一个半主接线变电站死区故障的综合判别方法与流程

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及基于现场已有保护(母线保护、线路保护、变压器保护)跳闸信号划分故障区域，利用与故障区域相关联的断路器的电流特征、电压特征和阻抗特征进行综合判别的断路器死区故障判别方法。

背景技术：

我国一次能源和电力负荷的逆向分布特征，使得发展远距离、大容量的超特高压交直流输电技术成为基本国情，我国已初步行成交、直流相互耦合的互联大电网。随着电源结构向常规能源与风电、光伏等新能源结合方式过渡。交直流配网、微网接入增多，电网复杂程度不断增强。交、直流混联电网中，受端交流短路故障时，系统电压下降，可能引发直流换相失败，在对受端造成巨大有功、无功冲击的同时，会将能量冲击传递到送端，严重情况下甚至可能造成送端系统稳定破坏。快速保护属于电网安全稳定的第一道防线，在当前特高压交直流混联电网中，由于直流换相失败现象的存在，快速保护可靠地切除故障，意义尤其重大。比如：华东电网的交流短路故障，如不能快速切除，可能引发7回直流同时发生连续换相失败，产生的暂态能量冲击最大可达3200万千瓦，对送端华北、华中、西南电网交流断面造成巨大冲击，导致发电机群间暂态功角失稳，存在电网稳定破坏风险。

电网发生故障，而断路器拒动或死区故障时，需要依靠断路器失灵保护动作和死区保护切除故障。目前，按照《220kV～750kV电网继电保护装置运行整定规程》(DL/T 559—2007)行业标准要求，电力系统的断路器失灵保护动作时间一般整定为250ms，相应地失灵和死区故障切除时间需要按照0.45s考虑。稳定计算校核结果表明，如缩短断路器失灵和死区故障的切除时间，将有效提高系统稳定性。因此，研究变电站死区故障的故障定位，通过综合协调改进措施，压缩断路器死区故障的故障切除时间，对提高系统稳定性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的：通过死区故障时，现有保护(母线保护、线路保护、变压器保护)跳闸，利用跳闸后与故障区域关联的断路器电流的特征、电压的特征、测量阻抗的特征，找到一种一个半主接线(即3/2主接线)变电站死区故障具体位置的判别方法，从而压缩断路器死区故障的故障切除时间。

为实现上述发明目的，本申请采用以下技术方案。

一种一个半主接线变电站死区故障的综合判别方法，三台断路器串联形成一个半主接线的一个串；其特征在于，所述综合判别方法包括以下步骤：

步骤1：实时采集整个变电站每个断路器的三相电流、每个串上的三相电压；

步骤2：对整个变电站内母线保护、线路保护、变压器保护的跳闸信号进行采样；

步骤3：计算断路器的三相电流、每个串上的三相电压和零序电压、断路器的相间测量阻抗；

步骤4：利用步骤2所采样的保护跳闸信号判断故障区域；

步骤5：利用保护跳闸后断路器电流大小和波形特征、电压和相间测量阻抗的大小判断当前故障区域是否存在死区故障并进行死区故障定位；

步骤6：根据死区故障定位结果，跳开相应断路器，将死区故障彻底隔离。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤3中，所述断路器的三相电流按照IA、IB、IC三个相电流和IAB、IBC、ICA三个相间电流分别计算判别，所述每个串上的三相电压按照UAB、UBC、UCA三个相间电压分别计算，断路器相间测量阻抗按照ZAB、ZBC、ZCA三个相间阻抗分别计算。

在步骤4中，所述的故障区域按保护跳闸信号进行划分，若I母保护动作跳闸则故障区域位于I母区域，若II母保护动作跳闸则故障区域位于II母区域，若线路或变压器保护动作跳闸则故障区域位于该线路或变压器所在的串上。

在步骤5中，当根据步骤4判断故障区域位于母线区域时：

判断母线保护动作跳闸后与该母线相连的各边断路器电流值最大的边断路器；当满足以下逻辑条件时，经第一死区时间定值延时确认后，则判断故障区域存在死区故障且死区故障位于该边断路器，否则判断当前故障区域不存在死区故障：

