智能变电站站域差动保护方法与流程

本发明属于电力工程的继电保护自动化领域，用于提高电力系统运行的安全可靠性，特别涉及一种智能变电站站域差动保护方法。

背景技术：
变电站（Substation）是把一些电力装置组合起来，用以变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施。在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点。变电站主要组成为：馈电线（进线、出线）和母线，隔离开关，接地开关，断路器，电力变压器（主变），电压互感器TV（PT）、电流互感器TA(CT），避雷针。变电站主要可分为：枢纽变电站、终端变电站；升压变电站、降压变电站；电力系统的变电站、工矿变电站、铁路变电站(27.5kV、50Hz）；1000kV、750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV、35kV、10kV、6.3kV等电压等级的变电站；10kV开闭所；箱式变电站。目前，变电站已经普遍采用光纤通信技术，同步精度已能够满足保护的要求，高速发展的网络技术满足了日益增加的对网络传输能力和安全、可靠性能的需求，IEC61850标准也有效地解决了原有系统信息集成和共享的复杂程度和技术实现问题，这些先进技术的应用为智能变电站的信息共享奠定了基础，也为站域差动保护的研究、实施提供了可能性。利用智能变电站内信息可灵活共享的特点，以变电站整体作为被保护对象，利用全站输入、输出各元件的电压、电流信息及设备动作、状态等信息集中决策，完成站域差动保护的信息采集，实现全站集中式差动后备保护功能。目前，中国电力系统中，在智能变电站差动保护方法上，都是采用整站保护方式。也就是说，当差动保护方法判断出现故障时，会控制整个变电站的断路器动作，从而起到保护变电站的目的。例如，中国专利号为200910025578.1的发明专利公开的一种采样值差动电流启动的相量差动保护方法，这种保护方法结合了采样值差动和相量差动的优点，具有较高的抗干扰性和可靠性，但是依旧是通过控制整站输入或输出的方式来达到保护变电站的目的。这种保护方法，虽然起到了保护整个变电站的作用，但是也影响了整个变电站覆盖范围内的供电，并不能有针对性地控制变电站内某个或某些发生故障变压器的工作状态。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对上述不足提供一种既能全面保护变电站，又能有针对性地关闭故障变压器，对用户影响范围小的智能变电站站域差动保护方法。为解决上述技术问题，本智能变电站站域差动保护方法包括以变电站为主的大差动保护模式和以各变压器为主的两个以上的小差动保护模式，大差动保护模式为启动元件，任一小差动保护模式为动作元件，当上述两个条件同时满足时，差动保护出口动作，小差动保护模式还是故障选择元件。本智能变电站站域差动保护方法是通过双差动保护模式来实现既能全面保护变电站，又能有针对性地关闭故障变压器，对用户影响范围小的。双差动保护模式主要是指在本智能变电站站域差动保护方法中包含有两套差动保护模式，即大差动保护模式和小差动保护模式。为方便叙述，将大差动保护模式称为大差或大差模式，将小差动保护模式称为小差或小差模式。大差模式的保护范围以变电站为主，也就是说整个变电站都是大差模式的保护对象保护保护范围，因此大差模式的数量只有一套。小差模式的保护对象或保护范围是变电站内的单台变压器及其相关设备。变电站中有几台变压器就有几套小差模式，每套小差模式只保护与其相对应的变压器及其相关设备。在本智能变电站站域差动保护方法中，大差模式作为启动元件，用以区分变电站区内外故障。而小差模式即是动作元件，也是故障选择元件。