基于智能变电站的变压器后备保护智能跳闸策略

[摘要]  本文分析了传统的变压器后备保护跳闸方式的整定原则，并指出了当系统运行方式发生改变或相邻保护动作异常时，传统变压器后备保护不能相应的改变保护跳闸方式，仍然按照整定的时间及相应的跳闸方式进行跳闸，这样会增加了故障切除的时间的问题。本文。为此提出了在智能变电站中利用过程层网络的断路器位置以及相邻保护启动和动作信息，来智能调整变压器后备保护跳闸方式的策略，有效缩短了故障切除时间，提高了系统稳定性。该方案也为新一代智能变电站层次化保护中站域保护的研究提供了新的思路。

关键词  智能跳闸 变压器后备保护 智能变电站 电力系统

0 引言

随着电力系统的不断发展以及各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已经成为电网发展的必然趋势，而智能变电站作为智能电网中的一个节点也将逐步取代传统变电站。变压器保护一般根据一定的整定原则与相邻保护进行配合，并采用时间等步长增加的方式，逐级跳开相应的开关，但这种整定的跳闸方式不能根据变电站运行的情况适时调整，在变电站运行方式发生改变或相邻保护动作异常时，一些保护仍按照原整定方式跳闸，就不能尽快切除故障。为此，本文提出在智能变电站中利用过程层网络的断路器位置以及相邻保护启动和动作信息来智能调整变压器后备保护跳闸方式的策略，从而智能变电站内变压器保护可通过过程层GOOSE网获取相关开关位置信息和相邻保护信息，实时判别变电站的运行方式并结合相邻保护的动作行为，根据预订的策略调整后备保护的跳闸方式，达到更可靠、更快速切除故障的效果。

1 传统变压器后备保护跳闸整定说明

图1为某220kV变电站的典型设计方案，现以过流保护为例，介绍某地区变压器后备保护整定原则。

图1 220kV变电站典型设计图

1、低压侧复压过流保护作为低压侧母线以及低压侧出线相间故障的后备保护，低压侧复压过流其时间定值应配合低压侧出线保护最长时间，1时限2s，跳低压侧分段（BRK4），2时限跳低压侧开关（BRK3），3时限跳主变三侧（BRK1、BRK2、BRK3），时限级差为0.3s。

               （1）

2、变压器中压侧复压方向过流保护作为变压器中压侧出线、中压侧及母线故障的后备保护，

其定值按照变压器额定容量整定，时间配合中压侧出线距离三段保护时间。

这里假设中压侧出线距离三段保护时间为TZ3T_Z3，保护过流整定时间级差为0.3S3s，则有：

             （2）。

其中1时限跳主变中压侧母联分段开关（BRK5、BRK6、BRK7、BRK8），2时限跳主变中压侧开关（BRK2）。

3、变压器高压侧复压方向过流保护作为变压器内部故障、中低压侧母线故障的后备保护，

其定值按照变压器额定容量整定，时间配合中压侧复压方向过流保护和低压侧复压过流保护时间，保护过流整定时间级差为0.3S3s，则有

那么高压侧复压方向过流保护两个时限的自动整定定值的整定时间为：

  （3）

其中1时限跳主变中压侧开关（BRK2），2时限跳主变三侧开关（BRK1、BRK2、BRK3）。

2 传统变压器后备保护跳闸方式的局限

1、故障点位于K1处时，当低压侧分段在分位时，低压侧复压过流保护仍然按照既定逻辑1时限2s跳分段开关，2时限2.3s才能跳低压侧开关、来切除故障，这样无形中就牺牲了0.3s的切除故障时间。

2、故障点位于K1、K2处时，低压侧复压过流保护仍然要躲过低压侧出现的最长动作时间2s，即延时2s后才能切除故障。

3、故障点位于K3处时，当中压侧母联、分段在分位时，中压侧复压过流保护仍然按照既定逻辑1时限躲中压侧出线距离3三段时间跳母联、分段开关，2时限Tset2M才能跳中压侧开关、来切除故障，这样无形中也牺牲了0.3s的切除故障时间。

4、无论故障点位于K1或K3，高压侧复压过流保护都始终按照中、低压侧复压过流时间的最大值延时，无法动态的地根据中、低压侧复压过流保护动作行为来动态调整时间。

5、故障点位于变压器内部时，若主保护拒动，则高压侧复压过流保护只应与主保护配合，0.3s后跳三侧开关。在传统跳闸方式下，高压侧复压过流保护按既定方案需要延时 才能跳变压器三侧开关，来切除故障。

3 运行方式及相邻保护信息获取

要实现变压器后备保护的智能跳闸，变压器保护需要获取相关开关位置信息（低压侧分段开关位置、中压侧母联开关位置以及中压侧分段开关位置）和相配合保护的信息，。以上述过流保护为例，需要获得低压侧出线过流保护的启动信息以及中压侧出线线路保护启动元件和方向元件的信息。智能变电站中二次设备的采样及跳闸等对时效性要求高的信息均通过面向对象通用事件（GOOSE）网络传输，现行智能变电站中过程层GOOSE网一般按照电压等级组网，而变压器保护作为跨电压等级的保护能够获取全站各电压等级过程层网络的信息。

GOOSE网络采用发布/订阅的通讯通信机制，在现行智能变电站中各开关位置均已在过程层网络中发布，主变保护只需订阅相应的信息即可。

对于相邻保护的信息，由于现有线路保护并未将启动元件和方向元件信息发布，就需要线路保护将启动元件和方向元件信息在各自的过程层网络中发布。

4 智能跳闸方案

变压器保护可通过发布/订阅机制获取变电站各开关的位置以及状态信息，同时变压器后备保护也可以获得与其配合的相邻保护的启动、动作信息，再对所获得的信息进行综合分析，就可以大大大幅优化变压器的后备保护，智能调整后备保护的跳闸方式，缩短切除故障的时间。下面同样以过流保护为例介绍智能跳闸逻辑。

