智能变电站新型集成保护研究

金恩淑，金雨薇，陈亚潇，赵 宇

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网山东省电力公司 聊城供电公司，山东 聊城 252000)

智能变电站新型集成保护研究

金恩淑1，金雨薇1，陈亚潇2，赵 宇2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网山东省电力公司 聊城供电公司，山东 聊城 252000)

大电网的发展及用户供电质量的提高要求智能变电站提供更加灵活、快速、可靠地保护。利用智能变电站信息共享的优势，提出了基于电流差动原理的集成保护新方案。该方案集成了变压器和母线为保护对象，根据其处于制动状态或者差动状态来实现故障定位；对集成保护方案的电流差动保护进行了改进，采用修正的差动电流补偿励磁电流的影响，不需要附加制动或闭锁技术，消除了内部故障时二次谐波制动导致的延时。利用PSCAD仿真软件构建了变电站仿真模型，对不同运行情况进行了全面仿真，验证了该方案的正确性。

智能变电站；集成保护；电流差动保护；磁化电流

随着电网技术的快速发展对智能变电站继电保护的要求也越来越高。然而传统的继电保护装置具有保护功能单一、相对独立，只能反映局部运行状况、整定配置复杂、自适应能力差、投资和维护成本高等缺点[1]。因此，利用信息共享化的继电保护算法、策略和系统的研究能够解决上述问题，获得信息共享的保护系统可以实时的掌握全站系统的运行状况，为互联网提供更加有效的安全稳定控制措施，实现全面电网智能化保护。与传统变电站相比较，智能变电站实现了信息采集数字化、信息传输网络化，并且能够具有高度的信息共享，从根本上为提高和改善保护性能提供了良好条件。

目前，保护集中化已经成为继电保护技术发展的必然趋势，近年来也出现了许多的相关研究[2-7]，越来越多的保护功能被集成于一个保护设备中，如双回线的保护、配网自动化保护等。文献[8]将专家系统的思想应用到变电站内的故障元件判别，建立故障发生位置与故障电流方向的故障元件判别矩阵，再经过故障特征量的矩阵运算来实现故障元件的快速判别。但是对于大规模网络来说，建立故障元件判别矩阵会十分复杂和庞大，同时也会带来专家系统知识库的维护难度系数增大等问题。文献[9]提出一种变电站站域保护算法，划分多个不同的区域，通过判断区域处于制动状态或是差动状态来实现故障定位，然而当母线发生故障时，采用具有谐波制动原理的差动电流保护会延时跳闸，进而影响系统安全稳定。

针对目前保护存在的问题和利用智能变电站的信息共享的优势，提出了一种新型基于电流差动原理的集成保护算法，对提高变电站自动化水平、保护运行管理水平、继电保护性能和减少配件装置具有重要意义。

1 基于传统谐波制动式差动原理的集成保护算法

集成差动区采用基于变电站全站信息的集成保护算法，能够加强各个保护之间的配合、提高效率、增强可靠性[10]。

集成保护区域包含变压器和其一侧母线，传统的电流差动保护采用谐波制动方法来避免因励磁涌流而引起的保护误动。谐波制动原理的差动保护通过计算差动电流中的谐波分量和基波分量的比值来判断发生励磁涌流或是过励磁。

在系统中变压器T为Y-Δ变压器，集成保护有两个差动区：CD1差动区和CD2差动区。CD1区域选取断路器CB02和CB04处的电流参与差动计算；CD2区域选取断路器CB03和CB05处的电流参与差动计算；本文以CD1区域为例进行说明(见图1)。

图1 系统示意图

传统比率制动式差动保护的差动电流如式(1)所示。

(1)

制动电流如式(2)所示。

(2)

传统比率式差动保护的动作特性如式(3)所示。

IdA≥Ioffset+KIrA,

(3)

式中：Ioffset=15 A，K=0.3。

若式(4)和(5)条件满足，则有制动信号发生。

Id≤K2I2,

(4)

式中：Id，I2，I5分别为差动电流中的基波、2次谐波和5次谐波成分。K2和K5是制动系数分别为18和7，能够保证保护在发生励磁涌流或是过励磁的情况下可以被闭锁。

若CD1、CD2这两个区域的电流差动保护同时出现跳闸信号，则判断为变压器发生故障；若只有一个区域出现跳闸信号，则为出现跳闸信号区域内母线发生故障。例如，只有CD1区域出现跳闸信号，则判断为CD1区域内母线1处发生故障。

该集成保护算法实现了变电站保护原理和功能模块的统一，使原来分散到变压器、母线的重复设置的保护得到简化，能够充分利用站域信息，快速故障定位，发出故障信号，并且保护非故障元件。

变电站差动区采取比率制动式电流差动保护，由于差动区包含有变压器，为避免励磁涌流引起差动保护误动而采用谐波制动方法。但当发生内部故障时，故障电流中含有大量谐波，保护会发出制动信号对保护进行闭锁，直至谐波含量衰减，保护才能够正常动作，这将严重影响到差动保护动作的快速性。因此，需要针对上述提出的问题对传统电流差动保护进行改进。

2 基于改进电流差动原理的集成保护算法

传统差动电流为了忽略变压器磁化电流的影响，采用了谐波制动方法，但发生内部故障时会出现延时跳闸的现象。改进后的电流差动保护考虑了磁化电流的影响[11]，采用了改进后的差动电流，但制动电流依旧不变来构成保护。

仍以CD1区域为例，为了消除剩磁对保护的影响，本文对变压器铁心饱和前和饱和后的差动电流分别进行修正。

变压器铁心饱和之前，产生的磁化电流imA很小可以忽略不计。因此修正后的差动电流如式(6)所示。

idA=i2A-ai4ab.