本双差动保护模式的工作过程为：正常运行方式下，当大差模式和某一小差模式均满足判据时，跳开小差模式对应变压器的高压侧断路器、中压侧纳入本小差模式的支路断路器、中压侧母线母联断路器、低压侧断路器和低压侧母线分段断路器。若仅大差模式满足动作判据，经延时后跳开中压侧所有元件。由上述过程可知，当变电站发生故障时，启动元件满足，大差模式启动。当任一变压器发生故障时，与该变压器对应的小差模式动作，本双差动保护模式出口动作。本双差动保护模式出口动作后，选择该动作的小差模式作为故障选择元件，并控制其对应变压器的高压侧断路器、中压侧纳入本小差模式的支路断路器、中压侧母线母联断路器、低压侧断路器和低压侧母线分段断路器。这样，变电站出现故障时，本智能变电站站域差动保护方法会准确地判据出现故障的变压器，并只切断该变压器的输入输出线路，不会切断整个变电站的输入输出线路，这样，同一变电站内其他未出现故障的变压器的运行将不受影响，保证了变电站的工作可靠性和供电的稳定性。作为一种实现方式，大差动保护模式范围界定于变电站各台变压器高压侧电流、中压侧和低压侧母线上所有出线电流（不包括母联、分段），小差动保护模式范围界定于对应变压器高压侧电流、对应主变中压侧和低压侧所连接母线上所有出线电流（包括母联、分段）。将大差动保护模式的覆盖范围界定于变电站内各台变压器高压侧电流、中压侧和低压侧母线上所有出线电流（不包括母联、分段），就是将大差动保护模式的保护范围设定在变电站内各台变压器高压侧、中压侧和低压侧，也就是整座变电站的高压侧、中压侧和低压侧。大差动保护模式会根据设定在变电站内各台变压器高压侧、中压侧和低压侧上电流互感器反馈回来的电流信号进行启动元件的判据。相对的，将小差动保护模式的覆盖范围界定于对应变压器高压侧电流、对应主变中压侧和低压侧所连接母线上所有出线电流（包括母联、分段），就是将小差动保护模式的保护范围设定在变电站内对应变压器为中心，以对应变压器的高压侧、中压侧和低压侧为边界的范围，也就是通过设置在对应变压器高压侧、中压侧和低压侧电流互感器反馈回来的电流信号进行动作条件的判据。将大差和小差的范围设定后，通过大差判据变电站出现故障时，会根据小差的判据来切除该小差对应的发生故障的变压器，解决了传统保护方式中将整套变电站切断的弊端，有效避免了因为一台变压器故障而影响同一变电站内其他变压器的运行，提高了变电站的供电可靠性。本专利还包括步骤1、数据选择和处理定义两台主变，主变高、中压侧为双母线接线，主变低压侧为单母分段接线；定义站域差动保护保护范围为两台主变+中压侧出线+低压侧出线；为实现站域差动保护功能，保护需要获取到的交流模拟量数据如下电流采样数据为主变高压侧CT、主变中压侧CT、中压侧母线出线CT、中压侧母联CT、低压侧母线出线CT和低压侧分段CT电流采样数据；上述电流采样数据用于构成站域差动保护的各个差动元件；电压采样数据为主变中压侧两段母线电压、主变低压侧两段母线电压；步骤2、大差元件的数据选择大差元件作为启动元件或故障启动元件，用以区分站域保护区内外故障；大差的保护范围为两台主变+中压侧母线+低压侧母线；构成大差动保护模式的数据为：高压侧电流：采用两台主变高压侧CT采集电流的矢量和；中压侧电流：采用不含主变支路和母联的中压侧母线各支路CT采集电流的矢量和；低压侧电流：采用不含主变支路和分段的低压侧母线各支路CT采集电流的矢量和；步骤3、小差元件的数据选择小差元件用作故障选择元件，每个小差元件的保护范围为每台主变+对应的部分中压侧母线和低压侧母线；构成每个小差元件差动保护的数据为：高压侧电流：采用本主变高压侧CT采集电流；中压侧电流：采用本主变连接的中压侧某一段不含本主变支路的母线各支路和母联CT采集电流的矢量和；低压侧电流：采用本主变连接的低压侧某一段不含本主变支路的母线各支路和分段CT采集电流的矢量和；步骤4、数据计算针对中压侧