1、低压侧复压过流跳闸方式智能调整逻辑如图2所示，智能跳闸方案见表1。低压侧复压过流启动满足动作条件后，首先监测低压侧出线保护启动状态，当低压侧出线保护未启动时，故障点位于低压侧母线至低压侧CTTA之间，强制延时为0.3s，当在分段开关位于合位时，跳开分段开关，当在分段开关位于分位时，直接跳低压侧开关。若出线保护启动，则故障点位于低压侧出线，则就强制延时为2s，在当分段开关位于合位时，跳低压侧分段开关，当在文分段开关位于分位时，直接跳低压侧开关。

表1 低压侧复压过流智能跳闸方案

图2 低压侧复压过流智能跳闸逻辑

2、中压侧复压过流跳闸方式智能调整逻辑如图3所示，智能跳闸方案见表2。中压侧复压过流保护的智能跳闸方案与低压侧类似。，即通过过程层网络获取中压侧出线线路保护启动元件信息和方向元件信息可以来区分故障点位置。若中压侧线路保护启动且方向元件指向线路，则故障点位于中压侧出线，中压侧复压过流1时限时间强制为TZ3+0.3s；若线路保护均未启动或方向元件指向母线，则故障点不在中压侧出线上，复压过流1时限时间不需与线路保护配合，1时限时间强制为0.3s。接着再判别中压侧母联分段位置，若母联分段位于合位，则1时限跳母联分段开关；若位于分位，则直接跳中压侧开关。

表2  中压侧复压过流智能跳闸方案

图3 中压侧复压过流智能跳闸逻辑

3、高压侧复压方向过流跳闸方式智能调整逻辑如图4所示，智能跳闸方案见表3。保护监测低压侧复压过流以及中压侧复压方向过流保护，当中压侧复压过流未启动或方向元件指向主变，同时低压侧复压过流未启动时，故障点位于主变内部，此时强制延时0.3s跳变压器三侧开关。当低压侧复压过流启动，而中压侧复压过流未启动或方向元件指向主变时，故障点位于低压侧，。当低压侧复压过流未启动，而中压侧过流启动且方向指向母线时，故障点位于中压侧，，若低压侧复压过流启动，中压侧复压过流启动且方向指向母线，则按照整定时间延时，1时限跳中压侧开关，2时限跳主变三侧开关。

表3  高压侧复压过流智能跳闸方案

图4 高压侧复压过流智能跳闸逻辑

5 试验仿真

通过EMTDC/PSCAD建立220kV变电站仿真模型如图1，变压器各侧复压过流保护仿真结果如下。

1、低压侧复压过流：故障切除时间见表4。
表4 低压侧复压过流故障切除时间对照表

2、中压侧复压方向过流：Tset1M=2.9s，Tset2M=3.2s。故障切除时间见表5。

表5  中压侧复压过流故障切除时间对照表

3、高压侧复压方向过流：Tset1H=3.5s，Tset2H=3.8s。故障切除时间见表6。

表6  高压侧复压过流故障切除时间对照表

试验结果与分析一致，既没有失去原有保护之间的配合关系，在一些情况下还能够大幅加快切除故障的时间，提高了系统的稳定性。

6 异常处理及方案推广

由于智能变电站过程层网络基于网络通信，过程层网络的传输可靠性依赖于交换机、设备GOOSE通信模块的性能，因此在信息传输过程中会出现诸如GOOSE断链、GOOSE告警等情况，且相邻的线路保护也会存在异常、装置告警等情况。当出线GOOSE异常以及相邻线路保护异常时，变压器保护将退出智能跳闸模式，恢复为传统跳闸模式。

本文仅对变压器后备保护中的过流保护进行了分析，该方案可推广至零序以及阻抗保护，只需要获取零序或阻抗保护配合的相邻保护的信息，（如零序保护获取相邻线路保护中零序保护的启动和方向信息，阻抗保护获取相邻线路保护的阻抗II段信息），即可按上述智能跳闸方案推广。 

7 结束语

本文分析了传统变压器后备保护定值和跳闸方式整定原则，指出了该方式在某些故障情况或变电站运行方式发生改变时会延长后备保护切除故障的时间的问题，文章提出了在智能变电站内，利用继电保护装置通过间隔层和过程层得到开关和相关保护的信息，来实现智能调整跳闸方式的策略。通过理论分析和仿真试验，智能调整变压器后备保护的跳闸方式，可以在不失去原有配合关系的情况下加快切除故障的时间，该智能跳闸的方案为今后站域保护提供了解决思路和技术储备。

参考文献：

[1] 高东学,,智全中,朱丽均,等.智能变电站保护配置方案研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(1):68-~71.

[2] 庞素红,张丽,唐晋,等.220 kV降压变压器保护整定计算的探讨[J].电力系统保护与控制,2009,37(18):128-~130.

[3] 王来军,文明浩,李丰,等.GOOSE方式变压器后备保护探讨[J].电力系统自动化,2011,35(2):84-~88.

[4] 汪鹏,杨增力,周虎兵,等.智能化变电站与传统变电站继电保护的比较[J].湖北电力,2010,34(z1):23-~25.

[5] 陈海滨,,卜明新,谭畅,等.数字化变电站变压器保护改进方案初探[J].电力系统保护与控制,2010,38(8):134-~136.

[6] 朱华健.浅析变压器后备保护的整定[J].江西电力职业技术学院学报，,2007,20(2):9-~11.

[7] 蒋全生.变压器后备保护的探讨[J].广西电业,2007,90(9):74-,75.