一种变电站自适应倒闸的母线保护方法及系统与流程

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种变电站自适应倒闸的母线保护方法及系统。

背景技术：

倒闸操作是变电站值班人员日常最重要的工作之一，也是造成严重事故最多的误操作，同时倒闸期间的运行方式也是电网运行最薄弱的环节。为了降低倒闸操作对电网的影响，电网组织制定了严苛的倒闸操作原则，规定了倒闸操作应避开敏感时间段(每天7:00-23:00及特殊保供电时期)，同时要求倒闸操作过程单一故障避免全站失压。上述管理措施一定程度上降低了电网的风险，但同时增加了大量的夜间操作，造成操作人员精神状态不稳定，增大了误操作的风险。

同时，随着智能变电站的推广应用，变电站程序化操作已在多地试点应用，然而变电站内跨间隔程序化操作一直没有有效的解决方案，特别是双母线倒闸操作时母联空开、保护压板的投退以及双跨时刀闸的位置识别等均是十分困难的问题。因此，开展变电站自适应倒闸操作的研究具有重要意义。

1)母差保护失去选择性：整个倒闸操作期间由于母差保护的母线互联压板的长期投入，母差保护长时间失去选择性，将导致倒闸操作期间发生故障，扩大事故范围。

2)人工操作的不确定性：母线互联压板和母联断路器控制电源的投退完全由操作人员手动完成，一定程度上增加了倒闸操作时间，增加了变电站在非正常运行方式下发生故障的风险。另外，倒闸操作多在夜间进行，操作人员精神状态不稳定也会增大误操作的风险。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种变电站自适应倒闸的母线保护方法及系统，可以根据虚拟差动电流的计算结果来判别刀闸故障，并采用措施切除相关故障，避免事故扩大以及变电站全站停电的恶性后果发生。

本发明提供的一种变电站自适应倒闸的母线保护方法，应用于变电站的母线系统以及多条支路中，所述母线系统包括第一条母线和第二条母线，每一条支路均通过两个刀闸分别接入所述第一条母线和所述第二条母线，

所述变电站自适应倒闸的母线保护方法，包括下述步骤：

s1、通过母线保护装置接收实时采集的所述第一条母线的电流采样值和所述第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值和每一条支路上的刀闸的位置信号，其中，刀闸的位置信号包括刀闸的合位接点信号和分位接点信号；

s2、所述母线保护装置根据所采集的电流采样值以及每一条支路上的刀闸的位置信号，计算所述母线系统的虚拟差流，以及所述第一条母线的虚拟差流和所述第二条母线的虚拟差流；

s3、所述母线保护装置判断所述母线系统的虚拟差流是否平衡，若所述母线系统的虚拟差流平衡，则进一步判断所述第一条母线的虚拟差流和所述第二条母线的虚拟差流是否平衡；

s4、当所述第一条母线和所述第二条母线中的至少一条母线的虚拟差流不平衡时，再根据当前时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号和上一时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号，以及每一条支路的电流采样值，确定发生异常的刀闸位置以及刀闸在发生异常之前的位置信号，并记录刀闸在发生异常之前的位置信号，以便根据刀闸发生异常之前的位置信号切除故障支路。

优选地，步骤s4，具体包括下述步骤：

当所述第一条母线和所述第二条母线中只有一条母线的虚拟差流不平衡时，则根据每一条支路的电流采样值判断是否存在电流采样值为零的支路，若存在，并判断电流采样值为零的支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则将该刀闸在上一时刻的位置信号作为该刀闸发生异常之前的位置信号。

优选地，步骤s4，具体还包括下述步骤：

当所述第一条母线的虚拟差流不平衡且所述第二条母线的虚拟差流不平衡时，则判断支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则计算该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流中，只有一个为零且另一个不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流均不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态且该刀闸所在支路的其他刀闸发生异常之前的位置信号也对应合闸状态。

优选地，还包括下述步骤：

所述母线保护装置在没有接收到刀闸的位置信号且持续的时间达到设定的刀闸操作最长时间时，则判断该刀闸的位置异常，并根据潮流自动识别该刀闸的位置，在识别出该刀闸的位置之后，控制该刀闸所在支路上的所有刀闸均合闸，使得该支路转化为双母线运行。

优选地，还包括下述步骤：

所述母线保护装置在同时接收到同一条支路上的两把刀闸的合位接点信号和分位接点信号时，则判断该刀闸的位置异常，并控制该条支路上的一个刀闸合闸且另一个刀闸分闸，使得该条支路转化为单母线运行。

