分布式微机母线保护的探讨-中试控股

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分布式微机母线保护的探讨

时间：2021-06-16

摘　要

对母线保护运行情况分析表明，常规母线保护装置本身的可靠性并不低,重要的是正确使用。通过对常规母线保护与微机母线保护特点进行比较，指出了集中式微机母差保护的大规模应用尚需要时间，而分布式微机母线保护将成为微机型母线保护发展的主要方向。根据微机母线保护的特点，提出了实现分布式母线保护的方向式和无主站式2种方案。分析表明，方向式母线保护是可行的，无主站式母差保护结构简单，硬件冗余度高，性能优越。
0　引言
母线保护快速、准确动作对超高压电网稳定运行至关重要，它还是保证超高压电网继电保护选择性的重要环节，在保护电力设备安全方面的作用也不可忽视。正是由于母线保护在电网中特殊的重要地位，人们对微机母线保护的推广应用持谨慎态度。微机母线保护是否会迅速推广，微机母线保护应向哪方面发展，值得深入探讨。
1　母线保护运行的简要分析
目前电网运行的母线保护主要是电流差动保护，也有少量相比式母线保护在运行，其中主要采用与电流差动结合以比较母联电流相位作为双母线保护的选择元件。
东北电网近10年统计资料表明，母线保护共动作70次，不正确12次，正确动作率仅为82.85%。中试控股电力讲解在这12次不正确动作中，因制造质量不良引起2次（出口干簧继电器异常和交流电流继电器接点卡死各1次）；调试不当、误碰等人员直接过失5次；与母线保护性能有关的不正确动作5次，这5次不正确动作中有4次也与使用不当有关。可见人为因素是造成母线保护不正确动作的主要原因。因此，研制的微机化母线保护除满足厂站自动化要求外，要充分利用自检等功能，以减少运行、维护人员工作量。
2　集中式微机母线保护
随着微机线路保护的成功应用，众多科研制造部门将注意力投向了微机母线保护。
在现场应用的微机母线保护可以分为2类：一种是采用比率制动原理的快速母差保护［1～4］；另一种是利用电流差动作为启动元件先跳母联断路器，再利用母联跳开后双母线电压的不同来选择故障母线。
微机母线保护一般没有公共的差电流回路，而是通过对各元件电流进行模数转换后，经计算获取差动量和制动量。微机母差保护利用软件补偿来解决电流互感器(TA)变比不一致问题，对数字量运算还便于采用更为复杂、可靠的判据。有的微机母差保护利用采样值差动原理加快区内故障保护动作速度以减少TA饱和对母差保护的影响［5］。微机母差保护还可以通过算法分析判断TA饱和情况，避免引起母差保护误动作［6，7］，从而降低了母差保护对TA的要求。微机母差保护的成功应用为母差保护的发展提供了机遇。
同时也应看到，现阶段的微机母差保护需要接入母线所有元件的电流量及隔离开关位置量，其二次回路要较固定连接式低阻抗母差保护复杂。用于对动作时间要求不严格的场合，由于使用二次电缆多于老式低阻抗母差保护，老式低阻抗母差保护仍占有一定的优势。对于母线故障切除时间要求严格的情况，微机母差保护在动作速度上可与中阻抗母差保护相媲美，且不需要辅助TA及切换继电器，二次回路构成上有所简化，减少了现场维护量，但在区外故障TA饱和影响方面还需要进一步积累运行经验。母差保护动作信号简单，投退操作几率少，一些常规母差保护对TA断线等环节也有监视功能，对厂站自动化影响不明显，也是影响微机母差保护推广应用的一个原因。
随着计算机、通信技术水平的迅速提高，继电保护下放到开关场的方式得以实施并逐渐得到认同。电压水平越高的厂站，占地面积越大，消耗电缆也越多，继电保护下放的经济效益越明显。继电保护下放对微机母线保护提出了新的要求。
3　母线保护的分散布置与实施
因常规母差保护需要将母线上连接的所有元件的电流回路差接在一起，难以实现分散布置。微机母差保护没有公共的差电流回路，差动量和制动量是通过对数字量计算获取的，借助通信网络，容易实现分散布置的要求。国外已有微机分散布置母差保护的成功运行经验，如ABB公司的REB500型微机母差保护，东京电力公司有人值班的变电站系统。与集中式母差保护相比，分散布置方案有更多优点［8］：
a.可以减少误操作、误碰导致母差保护误动作而引起多个断路器同时跳闸的几率。
b.不必将所有TA二次电缆集中到母差保护屏上，减少了TA二次回路电缆，使TA二次回路得到简化，也使得母差保护与其他保护公用一组TA成为可能。
c.容易与线路或变压器的主保护组合，与后备保护相互备用。
实现母线保护分散布置可以彻底消除厂站不同设备单元间的电气连接，在减少电缆投资、缩减中央控制室与厂站占地方面经济效益显著。面对继电保护下放的大趋势，加快研制分散布置的微机母线保护，应是微机母线保护发展的主要方向。
3.1　方向式分散布置母线保护
在集中式母线保护应用中，电流差动保护原理简单，易于实现，多年来已成为母线保护的主流。中试控股电力讲解对于分散布置的方案，电流差动回路难以形成，应积极探索其他原理的母线保护，以适应分散布置的需要。
