金恩淑，金雨薇，陳亞瀟，趙 宇

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)山東省電力公司 聊城供電公司，山東 聊城 252000)

智能變電站新型集成保護研究

金恩淑1，金雨薇1，陳亞瀟2，趙 宇2

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)山東省電力公司 聊城供電公司，山東 聊城 252000)

大電網(wǎng)的發(fā)展及用戶供電質量的提高要求智能變電站提供更加靈活、快速、可靠地保護。利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢，提出了基于電流差動原理的集成保護新方案。該方案集成了變壓器和母線為保護對象，根據(jù)其處于制動狀態(tài)或者差動狀態(tài)來實現(xiàn)故障定位；對集成保護方案的電流差動保護進行了改進，采用修正的差動電流補償勵磁電流的影響，不需要附加制動或閉鎖技術，消除了內部故障時二次諧波制動導致的延時。利用PSCAD仿真軟件構建了變電站仿真模型，對不同運行情況進行了全面仿真，驗證了該方案的正確性。

智能變電站；集成保護；電流差動保護；磁化電流

隨著電網(wǎng)技術的快速發(fā)展對智能變電站繼電保護的要求也越來越高。然而傳統(tǒng)的繼電保護裝置具有保護功能單一、相對獨立，只能反映局部運行狀況、整定配置復雜、自適應能力差、投資和維護成本高等缺點[1]。因此，利用信息共享化的繼電保護算法、策略和系統(tǒng)的研究能夠解決上述問題，獲得信息共享的保護系統(tǒng)可以實時的掌握全站系統(tǒng)的運行狀況，為互聯(lián)網(wǎng)提供更加有效的安全穩(wěn)定控制措施，實現(xiàn)全面電網(wǎng)智能化保護。與傳統(tǒng)變電站相比較，智能變電站實現(xiàn)了信息采集數(shù)字化、信息傳輸網(wǎng)絡化，并且能夠具有高度的信息共享，從根本上為提高和改善保護性能提供了良好條件。

目前，保護集中化已經(jīng)成為繼電保護技術發(fā)展的必然趨勢，近年來也出現(xiàn)了許多的相關研究[2-7]，越來越多的保護功能被集成于一個保護設備中，如雙回線的保護、配網(wǎng)自動化保護等。文獻[8]將專家系統(tǒng)的思想應用到變電站內的故障元件判別，建立故障發(fā)生位置與故障電流方向的故障元件判別矩陣，再經(jīng)過故障特征量的矩陣運算來實現(xiàn)故障元件的快速判別。但是對于大規(guī)模網(wǎng)絡來說，建立故障元件判別矩陣會十分復雜和龐大，同時也會帶來專家系統(tǒng)知識庫的維護難度系數(shù)增大等問題。文獻[9]提出一種變電站站域保護算法，劃分多個不同的區(qū)域，通過判斷區(qū)域處于制動狀態(tài)或是差動狀態(tài)來實現(xiàn)故障定位，然而當母線發(fā)生故障時，采用具有諧波制動原理的差動電流保護會延時跳閘，進而影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

針對目前保護存在的問題和利用智能變電站的信息共享的優(yōu)勢，提出了一種新型基于電流差動原理的集成保護算法，對提高變電站自動化水平、保護運行管理水平、繼電保護性能和減少配件裝置具有重要意義。

1 基于傳統(tǒng)諧波制動式差動原理的集成保護算法

集成差動區(qū)采用基于變電站全站信息的集成保護算法，能夠加強各個保護之間的配合、提高效率、增強可靠性[10]。

集成保護區(qū)域包含變壓器和其一側母線，傳統(tǒng)的電流差動保護采用諧波制動方法來避免因勵磁涌流而引起的保護誤動。諧波制動原理的差動保護通過計算差動電流中的諧波分量和基波分量的比值來判斷發(fā)生勵磁涌流或是過勵磁。

在系統(tǒng)中變壓器T為Y-Δ變壓器，集成保護有兩個差動區(qū)：CD1差動區(qū)和CD2差動區(qū)。CD1區(qū)域選取斷路器CB02和CB04處的電流參與差動計算；CD2區(qū)域選取斷路器CB03和CB05處的電流參與差動計算；本文以CD1區(qū)域為例進行說明(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)比率制動式差動保護的差動電流如式(1)所示。

