一种可用于简化变压器就地后备保护的站域后备保护方法

摘要

本发明涉及一种可用于简化变压器就地后备保护的站域后备保护方法。现有的变压器后备保护存在配置复杂、整定配合困难、动作延迟长、灵敏性难以保证等困难。本发明为变压器各侧断路器配置正、反方向动作特性的距离保护，阻抗定值均按照实现各自功能的灵敏性要求整定，选择性则通过固定的时间定值来实现。然后依据本站范围内的开关量信息构建具有容错性的站域后备保护判据，实现故障元件判断及断路器跳闸决策，加速站内故障切除。本发明降低了变压器就地后备保护的整定难度，并实现了站内设备故障时后备保护在动作选择性、速动性、灵敏性和可靠性四方面的协调统一。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种可用于简化变压器就地后 备保护的站域后备保护方法。

背景技术

电网结构和运行方式日趋复杂，传统变压器就地后备保护定值越来越难 整定。这主要是因为传统变压器就地后备保护只获取本地故障信息，从原理 上无法快速准确地识别故障元件，只能通过复杂的保护配置及整定配合来尽 可能满足选择性和灵敏性要求。遵循常规的整定原则，变压器就地后备保护 配置多段多延时的过流保护(包括带复压闭锁或者低电压闭锁)、零序电流 保护作为相间、接地故障的后备保护，并根据站内主接线及变压器各侧电源 的运行方式计算分支系数，按照选择性配合要求为每段保护计算定值并校验 灵敏度。这种传统的变压器就地后备保护对各种运行方式和网络结构的适应 性差，在某些运行工况下，依赖整定人员展开复杂的整定计算依然无法化解 选择性和灵敏性之间的矛盾，对电力系统安全稳定运行带来潜在威胁。为此， 针对变压器后备保护简化配置和改善性能的研究刻不容缓。

近年来，智能变电站的建设与发展使得基于站内信息共享的站域后备保 护研究被提出。目前提出的站域保护主要是应用变电站通讯网络快速收集站 域信息，采用了电流差动原理或纵联方向比较原理来构建后备保护，逐步缩 小或排除故障范围，最终定位故障元件，实现变电站内部故障的后备保护作 用。这类方法存在如下不足：与变电站主设备(变压器、母线)主保护在原 理上一致，即使在获取电气量的方式上存在差异，在面对原理性缺陷时依然 难以起到后备保护作用；而且，由于站域保护的功能实现依赖于通信网络， 而通信网络存在失效的可能，因此仍然需要配置不依赖于通信网络的就地后 备保护系统，变压器就地后备保护定值整定困难的问题必须面对。

发明内容

本发明的目的在于针对变压器传统后备保护配置复杂、整定配合困难、 动作延迟长、灵敏性难以保证等技术不足，提出一种可用于简化变压器就地 后备保护的站域后备保护方法。

变压器各侧断路器配置正、反方向动作特性的距离保护，阻抗定值均按 照实现各自功能的灵敏性要求整定，选择性则通过固定的时间定值配合实 现，从而降低了变压器就地后备保护整定的复杂性。然后针对上述简化配置 与整定方法可能产生的速动性不足问题，综合利用变压器所在变电站范围内 的所有断路器开(合)闸状态信息、变压器就地后备保护中正(反)方向距 离保护启动(跳闸)信息构建站域后备保护判据，完成故障元件判断及断路 器跳闸决策，加速站内故障切除。

本发明方法提出的变压器就地后备保护简化配置与整定方法包括以下 步骤：

步骤1.变压器各侧断路器配置正(反)方向动作特性的距离保护，其 中正方向距离保护的作用是做变压器故障的近后备保护及其它侧母线故障 的远后备保护；反方向距离保护则作为本侧母线的近后备保护和所有出线的 远后备保护。