①该边断路器的任意一个相电流大于预设的第一电流死区门槛值，且电流波形符合交变电流特征；

②该边断路器所在串上的任意一个相间电压小于预设的第一预设死区相间电压门槛值并且该边断路器对应的相间测量阻抗也小于预设的第一死区测量阻抗门槛值，或者该边断路器所在串上的零序电压大于预设的第一死区零序电压门槛值。

其中，所述第一电流死区门槛值的取值范围为0.1In～2In，In为CT二次额定电流值；所述第一预设死区相间电压门槛值取值范围为50V～80V；第一死区测量阻抗门槛值的取值范围为(10V～30V)/I_|10|,其中I_|10|为第一相间记忆电流，即收到母线保护跳闸信号时刻的故障电流，根据故障电流的大小自动调整门槛值；第一死区零序电压门槛值的取值范围为1V～10V；第一死区时间定值由用户整定，整定范围为0.1s～2s；所述交变电流特征是指一个工频周期内至少有两个过零点。

在步骤5中，当根据步骤4判断故障区域位于该线路或变压器所在的串上时，则判断该串的中断路器是否满足以下逻辑条件，当满足时，经第二死区时间定值延时确认后，则判断中断路器存在死区故障，否则判断当前故障区域不存在死区故障：

①该中断路器的任意一个电流大于预设的第二电流死区门槛值，且电流波形符合交变电流特征；

②该中断路器所在串上的任意一个相间电压小于预设的第二预设死区相间电压门槛值并且该中断路器对应的相间测量阻抗也小于预设的第二死区测量阻抗门槛值，或者该中断路器所在串上的零序电压大于预设的第二死区零序电压门槛值。

其中，所述第二电流死区门槛值的取值范围为0.1In～2In，In为CT二次额定电流值；所述第二预设死区相间电压门槛值取值范围为50V～80V；第二死区测量阻抗门槛值的取值范围为(10V～30V)/I_|20|,其中I_|20|为第二相间记忆电流，即收到线路保护或变压器保护跳闸信号时刻的故障电流，根据故障电流的大小自动调整门槛值；第二死区零序电压门槛值的取值范围为1V～10V；第二死区时间定值由用户整定，整定范围为0.1s～2s。

在步骤(6)中，当判出边断路器死区故障时，则跳开该边断路器所在串的中断路器、与该边断路器相邻的线路对侧断路器或变压器的中压侧和低压侧断路器；

当判出中断路器死区故障时，则跳开该中断路器所在串的边断路器、与该中断路器相邻的线路对侧断路器或变压器的中压侧和低压侧断路器。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用变电站全站信息的综合判别方法选出了变电站发生死区故障的断路器单元，安全性高，动作速度快，可有效防止断路器断开后由于CT二次电流拖尾引起的保护误动。目前，现有的常规保护切除死区故障的时间约为450ms，使用本发明所述的死区故障判别技术方案后，死区故障的全部切除时间小于200ms，能够有效防止因交流系统故障持续时间过长引发直流换流站的换相失败，从而造成直流单极闭锁或双极闭锁，可大大提高电力系统运行的安全稳定裕度。

附图说明

图1是一个半主接线变电站示意图；

图2是一个半主接线变电站死区故障的综合判别方法流程示意图；

图3是边断路器死区故障综合判别逻辑示意图；图4是中断路器死区故障综合判别逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

图1是500kV一个半主接线变电站典型设计，在两组母线之间，每三个断路器形成一串。每串连接两个元件(输电线路或变压器)。相当于每一个半断路器带一个元件，故称之为一个半断路器接线，也称为3/2接线。一个半接线方式中2条母线之间3个断路器串联，形成一串。在一串中从相邻的2个断路器之间引出一个元件，即3个断路器供两个元件，中间断路器作为共用，相当于每个元件用1.5个断路器。在一个半接线的一串中，接于母线的2台断路器称之为边断路器，中间的断路器称之为中断路器或联络断路器。同一个串中，如果两个元件都是输电线路，称为线线串；如果一个元件为输电线路、另一个元件为变压器，称为线变串。

