CN103779843A - 基于差动灵活交叠分区的站域保护系统及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统继电保护技术领域中的一种基于差动灵活交叠分区的站域保护系统及其保护方法。保护系统包括保护分区模块、单元差动模块和复合差动模块，保护分区模块分别与单元差动模块和复合差动模块相连；保护方法为：根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围；根据单元件差动区，基于电流差动原理识别故障元件，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号；根据差动保护范围划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理识别站域范围内的故障元件，向对应的断路器发送跳闸信号。本发明有效改善了高压元件后备保护的性能，同时显著提高了中低压元件后备保护的性能。

Description

基于差动灵活交叠分区的站域保护系统及其保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于差动灵活交叠分区的站域保护系统及其保护方法。

背景技术

传统单间隔保护由于仅能获取本地或局部信息，导致无法兼顾保护的选择性、快速性和灵敏性，已不能满足日益复杂的电网对继电保护提出的更高要求，随着计算机、通信技术的不断发展，获取全站信息的站域保护的实现已成为可能，研究站域保护对保证电网安全运行具有重要意义。截止目前，站域保护主要有集中式和分布式两种算法。其中，集中式算法是将所有信息集中到一个计算机系统，对信息进行集中处理；分布式算法主要针对分布式母线。

虽然集中式站域保护的决策中心的信息量及计算量较大，但站域保护能够获得更多的信息，从全站的层面定位故障，简化保护在动作时间上的配合，并提高保护的选择性和可靠性。因此，本发明采用集中式算法，将原理简单并具有良好选择性的电流差动原理应用于站域保护，提出了一种基于电流差动原理的站域保护（Substation Protection Based on Current Differential，SPBCD）。首先定义了四类差动分区，然后通过对各个差动区动作时可能故障情况的分析，设定了每个差动区的动作方案。对各元件故障情况的分析表明，通过四类差动区之间协调配合，可以有选择性的快速切除站域范围内的故障。同时，各差动区的动作方案简单，整个站域保护方案容易实现，有效改善了高压元件后备保护的性能，显著提高了中低压元件后备保护的性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于差动灵活交叠分区的站域保护系统及其保护方法，用于解决现有站域保护在动作时间上的配合繁杂，保护的选择性和可靠性低的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于差动灵活交叠分区的站域保护系统，其特征是所述保护系统包括保护分区模块、单元差动模块和复合差动模块；

所述保护分区模块分别与单元差动模块和复合差动模块相连；

所述保护分区模块用于根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围，包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，并将单元件差动区发送至单元差动模块，将母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区发送至复合差动模块；

所述单元件差动区是仅含有一个元件的差动区；

所述母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线；

所述母线变压器融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线；

所述站域多元件差动区覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线；

所述单元差动模块根据差动保护模块划分结果中单元件差动区，基于电流差动原理直接识别故障元件，在达到第一设定延时且判断故障未切除后，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号，切除站域内故障元件；

所述复合差动模块根据差动保护模块划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理，在达到第二设定延时或第三设定延时且判断故障未切除后，向对应断路器发送跳闸信号，通过配合关系在最小范围内切除站域内故障元件。

一种基于差动灵活交叠分区的站域保护方法，其特征是所述保护方法包括：

步骤1：根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围；

所述站域差动保护范围包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区；

所述单元件差动区是仅含有一个元件的差动区；

所述母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线；

所述母线变压器融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线；

所述站域多元件差动区覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线；

步骤2：根据差动保护范围划分结果中的单元件差动区，基于电流差动原理识别故障元件，在达到第一设定延时后，如果差动电流持续存在，则判断故障未切除，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号；

步骤3：根据差动保护范围划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理识别站域范围内的故障元件，在达到第二设定延时或第三设定延时后，如果差动电流持续存在，则判断故障未切除，向对应的断路器发送跳闸信号。

所述第一设定延时取决于变电站中基于电流差动原理的站域保护与主保护的协调关系。

所述第二设定延时取后备保护动作时间0.5秒。

所述第三设定延时比第二设定延时增加设定时限，所述设定时限取0.5秒，即第三设定延时取1秒。

本发明采用集中式算法，将原理简单并具有良好选择性的电流差动原理应用于站域保护，提出了基于电流差动原理的站域保护。首先定义了四类差动分区，然后通过对各个差动区动作时可能故障情况的分析，设定了每个差动区的动作方案。对各元件故障情况的分析表明，通过四类差动区之间协调配合，可以有选择性的快速切除站域范围内的故障。同时，各差动区的动作方案简单，整个站域保护方案容易实现，有效改善了高压元件后备保护的性能，显著提高了中低压元件后备保护的性能。