电流采样数据的选取，采用专用逻辑实现，实时跟踪主变支路的连接状态，根据主变支路具体连接母线确定需要纳入本小差元件的出线CT；母联支路固定纳入两个小差元件；装置母联CT的极性设置同Ⅰ母连接支路，当计入Ⅱ母对应小差元件时，固定将对应的采样数据取反；中压侧小差电流的计算公式如下：其中，为1#小差元件的“中压侧小差电流”；为2#小差元件的“中压侧小差电流”，为小差元件保护范围内中压侧的支路电流，=1，2,3等自然数；式中，中压侧小差电流的计算引入含母联支路而不含主变支路的中压母线各支路1#小差元件关联系数即第j元件对1#小差元件的关联系数、2#小差元件关联系数即第j元件对2#小差元件的关联系数；电流的计算均按照一次电流值进行；低压侧母线采用单母分段主接线方式，母线上所有支路固定连接，可以根据现场实际接线预设每个小差元件需要计入的支路CT，其中分段CT固定计入两个小差元件；分段CT的极性同Ⅰ母连接支路，当计入Ⅱ母对应小差元件时，固定将对应的采样数据取反；站域差动保护由比率差动、增量差动、差动速断、差动电流越限告警组成；步骤5、消除变电站各侧电流幅值相位差异利用数字方法对变比和相位进行补偿，变电站各侧电流的方向都以指向变压器为正方向，各侧CT二次电流相位由软件调整，采用Y→△的转换方式，Y侧进行相位调整；对于Y/Y/△-12-11的变压器或Y/Y/Y-12-12的变压器，Y侧转换公式为对于Y/Y/△-12-1的变压器，Y侧转换公式为为Y侧未转换前的电流，为校正后的各相电流；步骤6、比率差动动作计算低定值：高定值：为差动电流，为差动保护启动电流定值，为制动电流，S为比率制动系数，为差动保护的基准电流，以高压侧额定电流为基准，各侧电流的方向都以指向变压器为正方向；（1）对于两侧差动分别为变压器高、低压侧电流互感器二次侧的电流；（2）对于三侧及以上数侧的差动式中：3≤k≤4，分别为变电站各侧电流互感器二次侧的电流；步骤7、励磁涌流判据励磁涌流判据主要包括二次谐波方式和波形比较方式，并可通过控制字选择；当“二次谐波制动”控制字整定为1时，采用二次谐波方式闭锁，整定为0时，采用波形比较方式闭锁。步骤8、波形比较判据能根据变电站的不同工况自动选择差动电流或相电流计算波形的不对称度，计算出励磁涌流的波形不对称度，判别方程如下式中：为差动电流采样点的不对称度值，为对应差动电流采样点的对称度值，K为某一固定系数；如果某相差动电流满足上式，闭锁本相差动保护。所述大差动保护模式由比率差动、增量差动、差动速断、差动电流越限告警构成。所述小差动保护模式由比率差动、增量差动、差动速断、差动电流越限告警构成。比率差动，又称比率制动差动保护，在工作时不会考虑电流互感器饱和及电流互感器暂态特性不一致的情况，因此设置比率差动后可以增强本智能变电站站域差动保护方法的通用性或抗干扰性能。增量差动不受正常运行的负荷电流的影响，还可以解决变压器轻微的匝间故障及高阻接地故障，有助于提高运行可靠性。配置差动速断保护，可以瞬时动作，跳开各侧断路器，特别适合快速切除变电站严重的内部故障。差动电流越限告警就是设置延时保护，这样可以滤除一些瞬时突变的电流信号，有助于降低误动作的几率，提高了运行可靠性。综上所述，采用这种方式的智能变电站站域差动保护方法，既能全面保护变电站，又能有针对性地关闭故障变压器，对用电用户影响范围小，特别适合设有两台及以上变压器的变电站使用。附图说明结合附图对本发明作进一步详细说明：图1为本发明中变电站的电气原理图；图2为本发明中大差的保护范围示意图；图3为本发明中第一个小差的保护范围示意图；图4为本发明中第二个小差的保护范围示意图；图5为比率差动的动作特性图；图6为比率差动保护逻辑图；图7为增量差动保护动作特性图；图8为增量差动保护逻辑图；图9为差动速断保护逻辑图；图10差动电流越限保护逻辑图。