图1所示主接线为断路器单侧配置CT，本申请选取第5041、5042和5043组成的第四串作为典型串列出了对外联系部分。

5011、5021、5031、5041为I母边断路器，对应的CT(即电流互感器)分别为CT11、CT21、CT31、CT41；5012、5022、5032、5042为中断路器，对应的CT分别为CT12、CT22、CT32、CT42；5013、5023、5033、5043为II母边断路器，对应的CT分别为CT13、CT23、CT33、CT43。每个CT的二次侧有多个绕组，分别连接到母线保护、线路保护和变压器保护，以第四串为例，CT41的两个二次绕组分别给I母母线保护和L41线路保护使用，CT42的两个二次绕组分别给L41线路保护和T42变压器保护使用，CT43的两个二次绕组分别给T42变压器保护和II母母线保护使用，同一个CT的二次侧不同绕组的电流大小完全相同，本申请可任取一个二次绕组电流进行采样和计算判据，不影响结果的正确性。第四串上的PT(即电压互感器)有两个，分别为PT41和PT42，对5041边断路器进行故障判别时，电流采用CT41的二次电流，电压采用PT41的二次电压；对5042中断路器进行故障判别时，电流采用CT42的二次电流，电压采用PT42的二次电压；对5043边断路器进行故障判别时，电流采用CT43的二次电流，电压采用PT42的二次电压。

F1故障点为I母母线上，F2故障点为5041断路器死区，F3故障点为5043断路器死区，F4故障点为5024中断路器死区，F5故障点为线路L41上，F6故障点为变压器T42上。死区故障判别的目的是当故障点在F1、F2、F3、F4、F5、F6的不同故障位置时，能正确的选出故障断路器及其所在的主接线单元，为切除死区故障提供依据，缩短死区故障的整组切除时间。

附图2所示为本发明公开的一个半主接线变电站死区故障的综合判别方法流程示意图，以附图1所示的一个半主接线变电站作为实施例，所述一个半主接线变电站死区故障的综合判别方法包括以下步骤：

步骤1：实时采集整个变电站每个断路器的三相电流、每个串上的三相电压；

分别对I母边CT(CT11、CT21、CT31、CT41)、中CT(CT12、CT22、CT32、CT42)、II母边CT(CT13、CT23、CT33、CT43)的三相电流进行采样，分别对第一串PT(PT11、PT12)、第二串PT(PT21、PT22)、第三串PT(PT31、PT32)、第四串PT(PT41、PT42)的三相电压进行采样，以第四串为示例，图1中仅画出了PT41和PT42。

步骤2：对整个变电站内母线保护、线路保护、变压器保护的跳闸信号进行采样；

分别对I母母线保护、II母母线保护，第一串的两个元件(线路线路或线路变压器)保护、第二串的两个元件(线路线路或线路变压器)保护、第三串的两个元件(线路线路或线路变压器)保护、第四串的两个元件(L41线路和T42变压器)保护的跳闸信号进行采样。

步骤3：计算断路器的三相电流、每个串上的三相电压和零序电压、断路器的相间测量阻抗；

所述断路器的三相电流按照IA、IB、IC三个相电流和IAB、IBC、ICA三个相间电流分别计算判别，所述每个串上的三相电压按照UAB、UBC、UCA三个相间电压分别计算，断路器相间测量阻抗按照ZAB、ZBC、ZCA三个相间阻抗分别计算。

以图1的第四串为例，分别计算CT41的三相电流(IA、IB、IC、IAB、IBC、ICA)、CT42的三相电流(IA、IB、IC、IAB、IBC、ICA)、CT43的三相电流(IA、IB、IC、IAB、IBC、ICA)、PT41的三相电压(UAB、UBC、UCA)和零序电压、PT42的三相电压(UAB、UBC、UCA)和零序电压。

分别计算5041断路器的三个相间测量阻抗(ZAB、ZBC、ZCA)，电压采用PT41的二次电压，电流采用CT41的二次电流；5042断路器的三个相间测量阻抗(ZAB、ZBC、ZCA)，电压采用PT42的二次电压，电流采用CT42的二次电流；5043断路器的三个相间测量阻抗(ZAB、ZBC、ZCA)，电压采用PT42的二次电压，电流采用CT43的二次电流。测量阻抗按照下式计算：

