110 kV變電站簡(jiǎn)易母線保護(hù)數(shù)字化改造方案

朱 崢

（1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司，北京 100031）

0 引 言

在全球碳中和以及我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，越來(lái)越多的110 kV新建數(shù)字化變電站投運(yùn)、運(yùn)行，同時(shí)，還有眾多的常規(guī)110 kV變電站改造成數(shù)字化變電站[1-3]。常規(guī)變電站改造成數(shù)字化變電站需要按照“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行站控層、間隔層和過(guò)程層的改造[4,5]。其中間隔層將采用IEC61850規(guī)約進(jìn)行改造，過(guò)程層將把常規(guī)的電流互感器（Current Transformer，CT）和電壓互感器（Phase Tranformer，PT）用電子式CT和PT所替代[7-9]。變壓器低壓側(cè)10 kV母線由于沒(méi)有配置單獨(dú)的母線保護(hù)，利用變壓器后備保護(hù)、母聯(lián)、母線上所連線路等保護(hù)的邏輯關(guān)系共同組成變壓器低壓側(cè)母線保護(hù)。

1 簡(jiǎn)易母線保護(hù)

簡(jiǎn)易母線保護(hù)并不是一套針對(duì)低壓母線的獨(dú)立保護(hù)裝置，而是由110 kV變電站內(nèi)變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)、10 kV側(cè)母聯(lián)（分段）過(guò)流保護(hù)以及連接在10 kV低壓母線上相關(guān)元件或線路組成的一套閉鎖和跳閘邏輯。總體邏輯是10 kV母線所連接的元件或線路由其對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，而當(dāng)?shù)蛪簜?cè)母線發(fā)生故障時(shí)，由簡(jiǎn)易母線保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)變壓器低壓側(cè)和母聯(lián)（分段）開(kāi)關(guān)，以在最小范圍內(nèi)隔離故障，提高配電線路的供電可靠性。

2 簡(jiǎn)易母線保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 閉鎖信號(hào)傳遞方式

簡(jiǎn)易母線保護(hù)通過(guò)傳送不同保護(hù)裝置的閉鎖接點(diǎn)給鄰近相關(guān)的保護(hù)，閉鎖相關(guān)聯(lián)的保護(hù)裝置，確保相關(guān)聯(lián)保護(hù)不誤動(dòng)，造成擴(kuò)大事故范圍的后果。隨著智能電網(wǎng)的成熟，數(shù)字化變電站在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中日趨廣泛，這其中包括常規(guī)的110 kV變電站數(shù)字化改造，也包括了新投產(chǎn)的全數(shù)字化變電站。由于數(shù)字化變電站傳遞信號(hào)的是光纖，而非常規(guī)變電站的電纜，這就使得利用數(shù)字化變電站的面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）通信能更高效地傳輸各種閉鎖信號(hào)，避免了常規(guī)變電站誤碰接線的風(fēng)險(xiǎn)，此外具有可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 閉鎖跳閘邏輯

2.2.1 10 kV母線及相鄰段母線出線故障

110 kV變電站10 kV側(cè)主接線形式如圖1所示，出線保護(hù)需配置過(guò)流保護(hù)，當(dāng)出線發(fā)生故障后，過(guò)流保護(hù)需將閉鎖信號(hào)發(fā)給相鄰的變壓器低壓側(cè)和母聯(lián)（分段）開(kāi)關(guān)保護(hù)，通過(guò)出線過(guò)流保護(hù)動(dòng)作直接跳開(kāi)出線，防止保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)出線斷路器失靈后，收回閉鎖信號(hào)，通過(guò)變壓器低壓側(cè)保護(hù)動(dòng)作充當(dāng)失靈保護(hù)的作用，將故障隔離，簡(jiǎn)易母線保護(hù)邏輯如圖2所示。

圖1 110 kV變電站10 kV側(cè)主接線形式

圖2 簡(jiǎn)易母線保護(hù)邏輯

2.2.2 變壓器低壓側(cè)母線故障

當(dāng)變壓器低壓側(cè)母線上發(fā)生故障時(shí)，由變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，將故障隔離。

2.2.3 母聯(lián)（分段）保護(hù)配置要求

當(dāng)母聯(lián)（分段）過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)后，將閉鎖信號(hào)傳送給相鄰的變低保護(hù)，并將其閉鎖，只動(dòng)作跳開(kāi)母聯(lián)（分段）斷路器。如果斷路器失靈，則停止發(fā)送閉鎖信號(hào)，變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)如未接收到閉鎖信號(hào)則保護(hù)動(dòng)作跳閘，將故障切除隔離。

2.2.4 母聯(lián)（分段）死區(qū)故障

如故障點(diǎn)恰好在母聯(lián)（分段）斷路器CT和開(kāi)關(guān)之間時(shí)，即故障點(diǎn)在死區(qū)時(shí)，母聯(lián)（分段）保護(hù)跳開(kāi)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)，但是故障短路電流仍然存在。此時(shí)，經(jīng)過(guò)變壓器低壓側(cè)開(kāi)關(guān)需短暫延時(shí)將低壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。

