母線保護刀閘位置異常時的自適應(yīng)校正

黃繼東，肖 鋒，王智勇，趙曉鐸，胡沙沙

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母線保護刀閘位置異常時的自適應(yīng)校正

黃繼東，肖 鋒，王智勇，趙曉鐸，胡沙沙

(國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

簡要分析了支路刀閘位置異常對母線保護的選擇性和可靠性的影響，評估了刀閘位置異常給保護裝置帶來的誤動或拒動的風(fēng)險，提出了基于刀閘位置計算的流入流出的電流矢量和(簡稱IO差流)守恒原理的刀閘位置異常智能校正方案。在大差差流平衡且僅有一段母線小差I(lǐng)O差流不平衡時進入校正邏輯，保護嘗試著將無位置支路的電流加入小差I(lǐng)O差流不平衡的母線。若加入后所有母線的小差I(lǐng)O差流均平衡，則將本支路強制置于被校正的母線上；若不平衡，則嘗試加入另一條母線上。此外還論述了校正過程中用到的IO差流平衡的判別門檻以及判定校正成功的門檻的選取原則。最后通過仿真分析論述了該方案的可行性。

刀閘位置異常；矢量和；IO差流；校正

0 引言

變電站的母線上一般連接較多的支路，多段母線的接線方式中這些支路需要根據(jù)運行方式的要求在兩條母線間進行倒閘操作，母線保護如何準(zhǔn)確識別支路運行在哪條母線上并將其投入相應(yīng)的保護范圍內(nèi)是母線保護的核心技術(shù)。

在母線上發(fā)生故障時，母線差動保護正確動作是其第一步，動作后根據(jù)支路的運行狀態(tài)選擇性跳閘是其第二步。即便母線保護能夠根據(jù)小差準(zhǔn)確地判別并選擇性地跳開故障母線，如何準(zhǔn)確地跳開故障母線所連接的支路呢？在母線保護中，保護對于支路運行狀態(tài)的識別和母線故障時對跳閘對象的選擇均依賴于支路的刀閘位置。

在雙母線接線系統(tǒng)中，若接入母線保護的有源支路的刀閘位置輔助接點丟失或者不良，正常情況下對于保護和系統(tǒng)的運行不會產(chǎn)生太大的影響，但系統(tǒng)中有故障時影響極大。首先，發(fā)生區(qū)外故障時丟失刀閘位置的支路提供的短路電流無法計入母線差動保護的小差電流，小差差流的非故障特征缺口就會造成母線保護的區(qū)內(nèi)外判別不準(zhǔn)確，付出的代價是母線保護區(qū)內(nèi)外故障判別的準(zhǔn)確性的喪失。其次，母線區(qū)內(nèi)故障時，丟失刀閘位置的支路提供的短路電流無法計入正常的母線，則可能會造成母線保護拒動[1]。

假設(shè)丟失刀閘位置的支路在1母上運行，那么1母發(fā)生故障且丟失刀閘位置支路提供較大短路電流時，1母就會因為對差流貢獻最大的支路電流未計入差流而拒動；2母發(fā)生故障時，丟失刀閘位置支路提供的短路電流也無法計入1母小差，因此1母有很大差流并導(dǎo)致1母差動保護誤動。由此可見，刀閘位置丟失對母線保護的動作行為以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有很大影響[2-4]。

因此，母線保護應(yīng)能夠及時檢測出刀閘位置異常，并對其進行智能自適應(yīng)處理[5]。論文提出了基于刀閘位置計算的流入流出的電流矢量和(簡稱IO差流)守衡的刀閘位置智能校正方案。

刀閘位置校正的難點在于如何基于負荷電流識別需要校正的支路以及校正的正確性[6-7]。這里的校正電流相關(guān)門檻的選取極為關(guān)鍵。門檻值取高了，可能達不到校正的電流平衡條件，校正邏輯可能無法發(fā)揮作用。校正門檻取低了，可能會誤投入校正邏輯。論文結(jié)合系統(tǒng)故障特征對大差平衡和小差的門檻進行了詳細的分析探討。

1 ?基于差流平衡原理的校正方案

根據(jù)基爾霍夫電流守恒定律：對于正常運行的負荷支路，在無系統(tǒng)故障的情況下，經(jīng)過每個支路流入流出的電流的矢量和為零。在正常情況下，所有支路的電流均經(jīng)過刀閘流入或流出母線保護系統(tǒng)，在圖1所示的模型中，母聯(lián) CT極性指向1母，基于刀閘的IO差流可以用式(1)~式(3)表示。