附图说明

图1是基于差动灵活交叠分区的站域保护系统结构图；

图2是实施例1提供的典型变电站及相邻电网接线示意图；

图3是站域多元件差动区保护元件和边界断路器编号对应表；

图4是母线变压器融合差动区保护元件和边界断路器编号对应表；

图5是实施例1提供的母线线路融合差动区C1动作方案图；

图6是实施例1提供的母线变压器融合差动区B1动作方案图；

图7是实施例1提供的站域多元件差动区A1动作方案图；

图8是实施例2提供的复合差动模块应对变压器故障时变压器单元件差动区拒动（两个分段断路器均为断开状态）图；

图9是实施例2提供的复合差动模块应对变压器故障时变压器单元件差动区拒动（两个分段断路器不都是断开状态）图；

图10是实施例2提供的复合差动模块应对母线故障时母线单元件差动区拒动（分段断路器断开）图；

图11是实施例2提供的复合差动模块应对母线故障时母线单元件差动区拒动（分段断路器闭合）图；

图12是实施例2提供的复合差动模块应对线路故障时线路单元件差动区拒动图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是基于差动灵活交叠分区的站域保护系统结构图。如图1所示，基于差动灵活交叠分区的站域保护系统包括保护分区模块、单元差动模块和复合差动模块，保护分区模块分别与单元差动模块和复合差动模块相连。

保护分区模块用于根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围，包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，并将单元件差动区发送至单元差动模块，将母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区发送至复合差动模块。

其中，单元件差动区是仅含有一个元件的差动区。

母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线。

母线变压器融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线。

站域多元件差动区覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线。

单元差动模块根据差动保护模块划分结果中单元件差动区，基于电流差动原理直接识别故障元件，达到第一设定延时t₁后，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号，切除站域内故障元件。

复合差动模块根据差动保护模块划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理，达到动作延时后向，对应断路器发送跳闸信号，通过配合关系在最小范围内切除站域内故障元件。动作延时为第二设定延t₂时或第三设定延时t₃。

本发明还提供了一种基于差动灵活交叠分区的站域保护方法，其特征是所述保护方法包括：

步骤1：根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围；

站域差动保护范围包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区。

以如图2所示的典型变电站及相邻连接线路为例，变压器三侧电压等级分别为220kV、110kV、35kV。站内母线为Bus03、Bus04、Bus07、Bus08、Bus11、Bus12，通过线路L1～L8与相邻变电站连接，Load1～Load3为等值负荷，G1～G8为等值电源，CB01～CB26为断路器。SPBCD中按差动作用域范围划分为以下四类：单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区、站域多元件差动区。

单元件差动区可以直接识别故障元件，具有良好的选择性。单元件差动区仅包括一个元件，例如，变压器T1的单元件差动区由边界断路器CB05、CB12、CB21构成，母线Bus03的单元件差动区由边界断路器CB02、CB05、CB06构成，线路L1的单元件差动区由边界断路器CB01、CB02构成。

另外三个差动区均包含两个及以上元件，这样的设置是为了使站内任一断路器至少被包含在某一差动区内，作为单元件差动区拒动时的后备。母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线，例如，线路L1的母线线路融合差动区包含线路L1和母线Bus01、Bus03，差动区域由边界断路器CB01、CB05、CB06构成，如图2中区域C所示。

当分段断路器为断开状态或者该电压等级侧没有分段断路器时，SPBCD设置母线变压器融合差动区，该差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线，例如，变压器T1的高压侧母线变压器融合差动区包含变压器T1以及母线Bus02，差动区域由边界断路器CB02、CB21、CB12构成，CB06为断开状态，不计入边界断路器，如图2中区域B所示。