步骤4：利用步骤2所采样的保护跳闸信号判断故障区域；

所述的故障区域按保护跳闸信号进行划分，若I母保护动作跳闸则故障区域位于I母区域，若II母保护动作跳闸则故障区域位于II母区域，若线路或变压器保护动作跳闸则故障区域位于该线路或变压器所在的串上。

图1中，当F1或F2点发生故障时，I母的母线保护会动作，发出跳闸命令，将I母上的所有边断路器5011、5021、5031、5041跳开，本发明首先利用I母母线保护的跳闸信号进行故障区域的限定，故障区域限定在I母故障区，与之关联的边断路器为5011、5021、5031、5041。

步骤5：利用保护跳闸后断路器电流大小和波形特征、电压和相间测量阻抗的大小判断是否存在死区故障并进行死区故障定位；

当根据步骤4判断故障区域位于母线区域时，死区故障判别逻辑如附图3所示：

判断母线保护动作跳闸后与该母线相连的各边断路器电流值最大的边断路器；当满足以下逻辑条件时，经第一死区时间定值Tsq1延时确认后，则判断故障区域存在死区故障且死区故障位于该边断路器，否则判断当前故障区域不存在死区故障：

①该边断路器的任意一个相电流(IA、IB、IC)大于预设的第一电流死区门槛值，且电流波形符合交变电流特征；

②该边断路器所在串上的任意一个相间电压(UAB、UBC、UCA)小于预设的第一预设死区相间电压门槛值并且该边断路器对应的相间测量阻抗(ZAB、ZBC、ZCA)也小于预设的第一死区测量阻抗门槛值，或者该边断路器所在串上的零序电压大于预设的第一死区零序电压门槛值；

其中，所述第一电流死区门槛值的取值范围为0.1In～2In，优选值为0.5In，In为CT二次额定电流值；所述第一预设死区相间电压门槛值取值范围为50V～80V，优选值为60V；第一死区测量阻抗门槛值的取值范围为(10V～30V)/I_|10|,优选值为15V/I_|10|，其中I_|10|为第一相间记忆电流，即收到母线保护跳闸信号时刻的故障电流，根据故障电流的大小自动调整门槛值；第一死区零序电压门槛值的取值范围为1V～10V，优选值为1.5V；第一死区时间定值Tsq1由用户整定，整定范围为0.1s～2s，优选值为0.12s。

以附图1为例：如果是F1点故障，边断路器5011、5021、5031、5041跳开后，故障被成功隔离，边断路器5011、5021、5031、5041的电流为0，电压恢复为额定电压，测量阻抗为无穷大，电流、电压、阻抗元件全部返回，死区判别逻辑返回，不会误动作。即使某个边断路器的电流有暂态过程，CT二次有拖尾电流，该拖尾电流可能大于第一电流死区门槛值，但拖尾电流是一个按指数衰减的非周期分量，该电流波形不符合交变电流特征(在一个工频周期内没有过零点点或者最多只有一个过零点)，但是电压元件和阻抗元件已经返回，死区判别逻辑同样会正确返回。

如果是F2点故障，边断路器5011、5021、5031、5041跳开后，故障没有被隔离，仍然由中断路器5042和线路L41对F2点提供短路电流，边断路器5041的电流最大，且持续大于第一电流死区门槛值，且该电流波形符合交变电流特征(一个工频周期内至少有两个过零点)，电压元件和测量阻抗元件不返回，死区判别逻辑能够正确判断出5041为死区故障，发跳闸命令，跳开本站中断路器5042、线路L41对侧的断路器(对侧乙站的5011和5012)，将死区故障彻底隔离。