步骤2.计算被保护变压器i侧正(反)方向距离保护的阻抗整定值， 其中，三绕组和双绕组变压器i的取值范围分别为1～3和1～2；具体是：变 压器i侧正方向距离保护的阻抗整定值K_sen为灵敏 性系数，取1.2；Z_T(i-p)和Z_T(i-q)分别为变压器i侧与其他p侧、q侧间的正序 阻抗，若为双绕组变压器，则无q侧；max(·)为取最大值函数。变压器i侧 反方向距离保护的阻抗整定值$Z_i^{-}=K_{sen}\times K_{b\left(i\right)}\times max\left(Z_{L\left(1\right)},...,Z_{L\left(m\right)},...,Z_{L\left(M\right)}\right),$Z_L(m)为 变压器i侧母线M条出线中的第m条线路的正序阻抗；K_b(i)为变压器第i侧反 方向距离保护与出线距离保护配合时的分支系数，取K_b(i)＝n，n为可并列运 行的变压器数量，若配合计算时其它出线也会提供较大的助增电流，则需按 实际可能的最大运行方式计算该分支系数。

步骤3.设定被保护变压器i侧正(反)方向距离保护的动作时间整定值， 三绕组和双绕组变压器i的取值范围分别为1～3和1～2；具体是：为变压 器i侧反方向距离保护的时间定值，具有两个动作时限：第一个动作时限 为t₀+Δt，跳变压器i侧的母联或者母分断路器，第二个动作时限为t₀+2Δt， 跳变压器i侧断路器；为变压器i侧正方向距离保护的时间定值，具有一 个动作时限，取值为t₀+3Δt，跳变压器各侧断路器。其中，t₀取值为变压 器i侧所有出线中距离II段后备保护的最大时间定值，Δt为阶段式保护动作 时间级差，通常取0.3s或0.5s。

变压器各侧就地后备保护的配置及定值计算得到了很大程度地简化，不 仅阻抗定值一定满足灵敏性要求，而且根据出线断路器、母联(母分)断路 器、变压器断路器的跳闸顺序，来设置固定阶梯的时间定值，能保证就地后 备保护动作的选择性。然而就地保护配合的时间阶梯依然较多，在一些运行 条件下难以满足速动性要求。

为了进一步提升后备保护的速动性，本发明方法进一步提出利用本站范 围内的开关量信息构建站域后备保护。站域后备保护相比简化配置后的变压 器就地后备保护，一方面能准确识别故障元件，加速切除故障，使就地后备 保护及时返回；另一方面具有一定容错性，在就地后备保护系统发生单一故 障时仍能正确识别故障元件；再者，站域后备保护从就地保护获取开关量信 息，并不反作用于就地保护，即使发生网络失效等严重情况，就地后备保护 系统仍然能独立的工作。因此，站域后备保护与就地后备保护协调工作，能 实现后备保护系统的选择性、灵敏性、速动性、可靠性和谐统一。

本发明方法进一步提出的基于本站范围内开关量信息的站域后备保护 方法，包括以下步骤：

步骤4.接收、分配站域后备保护信息域内的开关量信息；具体的：对 于包含N个变压器个体的站域保护，将有N个独立运行的故障识别功能逻辑 流程，若接收到开关量信息发生变化，则分配给变电站内各个变压器对应的 故障识别功能流程进行处理；站域后备保护信息域包括本变电站站内以及本 站出线断路器上的开关量信息，具体包括：①j号变压器i侧正、反阻抗元件 启动信息和1表示启动，否则为0；②j号变压器i侧断路器和j 号变压器i侧第k条出线断路器的跳闸出口信息Trip(B_i(T_j))和Trip(B_j-i(L_k))，1 表示出口，否则为0；③j号变压器i侧断路器和j号变压器i侧第k条出线断 路器的状态信息State(B_i(T_j))和State(B_j-i(L_k))，1表示断路器分闸状态，否则为0。 其中j＝1,...,N，N为变电站内主变压器台数，三绕组和双绕组变压器i的取值 范围分别为1～3和1～2。

步骤5.在步骤4基础上，进入3个独立的线程分别判断站域后备保护 逻辑流程中3个条件是否成立；具体是：

线程1)观察“故障识别启动条件”是否成立； 具体是：当T_j变压器存在i侧就地后备保护正方向阻抗元件或者反方向阻抗 元件启动时，则判断为“故障识别启动条件”成立，进一步地启动T_j所对应 的故障识别程序，进入后续故障元件判断模块，否则重新回到步骤4继续接 收T_j对应的开关量信息。