(1)

制動電流如式(2)所示。

(2)

傳統(tǒng)比率式差動保護的動作特性如式(3)所示。

IdA≥Ioffset+KIrA,

(3)

式中：Ioffset=15 A，K=0.3。

若式(4)和(5)條件滿足，則有制動信號發(fā)生。

Id≤K2I2,

(4)

式中：Id，I2，I5分別為差動電流中的基波、2次諧波和5次諧波成分。K2和K5是制動系數(shù)分別為18和7，能夠保證保護在發(fā)生勵磁涌流或是過勵磁的情況下可以被閉鎖。

若CD1、CD2這兩個區(qū)域的電流差動保護同時出現(xiàn)跳閘信號，則判斷為變壓器發(fā)生故障；若只有一個區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號，則為出現(xiàn)跳閘信號區(qū)域內母線發(fā)生故障。例如，只有CD1區(qū)域出現(xiàn)跳閘信號，則判斷為CD1區(qū)域內母線1處發(fā)生故障。

該集成保護算法實現(xiàn)了變電站保護原理和功能模塊的統(tǒng)一，使原來分散到變壓器、母線的重復設置的保護得到簡化，能夠充分利用站域信息，快速故障定位，發(fā)出故障信號，并且保護非故障元件。

變電站差動區(qū)采取比率制動式電流差動保護，由于差動區(qū)包含有變壓器，為避免勵磁涌流引起差動保護誤動而采用諧波制動方法。但當發(fā)生內部故障時，故障電流中含有大量諧波，保護會發(fā)出制動信號對保護進行閉鎖，直至諧波含量衰減，保護才能夠正常動作，這將嚴重影響到差動保護動作的快速性。因此，需要針對上述提出的問題對傳統(tǒng)電流差動保護進行改進。

2 基于改進電流差動原理的集成保護算法

傳統(tǒng)差動電流為了忽略變壓器磁化電流的影響，采用了諧波制動方法，但發(fā)生內部故障時會出現(xiàn)延時跳閘的現(xiàn)象。改進后的電流差動保護考慮了磁化電流的影響[11]，采用了改進后的差動電流，但制動電流依舊不變來構成保護。

仍以CD1區(qū)域為例，為了消除剩磁對保護的影響，本文對變壓器鐵心飽和前和飽和后的差動電流分別進行修正。

變壓器鐵心飽和之前，產(chǎn)生的磁化電流imA很小可以忽略不計。因此修正后的差動電流如式(6)所示。

idA=i2A-ai4ab.

(6)

而在變壓器鐵心飽和之后，磁化電流imA不可忽略，因此在計算差動電流過程中必須要考慮。因此修正后的差動電流如式(7)所示。

idA=i2A-ai4ab-imA.

(7)

由于式(6)、(7)中的磁化電流imA和二次側相電流iab不能直接測到，所以要計算出變壓器磁化電流imA和△側的相電流i4ab。計算方法同變壓器電流差動保護改進方法相同(見(11))。

3 仿真驗證

為了驗證本文提出的保護算法的有效性和可行性，以圖1為例搭建仿真示意圖。以A相為例，將傳統(tǒng)諧波制動式差動原理的集成保護和改進后的電流差動原理的集成保護在不同情況下進行了仿真對比。

3.1 空載投入變壓器

變壓器在62.5 ms時空載合閘，由于合閘角度為0°時會使鐵芯發(fā)生飽和，在此僅以CD1區(qū)域保護動作情況為例，CD2區(qū)域保護同理。

基于傳統(tǒng)諧波制動原理的差動保護動作情況如圖2(a)所示，分別給出了諧波制動差動保護的差動電流idA、諧波成分，比率制動信號“87R”、諧波制動信號“87BL”及跳閘信號。圖2(b)給出了CD1區(qū)域改進電流差動保護的一次側電流iCD1、二次側相電流iba1、磁化電流im1、改進后的差動電流id1和跳閘信號。

