 次降为2 次，操作量减少4次。

表7 优化前后500 kV I母第2套母差保护压板操作量对比Table 7 Comparison of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection plate workload before and after optimization

3.3 优化结果

基于500 kV I 母母差保护影响分析结果，可得500 kV I母母差保护5011断路器间隔压板操作次序优化表，如表8 所示。无论智能站还是常规站，500 kV I 母第1 套母差保护5011 断路器间隔开入压板需在带负荷校验前改为跳闸状态时投入、开出压板需要在带负荷校验之后改为跳闸状态时投入；500 kV I母第2套母差保护5011 断路器间隔开入开出压板均在带负荷校验之后改为跳闸状态时投入。

表8 500 kV I母母差保护5011断路器间隔压板操作次序优化Table 8 Operation routine optimization of the 5011 circuit breaker bay plates in 500 kV I bus-bar differential protection

4 结语

本文以5011 断路器间隔扩建为例，探讨500 kV I母母差保护5011 断路器间隔压板操作次序及其对保护动作行为的影响，得出结论如下：

1） 优化后500 kV I母第1套母差保护5011断路器间隔开入压板需在带负荷校验前改为跳闸状态时投入，开出压板需要在带负荷校验之后改为跳闸状态时投入，相比优化前压板操作量常规站降低72%、智能站降低60%；

2） 优化后500 kV I母第2套母差保护5011断路器间隔开入开出压板均在带负荷校验之后改为跳闸状态时投入，相比优化前压板操作量常规站与智能站均降低66.7%。

本文仅对3/2接线方式空充线路情况下500 kV母差保护扩建间隔压板最优操作次序进行讨论，能够给同类型的工程应用一定程度的参考。今后将对其它接线方式或不同运行方式下压板操作优化进行分析讨论，以提高本文研究的普适性。