线程2)观察“死区故障判断条件”&是否 成立；具体是：当T_j变压器i侧断路器状态已经动作断开，而存在除i侧外的 其他侧(记为)的正方向距离保护启动未返回，则判断为“死区故障判断 条件”成立，若该条件在t_u延时内持续成立，则判断为该变压器i侧发生死区 故障，加速跳开T_j其它侧断路器；在延时过程中，若“死区故障判断条件” 不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息；这里的延时t_u，主 要为断路器的动作时间，一般断路器的动作时间为0.06s～0.15s，比Δt小。

线程3)观察“断路器失灵判断条件”&是否 成立；具体是：站域内任意出线、母分(母联)、变压器的断路器，Trip(B)＝1 表示该断路器所对应的保护(就地保护或者站域后备保护)已发出跳闸命令， 而State(B)＝0表示断路器仍然为合闸状态，则判断为“断路器失灵判断条件” 成立，若该条件在一定延时范围t_u内持续成立，则判断为断路器失灵，站域 保护加快跳开与失灵断路器相邻的所有断路器；反之，若在延时过程中“断 路器失灵判断条件”不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息； 这里的延时t_u，主要为断路器的动作时间，一般断路器的动作时间为 0.06s～0.15s，比Δt小。

步骤6.在步骤5的线程1)基础上，进入站域后备保护故障判断流程； 具体是：

1)观察“变压器故障判断条件”&是否成 立；具体是：T_j变压器存在i侧正方向阻抗元件启动，而T_j变压器所有侧反方 向阻抗元件不启动，则判断为“变压器故障判断条件”成立，若该条件在延 时Δt+t_u范围内持续成立，则判断为T_j变压器内部故障，跳开变压器各侧断 路器；反之，若在延时过程中条件不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应 的开关量信息；

2)观察“母线故障判断条件”是否成立；具体是：T_j变压 器存在一个i侧，其反方向阻抗元件启动，则判断为“母线故障判断条件” 成立，若该条件在延时Δt+t_u范围内持续成立，则在延时时间到达时，获取T_j变压器i侧母线的母联(母分)断路器状态信息：若处于分闸状态，则可直 接判断为母线故障；若处于合闸状态，需要先跳开该母联(母分)断路器， 进一步缩小故障识别范围，然后重新等待t_u延时，看判断条件是否持续满足， 如果持续满足则可判定为母线故障，反之，若在延时过程中条件不成立，重 新回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息。

本发明提出的变压器就地后备保护简化配置及整定方法，具有通用性， 定值计算简单，受运行方式影响小，不仅降低了变压器后备保护的整定复杂 度，而且满足灵敏性和选择性要求；提出的站域后备保护方法，基于本站范 围内的开关量信息，利用具有良好容错能力的判据实现故障元件的判断及跳 闸决策，可实现快速、准确切除故障元件的目标。

附图说明

以下将参考附图来描述本发明的详尽实施方式，其中：

图1为本发明站域后备保护逻辑示意图；

图2为本发明站域后备保护母线故障判据逻辑示意图

图3为作为本发明优选实施例的变电站典型故障位置示意图。

具体实施方式

本发明用于简化变压器就地后备保护配置的站域后备保护方法，包括变 压器就地后备保护简化配置与整定方法和基于本站范围内开关量信息的站 域后备保护，以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤1.变压器各侧断路器配置正(反)方向动作特性的距离保护，其 中正方向距离保护的作用是做变压器故障的近后备保护及其它侧母线故障 的远后备保护；反方向距离保护则作为本侧母线的近后备保护和所有出线的 远后备保护。

步骤2.计算被保护变压器i侧正(反)方向距离保护的阻抗整定值， 三绕组和双绕组变压器i的取值范围分别为1～3和1～2；具体是：变压器i侧 正方向距离保护的阻抗整定值K_sen为灵敏性系数， 取1.2；Z_T(i-p)和Z_T(i-q)分别为变压器i侧与其他p侧、q侧间的正序阻抗，若 为双绕组变压器，则无q侧；max(·)为取最大值函数。变压器i侧反方向距 离保护的阻抗整定值$Z_i^{-}=K_{sen}\times K_{b\left(i\right)}\times max\left(Z_{L\left(1\right)},...,Z_{L\left(m\right)},...,Z_{L\left(M\right)}\right),$Z_L(m)为变压器i侧 母线M条出线中的第m条线路的正序阻抗；K_b(i)为变压器第i侧反方向距离保 护与出线距离保护配合时的分支系数，取K_b(i)＝n，n为可并列运行的变压器 数量，若配合计算时其它出线也会提供较大的助增电流，则需按实际可能的 最大运行方式计算该分支系数。