当分段断路器为闭合状态时，依据母线变压器融合差动区的保护范围，其边界断路器应加上分段断路器CB06，而母线线路融合差动区的边界断路器也包括CB06，这样处理，分段断路器CB06不能被包含在某一差动区内，不满足分区原则，因此，此时SPBCD设置站域多元件差动区，覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线，例如，高压侧站域多元件差动区包含变压器T1、T2以及母线Bus03、Bus04，差动区域由边界断路器CB02、CB04、CB17、CB23、CB21、CB12构成，如图2中区域A所示。

按照上述SPBCD划分差动区域的原则，图2中包括：2个站域多元件差动区，各差动区命名及所保护元件、边界断路器编号如图3所示；6个母线变压器融合差动区，各差动区命名及所保护元件、边界断路器编号如图4所示。母线线路融合差动区数目同线路数目，对应所保护线路编号分别命名为C1、C2…C8。单元件差动区数目同元件数目，仅包含一个元件，变压器T1、T2的单元件差动区分别命名为T1、T2，边界断路器为变压器三侧断路器；母线Bus01、Bus02…Bus14的单元件差动区分别命名为M1、M2…M14，边界断路器为连在该母线上的所有断路器；线路L1、L2…L8的单元件差动区分别命名为L1、L2…L8，边界断路器为线路两侧断路器。

步骤2：根据差动保护范围划分结果中的单元件差动区，基于电流差动原理识别故障元件，达到第一设定延时t₁后通过差动电流是否持续存在判断故障是否切除。若故障未切除，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号。

单元差动模块为站域每个元件提供单元件差动保护，对于主保护是差动原理的元件，相当于对该元件增加冗余配置，而对于主保护不是差动原理的元件如中低压母线，相当于为该元件增加了差动原理的保护。每个单元件差动区构成对本元件的保护，因此各个单元件差动共同构成对站域范围的保护，直接识别站域范围内故障元件，达到第一设定延时t₁后向故障元件的关联断路器发送跳闸信号。

第一设定延时t₁的选取取决于变电站中SPBCD与主保护的协调关系。

步骤3：根据差动保护范围划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理识别站域范围内的故障元件，达到第二设定延时t₂或第三设定延时t₃后，通过差动电流是否持续存在判断故障是否切除。若故障未切除，则向对应的断路器发送跳闸信号。

复合差动模块面向站域范围，站域多元件差动区保护范围包含母线变压器融合差动区的保护范围，母线变压器融合差动区与母线线路融合差动区的保护范围有重合，利用这些差动区之间的包含关系或重合关系，通过一定配合关系切除站域范围内故障元件，其动作时限长于单元件差动，作为单元件差动拒动时的有效补充。各差动区的动作情况以及动作方案分析以下：

A、母线线路融合差动区动作分析及方案。

如图5所示的母线线路融合差动区C1，C1动作说明故障既可能发生在母线Bus03，也可能发生在线路L1上。如果是母线Bus03故障，需跳开断路器CB02、CB05、CB06；如果是线路L1故障，需跳开断路器CB01、CB02。无论是母线Bus03还是线路L1故障，均需跳开断路器CB02，而如果CB02跳开后，线路L1已不能向变电站供电，且该站也不能通过线路L1向外送电，即使是母线故障，多跳开CB01并不会构成影响。因此，SPBCD设定母线线路融合差动区动作时，达到第二设定延时t₂后向其差动区内线路两侧断路器发送跳闸信号。如果是线路故障，则故障被可靠切除；如果是母线故障，则断开了母线关联断路器中的一个。

B、母线变压器融合差动区动作分析及方案。

母线变压器融合差动区形成的前提是分段断路器为断开状态。如图6所示的母线变压器融合差动区B1，B1动作说明故障可能发生在母线Bus03、变压器T1上。如果是母线Bus03故障，需跳开断路器CB02、CB05；如果是变压器T1故障，需跳开断路器CB05、CB12、CB21。如果变压器T1故障时多跳了CB02，此时因为CB06是断开的，对与母线Bus03相连的线路影响不大；如果母线Bus03故障时多跳了CB12、CB21，会影响到变压器两侧的电源及负荷。但无论是母线Bus03还是变压器T1故障，均需要跳开断路器CB05。因此，SPBCD设定分段断路器为断开状态而母线变压器融合差动区动作时，达到第二设定延时t₂后向其差动区内母线变压器关联断路器发送跳闸信号。单独一个母线变压器融合差动区的跳闸命令并不能完全切除母线或变压器的故障，需要通过各差动区的配合，在发明下节内容中会对其进行具体分析。

