張東平

（山西燃?xì)庖?guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

供配電網(wǎng)母差保護(hù)的綜合自動(dòng)化改造方案

張東平

（山西燃?xì)庖?guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

指出傳統(tǒng)的35 kV變電站不設(shè)置母差保護(hù)，但是，隨著電力負(fù)荷及運(yùn)行方式的快速發(fā)展，供配電網(wǎng)需要配置智能化的母差保護(hù)。結(jié)合變電站綜合自動(dòng)化裝置，采用基于IE C61850的GOO S E的邏輯判斷元件，可以順利實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)，有力保障了供配電網(wǎng)的安全。

母線差動(dòng)保護(hù)；IE C61850；邏輯判斷模塊

0 引言

目前在電力系統(tǒng)中，35 kV及以下電壓等級(jí)的母線一般未裝設(shè)專用母線保護(hù)。但由于35 kV及10 kV配電系統(tǒng)具有短路容量大、出線多、操作頻繁、容易受小動(dòng)物危害、設(shè)備絕緣老化和機(jī)械磨損等隱患，35 kV和10 kV開(kāi)關(guān)柜故障時(shí)有發(fā)生。雖然國(guó)內(nèi)外的高壓開(kāi)關(guān)柜的制造技術(shù)進(jìn)步很快，10 kV母線發(fā)生故障的機(jī)率大為減少，但是多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，仍然存在因個(gè)別開(kāi)關(guān)柜故障，引發(fā)整段開(kāi)關(guān)柜“火燒聯(lián)營(yíng)”的事故，造成開(kāi)關(guān)柜不必要的損失，甚至造成變壓器的燒毀。雖然造成此類事故的原因是多方面的，但是沒(méi)有配備快速母線差動(dòng)保護(hù)是重要的原因。

35 kV變電站的母線一般不配置專用的快速母線差動(dòng)保護(hù)是目前國(guó)內(nèi)的典型設(shè)計(jì)做法，是符合國(guó)標(biāo)及現(xiàn)行的電力行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求的[1]。因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)中低壓母線保護(hù)一直不夠重視?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行事故所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失逐漸引起供電和用電企業(yè)的高度關(guān)注，也警醒了繼電保護(hù)技術(shù)人員探索應(yīng)該把配置合理的繼電保護(hù)做為解決此問(wèn)題的方案之一。

1 母差設(shè)計(jì)原則和方案原理

快速、準(zhǔn)確地切除所有母線故障，是母線差動(dòng)保護(hù)的基本原則。另外由于35/10 kV母線的特點(diǎn)，要求實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)的原理和方法盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)不受運(yùn)行方式的影響。

利用通訊技術(shù)在現(xiàn)有的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中附加母線保護(hù)是一種原理簡(jiǎn)單、實(shí)施方便又幾乎不增加投資的方案。而現(xiàn)代的通訊技術(shù)尤其是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的IEC61850規(guī)范的逐步實(shí)施和推廣以及保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)可編程技術(shù)的使用為應(yīng)用此種原理創(chuàng)造了條件。

IEC61850中GOOSE信息采用旁路TCP/IP和UDP/IP直接基于ISO/IEC8802-3之上的傳輸協(xié)議，該種規(guī)約不經(jīng)變電站層的通訊管理裝置轉(zhuǎn)發(fā)而是直接的IED之間的通訊，其傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不超過(guò)10ms?？煽啃杂须p以太網(wǎng)冗余保證，必要時(shí)可以采用光纖介質(zhì)。所以，網(wǎng)絡(luò)上的任一臺(tái)IED可以定制全站的任何運(yùn)行信息且有實(shí)時(shí)性和可靠性的保證。

這樣，進(jìn)線保護(hù)單元就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)所有出線保護(hù)單元的運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)啟動(dòng)信息，從而判斷出故障發(fā)生的位置，實(shí)現(xiàn)快速母線差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)也可以附加完成出線開(kāi)關(guān)的失靈保護(hù)。

2 母差邏輯建模方案

以某公司使用的變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置為例，本方案全面實(shí)現(xiàn)了包括 GOOSE技術(shù)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)按照IEC61850的建模思想實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮谋Ｗo(hù)可編程。因此本系統(tǒng)具備了快速簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)母線差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作的條件。

2.1 母差組成元件

在每個(gè)進(jìn)線保護(hù)單元（包括不同運(yùn)行方式下提供電源的線路或母聯(lián)）配置母線差動(dòng)保護(hù)判斷元件（PDIFg），而所有的出線保護(hù)單元（包括不同運(yùn)行方式下的電源輸出線路或母聯(lián)）配置開(kāi)放母線差動(dòng)保護(hù)的邏輯，其中PDIFg的基本特征如圖1所示。

