微机保护实现母联备自投.docx

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微机保护实现母联备自投

第一章母联备自投保护模型建立与原理

1.1母联备自投保护建立

备自投保护分为进线备自投保护和母联备自投保护，已经是微机保护系列中重要的一员，广泛的应用于各升、将压变电站母线切换，对保证供电可靠性和持续性发生着重要的作用。

母联备自投一般用于降压变电站内10kV单母分段主母线切换。

三分段及以上母线有专用的快切装置实现，原理和母联备自投类似。

在一般的降压变电站、

开闭所内，有单母分段的场合一般都会配置母联备自投。

这是由于国网运行要求：

正常运行时母联断路器断开，两路进线各自带各自的负荷运行，如果一路失去电源的情况下，由令一路对整个系统供电。

本文以一个将压变电站为例，利用PSCAD对110kV降压变电站10kV单母分段母线母联备自投保护进行仿真。

如图1-1所示，

图1-110kV母联备自投保护

两路电源模拟由两台主变低压侧引入电源，每个电源为10kV，50Hz，取10kV系统的短路容量为334.8MVA,则基波阻抗如式（1-1）：

（1-1）

配电网的基波电阻为如式（1-2）：

（1-2）

配电网的基波电抗为如式（1-3）：

（1-3）

因此系统的电源设置为串联电阻：

R=0.04224Ω，串联电感值：

L=0.0059H。

并用这两个值估算系统阻抗。

两路进线和母联、10路出现都带断路器。

而每路出现的负荷用有功1MW,无功0.75Mvar，有功对电压、无功对电压的变化率都为2来模拟实际的负荷变化情况。

每一路的额定负荷电流为721.68A，会比实际单个出现情况稍大些。

因为变电站的出线每路都在10路以上，考虑的与实际接近，因此将每路出现设置大一些。

母联备自投需要在两路进线分别按照进线PT和CT，图纸用INV_1、INV_2用来表示进线PT，用INI_I和INI_II用于表示进线CT，母线PT用BUSV_I和BUSV_II表示，母联电流用BUS_I表示。

每一路出线配置什么保护根据现场的需要额定，比如馈线三段式、电容器保护、电动机保护、接地变保护等等。

出现安装保护不在本文中讨论。

1.2母联备自投保护原理

正常运行时，两路进线断路器合闸，母联分闸运行。

两断母线各自带各自的负荷运行。

但其中一路进线PT和CT同时检测到无压与无流时，简称为无压无流判据，可以判断这一路的电源上游侧发生了故障。

无压的情况有可能PT断线、PT损坏等情况，无流可能是CT接线到保护安装处接线松动等，为了排除这些情况，必须要同时满足无压与无流的判据才能启动备自投保护。

此时备自投保护才能启动。

备自投启动后，先断开故障线路，再投合母联断路器。

这样在故障段负荷由非故障段电源供电，保证供电的可靠性。

但故障电源恢复供电时，故障进线PT将会检测到电源电压的恢复情况，此时母联备自投保护启动，先断开母联断路器，再合上故障线路。

恢复到各段带各段负荷运行的情况。

保护的逻辑如图1-2所示，

图1-2母联备自投保护的逻辑

第二章采样与滤波电路

由于处于中压配电网，系统在正常运行与故障运行情况下电压和电流存在谐波分量，对检测电压与电流存在干扰，这对备自投保护整定判断会存在干扰和影响，因此我们要对采样得到的电压、电流信号进行滤波，再输送到主保护元件进行判断。

2.1采样模块

微机保护的电压采样由电压互感器的二次端输入，额定线电压为100V；电流采样由电路互感器输入，额定每相电流为5A,如果保护安装处距离电流互感器采样很远应该考虑每相电流为1A，减少线路的损耗。