C、站域多元件差动区动作分析及方案。

站域多元件差动区形成的前提是分段断路器为闭合状态，是为了使分段断路器被包含在某一个差动区内而设置的。如图7所示的站域多元件差动区A1，若A1动作说明故障可能发生在变压器T1、T2、母线Bus02、母线Bus04上，如果是母线故障，无论哪条母线故障都应该跳开CB06；如果是变压器故障，应该跳开变压器三侧断路器，多跳CB06的影响是切断了故障变压器三侧电源负荷与非故障变压器的联系，但避免了非故障变压器严重过负荷，另外站域保护也有就地备自投等功能，而且复合差动模块本身属于应对非正常情况，在这种情况下，较之多跳CB06的影响，变压器故障而保护拒动带来的问题则更为严重。因此，SPBCD设定分段断路器闭合而站域多元件差动区动作时，达到第二设定延时t₂后向站域多元件差动区内的分段断路器发送跳闸信号。

图7中，A1动作跳开CB06之后，形成两个母线变压器融合区B1、B4，此时再按照母线变压器融合差动区的动作方案。因此，SPBCD设定在站域多元件差动区跳开分段断路器之后，原有的站域多元件差动区分为两个母线变压器融合差动区，二者各自判断本差动区是否满足动作条件。如果满足，再经设定时限Δt即达到第三设定延时t₃后，动作跳开该区内的母线变压器关联断路器。

第二设定延时t₂取后备保护动作时间0.5s，第三设定延时t₃比第二设定延时t₂增加时限Δt，继电保护中时限Δt通常取0.5s，即第三设定延时t₃取1.0s。

实施例2

A、变压器故障分析。

当变压器故障时，单元差动模块的变压器单元件差动区动作，达到后备保护延时t₁后，切除变压器三侧断路器。以下分析单元差动模块拒动时复合差动模块的动作情况。

如图8所示，如果变压器T1故障，而其对应的变压器单元件差动区拒动，未将变压器故障切除的情况。若高压分段断路器CB06和低压分段段断路器CB22均处于断开状态，此时形成母线变压器融合差动区B1～B6，其中，B1、B2、B3这三个差动区在达到第二设定延时t₂后，跳开B1区内的母线变压器关联断路器CB05，B2区内的母线变压器关联断路器CB12，B3区内的母线变压器关联断路器CB21，最终在第二设定延时t₂将变压器故障切除，并且未扩大故障切除范围。

如果两个分段断路器并不都是断开状态，设高压分段断路器CB06处于闭合状态，低压分段断路器CB22处于断开状态，如图9所示，此时形成站域多元件差动区A1以及母线变压器融合差动区B2、B3、B4、B5、B6，其中A1、B2、B3这三个差动区动作，在达到第二设定延时t₂后，跳开A1区内的分段断路器CB06，B2区内的母线变压器关联断路器CB12，B3区内的母线变压器关联断路器CB21，然后差动区A1分为两个母线变压器融合差动区B1、B4，再经过Δt延时，B1动作跳开区内的母线变压器关联断路器CB05，最终经第三设定延时t₃将变压器故障切除。若两个分段断路器均处于闭合状态，则低压侧先形成站域多元件差动区A2，其动作情况类似A1，最终在第三设定延时t₃将变压器故障切除。

B、母线故障分析。

当母线故障时，单元差动模块的母线单元件差动区动作，达到后备保护延时t₁后，切除母线关联断路器。以下分析单元差动模块拒动时复合差动模块的动作情况。

如图10所示，如果母线Bus03故障，而其对应的母线单元件差动区拒动，未将母线故障切除。仅分析站内故障母线侧差动区，如果与故障母线相连的分段断路器CB06处于断开状态，此时形成母线变压器融合差动区B1、B4，在达到第二设定延时t₂后，B1区动作跳开CB05，同时母线线路融合差动区C1跳开区内线路两侧断路器CB01、CB02，最终经第二设定延时t₂将母线Bus03的故障切除，多跳的CB01并不构成影响，未扩大故障切除范围。