圖1 母差邏輯模塊

Enable電壓輸入：控制元件的投入和退出，主要接入軟壓板、硬壓板及電壓閉鎖信息等。

InputAx電流輸入：用于接入保護(hù)電流的有效值。

Act激活信號(hào)輸入：用于接入所有出線響應(yīng)母差保護(hù)的開(kāi)放信號(hào)。

Str啟動(dòng)輸出：元件啟動(dòng)輸出，用于把母線差動(dòng)的啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送給出線單元。

Op動(dòng)作輸出：元件動(dòng)作跳開(kāi)進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

此外，本元件內(nèi)置電流啟動(dòng)定值StrVal和延時(shí)定值OpDlTmms。

基本動(dòng)作行為：在電壓有效的前提下檢測(cè)到輸入電流超過(guò)定值時(shí)觸發(fā)其啟動(dòng)Str輸出，同時(shí)在1 s內(nèi)檢測(cè)到Act信號(hào)有效則經(jīng)相應(yīng)的延時(shí)定值（延時(shí)從保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算）后觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作輸出Op，同時(shí)發(fā)送故障報(bào)告，否則復(fù)歸啟動(dòng)信號(hào)，一直到輸入電流恢復(fù)到定值以下方能觸發(fā)下一次判斷過(guò)程。

出線保護(hù)單元的判斷邏輯：收到進(jìn)線單元的啟動(dòng)信號(hào)后，如果本單元的過(guò)流I段未啟動(dòng)或斷路器失靈動(dòng)作，則發(fā)送確認(rèn)開(kāi)放母差信號(hào)，否則發(fā)送閉鎖母差信號(hào)。

2.2 母差檢測(cè)信號(hào)和動(dòng)作邏輯

當(dāng)系統(tǒng)采用多電源輸入或不同運(yùn)行方式不同電源輸入時(shí)，可以針對(duì)所有可能運(yùn)行方式的進(jìn)線和相應(yīng)的出線單元設(shè)計(jì)完全獨(dú)立的控制流程，任一個(gè)IED設(shè)備可以同時(shí)支持進(jìn)線邏輯或多種出線邏輯。

以某公司35 kV變電站10 kV側(cè)系統(tǒng)為例，介紹具體的實(shí)現(xiàn)配置，變電站系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 35 kV變電站10 kV側(cè)系統(tǒng)圖

其中1DL、2DL為進(jìn)線開(kāi)關(guān)，3DL為母聯(lián)開(kāi)關(guān)，4DL—7DL為出線開(kāi)關(guān)且任何運(yùn)行方式均不存在倒送電。其運(yùn)行方式包括雙電源獨(dú)立供電和任一電源供電母聯(lián)閉合。分析系統(tǒng)結(jié)果如下。

1DL獨(dú)立供電時(shí)，I母線的進(jìn)線為1DL，出線為3DL—5DL；II母線的進(jìn)線為3DL出線為6DL—7DL。

2DL獨(dú)立供電時(shí)，I母線的進(jìn)線為3DL，出線為4DL—5DL；II母線的進(jìn)線為2DL，出線為3DL、6DL—7DL。

獨(dú)立分裂供電時(shí)，I母線的進(jìn)線為1DL，出線為4DL—5DL；II母線的進(jìn)線為2DL，出線為6DL—7DL。

可見(jiàn)與進(jìn)線1DL關(guān)聯(lián)的所有出線為3DL—5DL，與進(jìn)線2DL關(guān)聯(lián)的所有出線為3DL、6DL—7DL，與進(jìn)線3DL關(guān)聯(lián)的所有出線為4DL—7DL。所以設(shè)計(jì)3個(gè)獨(dú)立的判斷進(jìn)程。

進(jìn)程a：1DL為進(jìn)線，3DL—5DL為全部出線。

進(jìn)程b：2DL為進(jìn)線，3DL、6DL—7DL為全部出線。

進(jìn)程c：3DL為進(jìn)線4DL—7DL為全部出線。

3個(gè)進(jìn)程可以覆蓋所有的運(yùn)行方式。

以進(jìn)程a為設(shè)計(jì)進(jìn)線邏輯如圖3所示（在1DL的保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)）。

出線的判斷邏輯如圖4所示。

當(dāng)1DL的保護(hù)單元的PDIFg檢測(cè)到故障電流而觸發(fā)Str輸出，其啟動(dòng)信號(hào)通過(guò)GOOSE信息發(fā)送到所有出線單元，如果此時(shí)出線單元過(guò)流I段未啟動(dòng)或斷路器失靈動(dòng)作則發(fā)送開(kāi)放母差保護(hù)的GOOSE信息到進(jìn)線保護(hù)單元，所有的出線均發(fā)送GOOSE信息開(kāi)放母差保護(hù)，則進(jìn)線單元的Act信號(hào)有效，母差保護(hù)會(huì)在經(jīng)整定延時(shí)后輸出Op信號(hào)，跳開(kāi)進(jìn)線斷路器。

