智能變電站站域主保護算法設計及仿真研究

吳小平

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

智能變電站站域主保護算法設計及仿真研究

吳小平

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

隨著信息技術的發展，智能電網成為我國電力技術改革的重點。目前，變電站保護裝置仍采用傳統判據和原理，保護存在缺陷性，實現變電站智能信息化迫在眉睫。基于國內外研究現狀，首先研究了智能變電站體系結構特點，借鑒電流差動保護原理，提出了新型站域主保護算法，通過判斷保護區制動狀態和差動狀態實現智能變電站故障定位和診斷，并采用仿真軟件驗證了算法的計算精度。研究表明：新型站域主保護算法可以正確判斷故障狀態，對變電站智能化改造具有一定指導意義。

智能變電站；主保護；故障診斷；仿真；電流差動

為了滿足電網安全平穩運行，傳統變電站一般采用主保護和后備保護相結合的方式［1-2］。主保護一般基于電流差動原理或者縱聯原理，故障響應速度較高，可以迅速隔離區域內各種故障原件［3］。變壓器是電力系統中的重要設備，其一般也采用電流差動原理進行保護，由于變壓器內部存在勵磁涌流，一般采用諧波法對其進行消除，但是諧波具有制動作用，會延遲響應時間。目前，變電站主保護主要存在以下問題［4-6］：

1）中低壓母線一般未設置母差保護，主要依靠線路后備保護實現中低壓母線保護。中低壓母線出現故障時，一般會延遲跳閘，并引起安全事故。

2）比率制動式電流差動保護是變壓器主保護，由于變壓器的存在，空載合閘會導致勵磁涌流；

3）故障電流一般伴隨著大量諧波，此時主保護會發出制動信號進行閉鎖保護，當諧波衰減到正常值后，保護才會動作，這會造成一定延時。

在現代通信技術的發展下，出現了一些新型保護算法，但現有繼電保護算法一般應用于后備保護，改進的主保護算法還不多見［7］。基于國內外研究現狀，首先研究了智能變電站體系結構特點，指出了傳統變電站的不足之處。電流差動保護可以應用于多個電氣元件，而智能變電站可同時獲得多個測點的參數值，由此提出了新型站域主保護算法，通過判斷保護區制動狀態和差動狀態實現智能變電站故障定位和診斷。并采用仿真軟件驗證了算法的計算精度，希望為今后的智能變電站設計提供參考。

1 智能變電站網絡結構特點

變電站在電網具有電流匯集、電壓等級變換、分配功率、調整電壓的作用［8-9］。傳統繼電保護裝置在智能變電站中繼續應用，會影響智能斷路器、電子互感器的性能，因此有必要對站域主保護算法進行改進，以實現變電站的全部智能化［10］。

智能變電站采用了先進的通訊技術、傳感技術、計算機技術，可實現電網的數字化、智能化管理。根據IEC61850通信規約，智能變電站主要由站控層、間隔層和過程層3部分組成，如圖1所示。

圖1 智能變電站網絡結構

圖1中站控層主要功能是處理間隔層和過程層實時傳輸數據，并將數據轉發到電力調度中心，同時傳達調度中心對電網發出的調節指令。間隔層主要實現過程層數據的實時采集、過程層和站控層間的通訊功能。過程層主要集成了一些一次設備、二次設備、智能電子裝置，這部分是整個智能變電站的基礎。

智能變電站可通過電子式互感器、光電式互感器等測量設備對電流、電壓等參數進行采集，新式測量設備致使測量精度提高，并擴大了智能變電站的動態測量區域，為廣域保護的發展奠定了基礎。

傳統繼電保護一般采取主保護+后備保護的雙重保護方式，如圖2［11］。對于高壓母線，雙重保護響應速度較快，可以準確隔離區域內的故障原件；但對于中低壓母線，一般未設置母差保護，主要依靠線路后備保護實現中低壓母線保護。中低壓母線出現故障時，一般會延遲跳閘，并引起安全事故。

圖2 雙重化保護示意圖

鑒于傳統繼電保護存在不足，學者們提出了廣域保護，對電網數據實時測量，智能控制電網設備，實現穩定運行。但如果電網出現故障時，測量信息就會出現延遲，信息量太大還可能出現傳輸錯誤，導致繼電保護裝置拒動或者誤動。因此，應將無限廣域進行合理劃分形成一下小的保護區，實現分區域保護。站域保護即為將保護區域定為變電站的廣域保護。