具体实施方式如图1所示，该智能变电站站域差动保护方法包括以变电站为主的大差动保护模式和以各变压器为主的两个以上的小差动保护模式，大差动保护模式为启动元件，任一小差动保护模式为动作元件，当上述两个条件同时满足时，差动保护出口动作，小差动保护模式还是故障选择元件。在本智能变电站站域差动保护方法中包含有两套差动保护模式，即大差动保护模式和小差动保护模式。为方便叙述，将大差动保护模式称为大差或大差模式，将小差动保护模式称为小差或小差模式。大差模式的保护范围以变电站为主，也就是说整个变电站都是大差模式的保护对象保护保护范围，因此大差模式的数量只有一套。小差模式的保护对象或保护范围是变电站内的单台变压器及其相关设备。变电站中有几台变压器就有几套小差模式，每套小差模式只保护与其相对应的变压器及其相关设备。在本智能变电站站域差动保护方法中，大差模式作为启动元件，用以区分变电站区内外故障。而小差模式即是动作元件，也是故障选择元件。本智能变电站站域差动保护方法的保护过程为：正常运行方式下，当大差模式和某一小差模式均满足判据时，跳开小差模式对应变压器的高压侧断路器、中压侧纳入本小差模式的支路断路器、中压侧母线母联断路器、低压侧断路器和低压侧母线分段断路器。若仅大差模式满足动作判据，经延时后跳开中压侧所有元件。由上述过程可知，当变电站发生故障时，启动元件满足，大差模式启动。当任一变压器发生故障时，与该变压器对应的小差模式动作，本双差动保护模式出口动作。本双差动保护模式出口动作后，选择该动作的小差模式作为故障选择元件，并控制其对应变压器的高压侧断路器、中压侧纳入本小差模式的支路断路器、中压侧母线母联断路器、低压侧断路器和低压侧母线分段断路器。这样，变电站出现故障时，本智能变电站站域差动保护方法会准确地判据出现故障的变压器，并只切断该变压器的输入输出线路，不会切断整个变电站的输入输出线路，这样，同一变电站内其他未出现故障的变压器的运行将不受影响，保证了变电站的工作可靠性和供电的稳定性。作为一种实现方式，大差动保护模式范围界定于变电站各台变压器高压侧电流、中压侧和低压侧母线上所有出线电流，不包括母联、分段，小差动保护模式范围界定于对应变压器高压侧电流、对应主变中压侧和低压侧所连接母线上所有出线电流，包括母联、分段。将大差动保护模式的覆盖范围界定于变电站内各台变压器高压侧电流、中压侧和低压侧母线上所有出线电流，不包括母联、分段，就是将大差动保护模式的保护范围设定在变电站内各台变压器高压侧、中压侧和低压侧，也就是整座变电站的高压侧、中压侧和低压侧。大差动保护模式会根据设定在变电站内各台变压器高压侧、中压侧和低压侧上电流互感器反馈回来的电流信号进行启动元件的判据。相对的，将小差动保护模式的覆盖范围界定于对应变压器高压侧电流、对应主变中压侧和低压侧所连接母线上所有出线电流，包括母联、分段，就是将小差动保护模式的保护范围设定在变电站内对应变压器为中心，以对应变压器的高压侧、中压侧和低压侧为边界的范围，也就是通过设置在对应变压器高压侧、中压侧和低压侧电流互感器反馈回来的电流信号进行动作条件的判据。将大差和小差的范围设定后，通过大差判据变电站出现故障时，会根据小差的判据来切除该小差对应的发生故障的变压器，解决了传统保护方式中将整套变电站切断的弊端，有效避免了因为一台变压器故障而影响同一变电站内其他变压器的运行，提高了变电站的供电可靠性。为方便叙述，将将本智能变电站站域差动保护方法，简称为站域差动保护方法，或简称为站域差动保护。站域差动保护基于变电站全部采用电子式电流互感器实现，作为整个变电站的集中式后备保护，能反映母线内部的相间短路故障和单相短路故障，也能反映变压器（简称主变）内部的相间短路故障、高压侧和中压侧单相短路故障及匝间短路故障。站域差动保护以变压器差动保护原理为基础，设置变电站大差及各台变压器小差。