適用于雙母線的繼電保護方式對比分析與研究

李玉琳 1，張紫凡 1*，肖燕純 1，王 玕 1，王智東 1，邱晨燦

（1.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800；2.廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512028）

0 引言

目前為滿足母線保護的速動性和選擇性的要求，母線保護基本上是按差動原理構成的，主要有完全式電流差動保護、電流相位比較式保護、母聯電流相位比較式差動保護和帶比率制動特性的母線差動保護［1-3］。為了不斷提高母線運行的安全性和可靠性，文獻［4］提出基于行波暫態量作為征量構建的保護原理，文獻［5］基于人工神經網絡模型的母線保護原理，但其保護判定不夠穩定，對硬件等要求高，實現比較困難。目前微機型母線保護利用現代計算機技術的數字計算、邏輯判斷等能力，可輕松實現各種復雜的母線保護判據，降低二次接線的復雜程度，是母線保護的主要發展方向［6-11］。在充分利用現有條件下，本文對比分析目前普遍采用的完全式電流差動保護和母聯電流相位比較保護，提出一個更經濟可行的微機型母線保護方案。當前針對母線保護的仿真工作多在Matlab/Simulink平臺開展，而故障屬于系統暫態現象，因此本文采用電磁暫態仿真平臺搭建母線保護，進一步提高仿真準確度。

1 完全式電流差動保護與母聯電流相位比較式保護

1.1 兩種保護原理對比

完全式電流差動保護和母聯電流相位比較式差動保護原理簡單，實現容易。完全式電流差動保護根據基爾霍夫電流定理，比較進出線電流的差值，從而確定母線是否發生故障和選擇故障母線，需裝設3個差動繼電器。而電流相位比較式差動保護則根據差動電流和相位比較來區分母線故障和選擇故障母線，裝設兩個繼電器即可實現保護功能。結構上母聯電流相位比較式差動保護比完全式電流差動保護更簡潔。

圖1 母線差動保護原理對比圖Fig.1 Comparison diagram of bus differential protection principle

1.2 改進保護原理避免死區保護

雙母運行，當母聯繼電器與電流互感器之間發生故障時，流經完全式電流差動保護和母聯電流相位比較式差動保護的電流如圖2所示，流過KD2的電流為零，流過KD1和KD3的電流不為零。流過相位比較繼電器KP的電流相位差為180°，因此完全式電流差動保護和母聯電流相位比較式差動保護均判斷為母線I發生故障，跳母線I上所有連接單元后故障仍然存在即存在保護死區［12-19］，無法有效地將故障切除。

圖2 傳統母線差動保護故障分析圖Fig.2 Fault analysis diagram of traditional bus differential protection

從降低二次接線的復雜程度和可靠性考慮，本文將在母聯上裝設兩個電流互感器，實現小差動保護范圍的交叉，從而避免完全式電流差動保護出現保護死區。完全式電流差動保護改進后的接線圖如圖3所示，流過KD1～KD3的電流均不為零，KD1～KD3動作跳開雙母線上所有的連接單元，可有效切除故障。

圖3 完全式電流差動保護改進后的故障分析圖Fig.3 Fault analysis diagram of improved complete current differential protection

母聯電流相位比較式差動保護出現保護死區的主要原因是母聯斷路器退出運行后，保護無法進行相位比較，因而母聯電流相位比較式差動保護的保護死區則通過改進控制回路進行避免。改進后的控制回路如圖4所示，虛線框內為增加的控制回路。增加了母聯斷路器的備用觸點與母線復壓閉鎖觸點，當母聯斷路器跳閘后，母線仍存在故障時，則通過帶延時的備用觸點和本母線復壓閉鎖觸點開放跳閘。

圖4 母聯電流相位比較式保護改進后控制回路圖Fig.4 Control loop diagram after improvement of bus current phase comparison protection

1.3 基于PSCAD的雙母線繼電保護模型搭建及比對

220 kV雙母線接線的完全式電流差動保護模型和母聯電流相位比較式保護模型如圖5所示，通過控制系統改變一次主接線系統的運行方式以及模擬一次主接線系統發生各類暫態故障。220 kV的母線采用雙母線固定連接方式的主接線，雙母線并列運行并且每組母線固定連接約二分之一的供電電源和輸電線路。