圖1 雙母線母線模型

(2)

(3)

若刀閘位置全部正確且無系統(tǒng)故障，流經(jīng)所有刀閘位置支路的IO差流的矢量和理論上為0，即

在圖1所示的母線模型中，我們假設(shè)支路U2刀閘位置丟失，則母線保護在計算小差I(lǐng)O差流和大差差流時就無法將支路電流計入，因此差流產(chǎn)生缺口，將會不再平衡，如式(5)、式(6)。

(5)

在僅有一個支路的刀閘位置丟失的情況下，我們可以基于此IO差流的特征嘗試著對丟失刀閘位置的支路的運行狀態(tài)進行校正處理。這里定義用于識別大差差流平衡狀態(tài)的識別門檻，定義用于小差I(lǐng)O差流平衡狀態(tài)識別的門檻。若大差差流的幅值小于且滿足僅有一條母線的小差I(lǐng)O差流大于不平衡門檻，則進入基于IO差流的刀閘位置校正邏輯。

保護首先需要找到造成母線IO差流不平衡的支路，這里引入用于判別有負荷電流但沒有刀閘位置的門檻。保護對所有支路的刀閘位置和負荷電流的大小逐個判別，當(dāng)判別出有負荷電流但無刀閘位置時，保護判定為該支路刀閘位置丟失。支路有流無刀閘位置判別邏輯基于全周傅氏算法判別。式(7)用于支路的有效值計算，式(8)用于支路電流門檻的判別，式(8)成立時則認(rèn)為滿足該支路有流。

(8)

判出支路有流無位置之后，保護嘗試著將此有流無位置支路的電流逐個加入各母線小差I(lǐng)O差流，進行差流平衡校驗。若加入某條母線后，1母IO差流、2母IO差流、大差差流均平衡，則認(rèn)為支路校正成功。若差流不平衡，則認(rèn)為校正失敗，嘗試將該支路校正到2母上，若校正到2母上之后的1母IO差流、2母IO差流、大差差流均平衡，則認(rèn)為將支路校正到2母上是正確的，校正流程見圖2。

圖2 刀閘校正的邏輯框圖

刀閘位置校正邏輯若考慮使用支路電流的有效值，則由于一個相量在復(fù)平面內(nèi)可能對應(yīng)于無窮多個矢量，不同的相角下由式(7)計算出來的有效值則完全有可能相同，那么若簡單地使用有效值進行差流平衡校驗則存在誤校正的可能性。所以，刀閘位置的校正邏輯應(yīng)基于IO差流的復(fù)平面內(nèi)設(shè)計。

(10)

(11)

式(9)~式(11)均滿足且大差差流和2母小差I(lǐng)O差流均平衡時，則認(rèn)為支路k向1母校正成功。

2 ?校正門檻的選取

刀閘位置異常的校正邏輯其前提是正確識別出IO差流不平衡，找準(zhǔn)待校正的母線，因此合理選取母線IO差流平衡判別的電流門檻是關(guān)鍵。220 kV系統(tǒng)中，支路負荷電流一般不超過0.3 A(二次值)，若識別門檻及校正門檻值選取較大，則校正邏輯無法發(fā)揮其作用；若識別門檻及校正門檻值選取較小，則不平衡電流會影響到判別的準(zhǔn)確性，存在誤識別以及誤校正的風(fēng)險。

在刀閘位置校正邏輯中大差不平衡用于啟動校正邏輯，小差不平衡用于判定校正是否成功，下面分別介紹大差不平衡和小差不平衡門檻的選取原則。

根據(jù)系統(tǒng)特征，母線故障時故障電流一般大于電流的二次額定值(n)；母線保護裝置上CT斷線的判定門檻為整定值，與系統(tǒng)特征以及支路負荷的分配有關(guān)，CT斷線電流定值一般整定為0.2n，所以在選取大差平衡的門檻時僅需要躲開CT斷線帶來的IO差流即可；考慮到靈敏度校驗，大差平衡的門檻可取值為0.9倍CT斷線電流定值。

為了防止CT斷線電流定值整定值過大或者整定異常引起誤投入校正邏輯，還需要對大差平衡門檻做出限定。在保護判定為啟動時一般認(rèn)為發(fā)生了故障，因此，大差差流應(yīng)與保護的啟動門檻相配合。若大差差流已經(jīng)滿足啟動條件，則認(rèn)為系統(tǒng)中可能發(fā)生了故障，大差必然不再是平衡狀態(tài)，此時也不宜再進入校正邏輯。