大差由变电站各台主变高压侧电流、中压侧和低压侧母线上所有出线电流构成（不包括母联、分段），小差由本台主变高压侧电流、中压侧和低压侧本台主变所连接母线上所有出线电流构成（包括母联、分段）。大差作为启动元件，用以区分变电站区内外故障，小差为故障选择元件。站域差动保护由比率差动、增量差动、差动速断、差动电流越限告警组成。1、数据选择和处理如图1所示，图中标识了变电站主接线图，含两台主变，主变高、中压侧为双母线接线，主变低压侧为单母分段接线。定义站域差动保护保护范围为两台主变+中压侧出线+低压侧出线。为实现站域差动保护功能，保护需要获取到的交流模拟量数据如下：电流采样数据：主变高压侧CT（CT11、CT21）、主变中压侧CT（CT12、CT22）、中压侧母线出线CT（CT202，┄，CT20m）、中压侧母联CT（CT201）、低压侧母线出线CT（CT302，┄，CT30n）和低压侧分段CT（CT301）电流采样数据；上述电流采样数据用于构成站域差动保护的各个差动元件。电压采样数据：主变中压侧两段母线电压、主变低压侧两段母线电压。获取电压数据主要用于实现充电过程中保护功能。大差元件的数据选择大差元件作为启动元件或故障启动元件，用以区分站域保护区内外故障。如图2所示，大差的保护范围为两台主变+中压侧母线+低压侧母线。构成大差动保护模式的数据为：高压侧电流：采用两台主变高压侧CT（CT11、CT21）采集电流的矢量和；中压侧电流：采用不含主变支路和母联的中压侧母线各支路CT采集电流的矢量和；低压侧电流：采用不含主变支路和分段的低压侧母线各支路CT采集电流的矢量和。小差元件的数据选择小差元件用作故障选择元件。如图3、图4所示，每个小差元件的保护范围为每台主变+对应的部分中压侧母线和低压侧母线。图中虚框范围内为中压侧“模糊保护范围”，主要因为主变中压侧出线采用双母线接线方式，这种接线方式决定了母线上所有连接支路都可以在运行过程中进行切换，这就决定了每个小差元件保护范围也不固定，根据实际运行方式的改变而动态发生变化。每个小差元件选取的电流也随着母线运行方式的改变而改变。构成每个小差元件差动保护的数据为：高压侧电流：采用本主变高压侧CT（如CT11）采集电流；中压侧电流：采用本主变连接的中压侧某一段不含本主变支路的母线各支路和母联CT采集电流的矢量和；低压侧电流：采用本主变连接的低压侧某一段不含本主变支路的母线各支路和分段CT采集电流的矢量和；针对中压侧电流采样数据的选取，采用专用逻辑实现：实时跟踪主变支路的连接状态，根据主变支路具体连接母线确定需要纳入本小差元件的出线CT；应注意的是，母联支路固定纳入两个小差元件。装置母联CT的极性设置同Ⅰ母连接支路，当计入Ⅱ母对应小差元件时，固定将对应的采样数据取反；中压侧小差电流的计算公式如下：(3-3-1)(3-3-2)其中，为1#小差元件的“中压侧小差电流”；为2#小差元件的“中压侧小差电流”，为小差元件保护范围内中压侧的支路电流，=1，2,3等自然数；式中，中压侧小差电流的计算引入含母联支路而不含主变支路的中压母线各支路1#小差元件关联系数即第j元件对1#小差元件的关联系数、2#小差元件关联系数即第j元件对2#小差元件的关联系数；电流的计算均按照一次电流值进行。低压侧母线采用单母分段主接线方式，母线上所有支路固定连接，可以根据现场实际接线预设每个小差元件需要计入的支路CT，其中分段CT固定计入两个小差元件；分段CT的极性同Ⅰ母连接支路，当计入Ⅱ母对应小差元件时，固定将对应的采样数据取反；站域差动保护由比率差动、增量差动、差动速断、差动电流越限告警组成。由于变压器联结组不同和各侧CT变比的不同，变电站各侧电流幅值相位也不同，差动保护首先要消除这些影响。需要利用数字方法对变比和相位进行补偿，变电站各侧电流的方向都以指向变压器为正方向，各侧CT二次电流相位由软件调整，采用Y→△的转换方式，即Y侧进行相位调整。