备自投装置需要采集两进线电源三相电压与三相电流，每个进线电源6路信号，一共12路信号。

而在实际的运行中需要采集到的模拟量信号转换为数字信号，输入处理器进行控制与逻辑判断。

2.2滤波电路

由于PSCAD处理数组数量的限制，如果采用搭模块的积分滤波器，由于延时模块太多，PSCAD不能运行。

最多只能对两路信号进线滤波。

这种情况用Fortran语言编写可以避免数组的限制。

由于采用两点计算进线逻辑判断，滤波效果越好对逻辑判断越准确，因此本仿真通过两个差分滤波器级联进行滤波。

对单个差分滤波器而言，其滤波方程如式（2-1）所示，

（2-1）

设输入正弦信号为

，离散后

，离散延迟k个采样点后为

，则差分滤波器的输出为（2-2）所示，

（2-2）

则差分滤波器的幅频特性为（2-3）

（2-3）

需要滤去谐波的频率和基波及采用点数的关系如（2-4）所示

（2-4）

fm为所能滤掉的谐波的频率，f1为基波频率，则N/k为所能滤掉的谐波的次数由式（2-4）可看出，只要是fm的整数倍都能滤掉。

由于采用频率为1200Hz,工频为50Hz，每个周期采样点数为N=24，当k=8时，可将滤掉3次及倍数次谐波滤掉，当k=6时，可将4次及倍数次谐波滤掉。

将两个滤波器级联可以把这两类谐波都滤掉。

采样和滤波模型如图2-1、2-2所示。

图2-1电压回路图2-2电流回路

正常运行时滤波前与滤波后的对比如图2-3所示，FFT结果如图2-4、2-5所示。

图2-3滤波前后电路对比

图2-4电流FFT直流分量图2-5电流FFT谐波含量

从图中可以看出差分滤波电路将直流分量完全滤除了，对于衰减的直流风量也有很好的抑制作用。

直流分量大的原因是因为系统开始运行时电感磁链守恒引起的。

第三章电压电流算法

备自投装置在对电压与电流信号采样与滤波后，处理器将对电压与电流信号进行计算。

逻辑判断元件对计算的结果进行判断电压电流是否越限来启动备自投保护用的。

在正常运行情况下，备自投保护处于被闭锁的状态。

启动元件不断地对采集到的电量进行判断，当出现故障时，启动元件启动备自投保护，备自投保护通过对当前电量进行判断，决定断路器跳不跳闸及能否合闸。

常用的算法有两点计算、半周积分算法、周期信号FFT算法。

各有优缺点，两点计算算法最简单，只需要5ms的时间间隔，但如果采样点误差较大计算结果误差大，易造成保护误动作；半周积分算法比两点计算复杂，时间至少15ms，但是通过累加的形式可以避免采样值带来的误差；FFT算法较前两种复杂，至少20ms，具有滤波功能，但保护的速度动效果没前两种好。

备自投保护对电压和电流的幅值没有严格的要求。

只需要故障时能判断无压、无流，故障消除时能判断电压恢复就行。

因此采用算法简单，计算速度快的两点计算对电压电流进行计算。

3.1两点计算原理

采样间隔时间5ms电压和电流的采样值用式（3-1）、（3-2）表示，

（3-1）

（3-2）

经过交叉相乘并累加可式（3-3）、（3-4）表示，

（3-3）

（3-4）

进一步化简可得式（3-5），

（3-5）

由因为

=π/2，得到最终结果（3-6）。

（3-6）

3.2两点计算模型

两点计算A相电压和电流的幅值和相角模型如图（3-1）、（3-2）所示。

采样周期设置为200Hz。

图（3-1）A相电压电流幅值图（3-2）A相电压电流相角

正常运行情况下电压电流计算后的幅值如图（3-3）、（3-4）所示。

图（3-3）正常运行时两点计算三相电压幅值

图（3-4）正常运行时两点计算三相电流幅值

第四章逻辑判断与控制

备自投保护是微机保护中电流电压输入、开入量开出出量最多的保护，保护逻辑也最复杂。

这是由于系统运行时两路进线和母联需要三合二闭锁，为防止两路电源并列运行，任何时刻只有两台断路器合闸。

4.1一路电源故障时的逻辑判断

当一路电源发生故障时，无论是三相直接短路还是两相相间短路，三相相电压、三相相电流都会相应的减小。

只要相应的设置低电压和低电流门限值，就可以判断出故障。

但实际中运行，需要考虑由PT断线、互感器二次接线断线等引起的无流并且无压信号，防止这些情况引起备自投保护误动作。

假设正常一次相电压是5.77kV，一次电流根据系统所带负荷的变化而变化，保护的低电压门限值可以整定为2kV以下动过且电流门限值相应的比正常运行时要小甚至可以为0。