本模型關鍵在于差動電流繼電器和相位比較繼電器功能的實現。完全式電流差動保護模型二次側保護系統整個外觀如圖5紅框所示，模塊KD1～KD3分別表示每組母線的小差動電流繼電器和大差動電流繼電器，引入相應的電流信號，利用傅里葉快速變換分離各支路電流基波幅值與相位，通過直角坐標/極坐標變換電流形式后再進行差動電流的求值，最后通過兩輸入比較器比較每相差動電流的幅值與最大不平衡電流，輸出KD1～KD3的動作信號。

圖5 基于PSCAD雙母線保護模型Fig.5 Double bus protection model based on PSCAD

母聯電流相位比較式保護系統中的總差動電流KA模塊與完全式電流差動保護模型中的差動電流KA模塊設計方案一致，相位比較KP引入總差動電流KA處理后的總差動電流的相位值和母聯三相電流，利用傅里葉快速變換分離出母聯電流基波相位，通過角度解析元件變換相位形式后再進行相位差的求值，最后通過功率比較元件確定故障母線，在母聯電流相位比較式保護模型中將復合電壓閉鎖保護放入邏輯模塊中。部分功能塊如圖6所示。

圖6 內部部分主功能模塊展示圖Fig.6 Display diagram of the main function modules of the internal part

2 保護動作情況對比分析

為探究完全式電流差動保護原理和母聯電流相位比較式保護原理的差異，對比分析在不同故障點、改變雙母線固定連接方式、雙母線分列運行以及雙母線相繼發生故障時各繼電器以及斷路器的動作情況。驗證保護原理能否滿足系統對保護可靠性的要求，測試其對母線運行方式發生改變的自適應能力［20-23］。

2.1 不同故障點保護動作情況

1）保護區內發生故障

當母線I發生A相接地故障時，完全式電流差動保護小差動電流繼電器KD1和大差動電流繼電器KD3起動，斷路器QF1、QF2和QF5動作跳閘，故障母線I被切除，母線II繼續運行，動作曲線如圖7（a）所示。本模型中，相位比較繼電器KP為0時，則判斷為母線I發生故障，相位比較繼電器KP為1時，則判斷為母線II發生故障。母聯電流相位比較式保護在母線I發生A相接地故障時，總差動繼電器KA起動，結合相位比較繼電器KP在故障發生時的相位比較，起動斷路器QF1、QF2和QF5動作跳閘切除故障母線I，動作曲線如圖7（b）所示。

圖7 母線I單相故障保護動作曲線Fig.7 Bus I single phase fault protection action curve

2）保護區外發生故障

仿真第0.3 s區外發生A相接地故障時，完全式差動保護和母聯電流相位比較式差動保護的差動繼電器KD1、KD2、KD3以及KA均無故障電流流過，繼電器不起動，保護不動作，動作曲線如圖8所示。

圖8 區外故障保護動作情況Fig.8 Fault protection actions outside the zone

在母線I發生單相接地故障時，完全式電流差動保護和母聯電流相位比較式差動保護均可靠動作，快速切除故障母線。同理驗證了當母線區內發生各類型故障時，完全式差動保護和相位比較式差動保護均能正確動作。而在區外發生不同故障類型時，完全式電流差動保護和電流相位比較式差動保護均可有效地判別故障，保護不動作。因此在雙母線固定連接模式下，完全式差動保護和相位比較式差動保護均能滿足電力系統安全運行的要求。

2.2 固定連接方式發生改變保護動作情況

如圖9所示，現將S3斷開，S4閉合，即將連接于母線I的一條進出線改接于母線II，改變母線進出線的運行方式。

圖9 改變雙母線固定連接方式Fig.9 Change the fixed connection mode of double bus

當母線I發生A相接地故障時，由于雙母線固定連接方式發生改變，完全式電流差動保護的二次回路不能自適應切換連接方式，失去故障選相功能，繼電器KD1、KD2和KD3均動作，因誤跳閘而擴大事故范圍。動作曲線如圖10（a）所示。母聯電流相位比較式差動保護在固定連接方式發生改變的情況下發生故障時，繼電器KA和KP可靠動作，故障有效切除，動作曲線如圖10（b）所示。