一般情況下為了保證啟動邏輯的靈敏性，大差差流的突變量啟動門檻取為0.2n，在判定大差差流平衡時應(yīng)該躲開此突變量啟動門檻，即大差平衡門檻應(yīng)小于突變量啟動門檻0.2n。

在校正判別邏輯中大差差流的平衡性的判別是找到平衡的最大允許門檻，而小差I(lǐng)O差流平衡性的判別則與大差差流平衡性的判別相反，需要找到不平衡的最小門檻。

由于傳變誤差、采樣誤差、計算誤差的存在，母線保護的大差和小差差流本身會存在一個不平衡電流，選取小差不平衡門檻時應(yīng)該考慮與保護本身不平衡電流的配合，即應(yīng)滿足式(13)。

綜合式(14)和式(15)，小差I(lǐng)O差流的判別門檻應(yīng)按照式(16)取值。

(16)

2.3 故障過程中校正邏輯的保持

丟失刀閘位置的支路經(jīng)差流平衡校驗后，支路運行狀態(tài)可以校正，若校正后的支路所在母線故障，則故障母線的IO差流的相位可能發(fā)生改變，基于向量算法的IO差流在方向變化的一瞬間可能會出現(xiàn)短暫的IO差流平衡狀態(tài)返回的情況。在圖3所示的系統(tǒng)負荷中，母線保護CT斷線電流定值為0.1 A，差動保護動作門檻為0.4 A，則大差電流的校正門檻為0.09 A，小差不平衡的門檻為0.06 A。

圖3 故障前后電流矢量圖

若支路1刀閘位置丟失，則1母IO差流為0.15 A∠180°，2母IO差流為0.05?A∠180°，大差差流為0.02?A∠180°，滿足校正條件。校正成功后，若發(fā)生I母區(qū)內(nèi)故障，故障時1母IO差流為0.65 A∠0°，2母IO差流為0.05?A∠0°，大差差流為0.68 A∠0°。在故障初始階段，小差I(lǐng)O差流和大差差流相位與故障前相比均反相，則基于全周傅氏算法的1母小差I(lǐng)O差流會出現(xiàn)幅值為0的瞬間(虛線內(nèi))，如圖4。

圖4 1母小差I(lǐng)O差流過零

在虛線示意的曲線上，全周傅氏算出的小差I(lǐng)O差流為0，校正邏輯判不出小差I(lǐng)O差流不平衡，校正成功邏輯則會瞬時返回。而母線故障后大差差流瞬間達到很大，因大差差流不平衡再也無法進入校正邏輯，因此所謂的校正只能在無故障時起作用，在真正故障時校正邏輯瞬間被解除。

因此刀閘位置校正邏輯要躲開母線故障時差流數(shù)據(jù)跨窗的問題。一種可用的方案為在軟件校正成功后將支路刀閘位置智能校正的狀態(tài)延時確認(rèn)和保持。校正邏輯的延時和保持時間應(yīng)與校正邏輯的算法相配合，躲過全周傅氏算法的數(shù)據(jù)窗即可，全周傅氏算法的數(shù)據(jù)窗為20 ms，在實際應(yīng)用中，延時和保持的時間可取為30 ms。

2.4 本校正方案的優(yōu)點

本論文所述方案的優(yōu)點在于刀閘位置校正方案的門檻選取能夠自適應(yīng)調(diào)整，保護根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)特征、差流特征靈活選取門檻，能夠?qū)崿F(xiàn)對裝置差流的自適應(yīng)跟蹤。論文對大差差流平衡判別門檻的選取、小差差流平衡判別門檻的選取、啟動校正邏輯門檻的選取、判別校正是否成功門檻的選取進行了詳細的論述。

在智能變電站中，合并單元高精度、高暫態(tài)特性CT的應(yīng)用，使得裝置的不平衡電流水平大大降低，一般情況下220 kV系統(tǒng)中母線保護的不平衡電流不超過30 mA。這樣根據(jù)本文的方案，支路電流不低于60 mA的支路刀閘位置丟失時，保護均可進行校正，由此可見，論文將刀閘位置校正對負荷電流的依賴性降低到最低。