当系统刚送电或发生电源短时恍电的情况，此时保护需要躲过这种情况，不误动，因此需要延时判断。

本例采用一个脉冲产生器频率为1200Hz产生脉冲信号，每0.00083秒采样一次，假设发生了无流且无压的情况，此时与门输出为1，否则为0。

若连续记录到15次的为幅值为1的脉冲信号，则判断故障发生了0.01245秒,即电源确实失电，启动保护。

脉冲计数的时间可以根据情况更改。

对应的模型如图（4-1）所示，

图（4-1）一路电源故障时的逻辑判断

IN_I是用于防止断路器弹跳，如果断路器故障时是处于跳闸状态时，与门无法输出为幅值为1的脉冲。

此时虽然一直是无压且无流状态，但是不会开放断路器跳闸，不会反复启动保护跳闸逻辑，给断路器跳闸信号。

三相相电压与三相线电流之间是或的关系，只要有一相发生了故障就可以启动跳闸信号。

4.2一路电源恢复时的逻辑判断

当供电电源恢复时，虽然可以人为的判断电源已经恢复了。

但是大多数的开闭所都是无人值守的，为了防止长时间的一路电源带两路电源的情况，提供供电的可靠性让系统有更多的备用容量。

我们希望只要电源恢复供电时，备自投应该动作恢复两路供电供电的情况。

备自投的自投自复的功能符合智能化变电站设计的要求，减轻值班人员的负担，也防止人员的误操作。

当供电电源恢复的时候，电压信号的要求是正常的三相相电压都达到了额定电压的情况才允许自动恢复电源供电。

而此时由于进线断路器处于分闸状态，进线电流为0。

与故障时的逻辑判断一样，恢复的情况也需要采用一个脉冲产生器频率为1200Hz产生脉冲信号。

假设故障电源恢复了供电，此时与门输出为1，否则为0。

若连续记录到30次的为幅值为1的脉冲信号，则判断故障发生了0.0249秒,即电源确实恢复了供电，启动保护。

恢复供电的时间可以较故障的时间长，这是因为负荷都处于得电状态，待确保是供电电源真的恢复的情况再恢复供电。

对应的模型如图（4-2）所示，

图（4-2）一路电源故障恢复时的逻辑判断

图中多了BRK_IN和BRK_Tie，做为三合二的逻辑判断。

在故障恢复之前，需要先将母联断路器跳开，再投入故障恢复电源的断路器。

当母联断路器处于合闸状态时与此同时故障恢复电源的断路器处于分闸的状态的，这个保护逻辑才会启动。

而当母联断路器分闸时，这个保护逻辑就被闭锁了。

这个逻辑输出为需要先调母联再和进线，因此需要同时输出两个信号。

4.3逻辑控制模块

在实际应用中，断路器的控制需要满足人为的就地合分闸操作，也需要满足微机保护对断路器的跳闸合闸操作。

但为了避免在人为操控断路器时，比如设备检修时断路器在微机保护控制下自动跳闸合闸造成危险，又比如人为跳闸断路器时被微机保护误判断为故障，因此两种控制防止矛盾，任何情况下断路器的控制只允许在一种方式下操作不允许同时控制。

因此采用选择开关对微机保护控制和人为就地控制区别，另一个选择开关对应断路器合分闸。

如图（4-3）、（4-4）所示，

图（4-3）逻辑控制图（4-4）选择开关

如当选择开关LRIN_II处于就地状态时，BRK_IN_II的信号由A决定，当A为合闸是，A信号为0；当A为分闸时，A信号为1。

这是断路器只能由就地操作。

当LRIN_II处于远方控制状态时，BRK_IN_II的信号由B决定，即断路器的合分闸由微机保护决定。

对进线断路器总的控制逻辑如图（4-5）所示，

图（4-5）进线断路器控制逻辑

图中的四个模块都是介绍的采样与滤波、两点计算、无流无压判据、重启动；其中无流无压判据与重启动是异或的关系，两者状态不一致时才可以有信号动作信号跳闸信号1或合闸信号0。

