雙母單分接線方式下母線差動(dòng)保護(hù)邏輯完善方案

馮廣杰，王智勇，閆志輝，胡沙沙，王志偉，肖鋒

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著電力建設(shè)的迅速發(fā)展，國家電網(wǎng)有限公司和中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷進(jìn)行完善更新，同時(shí)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)品的整體功能和性能提出了更高的要求。最新的母線保護(hù)技術(shù)規(guī)范針對(duì)母聯(lián)支路電流互感器(CT)斷線后發(fā)生區(qū)內(nèi)故障做出明確要求：母聯(lián)(分段)CT斷線后相關(guān)母線斷線相發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，母差先跳CT斷線的母聯(lián)(分段)，如果母聯(lián)(分段)發(fā)跳令經(jīng)延時(shí)后故障依然存在，再跳故障母線[1-3]。先跳母聯(lián)(分段)的目的是排除母聯(lián)CT斷線對(duì)母線小差差動(dòng)電流(以下簡稱差流)的影響；經(jīng)延時(shí)跳母線的目的是保證母線動(dòng)作的選擇性，減小停電范圍。

為適應(yīng)新一代智能變電站建設(shè)，各繼電保護(hù)廠家也在不斷開發(fā)新的產(chǎn)品，以滿足電力建設(shè)快速發(fā)展的需求。但某研究院最近在進(jìn)行母線保護(hù)裝置集中入網(wǎng)試驗(yàn)預(yù)檢測過程中，針對(duì)雙母單分接線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)試驗(yàn)時(shí)，模擬母聯(lián)CT斷線后非相鄰母線發(fā)生同名相區(qū)內(nèi)故障，參試廠家均出現(xiàn)誤跳非故障母線的母聯(lián)(斷線母聯(lián))現(xiàn)象。

對(duì)于智能變電站的采樣值(SV)保護(hù)裝置和就地化分布式母線保護(hù)裝置[4-6]，當(dāng)母聯(lián)SV通信中斷、SV檢修不一致、報(bào)文配置異常、SV品質(zhì)位異常后發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，國網(wǎng)規(guī)范要求母線保護(hù)裝置均按照母聯(lián)CT斷線邏輯處理[7]，無疑對(duì)保護(hù)裝置處理母聯(lián)斷線后發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的能力提出了更高要求。本文引入母線中差保護(hù)判據(jù)，以配合母線保護(hù)裝置現(xiàn)有大差和小差保護(hù)判據(jù)，再次劃分雙母單分接線方式下的差動(dòng)保護(hù)范圍，準(zhǔn)確定位具體故障點(diǎn)，保證母線保護(hù)動(dòng)作的可靠性和選擇性。

1 試驗(yàn)現(xiàn)象及問題分析

1.1 RTDS動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)誤動(dòng)現(xiàn)象

在雙母單分接線系統(tǒng)中，模擬母聯(lián)1發(fā)生A相CT斷線，斷線后Ⅲ母A相發(fā)生區(qū)內(nèi)金屬性接地故障(K1點(diǎn))，仿真模型如圖1所示。參試廠家母線保護(hù)裝置Ⅲ母差動(dòng)保護(hù)均正確動(dòng)作，但同時(shí)均出現(xiàn)誤觸發(fā)Ⅰ母差動(dòng)跳母聯(lián)1出口情況。誤跳母聯(lián)1元件后，造成Ⅰ母、Ⅱ母并列運(yùn)行系統(tǒng)解列，最終導(dǎo)致Ⅱ母失壓。

圖1 RTDS系統(tǒng)示意Fig.1 RTDS system sketch

1.2 問題分析

在RTDS系統(tǒng)中，模擬母聯(lián)1的A相CT斷線，斷線后Ⅰ母A相和Ⅱ母A相均出現(xiàn)小差差流，且此斷線產(chǎn)生的差流(如圖2所示)與故障產(chǎn)生的差流特征(如圖3所示)相似。由于母線差動(dòng)保護(hù)采用比率制動(dòng)特性，斷線產(chǎn)生的差流與制動(dòng)電流易落入差動(dòng)的比率制動(dòng)動(dòng)作區(qū)[8-10]，但母聯(lián)CT斷線時(shí)，Ⅰ，Ⅱ母采樣電壓均為額定值且A相大差不存在差流，Ⅰ，Ⅱ母保護(hù)均不動(dòng)作。當(dāng)繼續(xù)模擬Ⅲ母同名相區(qū)內(nèi)故障時(shí)，Ⅲ母A相小差保護(hù)和A相大差保護(hù)滿足動(dòng)作邏輯。由于故障時(shí)系統(tǒng)電流增大，母聯(lián)斷線產(chǎn)生的差流也同步增大，最終導(dǎo)致Ⅰ母A相差流滿足差動(dòng)比率制動(dòng)特性，即滿足Ⅰ母差動(dòng)動(dòng)作邏輯，且Ⅲ母故障引起Ⅰ母電壓開放，最終導(dǎo)致Ⅰ母差動(dòng)瞬時(shí)跳母聯(lián)誤動(dòng)作出口。如變電站現(xiàn)場發(fā)生類似故障，可能導(dǎo)致Ⅰ母或Ⅱ母母線失壓，將故障影響范圍擴(kuò)大。

