母差保护在智能变电站的应用和研究

母差保护在智能变电站的应用和研究

卫勃刘建国马超赵晓蕾李斌

国网山西省电力公司运城供电公司山西运城044000

摘要：随着我国经济的高速发展，传统电网已经不能很好地满足未来经济发展的要求，由此提出了建设具有中国特色智能电网的目标。智能电网要求在发电、输电、配电、用电等环节应用大量的新技术整合电网的各种信息，进行深入分析和优化，实现对电网更完整和深入的洞察，实现整个智能电网“生态系统”更好地实时决策。智能变电站因其技术含量高，结构相对复杂，功能性大等原因，使得对其进行的继电保护显得尤为重要，尤其是母线差动保护，在智能变电站中的应用将会给变电站的运行和管理带来深远的影响。

关键词：母差保护；智能变电站

所谓智能变电站，是指由智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等）和网络化二次设备分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。随着智能变电站的广泛推广使用，应用于智能变电站中的继电保护装置在保证其“可靠性、选择性、灵敏性、速动性”的同时，也应提高其智能化水平。母线保护作为智能变电站中的重要元件保护装置，在模拟量采集与开关量的输入输出方面均发生了显著的变化，配置方法更加灵活。2010年4月，国家电网公司发布了《智能变电站继电保护技术规范》，对于智能变电站中的母线保护装置提出了明确的要求，在此情况下，当面对接入间隔数目较多的情况时，集中式母线保护装置已无法满足智能变电站大容量数据交换的要求，因此开发应用于智能变电站的分布式母线装置已成为当务之急。分布式母线保护相比集中式母线保护需要解决2个难题：一是大量数据的可靠、实时传输；二是高精度的同步采样。

1智能变电站中母线保护分析

1.1对母线保护原理的影响

（1）电磁式互感器的误差受二次回路负荷的影响，而负荷的变化时不可预知的，故CT的误差变化不能估量的。电子式互感器传送的是数字信号，取消了硬接线，没有负载的影响，所以对母线差动保护可不考虑断线的影响，根据是否有采样值就可以判断传输数据链路是否异常。

（2）传统变电站系统应用CT，存在若干独立误差环节，如采样误差，输出误差等。对于电子式互感器，其输出直接供给电子设备使用，避免的信号传输和处理带来的附加误差，降低了系统误差，提高的保护、测量和计量系统的精度。

（3）传统变电站中母线区外发生故障时，TA易饱和，即使是特性相同的互感器其暂态饱和程度不同也造成极大不平衡电流，一般采取两种方法：一是采用暂态用互感器；二是母线保护装置采取抗饱和措施。电子式互感器没有饱和（稳态饱和和暂态饱和），所以对于智能变电站下，采用母线差动保护时不用再去考虑饱和因素，只需考虑电子式互感器对于稳态和暂态下误差问题（电流比值误差和相位差），不平衡电流会显著减少，增加抗区内故障流出电流的能力。

（4）电子式互感器频响范围宽、测量线性范围大，线性度好。CT频率范围窄，不能同时满足计量和继电保护的需要。基于ECT的母线保护可以开发暂态量保护，提高保护动作速度。

（5）工频相量差动保护在传统保护中由于受到饱和的影响，发挥不出优势；采用采样值差动又存在模糊区和受到高频电容电流的影响。智能变电站下可用工频相量和采样值差动保护配合，能够做到母线的快速保护。

1.2对母线保护结构的影响

传统母线保护大部分都采用集中式母线保护的结构，但在智能变电站中当母线支路很多时，对保护装置数据处理能力有压力，并且数字接口过多容易造成能耗过大。分布式母线保护节约二次电缆，抗干扰能力强，符合智能变电站分层分布的思想，将会使母线保护的结构发展的方向。

1.3对通信环节可靠性的影响

智能变电站中保护控制等信息全部依赖基于IEC61850的光纤通信网络，所以通信的可靠性至关重要。在通讯中会出现通道误码，甚至通道中断，导致采样点丢失，保护延时或者差动闭锁。为保证通信可靠性，对通信状态的监视和处理主要包括以下几方面：

（1）每帧数据进行CRC校验（由硬件实现）及代码和校验，错误则舍弃；

（2）每秒进行错误巾贞统计，错误顿数大于一给定值时，将上一秒认为通信异常，通信异常延续10s认为通道失效，通道失效之后闭锁差动保护，一旦通信恢复，自动恢复保护；装置自动统计数据传输的误码率，当其达到给定值时，报自检信息“光纤通道异常”；

（3）每秒钟收到的巾贞数为恒定，判定通信恒速率；如果发现丢失的帧数连续大于给定值，则认为通道中断，就要闭锁母线差动保护，待通信恢复后，再恢复保护；通道中断持续一定时间报自检。

1.4对母线采样值同步的影响

智能变电站母线保护对于采样值同步的要求远高于传统变电站，传统变电站集中式微机母线保护中，母线保护所需的电压电流量通过电缆传统到母线保护装置，各通道采样可认为完全同步的。对于分布式母线保护来说，保护装置的数据源来自不同间隔的MU，接收的是同步以后的数字信号，要实现母线差动保护，这时候不同间隔MU釆样数据的同步就显得特别重要。传统变电站一般用GPS同步或者传送B码同步，但是存在需要硬接线和编码复杂的缺点，所以宜利用网络的优势采用网络对时。IEEE1588定义的精确的网络同步协议，是针对相对本地化、网络化的系统，同步误差可控制在lus，能够满足一个变电站内母线差动保护的要求，是目前智能变电站的一个研究热点和发展方向。但是目前网络同步技术不太可靠，技术不太成熟，母线保护推荐使用直采直跳的模式，这样同步相对简单，采样值插值后即可实现同步，也就是在同步技术不完善的时候，宜采用有主站式分布式母线保护结构。

2智能变电所母差保护的接入方案

智能变电所母差保护接入方案常用的有两种方式，分别为集中式与分布式。

2.1集中式母差保护采用单台母差主机完成母线保护的交流采样、开入开出、保护运算、所控层通讯等功能。这种维护方式的母差保护便于维护与管理，但接入多间隔保护装置运算压力较大。主要应用在110kV及以上电压等级的智能变电所，母差保护接入间隔数通常不大于24，需配置独立的合并单元以及智能终端，且合并单元在主控室集中组屏。分布式母差保护第一种典型应用采用单台母差主机加多台母差子机共同完成母线保护功能，其中母差主机完成保护运算及所控层通讯等功能，母差子机完成交流采样、开入开出等功能，主机与子机之间通过光纤通讯完成数据交互。这种方式的母差保护可减轻母差主机的交流采样压力，提高母差保护接入能力，且有利于保护装置就地分布布置。主要应用35kV及以下电压等级，母差保护接入间隔数大24。间隔不配置独立的智能终端与合并单元，采用四合一保护装置，且保护装置在开关柜接地放置。互感器有时配置传统互感器，交流量需转为数字量输出。母差保护接入间隔数大于24。

2.2分布式母差保护第二种典型应用配置单台母差保护主机加多台传统采样母差子机。这种方式主要应用在传统变电所智能化改造过程。改造过程中需接入间隔传统交流采样及开入开出并转换为数字化采样提供给主机。

3总结

相比于集中式母线保护装置，分布式母线保护装置符合变电站保护分散布置、就地化的发展趋势，且分布式母线保护采取数据分散采集，集中处理的方法，相比于集中式母线保护集中采集、集中处理的方法有很大优势。

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