对于Y/Y/△-12-11的变压器或Y/Y/Y-12-12的变压器，Y侧转换公式如下所示：(3-2-1)对于Y/Y/△-12-1的变压器，Y侧转换公式如下所示：(3-2-2)为Y侧未转换前的电流，为校正后的各相电流。△侧电流不转角。以下说明均基于已消除变电站各侧电流幅值相位差异的基础之上。比率制动差动保护动作方程包含低定值和高定值两部分，低定值动作方程受励磁涌流及CT异常的闭锁，高定值动作方程不受励磁涌流及CT异常的闭锁。比率制动差动保护不考虑CT饱和及CT暂态特性不一致的情况。结合图5、图6，说明一下比率差动动作方程低定值：(3-2-3)高定值：(3-2-4)为差动电流，为差动保护启动电流定值，为制动电流，S为比率制动系数，为差动保护的基准电流（通常以高压侧额定电流为基准），各侧电流的方向都以指向变压器为正方向。（1）对于两侧差动(3-2-5)(3-2-6)分别为变压器高、低压侧电流互感器二次侧的电流。（2）对于三侧及以上数侧的差动(3-2-7)(3-2-8)式中：3≤k≤4，分别为变电站各侧电流互感器二次侧的电流。本实施例中，还设置有励磁涌流判据，主要包括二次谐波方式和波形比较方式，并可通过控制字选择。当“二次谐波制动”控制字整定为1时，采用二次谐波方式闭锁，整定为0时，采用波形比较方式闭锁。二次谐波方式又称二次谐波判据方式，下面对二次谐波判据方式进行详细说明。变压器空投时，三相励磁涌流中往往有一相含有大量的二次谐波。但是，站域差动保护各侧电流要进行相位调整，相位调整后的电流不再是真实的励磁涌流，电流中的二次谐波含量也会发生变化。可根据变电站的不同工况自动选择电流计算二次谐波含量，如在变压器空载合闸时采用相位调整前的电流计算二次谐波含量，因此，计算励磁涌流的二次谐波含量更加真实，性能更加可靠。变压器在正常运行时，采用差动电流中的二次谐波含量来识别励磁涌流。判别方程如下：式中：为差动电流中的二次谐波，为差动电流中的基波，为二次谐波系数。如果某相差动电流满足上式，同时闭锁三相差动保护。采用二次谐波“或”闭锁的同时对空投主变过程中的故障进行识别，短时投入按相综合开放判据，既能正确识别励磁涌流，又能在空投故障变压器时快速可靠地开放差动保护，提高在空投变压器于故障时差动保护的动作速度。波形比较判据能根据变电站的不同工况自动选择差动电流或相电流计算波形的不对称度，计算出励磁涌流的波形不对称度更加真实，保护性能更加可靠。判别方程如下：式中：为差动电流采样点的不对称度值，为对应差动电流采样点的对称度值，K为某一固定系数。如果某相差动电流满足上式，闭锁本相差动保护。如图7、图8所示，增量差动不受正常运行的负荷电流的影响，具有比纵差差动更高的灵敏度，由于纵差差动保护的制动电流的选取包括正常的负荷电流，变电站内发生弱故障时，纵差差动保护由于制动电流大，可能延时动作或者不动作。增量差动主要解决变压器轻微的匝间故障及高阻接地故障。动作方程(3-2-9)(3-2-10)其中：；为中幅值最大者；。由于站域差动保护需要识别变压器的励磁涌流运行状态，当变电站内部发生严重故障时，不能够快速切除故障，对电力系统的稳定带来严重危害，所以配置差动速断保护，用来快速切除变电站严重的内部故障。如图9所示，当任一相差动电流电流大于差动速断电流定值时差动速断保护瞬时动作，跳开各侧断路器。如图10所示，当差动保护投入且任一相差动电流大于0.5倍差动保护启动电流定值时，延时5s报差动电流越限信号。由于本站域差动保护采用大差+小差模式，因此站本域差动保护的跳闸方式为：正常运行方式下，当大差和对应小差均满足判据时，跳开小差元件对应主变的高压侧断路器、中压侧纳入本小差元件的支路断路器、中压侧母线母联断路器、低压侧断路器和低压侧母线分段断路器；若仅大差满足动作判据，经延时后跳开中压侧所有元件。