圖10 母線I發生A相故障動作情況Fig.10 A phase fault action of bus I

2.3 雙母線分列運行保護動作情況

雙母線分列運行時，因母聯斷路器斷開，母聯電流互感器無電流流過，相位比較式繼電器KP失去選擇性，區內發生故障時保護出現拒動，無法切除故障，動作曲線如圖11（b）所示。完全式電流差動保護的KD1和KD2與KD3構成單母線差動保護，可正確切除區內故障，躲開區外故障，動作曲線如圖11（a）所示。

2.4 雙母線相繼發生故障保護動作情況

當仿真第0.3 s母線I發生故障后，第0.5 s母線II相繼發生故障，改進后的母聯電流相位比較式差動保護在正確切除第一個區內故障后，母聯斷路器QF5已開斷，此后母線II出現的故障，將由母線II復合電壓閉鎖起動，切除相應故障，動作曲線如圖12（b）所示。而完全式電流差動保護在切除區內第一次故障后，小差動繼電器和大差動繼電器將構成單母線差動保護，保護仍能正確反應系統故障，動作曲線如圖12（a）所示。

根據上述仿真結果綜合對比分析了完全電流差動保護與母聯電流相位比較式差動保護，具體性能對比如表1所示。

表1 差動保護性能比較Table 1 Comparison of differential protection performance

3 相位比較式微機型母線保護

3.1 微機型母線保護

微機型母線保護利用計算機在數學計算、邏輯判斷、記憶等方面的優勢，不再要求有公共的差電流回路，不用并聯各回路的電流互感器二次繞組后引到保護盤，使保護的可靠性得到了很大的提高。本文所探討的完全式電流差動保護和母聯電流相位比較式差動保護也是目前微機型母線保護中比較普遍采用的兩種保護原理［24-31］?；谌缦驴紤]，運行方式經常改變的雙母線微機保護采用母聯電流相位比較式原理作為保護裝置的基本原則。

1）母聯電流相位比較式差動保護對母線運行方式具有較強的適應能力。雖然微機母線保護可利用隔離開關輔助接點判斷母線運行方式，解決了完全式電流差動保護在原理上的不足，但因此刀閘輔助觸點的可靠性將直接影響到保護安全運行，降低了保護的可靠性。

2）微機保護裝置測量電流瞬時值，以瞬時分相比較為基礎，保護裝置動作速度很快，在母線內部故障時，保護裝置的起動元件、選擇元件在電流互感器飽和前動作。再加上母聯電流相位比較式差動保護起動元件若采用具有比率制動特性的差動電流原理，可解決電流互感器飽和而引起的母線差動保護在區外故障時的誤動問題。

3）對于母聯電流相位比較式差動保護原理上的不足，利用微機母線保護CPU計算和邏輯判斷能力，在母聯斷路器退出運行時，微機母線保護停用母聯電流相位比較保護，采用單母線保護——復合電壓保護。

3.2 相位比較式微機型母線保護的故障選相

采用母聯電流相位比較式差動保護和復合電壓閉鎖作為雙母線微機保護的主保護，充分利用母聯電流相位比較式差動保護對系統運行方式自適應能力，當母聯斷路器退出運行或雙母線相繼發生故障后第一個故障被切除時，微機型母線保護則采用復合電壓閉鎖原理進行保護跳閘等，減弱對母聯繼路器的依賴，提高微機型母線保護的可靠性，具體流程圖如圖13所示。

4 結語

對比分析母線差動保護中的完全式電流差動保護和電流相位比較式差動保護的動作原理，針對差動保護出現的死區問題，完全電流差動保護在母聯上采用雙電流互感器，實現小差動保護范圍的交叉避免保護死區，母聯電流相位比較式差動保護改進控制回路，當母聯斷路器斷開后，利用備用觸點及復壓閉鎖重起保護開放跳閘避免死區問題。

根據保護動作情況對比分析兩保護原理的優劣異同，結合微機母線保護的特點，運行方式多變的雙母接線其微機型母線保護則采用母聯電流相位比較式差動保護原理作為基本原則。