3 ?仿真分析

以雙母線模型為例，我們簡要介紹基于RTDS系統(tǒng)的仿真驗證，如圖5。支路1為母聯(lián)、支路2、支路4運行在1母，支路3和支路5運行在2母，支路2為刀閘位置丟失，通過改變RTDS系統(tǒng)中支路4和支路5的負荷電流大小考驗校正邏輯的正確性。其中，CT斷線電流定值整定為0.4 A，n為1 A。

在RTDS仿真模型中，通過調(diào)節(jié)支路4和支路5的負荷電流，使得支路2的負荷電流在待考核的差流門檻區(qū)間范圍內(nèi)，連續(xù)得到幾組數(shù)據(jù)，記錄實時數(shù)據(jù)量值見表1、表2。在5種方式下，分別模擬支路2刀閘位置丟失后Ⅰ母和Ⅱ母上發(fā)生母線故障，支路2的跳閘行為見表1、表2。若支路2正確跳閘，則可認(rèn)定為基于差流平衡校驗方案正確校正。根據(jù)式(12)可知取值為0.2 A，根據(jù)式(14)可知取值為0.08 A。

表1 不同方式下Ⅰ母故障時的支路2跳閘行為

Table 1 Branch 2 tripping when bus Ⅰ fault under different modes 單位：A

分析表1數(shù)據(jù)量值，方式1、方式2不滿足小差差流不平衡的條件，不執(zhí)行刀閘位置校正邏輯，保護認(rèn)為支路2刀閘位置丟失。方式3、方式4滿足大差差流平衡，小差差流不平衡的條件，保護將支路2電流校正到1母上之后，大差及各母線小差差流均滿足條件，所以將支路2自動校正到1母上運行，1母故障時支路2能夠正確跳閘出口。方式5，支路2刀閘位置丟失引起的大差差流為0.3 A，不滿足大差平衡的條件，直接跳出校正邏輯，所以1母故障時，支路2未跳閘。

表2數(shù)據(jù)與表1相同，保護校正邏輯平衡校驗結(jié)果與表1相同，方式3、方式4正確校正到1母上，2母故障時，支路2不會跳閘。方式1、方式2、方式5支路2未跳閘說明校正邏輯未誤校正到Ⅱ母上，表1和表2共同驗證了校正邏輯的可靠性。

表2 不同方式下Ⅱ母故障時的支路2跳閘行為

4 ?結(jié)論

基于IO差流原理的校正方案的基礎(chǔ)是基爾霍夫電流定律，在可靠識別出一次系統(tǒng)無故障，二次回路刀閘位置丟失時，保護通過差流校驗平衡原理將丟失刀閘位置的支路校正到其原本應(yīng)該所在的母線上。該原理能夠可靠地識別門檻，靈活地自動跟蹤校正門檻，能夠可靠解決二次回路中的單個支路刀閘位置異常，防止因刀閘位置異常造成保護遠后備越級動作事故[8-10]?；谡撐脑淼牡堕l位置校正方案已經(jīng)可靠地應(yīng)用到母線保護產(chǎn)品中，在產(chǎn)品的動模試驗中，基于差流平衡原理的刀閘位置校正方案經(jīng)受了母線故障、振蕩、經(jīng)高阻接地、轉(zhuǎn)換性故障等各種復(fù)雜故障的考驗。

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(編輯 葛艷娜)

Adaptive correction scheme of switch position abnormity of busbar protection

HUANG Jidong, XIAO Feng, WANG Zhiyong, ZHAO Xiaoduo, HU Shasha

(State Grid XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

This paper analyzes the impact of selectivity and reliability on the bus-bar protection when branch switch position is abnormal, assesses the risk of rejection or malfunction of protection device, and presents an adaptive correction method based on the principle of current vector sum of input current and output current being conservation (referred to as IO differential current). When the large differential current is balanced and only one length of bus-bar small differential IO current is imbalanced, the correction logic starts, protection device will try to add the no-position branch current into the busbar which has small IO differential current, after that if all busbars’ small IO differential current are balanced, this branch will be placed on the corrected busbar compulsively; otherwise, it will try to add to other busbar. A principle of selecting the correction and discrimination threshold of IO differential current used in modifying procedure is introduced. The feasibility of the scheme proposed is verified through simulation analysis.

switch position abnormal; vector sum; IO differential current; correction

10.7667/PSPC150828

2015-05-18；

2015-07-10

黃繼東(1980-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護產(chǎn)品研發(fā)；E-mail: 896462329@qq.com肖 鋒(1980-)，女，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)；王智勇(1978-)，男，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護研發(fā)。