2 站域主保護算法設計

電流差動可以根據元件兩端參數判斷故障位置，可靠并快速的切除故障，保護元件安全。因此，對于發電機、變壓器、高壓母線、大型電機等重要設備均采用差動保護作為主保護，這些設備結構簡單，接線方便，兩端電氣量易于獲得［12-13］。由于站域保護中含有變壓器，以變壓器為例對差動保護進行說明，圖3給出了站域保護仿真系統圖。

圖3 站域保護仿真系統

圖3中變壓器類型為Y-Δ，其兩端分別為母線1和母線2，CB01-CB05為5個斷路器，其中CB03和CB04與變壓器兩端相連接。站域保護的對象為變壓器T和母線1、母線2，保護范圍劃分是智能變電站繼電保護的重點，其直接關系到保護可靠性。站域保護與廣域保護的區別為：保護范圍僅為變電站。站域保護將變電站劃分為CD1和CD2兩個保護區。CD1保護區在CB02和CB04之間，其主要保護對象為母線1和變壓器；CD2保護區在CB03和CB05之間，其主要保護對象為變壓器和母線2。 根據保護范圍制定主保護算法流程圖，如圖4所示。

圖4 主保護算法流程圖

圖4中，如果 CD1區域和CD2區域同時出現跳閘信號，則故障點位于T變壓器；若只有CD1區域出現跳閘信號，則為母線1發生故障；若只有CD2區域出現跳閘信號，則為母線2發生故障。由于CD1區域和CD2區域都包含變壓器，因此均需要考慮勵磁涌流對保護的影響。傳統差動保護采用諧波制動法防止繼電保護系統誤動。

比率式差動保護電流計算式為［14］：

其中，I.2A為CB02處A相電流，A；I.2C為CB02處C相電流，A；I.4a為CB04處A相二次電流，A；a為變壓器變比。

制動電流計算式為［14］：

差動保護動作條件為：

其中，Ioffset為偏置電流，A。

比率式差動保護算法使變電站保護模塊和功能模塊有機結合，簡化了分散到變壓器、母線1和母線2的重復設置保護模塊。該方法可以利用采集數據對故障位置進行判斷，并發出隔離信號，保證系統安全穩定。但由于保護區中均含有變壓器T，變壓器中的勵磁涌流容易引發差動保護誤動。變壓器內部發生故障時，電流中的諧波分量較多，差動保護系統將保護閉鎖，因此隔離存在一定延時［15］。因此，需要對保護算法進行改進，減緩延時。

以 CD1區域為研究對象，對變壓器T的鐵芯飽和前后的差動電流進行修正。鐵芯飽和之前磁化電流完全忽略不計，CD1區域差動電流為：

其中，i2A為CB02處A相電流，A；ai4ab為二次側相電流，A。鐵芯飽和之后磁化電流很大，已不能忽略，此時CD1區域差動電流為：

其中，imA為磁化電流，A。

由于imA和i4ab不能直接通過測量得到，因此必須對變壓器磁化電流和相電流進行計算。

當t=t0時，式（4）中的差動電流大于整定電流，此時鐵芯已經開始飽和，此時的差動電流即為磁化電流，將差動電流代入磁化曲線，即可得到初始磁通量φA0。鐵芯飽和后，任意時刻的磁通可以通過積分獲得：

根據式（6）計算得到φA并入磁化曲線，即可求出磁化電流。

3 站域主保護仿真分析

為了驗證上述算法的可行性，以圖3站域保護系統為例，建立仿真模型。圖3中，電源取恒壓模型，變壓器T的額定容量設置為55 MVA，額定電壓為154 kV/22 kV。以A相為例，采用改進的主保護算法進行仿真并與傳統方法進行對比。以CD1保護區域為例，設置了壓器內部出現故障工況進行仿真。

當變壓器空載投入運行時，合閘角度為零，此時會導致變壓器鐵芯飽和。假設變壓器在62.5ms處出現單相接地，CD1區域傳統差動保護動作情況如圖5（a）所示，本文改進的差動保護動作情況如圖5（b）所示。圖5中，縱坐標idA為傳統保護的差動電流；i為差動保護諧波成分；87 R為傳統保護發出的信號；87 BL為諧波制動信號；Trip為保護動作信號；iCD1為改進差動保護一次側電流；iba1為改進差動保護二次側電流；im1為磁化電流；id1為修正的差動電流。圖5（b）中實線為傳統保護動作信號，虛線為改進的差動保護動作信號。