如果与故障母线相连的分段断路器CB06处于闭合状态，如图11所示，此时形成站域多元件差动区A1，在达到第二设定延时t₂后，跳开A1区内的分段断路器CB06，同时母线线路融合差动区C1跳开区内线路两侧断路器CB01、CB02，然后A1分为两个母线变压器融合差动区B1、B4，再经Δt延时，B1区动作跳开区内的母线变压器关联断路器CB05，最终经第三设定延时t₃将母线故障切除，多跳的CB01并不构成影响，未扩大故障切除范围。

C、线路故障分析。

当线路故障时，单元差动模块的线路单元件差动区动作，达到后备保护延时t₁后，切除线路两侧断路器。以下分析单元差动模块拒动时复合差动模块的动作情况。

如图12所示，如果线路L1发生故障，而其对应的线路单元件差动区L1拒动。此时仅母线线路融合差动区C1动作，在达到第二设定延时t₁后，C1跳开区内线路L1两侧断路器CB01、CB02，最终经t₁延时将线路故障切除，未扩大故障切除范围。

本发明将简单可靠并具有多年实际运行经验的电流差动原理用于站域保护，具有以下特点：

(1)按差动作用域范围划分了四类差动区域，单元件差动区直接定位故障元件，多元件差动区综合利用多信息，各区域保护范围交叉融合，通过多元件差动区与融合差动区的简单配合作为单元件差动区拒动时的有效补充。

(2)各类元件故障时方案的动作情况表明，通过四个差动区协调配合，可以有选择性的快速切除故障，即使故障元件的单元件差动区拒动，也能在最小范围内将故障元件切除。

(3)利用站域各电压等级信息获取方便的特点，为各元件增加了差动保护作为后备保护，相较于传统的后备保护，显著提高了中低压元件的后备保护性能，有效改善了高压元件的后备保护性能，方案简单易行。

(4)作为主保护的后备保护，可以快速切除故障，解决了传统阶段式后备保护动作时限长的问题，保证了动作的快速性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于差动灵活交叠分区的站域保护系统，其特征是所述保护系统包括保护分区模块、单元差动模块和复合差动模块；

所述保护分区模块分别与单元差动模块和复合差动模块相连；

所述保护分区模块用于根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围，包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，并将单元件差动区发送至单元差动模块，将母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区发送至复合差动模块；

所述单元件差动区是仅含有一个元件的差动区；

所述母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线；

所述母线变压器融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线；

所述站域多元件差动区覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线；

所述单元差动模块根据差动保护模块划分结果中单元件差动区，基于电流差动原理直接识别故障元件，在达到第一设定延时且判断故障未切除后，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号，切除站域内故障元件；

所述复合差动模块根据差动保护模块划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理，在达到第二设定延时或第三设定延时且判断故障未切除后，向对应断路器发送跳闸信号，通过配合关系在最小范围内切除站域内故障元件。

2.一种基于差动灵活交叠分区的站域保护方法，其特征是所述保护方法包括：

步骤1：根据变电站及其相连线路的连接关系，划分站域差动保护范围；

所述站域差动保护范围包括单元件差动区、母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区；

所述单元件差动区是仅含有一个元件的差动区；

所述母线线路融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站出线及相连的本站母线；

所述母线变压器融合差动区覆盖两个单元件差动区，包括本站一台变压器及相连的一条母线；

所述站域多元件差动区覆盖两个同电压等级的母线变压器融合差动区，包括站内的两台变压器以及电压等级相同的两条对应母线；

步骤2：根据差动保护范围划分结果中的单元件差动区，基于电流差动原理识别故障元件，在达到第一设定延时后，如果差动电流持续存在，则判断故障未切除，向故障元件的关联断路器发送跳闸信号；

步骤3：根据差动保护范围划分结果中的母线线路融合差动区、母线变压器融合差动区和站域多元件差动区，基于电流差动原理识别站域范围内的故障元件，在达到第二设定延时或第三设定延时后，如果差动电流持续存在，则判断故障未切除，向对应的断路器发送跳闸信号。

3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征是所述第一设定延时取决于变电站中基于电流差动原理的站域保护与主保护的协调关系。

4.根据权利要求2所述的保护方法，其特征是所述第二设定延时取后备保护动作时间0.5秒。

5.根据权利要求2所述的保护方法，其特征是所述第三设定延时比第二设定延时增加设定时限，所述设定时限取0.5秒，即第三设定延时取1秒。

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