由圖2(a)可見，雖然傳統(tǒng)保護的“87R”動作，但同時由于二次諧波的存在，“87BL”啟動了閉鎖，因此保護并沒有動作。

由圖2(b)可以看出，在62.5 ms空載合閘時，由于考慮了磁化電流的影響，改進后電流差動保護能夠可靠不動作。

圖2 空載投入變壓器時集成保護動作情況

3.2 變壓器內部故障

變壓器在62.5 ms時刻發(fā)生單相接地故障，CD1傳統(tǒng)電流差動、CD1和CD2差動區(qū)改進差動電流和動作信號分別如圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示，其中圖3(b)中Trip信號中實線為傳統(tǒng)諧波制動原理的集成保護動作輸出信號，虛線為基于改進電流差動原理的集成保護的動作輸出信號。

如圖3所示，在62.5 ms時刻發(fā)生變壓器內部故障時，傳統(tǒng)保護的動作信號由于諧波制動而產(chǎn)生延時，改進后電流差動保護比傳統(tǒng)保護動作速度快24 ms。CD1、CD2區(qū)域保護同時動作，由此可判斷為變壓器故障。

圖3 變壓器內部故障時集成保護動作情況

3.3 母線故障

母線1在62.5 ms時刻A相發(fā)生單相接地故障，CD1、CD2差動區(qū)差動電流和動作信號分別如圖4(a)、圖4(b)所示，其中圖4(a)Trip信號中實線為傳統(tǒng)諧波制動原理的整個保護動作輸出信號，虛線為改進后的電流差動保護的動作輸出信號。

圖4 母線故障時集成保護動作情況

由圖4(a)、4(b)可知，在62.5 ms時刻母線1發(fā)生故障時，CD1區(qū)域改進后的保護相比傳統(tǒng)保護動作速度快24 ms；CD1區(qū)域差動電流保護動作，而CD2區(qū)域差動電流保護可靠不動作，由此可判定為CD1區(qū)域內母線發(fā)生故障。

4 結束語

本文提出了一種新型智能變電站的集成保護算法。該方案以變電站及其一側母線為保護對象，根據(jù)不同區(qū)域的差動區(qū)是否同時處于差動狀態(tài)來對變壓器或是母線進行故障定位，同時對差動區(qū)的電流差動保護進行了修正，使其能夠不受勵磁涌流的影響，并消除了諧波制動引起的延時，可以正確對故障元件進行定位，發(fā)出跳閘信號，保護非故障元件。同理，此算法適用于配置三繞組變壓器的變電站。

由仿真實驗表明，此算法的集成保護算法能夠正確判斷故障狀態(tài)；在任何情況下都可以準確定位故障元件，改進的電流差動保護在保護區(qū)發(fā)生內部故障時能夠不受勵磁涌流影響而導致誤動，簡化了保護裝置，不需要增加制動或閉鎖技術，消除了二次諧波制動引起的延時。仿真結果證實該算法可行，并具有廣泛的應用前景。

[1] 薄志謙，張保會，董新洲，等.保護智能化的發(fā)展與智能繼電器網(wǎng)絡[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(2)：1-12.

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Study on the New Integrated Protection of Intelligent Substations

JIN En-shu1，JIN Yu-wei1，CHEN Ya-xiao2，ZHAO Yu2

(1.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Shandong Province Liaocheng Electric Powor Company,Liaocheng Shandong 252000)

Intelligent substations need to provide faster，more flexible and reliable protection to catch up with the development of the large power system and the improvement of the power supply for users.By taking advantages of information sharing between intelligent substations，we put forward a new scheme of integrated protection based on current differential protection principle.The scheme integrates the transformer and bus as the target of protection，and realizes the fault location according to whether the target is in the braking condition or the differential state.And we use the modified differential current compensate effect of excitation current to improve current differential protection of integrated protection.Thus，without additional brake or lock technology，we eliminate the delay caused by second harmonic restraint when internal fault occurs.Using PSCAD we build a typical simulation model to completely simulate different operating state，and finally prove the accuracy of this scheme.

Intelligent substation；Integrated protection；Current differential protection；Magnetization curren

2016-04-12

金恩淑(1972-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學電氣工程師學院教授，博士，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護.

1005-2992(2016)06-0025-05

TP29，TN177

A