圖2 CT斷線時(shí)差流與制動(dòng)電流波形Fig.2 Waveforms of differential current and restraint current during CT disconnection

圖3 故障時(shí)差流與制動(dòng)電流波形Fig.3 Waveforms of differential current and restraint current during faults

2 母線中差保護(hù)判據(jù)

2.1 母線中差保護(hù)范圍

現(xiàn)有的母線差動(dòng)保護(hù)中設(shè)有大差元件和小差元件，大差用于判別母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差用于故障母線的選擇[11]，雙母單分接線方式下大差和小差保護(hù)范圍如圖4所示。針對(duì)母聯(lián)1的CT斷線后Ⅲ母同名相區(qū)內(nèi)故障工況，小差保護(hù)范圍存在一定的局限性。為解決此問題，本文提出一種雙母單分接線方式下母線中差保護(hù)判據(jù)，再次分解母線內(nèi)部各段的保護(hù)范圍，以保證母線保護(hù)裝置跳閘的選擇性。

原有母線保護(hù)大差保護(hù)范圍和小差保護(hù)范圍均不變，增加3個(gè)中差保護(hù)判據(jù)，即Ⅰ-Ⅱ母中差保護(hù)判據(jù)、Ⅰ-Ⅲ母中差保護(hù)判據(jù)、Ⅱ-Ⅲ母中差保護(hù)判據(jù)，如圖5所示。

圖4 雙母單分接線方式下大差和小差保護(hù)范圍Fig.4 Big and small difference protection ranges under single-sectionalized double-busbar mode

圖5 雙母單分接線方式下母線中差保護(hù)范圍Fig.5 Medium difference protection range under single-sectionalized double-busbar mode

2.2 母線中差保護(hù)差流計(jì)算

Ⅰ-Ⅱ母中差保護(hù)范圍為Ⅰ，Ⅱ母線連接的所有支路，由于母聯(lián)1為Ⅰ，Ⅱ母的內(nèi)部連接元件，因此其電流不參與Ⅰ-Ⅱ母中差保護(hù)差流計(jì)算。根據(jù)基爾霍夫電流定律，Ⅰ-Ⅱ母中差差流為除母聯(lián)1支路外的Ⅰ，Ⅱ母各支路(包括母聯(lián)2和分段)電流和。

(1)

(2)

同理，Ⅰ-Ⅲ母中差保護(hù)差流為掛在Ⅰ母或Ⅲ母上，除母聯(lián)2支路外的各支路電流矢量和；Ⅱ-Ⅲ母中差保護(hù)差流為除分段支路外掛在Ⅱ母或Ⅲ母各支路電流矢量和。

2.3 中差保護(hù)的比率差動(dòng)制動(dòng)特性

同母線大差、小差保護(hù)邏輯一樣，中差保護(hù)采用采樣點(diǎn)比率制動(dòng)特性的分相電流差動(dòng)算法[12-14]，其采樣點(diǎn)動(dòng)作特征方程為

Id1+2>Iset，

(3)

Id1+2>kIr1+2，

(4)

式中：k為比率制動(dòng)系數(shù)；Iset為采樣點(diǎn)差動(dòng)保護(hù)判別電流門檻，考慮零漂數(shù)據(jù)影響且保證故障發(fā)生時(shí)判別門檻的靈敏性，Iset取值為0.4倍差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流門檻。

當(dāng)某個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)滿足式(3)、式(4)時(shí)，判定此采樣點(diǎn)具備區(qū)內(nèi)故障特征方程。針對(duì)每周波24點(diǎn)采樣的保護(hù)裝置，發(fā)生典型的區(qū)內(nèi)故障時(shí)，每周波至少20點(diǎn)滿足區(qū)內(nèi)故障特征方程。區(qū)內(nèi)故障時(shí)，受CT飽和及非周期分量傳變誤差的影響，二次回路電流將不能正確傳變一次故障電流，如圖6所示。為保證速動(dòng)性和可靠性，差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)采用半周數(shù)據(jù)窗，若連續(xù)的12個(gè)采樣點(diǎn)中有5個(gè)采樣點(diǎn)滿足區(qū)內(nèi)故障特征方程，則認(rèn)定滿足中差保護(hù)判據(jù)，即中差保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

圖6 區(qū)內(nèi)故障CT飽和時(shí)差流與制動(dòng)電流波形Fig.6 Waveforms of differential current and restraint current during CT saturation caused by internal faults