步骤3.计算被保护变压器i侧正(反)方向距离保护的动作时间整定值， 三绕组和双绕组变压器i的取值范围分别为1～3和1～2；具体是：为变压 器i侧反方向距离保护的时间定值，具有两个动作时限：第一个动作时限 为t₀+Δt，跳变压器i侧的母联或者母分断路器，第二个动作时限为t₀+2Δt， 跳变压器i侧断路器；为变压器i侧正方向距离保护的时间定值，具有一 个动作时限，取值为t₀+3Δt，跳变压器各侧断路器。其中，t₀取值为变压 器i侧所有出线中距离II段后备保护的最大时间定值，Δt为阶段式保护动作 时间级差，通常取0.3s或0.5s。

进一步地，参照图1，在步骤1,2,3的基础上，进一步给出基于本站范围 内开关量信息的站域后备保护方法步骤：

步骤4.接收、分配站域后备保护信息域内的开关量信息；具体是：对 于包含N个变压器个体的站域保护，将有N个独立运行的故障识别功能逻辑 流程，若接收到开关量信息发生变化，分配给变电站内各个变压器对应的故 障识别功能流程进行处理；站域后备保护信息域包括本变电站站内以及本站 出线断路器上的开关量信息，具体包括：①j号变压器i侧正、反阻抗元件 启动信息和1表示启动，否则为0；②j号变压器i侧断路器和 j号变压器i侧第k条出线断路器的跳闸出口信息Trip(B_i(T_j))和Trip(B_j-i(L_k))， 1表示出口，否则为0；③j号变压器i侧断路器和j号变压器i侧第k条出 线断路器的状态信息State(B_i(T_j))和State(B_j-i(L_k))，1表示断路器分闸状态，否则 为0。其中j＝1,...,N，N为变电站内主变压器台数，三绕组和双绕组变压器i的 取值范围分别为1～3和1～2。

步骤5.在步骤4基础上，进入3个独立的线程分别判断站域后备保护 逻辑流程中3个条件是否成立；具体是：

线程1)观察“故障识别启动条件”是否成立； 具体是：当T_j变压器存在i侧就地后备保护正方向阻抗元件或者反方向阻抗 元件启动时，“故障识别启动条件”成立，进一步地启动T_j所对应的故障识 别程序，进入后续故障元件判断模块，否则重新回到步骤4继续接收T_j对应 的开关量信息。

线程2)观察“死区故障判断条件”&是否 成立；具体是：当T_j变压器i侧断路器状态已经动作断开，而存在除i侧外的 其他侧(记为)的正方向距离保护启动未返回，则判断为“死区故障判断 条件”成立，若该条件在t_u延时内持续成立，则判断为该变压器i侧发生死区 故障，加速跳开T_j其它侧断路器；在延时过程中，若“死区故障判断条件” 不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息；这里的延时t_u，主 要为断路器的动作时间，一般断路器的动作时间为0.06s～0.15s，比Δt小。

线程3)观察“断路器失灵判断条件”&(State(B)＝0)是否 成立；具体是：站域内任意出线、母分(母联)、变压器的断路器，Trip(B)＝1 表示该断路器所对应的保护(就地保护或者站域后备保护)已发出跳闸命令， 而State(B)＝0表示断路器仍然为合闸状态，则判断为“断路器失灵判断条件” 成立，若该条件在一定延时范围t_u内持续成立，则判断为断路器失灵，站域 保护加快跳开与失灵断路器相邻的所有断路器；反之，若在延时过程中“断 路器失灵判断条件”不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息； 这里的延时t_u，主要为断路器的动作时间，一般断路器的动作时间为 0.06s～0.15s，比Δt小。