图（4-6）母联断路器控制逻辑

三合二闭锁的核心是母联断路器，母联断路器在故障时要投合，在故障恢复时要断开。

当两路电源一路发生故障时，会给或门一个0的合闸信号，与此同时BRK_IN_I与BRI_IN_II代表两路断路器的状态，当断路器状态不一样时，投合母联断路器。

当二者状态一样时，则给断路器分闸信号1，将母联断路器闭锁在分闸位置。

总的控制如图（4-7）所示。

图（4-7）母联备自投保护控制总图

第五章故障设置与仿真结果

5.1故障类型设置

在两路进线电源侧设置故障，模拟两路电源发生故障时的状态如图（5-1）。

故障类型的设置如图（5-2）。

图（5-1）故障设置图（5-2）故障类型设置

在实际的中低压中性点不接地系统如果发生单相接地短路，系统可以继续运行两小时。

这种情况可不视为故障。

但随着城市供电系统越来越多的使用电缆，接地故障时发生的短路电流越来越大，危机设备安全，越来越多的出现中性点直接接地系统。

因此有的中低压系统采用备自投的采用对这样的系统特别好用。

一般开闭所都无人值守，如果为了供电的持续性单相接地两小时才断开故障，会增加现场维护人员的工作强度。

很多时候两小时是找不到故障的。

因此建议安装备自投保护后直接判定单相短路的故障可以直接跳闸，启动备自投。

而不需要两小时后再断开电源。

当备自投启动后，会给后台发信，通知值班人员。

但负荷电源不中断供应。

因此本例在两路电源设置六种故障，每种故障下都启动备自投保护。

5.2仿真结果

例1电源2正常供电，电源1在0.5秒时发生了三相接地短路，短路时间持续1秒后故障消失，恢复供电。

为了让工作过程明显都设置了0.02秒的延时时间。

三台断路器动作逻辑如图（5-1）所示。

图（5-1）三合二断路器动作逻辑

从图可以看出正常供电的电源II断路器一直处于合闸0状态。

在0.5秒发生故障时电源I首先判断出故障断路器由合闸0状态变到跳闸1状态，将故障隔离。

再延时了0.02秒将母联断路器由分闸状态1变到合闸状态0。

电源I的负荷由电源II供电，实现了供电的可靠性。

当故障持续1秒电源I恢复时，备自投保护判断电源已经正常供电，备自投先将母联断路器调开状态由合闸0变到分闸1。

经过0.02秒延时后，投合进线断路器，状态由分闸1变到合闸0。

电源I电流、电源II电流以及故障段负荷I供电情况如图（5-2）所示。

图（5-2）两路进线电流及故障供电段一路负荷

从图中可以看出，在0.5秒电源I发生故障时，进线I断路器动作故障电流为经过暂态过程达到0，而非故障电源II进线电流增大。

故障段的负荷再经过人为设置的延时0.02S延时及备自投保护动作时延后快速得电。

本例为了现象突出设置时延，实际运行时可以不设置人为时延。

故障段的负荷电源的供电持续性时有保障的。

如图（5-2）所示无延时故障段负荷供电情况。

故障时的供电短时中断0.0125秒的是由于脉冲计数15次造成的时间延时。

但故障恢复时保持了持续供电。

图（5-2）无延时动作故障段负荷供电情况

图（5-3）设置延时动作故障段进线电压和母线电压

图（5-4）无延时动作故障段进线电压和母线电压

INV_1为在0.5到1.5之间为外部发生三相短路故障时的母线电压。

不会0主要是受接地主抗不为0的造成的。

例2电源1正常供电，电源2在0.5秒时发生了AB两相相间短路，短路时间持续1秒后故障消失，恢复供电。

为了让工作过程明显都设置了0.02m秒的延时时间。

三台断路器动作逻辑如图（5-5）所示，逻辑过程分析同例1。

图（5-5）三合二断路器动作逻辑

不设置故障延时的情况下电流电压如图（5-6）、（5-7）所示。

图（5-6）无延时动作故障段负荷供电情况

图（5-7）无延时动作故障段进线电压和母线电压

第六章结论与展望

本文以110kV降压变电站10kV母线备自投保护为例，利用PSCAD软件建立了母联备自投保护仿真模型，并验证了该故障暂态仿真模型的正确性。

从仿真的结果可以看出备自投保护可以在电源故障时通过自动切换母线保证负荷供电的持续性。

在故障恢复时能自投切换回双电源运行状态，为系统提供备用。

备自投的应用降低维护人员的工作量，提高了供电的可靠性。

随着分布式能源接入电网、风电厂用电自给自足、特别重要的负荷自备发电机供电。

保证电源在市电和自备电之间的自动切换需要越来越频繁、越来越复杂，因此也需要越来越智能、越来越可靠。

基于母联备自投保护的原理，将会再自动切换方面有良好的应用。

参考文献

[1]电力系统微机保护课件.