由圖5可以看出，變壓器內部出現故障后，由于諧波的存在，致使傳統保護動作信號滯后，改進算法的電流差動保護動作信號的響應時間比傳統算法快28ms。根據CD1區域和CD2區域的響應情況，改進算法還可判斷故障類型和故障位置。

4 結 論

變壓器是電力系統中的重要設備，一般采用電流差動原理進行保護。目前，一般采用諧波法對勵磁涌流進行消除，但是諧波具有制動作用，會延遲響應時間。基于國內外研究現狀，首先研究了智能變電站體系結構特點，闡述了傳統差動保護的優劣，在此基礎上提出了新型站域主保護算法，通過判斷保護區制動狀態和差動狀態實現智能變電站故障定位和診斷。研究表明：改進算法不受勵磁涌流的影響，響應時間比傳統算法快28ms；改進算法還可以根據不同區域的響應情況判斷故障類型和故障位置。希望為今后的智能變電站設計和主保護改進提供理論指導。

圖5 空載投入變壓器保護動作情況

［1］李振興，尹項根，張哲，等.分區域廣域繼電保護的系統結構與故障識別［J］.中國電機工程學報，2011，31（28）:95-103.

［2］Kim H H，Lee JJ，Kang D J.A platform for smart substations［J］.Proceedings of Future Generation Communication and Networking，FGCN，2007（1）:579-582.

［3］王賓，董新洲，許飛，等.智能配電變電站集成保護控制信息共享分析［J］.中國電機工程學報，2011，31（S1）:1-6.

［4］尹項根，李振興，劉穎彤，等.廣域繼電保護及其故障元件判別問題的探討［J］.電力系統保護與控制，2012，40（5）:1-9.

［5］GAOGuang-ling，PAN Zhen-cun，GAO Hou-lei，etal.Study on electrical digital simulation system following IEC61850［C］∥Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2009:20-25.

［6］蔡小玲，王禮偉，林傳偉，等.基于智能變電站的站域保護原理和實現 ［J］.電力系統及其自動化學報，2012，40（6）: 128-133.

［7］齊超，周志宇.調控中心監控自動化系統與通訊功能淺析［J］.電子設計工程，2012，20（23）:127-130，133.

［8］廖先澤.基于IEC 61850的智能變電站站域保護研究［D］.成都：西南交通大學，2015.

［9］孔凡東.智能變電站站域后備保護開發與測試［D］.濟南：山東大學，2014.

［10］陳磊，張侃君，夏勇軍，等.智能變電站站域保護研究綜述［J］.華東電力，2013，41（5）:947-953.

［11］宋璇坤，李穎超，李軍，等.新一代智能變電站層次化保護系統［J］.電力建設，2013，34（7）:24-29.

［12］彭放，高厚磊，孔凡東，等.智能變電站站域后備保護裝置開發與測試［J］.北京交通大學學報，2014，38（5）:119-122，127.

［13］丁毅，陳福鋒，張云，等.基于背板總線的站域保護控制裝置設計［J］.電力系統自動化，2014，38（24）:102-107.

［14］劉益青，高厚磊，李乃永，等.適用于站域后備保護的智能變電站站間信息傳輸方案［J］.電力系統保護與控制，2015，（2）:96-102.

［15］廖先澤，莊圣賢，施孟陽.基于智能變電站站域保護的研究［J］.浙江電力，2015，（5）:6-9，13.

Design and simulation ofmain protection algorithm in intelligent substation

WU Xiao-ping
（Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Limited，Foshan 528000，China）

With the development of information technology，smart grid has become the focus of power technology reform in China.At present，the substation protection device is still using the traditional criteria and principles.The protection of the existencewas defective，realizing the intelligent information was imminent.Based on the research status athome and abroad，firstly，the characteristics of smartsubstation system were studied，and a new type ofmain protection algorithm was proposed based on current differential protection principle.The fault location and diagnosis of intelligent substation were realized by judging the braking state and differential status of protected area.And the simulation softwarewas used to verify the accuracy of the algorithm.The study shows that the new type of station domainmain protection algorithm can correctly judge the fault state，which hasa certain guiding significance for the substation intelligent transformation.

intelligent substation；main protection；fault diagnosis；simulation；current differential

TM63；TM774

A

1674－6236（2016）20-0017-03

2016-03-04 稿件編號：201603047

國家自然科學基金項目（50977094）；中國南方電網公司科技項目（K-GD2014-0891）

吳小平（1985—），男，江西南昌人，碩士，工程師。研究方向：電力系統及其自動化。