2.2.5 10 kV側(cè)連接小電源上網(wǎng)處理邏輯

當(dāng)10 kV母線前面幾個(gè)預(yù)留間隔連接有小電源上網(wǎng)線路時(shí)，當(dāng)小電源線路發(fā)生故障后，為了快速隔離故障，將閉鎖信號(hào)傳給變壓器和母聯(lián)（分段）保護(hù)，此時(shí)簡(jiǎn)易母線保護(hù)I段邏輯滿足，并經(jīng)過(guò)短時(shí)限I動(dòng)作跳閘，時(shí)限I是與小電源線路保護(hù)切除時(shí)間相配合。為應(yīng)對(duì)小電源線路開(kāi)關(guān)失靈，通過(guò)整定一個(gè)短延時(shí)時(shí)限II和長(zhǎng)延時(shí)III，簡(jiǎn)易母線保護(hù)II段和III段邏輯開(kāi)放，通過(guò)變壓器低壓側(cè)和高壓側(cè)動(dòng)作切除故障，充當(dāng)失靈保護(hù)功能。

3 改造方案及建議

鑒于常規(guī)110 kV變電站10 kV母線側(cè)采用常規(guī)電纜接線較為復(fù)雜和煩瑣，采用數(shù)字化改造后，電纜將被光纖所替代，因此能更方便地采集相關(guān)間隔的電流、電壓等模擬信號(hào)，將大大簡(jiǎn)化變電站的二次回路，采用GOOSE報(bào)文機(jī)制能方便共享各元件或線路的信息，并及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行判斷和處理。目前該保護(hù)邏輯方案已在國(guó)內(nèi)多個(gè)數(shù)字化變電站和電廠得到應(yīng)用和實(shí)施，效果良好，提升了經(jīng)濟(jì)性和安全性。在全球能源轉(zhuǎn)型背景下，很多發(fā)展中國(guó)家都正在大力開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造和升級(jí)，數(shù)字化變電站的新建或改造將會(huì)得到進(jìn)一步的大力實(shí)施，因此低壓側(cè)簡(jiǎn)易母線保護(hù)的應(yīng)用，對(duì)于常規(guī)變電站改造將發(fā)揮重要作用。然而，對(duì)于新建數(shù)字化變電站來(lái)說(shuō)，考慮到GOOSE機(jī)制雖然較為完善，但時(shí)常也會(huì)發(fā)生GOOSE斷鏈、網(wǎng)絡(luò)阻塞等潛在風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)引發(fā)相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成安全事故事件，因此可考慮以下兩種方案建議。

方案一：新建數(shù)字化變電站低壓側(cè)母線帶小電源出線時(shí)，考慮到小電源會(huì)增加簡(jiǎn)易母線保護(hù)誤動(dòng)的概率，建議將簡(jiǎn)易母線保護(hù)升級(jí)配置成專用的母線保護(hù)裝置，通過(guò)原理成熟的母線電流差動(dòng)保護(hù)及相關(guān)過(guò)流、失靈、死區(qū)等保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)同主網(wǎng)相同可靠性的母線保護(hù)，可大大提高運(yùn)行的可靠性和安全性。

方案二：新建數(shù)字化變電站低壓母線側(cè)不帶小電源出線時(shí)，可考慮將簡(jiǎn)易母線保護(hù)暫時(shí)保留，提高經(jīng)濟(jì)性，降低工作量，但是需要對(duì)于GOOSE報(bào)文機(jī)制及相關(guān)通道加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)通信網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)應(yīng)盡快解決網(wǎng)絡(luò)故障，防止由于通信網(wǎng)引發(fā)保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

考慮到建設(shè)新型電力系統(tǒng)的大背景下，分布式新能源上網(wǎng)會(huì)越來(lái)越多，屋頂光伏等廣泛應(yīng)用后，微電網(wǎng)不斷增加，小電源線路上網(wǎng)場(chǎng)景也越來(lái)越多，會(huì)增加對(duì)GOOOSE閉鎖機(jī)制及通信網(wǎng)的依賴，從而會(huì)增加簡(jiǎn)易母線保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的概率。因此，建議采用方案一進(jìn)行配置改造，為小電源線路并網(wǎng)做好遠(yuǎn)期規(guī)劃。

4 結(jié) 論

本文分析了110 kV常規(guī)變電站簡(jiǎn)易母線保護(hù)數(shù)字化改造的實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)閉鎖信號(hào)的傳遞，有效防止了保護(hù)誤動(dòng)，能可靠的隔離故障，尤其是當(dāng)有小電源線路上網(wǎng)時(shí)，通過(guò)時(shí)限I將發(fā)送閉鎖信號(hào)的小電源線路跳開(kāi)，時(shí)限II、III實(shí)現(xiàn)變壓器低壓側(cè)及高壓側(cè)開(kāi)關(guān)聯(lián)跳，能有效應(yīng)對(duì)相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況，并提出了兩種場(chǎng)景下的改造方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程改造案例驗(yàn)證，取得了良好的效果，對(duì)于110 kV常規(guī)變電站數(shù)字化改造具有良好的借鑒意義。