步骤6.在步骤5的线程1)基础上，进入站域后备保护故障判断流程； 具体是：

1)观察“变压器故障判断条件”&是否成 立；具体是：T_j变压器存在i侧正方向阻抗元件启动，而T_j变压器所有侧反方 向阻抗元件不启动，则判断为“变压器故障判断条件”成立，若该条件在延 时Δt+t_u范围内持续成立，则判断为T_j变压器内部故障，跳开变压器各侧断 路器；反之，若在延时过程中条件不成立，重新回到步骤4继续接收T_j对应 的开关量信息；

2)进一步地，参照图2，进入母线故障判断流程，具体包括如下步骤：

观察“母线故障判断条件”是否成立；具体是：T_j变压器存 在一个i侧，其反方向阻抗元件启动，则判断为“母线故障判断条件”成立， 若该条件在延时Δt+t_u范围内持续成立，则在延时时间到达时，获取T_j变压 器i侧母线的母联(母分)断路器状态信息：若处于分闸状态，则可直接判 断为母线故障；若处于合闸状态，需要先跳开该母联(母分)断路器，进一 步缩小故障识别范围，然后重新等待t_u延时，看判断条件是否持续满足，如 果持续满足则可判定为母线故障，反之，若在延时过程中条件不成立，重新 回到步骤4继续接收T_j对应的开关量信息。

在本发明的优选实施例中，参照图3所示变电站，变电站T₁、T₂变压器 按照本发明提出的简化配置与整定方法配置变压器就地后备保护，并分析站 内典型故障发生情况下，变压器T₁就地后备保护及站域后备保护的动作情况：

①母线故障

当T₁变压器所连母线F1故障和其它变压器T₂所连母线F2故障，分析母 线并列或分列两种运行方式，按照简化后的就地后备保护整定原则以及站域 后备保护故障判断模块逻辑，可得到如表1所示的T₁变压器断路器动作结果。 由此可见，站域后备保护的速动性在跳母联(母分)开关以缩小故障影响范 围时有一定提升，在切除故障时有较大提升(此处设定t₀＝Δt＝2t_u，其中t₀为变压器i侧所有出线中距离II段后备保护的最大时间定值，Δt为阶段式保 护动作时间级差，t_u为断路器的动作时间)。

表1母线故障简化就地保护与站域保护方法验证结果

②变压器故障

当本变压器T₁内部发生F3故障，相邻变压器T₂发生F4故障，分析变压 器大电源侧(假设为220kV侧)分列运行，无电源或小电源侧母线有并列或 分列运行两种方式(并列运行时非故障变压器有穿越性短路电流流过)，T₁的 就地后备保护与站域保护动作情况如表2所示。可见，本变压器故障时，站 域后备保护动作延时比就地后备保护小较多，对电网安全稳定运行非常有 利；相邻变压器故障时，跳母联(母分)开关以缩小故障影响范围的速度也 有提升。

表2变压器故障简化就地保护与站域保护方法验证结果

③死区故障

当发生死区故障F5，就地后备保护和站域后备保护的动作结果如表3 所示。结果表明：虽然就地后备保护和站域后备保护的故障判断模块均会先 按母线故障动作，然后按变压器故障动作，但站域后备保护能通过死区故障 判据，更快地切除故障，

表3变压器死区故障简化就地保护与站域保护方法验证结果

④断路器失灵故障

当发生L13线路故障，执行线路故障跳闸命令后17号断路器发生失灵 故障F6时，T₁的就地后备保护与站域保护动作情况如表4所示。站域后备 保护既能通过110kV侧反方向距离保护的启动信息，按照母线故障判断模块 跳开母分开关和该侧变压器开关，还可以通过断路器失灵判据，在收到线路 跳闸命令信息后t_u延时内跳开失灵断路器的所有相邻断路器。由于线路跳闸 信息一般要在Δt内可靠收到，所以断路器失灵判据的实际动作时间也是 Δt+t_u。由此可见，断路器失灵判据比故障识别判据能提早t_u切除故障，而比 就地后备保护能提早1.5Δt切除故障。

表4断路器失灵故障简化就地保护与站域保护方法验证结果

结果表明，站域后备保护系统能有效地与简化整定后的变压器就地后备 保护相配合，做到快速、有选择性地切除故障元件。

本发明的优选实施例仅为绘示之用，并非是对本发明的技术方案的限 制，本发明的技术精神涵盖于本发明所附权利要求主张的技术内容中。