110 kV變電站簡易母線保護數字化改造方案

朱 崢

（1.全球能源互聯網發展合作組織，北京 100031；2.全球能源互聯網集團有限公司，北京 100031）

0 引 言

在全球碳中和以及我國新型電力系統建設的背景下，越來越多的110 kV新建數字化變電站投運、運行，同時，還有眾多的常規110 kV變電站改造成數字化變電站[1-3]。常規變電站改造成數字化變電站需要按照“三層兩網”的結構分別進行站控層、間隔層和過程層的改造[4,5]。其中間隔層將采用IEC61850規約進行改造，過程層將把常規的電流互感器（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10 kV母線由于沒有配置單獨的母線保護，利用變壓器后備保護、母聯、母線上所連線路等保護的邏輯關系共同組成變壓器低壓側母線保護。

1 簡易母線保護

簡易母線保護并不是一套針對低壓母線的獨立保護裝置，而是由110 kV變電站內變壓器低壓側后備保護、10 kV側母聯（分段）過流保護以及連接在10 kV低壓母線上相關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應的保護裝置動作跳開相應的開關，而當低壓側母線發生故障時，由簡易母線保護動作跳開變壓器低壓側和母聯（分段）開關，以在最小范圍內隔離故障，提高配電線路的供電可靠性。

2 簡易母線保護實現方案

2.1 閉鎖信號傳遞方式

簡易母線保護通過傳送不同保護裝置的閉鎖接點給鄰近相關的保護，閉鎖相關聯的保護裝置，確保相關聯保護不誤動，造成擴大事故范圍的后果。隨著智能電網的成熟，數字化變電站在新型電力系統建設中日趨廣泛，這其中包括常規的110 kV變電站數字化改造，也包括了新投產的全數字化變電站。由于數字化變電站傳遞信號的是光纖，而非常規變電站的電纜，這就使得利用數字化變電站的面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）通信能更高效地傳輸各種閉鎖信號，避免了常規變電站誤碰接線的風險，此外具有可擴展性強的優點。

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側主接線形式如圖1所示，出線保護需配置過流保護，當出線發生故障后，過流保護需將閉鎖信號發給相鄰的變壓器低壓側和母聯（分段）開關保護，通過出線過流保護動作直接跳開出線，防止保護誤動。當出線斷路器失靈后，收回閉鎖信號，通過變壓器低壓側保護動作充當失靈保護的作用，將故障隔離，簡易母線保護邏輯如圖2所示。

圖1 110 kV變電站10 kV側主接線形式

圖2 簡易母線保護邏輯

2.2.2 變壓器低壓側母線故障

當變壓器低壓側母線上發生故障時，由變壓器低壓側后備保護動作跳開低壓側開關，將故障隔離。

2.2.3 母聯（分段）保護配置要求

當母聯（分段）過流保護啟動后，將閉鎖信號傳送給相鄰的變低保護，并將其閉鎖，只動作跳開母聯（分段）斷路器。如果斷路器失靈，則停止發送閉鎖信號，變壓器低壓側后備保護如未接收到閉鎖信號則保護動作跳閘，將故障切除隔離。

2.2.4 母聯（分段）死區故障

如故障點恰好在母聯（分段）斷路器CT和開關之間時，即故障點在死區時，母聯（分段）保護跳開對應開關，但是故障短路電流仍然存在。此時，經過變壓器低壓側開關需短暫延時將低壓側開關跳開。

2.2.5 10 kV側連接小電源上網處理邏輯

當10 kV母線前面幾個預留間隔連接有小電源上網線路時，當小電源線路發生故障后，為了快速隔離故障，將閉鎖信號傳給變壓器和母聯（分段）保護，此時簡易母線保護I段邏輯滿足，并經過短時限I動作跳閘，時限I是與小電源線路保護切除時間相配合。為應對小電源線路開關失靈，通過整定一個短延時時限II和長延時III，簡易母線保護II段和III段邏輯開放，通過變壓器低壓側和高壓側動作切除故障，充當失靈保護功能。

3 改造方案及建議

鑒于常規110 kV變電站10 kV母線側采用常規電纜接線較為復雜和煩瑣，采用數字化改造后，電纜將被光纖所替代，因此能更方便地采集相關間隔的電流、電壓等模擬信號，將大大簡化變電站的二次回路，采用GOOSE報文機制能方便共享各元件或線路的信息，并及時對故障進行判斷和處理。目前該保護邏輯方案已在國內多個數字化變電站和電廠得到應用和實施，效果良好，提升了經濟性和安全性。在全球能源轉型背景下，很多發展中國家都正在大力開展基礎設施建設，對電網進行改造和升級，數字化變電站的新建或改造將會得到進一步的大力實施，因此低壓側簡易母線保護的應用，對于常規變電站改造將發揮重要作用。然而，對于新建數字化變電站來說，考慮到GOOSE機制雖然較為完善，但時常也會發生GOOSE斷鏈、網絡阻塞等潛在風險，可能會引發相關保護誤動或拒動，造成安全事故事件，因此可考慮以下兩種方案建議。

方案一：新建數字化變電站低壓側母線帶小電源出線時，考慮到小電源會增加簡易母線保護誤動的概率，建議將簡易母線保護升級配置成專用的母線保護裝置，通過原理成熟的母線電流差動保護及相關過流、失靈、死區等保護功能，實現同主網相同可靠性的母線保護，可大大提高運行的可靠性和安全性。

方案二：新建數字化變電站低壓母線側不帶小電源出線時，可考慮將簡易母線保護暫時保留，提高經濟性，降低工作量，但是需要對于GOOSE報文機制及相關通道加強實時監測，當通信網發生故障時應盡快解決網絡故障，防止由于通信網引發保護的誤動或拒動。

考慮到建設新型電力系統的大背景下，分布式新能源上網會越來越多，屋頂光伏等廣泛應用后，微電網不斷增加，小電源線路上網場景也越來越多，會增加對GOOOSE閉鎖機制及通信網的依賴，從而會增加簡易母線保護誤動或拒動的概率。因此，建議采用方案一進行配置改造，為小電源線路并網做好遠期規劃。

4 結 論

本文分析了110 kV常規變電站簡易母線保護數字化改造的實現方案，通過閉鎖信號的傳遞，有效防止了保護誤動，能可靠的隔離故障，尤其是當有小電源線路上網時，通過時限I將發送閉鎖信號的小電源線路跳開，時限II、III實現變壓器低壓側及高壓側開關聯跳，能有效應對相關保護誤動或拒動的情況，并提出了兩種場景下的改造方案，經過現場實際工程改造案例驗證，取得了良好的效果，對于110 kV常規變電站數字化改造具有良好的借鑒意義。