在步骤5中，当根据步骤4判断故障区域位于该线路或变压器所在的串上时，死区故障判断逻辑如附图4所示。

判断该串的中断路器是否满足以下逻辑条件，当满足时，经第二死区时间定值Tsq2延时确认后，则判断中断路器存在死区故障，否则判断当前故障区域不存在死区故障：

①该中断路器的任意一个相电流(IA、IB、IC)大于预设的第二电流死区门槛值，且电流波形符合交变电流特征；

②该中断路器所在串上的任意一个相间电压(UAB、UBC、UCA)小于预设的第二预设死区相间电压门槛值并且该中断路器对应的相间测量阻抗(ZAB、ZBC、ZCA)也小于预设的第二死区测量阻抗门槛值，或者该中断路器所在串上的零序电压大于预设的第二死区零序电压门槛值。

其中，所述第二电流死区门槛值的取值范围为0.1In～2In，优选值为0.5In，In为CT二次额定电流值；所述第二预设死区相间电压门槛值取值范围为50V～80V，优选值为60V；第二死区测量阻抗门槛值的取值范围为(10V～30V)/I_|20|，优选值为15V/I_|20|，其中I_|20|为第二相间记忆电流，即收到线路保护或变压器保护跳闸信号时刻的故障电流，根据故障电流的大小自动调整门槛值；第二死区零序电压门槛值的取值范围为1V～10V，优选值为1.5V；第二死区时间定值Tsq2由用户整定，整定范围为0.1s～2s，优选值为0.12s。同样以附图1为例：

当F4或F5点发生故障时，L41线路的线路保护会动作，发出跳闸命令，将本侧甲站的断路器5041、5042跳开，同时跳开对侧乙站的断路器5011、5022。死区判别逻辑首先利用L41线路保护的跳闸信号进行故障区域的限定，故障区域限定在第四串上，故障判别流程如图2所示，故障判别逻辑如图4所示，下面分两种情况：

第一种情况，如果是F5点故障，断路器5041、5042跳开后，故障被隔离，边断路器5041和中断路器5042的电流为0，电压恢复为额定电压，测量阻抗为无穷大，电流、电压、阻抗元件全部返回，死区判别逻辑返回，不会误动作。即使5041或5042断路器的电流有暂态过程，CT二次存在拖尾电流，该拖尾电流可能大于第二电流死区门槛值，但拖尾电流是一个按指数衰减的非周期分量，该电流波形不符合交变电流特征(在一个工频周期内没有过零点点或者最多只有一个过零点)。由于电压元件和阻抗元件已经返回，死区判别逻辑同样会正确返回。

第二种情况，如果是F4点故障，断路器5041、5042跳开后，故障没有被隔离，仍然由边断路器5043和变压器T42对F4点提供短路电流，中断路器5042的电流持续大于第二电流死区门槛值，且该电流波形符合交变电流特征(一个工频周期内至少有两个过零点)，电压元件和测量阻抗元件也不返回，死区判别逻辑正确判断出5042为死区故障，发跳闸命令，跳开本站边断路器5043、变压器T42的中压侧和低压侧断路器，将死区故障彻底隔离。

图1中，F3故障点发生故障时，对应的II母母线保护动作跳闸，分析过程同F2点，只是故障区域限定在II母故障区，与之关联的边断路器为5013、5023、5033、5043。F6故障点发生故障时，变压器T42的变压器保护动作跳闸，将故障隔离，死区判别逻辑会正确返回，分析过程同F5点。

所以，无论变电站的故障点发生在任何位置，该方法都可以判别出故障边断路器或故障中断路器。

步骤6：根据死区故障定位结果，跳开相应断路器，将死区故障彻底隔离。

当判出边断路器死区故障时，则跳开该边断路器所在串的中断路器、与该边断路器相邻的线路对侧断路器或变压器的中压侧和低压侧断路器；

当判出中断路器死区故障时，则跳开该中断路器所在串的边断路器、与该中断路器相邻的线路对侧断路器或变压器的中压侧和低压侧断路器。

以上描述仅仅借助于实施细节提供本发明的实现方法。对于本领域的技术人员是显而易见的，本发明不限于上面提供的实施细节，可以在不脱离本发明特征的情况下以另外的实施细节实现。因此，提供的实施细节应当被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，实现和使用本发明的可能性是由所附的权利要求限定。因而，由权利要求确定的实现本发明的各种选择包括等效实施细节也属于本发明的范围。