圖3 進(jìn)線邏輯模塊

圖4 出線邏輯模塊

當(dāng)故障點(diǎn)位于4DL或5DL的線路側(cè)時(shí)，1DL檢測(cè)到故障后發(fā)送啟動(dòng)信息但故障線路4DL或5DL的過(guò)流I段會(huì)同時(shí)啟動(dòng)而閉鎖其母差輸出，則母差保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作；同理，當(dāng)故障點(diǎn)位于6DL或7DL線路時(shí)3DL的過(guò)流I段啟動(dòng)而閉鎖母差保護(hù)；當(dāng)故障點(diǎn)位于I母線時(shí)，所有出線過(guò)流I段均不啟動(dòng)從而使能母差保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)1DL；當(dāng)故障點(diǎn)位于II母線時(shí)則會(huì)啟動(dòng)與此進(jìn)程相似的進(jìn)程c處理邏輯，3DL母差元件啟動(dòng)但4DL—7DL均沒(méi)有故障電流而激活3DL的母差保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)3DL，實(shí)現(xiàn)選擇性。

進(jìn)程b、進(jìn)程c邏輯與進(jìn)程a相似，分析可知在3種運(yùn)行方式下，均能進(jìn)行有選擇性的跳閘。這樣只需在1DL和2DL中各配置1個(gè)運(yùn)行母差的動(dòng)作邏輯PDISg、3DL中配置1個(gè)運(yùn)行母差動(dòng)作邏輯PDISg和2個(gè)母差出線響應(yīng)邏輯、4DL—7DL中配置3個(gè)母差出線響應(yīng)邏輯即可完成全運(yùn)行方式下的母差保護(hù)。

2.3 母差設(shè)計(jì)的整定配合

按此方案實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)需要一些繼電器整定配合。

a）所有出線（包括母聯(lián)）中裝設(shè)過(guò)流I段，其啟動(dòng)信號(hào)參與母差開(kāi)放判斷。

b）出線的斷路器失靈保護(hù)可以通過(guò)母差保護(hù)實(shí)現(xiàn)。

c）母差保護(hù)PDIFg的電流定值應(yīng)躲過(guò)任一條出線的I段動(dòng)作區(qū)，否則可能引起母差誤動(dòng)作。同時(shí)保證故障運(yùn)行方式下母線故障有靈敏度。

d）母差動(dòng)作僅在故障后1 s內(nèi)有效，與其配合的過(guò)流I段及斷路器失靈延時(shí)不能超過(guò)1 s。

e）母差動(dòng)作無(wú)延時(shí)的母線故障整組動(dòng)作時(shí)間小于100ms（出線數(shù)不大于32個(gè)）。

f）當(dāng)母線上有多個(gè)電源時(shí)，對(duì)每個(gè)電源來(lái)說(shuō)，其他電源都應(yīng)視為出線但其相應(yīng)的過(guò)流I段應(yīng)有方向閉鎖。上例中如果支持雙電源并網(wǎng)供電方式則母聯(lián)3DL的過(guò)流I段應(yīng)考慮方向閉鎖，但上例也可通過(guò)開(kāi)關(guān)位置實(shí)現(xiàn)閉鎖。

3 結(jié)論

可見(jiàn)在變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置上應(yīng)用IEC61850的GOOSE技術(shù)及可編程技術(shù)，能方便快捷地實(shí)現(xiàn)10 kV或35 kV的母線差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)具有速度快、動(dòng)作可靠和不增加硬件投資的優(yōu)點(diǎn)，是解決母線故障快速切除的良好解決方案。

［1］ 國(guó)家電力調(diào)度通信中心.Q/GDW441—2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

The Reconstruction Scheme of the Busbar Differential Protection of Power Supp ly and Distribution System

ZHANG Dongping
（Gas Planning and Design Institute of Shanxi Province，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

It is pointed out that traditional35 kV substation is shortofbusbar differential protection，but in recentyears，with the rapid development of power load and operation mode，power supply system needs to be configured with intelligent busbar differential protection.Combining with automation devices in substation，using logic elements based on GOOSE of IEC61850，busbar differential protection can be implemented smoothly，which could guarantee thesecurityofpower supply and distribution system.

busbardifferentialprotection；IEC61850；logic judgmentmodule

TM773+.4

B

1671-0320（2015）01-0037-04

2014-11-19，

2014-12-20

張東平（1963），男，山西稷山人，1985年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電機(jī)系電力專業(yè)，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)研究生院電氣工程專業(yè)，工程碩士，高級(jí)工程師，從事電氣工作。