2.4 中差制動(dòng)系數(shù)的選取

因此，中差保護(hù)制動(dòng)特性根據(jù)以下原則自適應(yīng)取值：雙母單分接線在合環(huán)情況下取低制動(dòng)系數(shù)(0.30)，否則取高制動(dòng)系數(shù)(0.50)。

圖7 雙母單分合環(huán)運(yùn)行時(shí)故障電流流向示意Fig.7 Fault current direction during single-sectionalized double-busbar closing-loop operation

2.5 中差保護(hù)判據(jù)在保護(hù)邏輯中的應(yīng)用

由于母線比率差動(dòng)保護(hù)基于傅式算法的向量判據(jù)和采樣點(diǎn)的比率制動(dòng)原理，以及每條母線的A，B，C相均實(shí)時(shí)判別中差保護(hù)邏輯，會(huì)影響程序代碼的執(zhí)行效率，為提高運(yùn)算效率，保證保護(hù)裝置的速動(dòng)性，中差保護(hù)判據(jù)采用有條件方式投入。僅當(dāng)母聯(lián)(分段)支路CT斷線時(shí)，與之相連2條母線保護(hù)的中差邏輯投入判別，若發(fā)生故障，其大差、小差以及中差差流和制動(dòng)電流均滿足式(3)和(4)時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作；若無母聯(lián)(分段)支路CT斷線時(shí)，母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，其大差、故障母線小差差流和制動(dòng)電流均滿足式(3)和(4)時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。差動(dòng)保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)方案如圖8所示(圖中：m，n分別為大差、小差制動(dòng)系數(shù))。

圖8 中差保護(hù)在母線保護(hù)邏輯中的應(yīng)用Fig.8 Application of medium differential protection in busbar protection logic

3 仿真試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

增加中差保護(hù)判據(jù)后再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。在母聯(lián)1發(fā)生斷線時(shí)，Ⅲ母發(fā)生故障區(qū)內(nèi)故障，對(duì)Ⅰ-Ⅱ母中差來說，屬于區(qū)外故障，中差保護(hù)動(dòng)作條件不滿足，可以閉鎖Ⅰ，Ⅱ母差動(dòng)動(dòng)作邏輯；Ⅲ母保護(hù)邏輯無變化，可正確動(dòng)作。

為驗(yàn)證雙母單分接線母線保護(hù)程序增加Ⅰ-Ⅱ母、Ⅰ-Ⅲ母、Ⅱ-Ⅲ母中差保護(hù)判據(jù)后，系統(tǒng)發(fā)生各種故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作行為的正確性，在圖1所示的RTDS動(dòng)模仿真系統(tǒng)中分別模擬電力系統(tǒng)發(fā)生各種典型的區(qū)內(nèi)外故障，對(duì)比驗(yàn)證增加中差保護(hù)邏輯前、后的動(dòng)作情況，見表1。

表1 增加中差判據(jù)前、后保護(hù)動(dòng)作情況Tab.1 Comparison of protection performance before and after adding medium differential criterion

注：不正確動(dòng)作打×；正確動(dòng)作打√。

由表1可知：中差保護(hù)判據(jù)能有效解決雙母單分接線方式下母聯(lián)(分段)CT斷線，非相連母線同名相故障時(shí)，出現(xiàn)誤跳斷線母聯(lián)(分段)出口現(xiàn)象；無母聯(lián)CT斷線情況下，各種區(qū)內(nèi)外故障及發(fā)展性等各種復(fù)雜故障時(shí)，保護(hù)裝置的動(dòng)作均正確。

4 結(jié)論

現(xiàn)有母線保護(hù)裝置增加中差保護(hù)判據(jù)后，保護(hù)方案具有以下特點(diǎn)：(1)中差邏輯選擇性投入，無母聯(lián)CT斷線情況下，原有保護(hù)邏輯不改變，保護(hù)裝置的可靠性和速動(dòng)性不受影響；(2)在僅一個(gè)母聯(lián)CT斷線(包括SV采樣保護(hù)裝置的母聯(lián)SV通信中斷、SV檢修不一致、報(bào)文配置異常、SV品質(zhì)位異常等)時(shí)，中差保護(hù)判據(jù)能準(zhǔn)確判別出故障點(diǎn)位置，有效閉鎖相鄰母線保護(hù)誤動(dòng)作情況；(3)在母聯(lián)CT斷線，相連母線同名相故障時(shí)，中差保護(hù)判據(jù)能有效快速動(dòng)作，保證動(dòng)作的可靠性。

增加中差保護(hù)判據(jù)的母線保護(hù)裝置已通過集中入網(wǎng)試驗(yàn)檢測，相關(guān)產(chǎn)品已在變電站現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行。