(6)

而在变压器铁心饱和之后，磁化电流imA不可忽略，因此在计算差动电流过程中必须要考虑。因此修正后的差动电流如式(7)所示。

idA=i2A-ai4ab-imA.

(7)

由于式(6)、(7)中的磁化电流imA和二次侧相电流iab不能直接测到，所以要计算出变压器磁化电流imA和△侧的相电流i4ab。计算方法同变压器电流差动保护改进方法相同(见(11))。

3 仿真验证

为了验证本文提出的保护算法的有效性和可行性，以图1为例搭建仿真示意图。以A相为例，将传统谐波制动式差动原理的集成保护和改进后的电流差动原理的集成保护在不同情况下进行了仿真对比。

3.1 空载投入变压器

变压器在62.5 ms时空载合闸，由于合闸角度为0°时会使铁芯发生饱和，在此仅以CD1区域保护动作情况为例，CD2区域保护同理。

基于传统谐波制动原理的差动保护动作情况如图2(a)所示，分别给出了谐波制动差动保护的差动电流idA、谐波成分，比率制动信号“87R”、谐波制动信号“87BL”及跳闸信号。图2(b)给出了CD1区域改进电流差动保护的一次侧电流iCD1、二次侧相电流iba1、磁化电流im1、改进后的差动电流id1和跳闸信号。

由图2(a)可见，虽然传统保护的“87R”动作，但同时由于二次谐波的存在，“87BL”启动了闭锁，因此保护并没有动作。

由图2(b)可以看出，在62.5 ms空载合闸时，由于考虑了磁化电流的影响，改进后电流差动保护能够可靠不动作。

图2 空载投入变压器时集成保护动作情况

3.2 变压器内部故障

变压器在62.5 ms时刻发生单相接地故障，CD1传统电流差动、CD1和CD2差动区改进差动电流和动作信号分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，其中图3(b)中Trip信号中实线为传统谐波制动原理的集成保护动作输出信号，虚线为基于改进电流差动原理的集成保护的动作输出信号。

如图3所示，在62.5 ms时刻发生变压器内部故障时，传统保护的动作信号由于谐波制动而产生延时，改进后电流差动保护比传统保护动作速度快24 ms。CD1、CD2区域保护同时动作，由此可判断为变压器故障。

图3 变压器内部故障时集成保护动作情况

3.3 母线故障

母线1在62.5 ms时刻A相发生单相接地故障，CD1、CD2差动区差动电流和动作信号分别如图4(a)、图4(b)所示，其中图4(a)Trip信号中实线为传统谐波制动原理的整个保护动作输出信号，虚线为改进后的电流差动保护的动作输出信号。

图4 母线故障时集成保护动作情况

由图4(a)、4(b)可知，在62.5 ms时刻母线1发生故障时，CD1区域改进后的保护相比传统保护动作速度快24 ms；CD1区域差动电流保护动作，而CD2区域差动电流保护可靠不动作，由此可判定为CD1区域内母线发生故障。

4 结束语

本文提出了一种新型智能变电站的集成保护算法。该方案以变电站及其一侧母线为保护对象，根据不同区域的差动区是否同时处于差动状态来对变压器或是母线进行故障定位，同时对差动区的电流差动保护进行了修正，使其能够不受励磁涌流的影响，并消除了谐波制动引起的延时，可以正确对故障元件进行定位，发出跳闸信号，保护非故障元件。同理，此算法适用于配置三绕组变压器的变电站。

由仿真实验表明，此算法的集成保护算法能够正确判断故障状态；在任何情况下都可以准确定位故障元件，改进的电流差动保护在保护区发生内部故障时能够不受励磁涌流影响而导致误动，简化了保护装置，不需要增加制动或闭锁技术，消除了二次谐波制动引起的延时。仿真结果证实该算法可行，并具有广泛的应用前景。

[1] 薄志谦，张保会，董新洲，等.保护智能化的发展与智能继电器网络[J].电力系统保护与控制，2013，41(2)：1-12.

[2] 薄志谦，和敬涵，董新洲.电力系统的集成保护[J].继电器，2005，33(14)：6-10.

[3] 董新洲，曹润彬，崔柳，等.现代电力系统集成后备保护方案[J].电力系统保护与控制，2014，42(5)：21-25.

[4] 董新洲，丁磊，刘琨，等.基于本地信息的系统保护[J].中国电机工程学报，2010， 30(22)：7-13.

[5] 和敬涵，李倍，刘琳，等.基于分布式功能的站域保护[J].电力系统保护与控制， 2014，42(6)：26-32.

[6] 李栋，董斌，宋宁希，等.新一代智能变电站整体方案的经济性模糊综合评价[J].电测与仪表，2014，51(5)：96-100.

[7] 李倍，和敬涵，Tony Yip.一种基于相位相关电流差动的站域后备保护算法[J].电力系统保护与控制，2014，42(24)：1-5.

[8] 熊小伏，周家启，赵霞，等.快速后备保护研究[J].电力系统自动化，2003， 27(11)：45-47.

[9] 樊浩.中低压变电站集中式继电保护应用研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[10] 金恩淑，马仲涛，陈亚潇，等.基于电流差动原理的智能变电站层次化保护策略研究[J].东北电力大学学报，2015，35(3)：12-17.

[11] 金恩淑，刘丽丽，姜龙澈，等.变压器电流差动保护改进方法[J].电力系统自动化，2008，32(9)：47-51.

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，东北电力大学电气工程师学院教授，博士，主要研究方向：电力系统继电保护.

1005-2992(2016)06-0025-05

TP29，TN177

A