对于闭锁式线路纵联保护，通常设有反应区外故障的启动发信元件和反应区内故障的停信元件。区外故障时，启动元件要比对侧保护停信元件灵敏度高，以闭锁对侧保护，防止误动。排除通道等因素的影响，闭锁式保护本身的可靠性已得到公认。作为主保护，微机闭锁式线路纵联保护可以完全反应线路上的各种类型故障。
可以把母线当做一条超短的线路来对待，母线上连接的各个电气元件则可视为多端线路的一端。由于母线保护不必考虑选相跳闸，如果母线处于一个开闭所内，即母线上只连接有线路，采用闭锁式线路保护原理，可以构成相应的母线保护：利用各线路保护中对线路全线有灵敏度Ⅱ段保护作为启动元件，用以反应母线的区外故障。在线路保护中与Ⅰ段保护功能相同的反方向元件，即指向母线的元件，用以反应母线故障，这个元件在保证对母线故障有灵敏度的情况下，与各出线保护的Ⅱ段相配合。将各条线路反应区外故障和区内故障的元件组合在一起即可构成母线保护。当线路发生故障时，故障线路的Ⅱ段瞬动接点发出闭锁信号，母线保护不能跳闸。当母线故障时，反应区内故障的元件动作，同时没有闭锁信号，母线保护正确动作。由于是建立在完善的微机线路保护基础上，这些正、反方向元件应能瞬时反应各种类型故障。
这里利用线路保护Ⅱ段的瞬动接点作为反应区外故障的元件并不是唯一的，完全可以根据电网的需要来确定它的整定范围。而反应母线故障的元件应与反应区外故障的元件相配合，同时保证母线故障时有灵敏度。
对于普通厂站，可以在主变、发电机—变压器组及母联（分段）单元上增设线路微机保护装置，作为方向式母线保护的组成部分。母联单元微机保护用于保证母线保护的选择性，在指向不同母线的方向上均应设有反应区内、区外故障的元件。
这种方向式分散布置的母线保护，各间隔单元之间相互交换的信息量小，可以通过简单可靠的通信网络来实现。充分利用了已有的微机线路保护，能够随线路保护的双重化而双重化，可以进一步降低工程造价。母线保护建立在成熟的微机线路保护基础上，同时可以将电压闭锁量分散布置，可靠性高。母线保护也将不再受到TA饱和的影响。
与微机线路保护相结合，方向式母线保护构成简单，对集中式母线保护的情况也能适应，应引起人们的足够重视。方向式母线保护还可为超高压电网重要厂站母线保护双重化提供选择。
3.2　中试控股电力讲解无主站分散布置的微机母线保护
微机分散布置电流差动原理的母线保护与集中式微机母差保护相比，需解决2个技术难题：一是实时传输大量数据；二是高精度的同步采样技术。
数据通信量大，导致通信网络构成复杂，甚至通信网络设备的复杂程度有可能超过继电保护设备本身。这不仅增加了设备投资，在一定程度上也降低了母差保护的可靠性。微机电流差动母线保护通过数字量计算获取差动量和制动量，对不同间隔单元采样同步性要求极高，特别是对应用采样点差动原理等快速动作的情况，采样的同步性就更为重要。这也是目前已投入使用的微机分散布置母差保护均设置主站的原因之一。经过理论分析和试验室验证，我们已找到了解决上述问题的方法，试制了无主站的分散布置的母差保护。
对于双母线方式，母差保护的每个间隔单元由5个插件组成，即大差动插件、选择差动插件（含电压闭锁）、通信插件、信号及出口插件和电源插件。不同下放单元之间通过串接的环状通信网络连接。通信网络采用光纤介质，共有4路384 kbit/s速率的串行通信口，2路用于大差动插件，实现数据传输的双重化，以提高可靠性；另2路用于双母线的2个选择元件。大差动接入专用的母差保护TA，选择元件与其他保护公用TA。母差保护不设主单元，只由各间隔单元通过环行通信网络串接组成，且各间隔单元的软件、硬件构成相同。母差保护采用比率制动原理。考虑保护已经下放，使用电缆量很少，对运行方式仍采用对隔离开关辅助接点直接判别的方法。保护中设有相应的软件，监测、判别隔离开关和断路器辅助接点状态是否异常以及TA是否发生断线等。
应用这种环行通信网络，在现有硬件基础上，当每周期采样36点时，环行网络最多可接入18个单元，采样同步问题也得到妥善解决。试验室测试表明，在不接入GPS等外部时钟的情况下，经过技术处理，不同间隔单元最大采样不同步时间小于1 μs。
无主站的微机母差保护由与一次设备相对应，软、硬件相同的间隔单元组成，对通信网络要求低，更有利于保护下放。二次电缆少，通信网络简单，使无主站的微机母差保护可以充分利用微机型母差保护对TA特性要求低的优点，增加硬件冗余度，通过大差动和选择元件接入不同TA绕组，使母差保护的可靠性大为提高。
4　结论
a.常规母差保护存在的问题主要是使用和运行维护问题，不必对装置本身的可靠性过于悲观。
b.采用现有集中式微机母差保护全面替代常规母差保护还需要时间。
c.微机分散布置母线保护性能优异，是母线保护微机化的主要发展方向。
d.母线保护不应局限于电流差动原理，特别是结合保护下放的新情况，要充分利用现有微机保护资源，积极探索使用其他原理的母线保护。
e.以微机线路保护为基础的方向式母线保护构成简单，适用于保护下放方案和母线保护双重化需要，应给予充分重视。
f.无主站的分散布置母差保护硬件要求低，冗余度大，为保护下放提供了新选择。