本发明还提供一种变电站自适应倒闸的母线保护系统，包括：母线系统、多条支路、电流互感器以及母线保护装置，所述母线系统包括第一条母线和第二条母线，每一条支路均通过两个刀闸分别接入所述第一条母线和所述第二条母线；

所述电流互感器，用于实时采集所述第一条母线的电流采样值和所述第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值，并将采集的电流采样值上传至所述母线保护装置；

所述母线保护装置包括：

信号采集模块，用于接收实时采集的所述第一条母线的电流采样值和所述第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值和每一条支路上的刀闸的位置信号，其中，刀闸的位置信号包括刀闸的合位接点信号和分位接点信号；

差流计算模块，用于根据所采集的电流采样值以及每一条支路上的刀闸的位置信号，计算所述母线系统的虚拟差流，以及所述第一条母线的虚拟差流和所述第二条母线的虚拟差流；

平衡判断模块，用于判断所述母线系统的虚拟差流是否平衡，若所述母线系统的虚拟差流平衡，则进一步判断所述第一条母线的虚拟差流和所述第二条母线的虚拟差流是否平衡；

位置信号记录模块，用于当所述第一条母线和所述第二条母线中的至少一条母线的虚拟差流不平衡时，再根据当前时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号和上一时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号，以及每一条支路的电流采样值，确定发生异常的刀闸位置以及刀闸在发生异常之前的位置信号，并记录刀闸在发生异常之前的位置信号，以便根据刀闸发生异常之前的位置信号切除故障支路。

优选地，位置信号记录模块，进一步地用于：

当所述第一条母线和所述第二条母线中只有一条母线的虚拟差流不平衡时，则根据每一条支路的电流采样值判断是否存在电流采样值为零的支路，若存在，并判断电流采样值为零的支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则将该刀闸在上一时刻的位置信号作为该刀闸发生异常之前的位置信号。

优选地，位置信号记录模块，还进一步地用于：

当所述第一条母线的虚拟差流不平衡且所述第二条母线的虚拟差流不平衡时，则判断支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则计算该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流中，只有一个为零且另一个不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流均不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态且该刀闸所在支路的其他刀闸发生异常之前的位置信号也对应合闸状态。

优选地，所述母线保护装置还包括：

第一异常判断模块，用于在没有接收到刀闸的位置信号且持续的时间达到设定的刀闸操作最长时间时，则判断该刀闸的位置异常，并根据潮流自动识别该刀闸的位置，在识别出该刀闸的位置之后，控制该刀闸所在支路上的所有刀闸均合闸，使得该支路转化为双母线运行。

优选地，所述母线保护装置还包括：

第二异常判断模块，用于在同时接收到同一条支路上的两把刀闸的合位接点信号和分位接点信号时，则判断该刀闸的位置异常，并控制该条支路上的一个刀闸合闸且另一个刀闸分闸，使得该条支路转化为单母线运行。

实施本发明，具有如下有益效果：当有一条母线的虚拟差流不平衡时，再根据当前时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号和上一时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号，以及每一条支路的电流采样值，确定发生异常的刀闸位置以及刀闸在发生异常之前的位置信号，并记录刀闸在发生异常之前的位置信号，以便根据刀闸发生异常之前的位置信号切除故障支路。本发明提供的方法会根据虚拟差动的计算结果来判别故障所在，并可以采用相应的措施切除相关故障，而不至于扩大事故，避免了全站停电的恶性后果发生，从而保证变电站正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的母线系统以及多条支路的示意图。

图2是本发明提供的变电站自适应倒闸的母线保护方法的流程图。

图3是本发明提供的虚拟差动量的基本逻辑框图。

图4是本发明提供的刀闸由合到分的虚拟差动逻辑示意图。

图5a、5b是本发明提供的两种不同情形下，刀闸位置异常的纠错逻辑示意图。

图6是本发明提供的母线保护装置的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种变电站自适应倒闸的母线保护方法，该方法应用于变电站的母线系统以及多条支路中(如图1所示)，母线系统包括第一条母线(简称i母)和第二条母线(简称ii母)，每一条支路均通过两个刀闸分别接入第一条母线和第二条母线。

如图2所示，变电站自适应倒闸的母线保护方法包括下述步骤：

s1、通过母线保护装置接收实时采集的第一条母线的电流采样值和第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值和每一条支路上的刀闸的位置信号，其中，刀闸的位置信号包括刀闸的合位接点信号和分位接点信号。

s2、母线保护装置根据所采集的电流采样值以及每一条支路上的刀闸的位置信号，计算母线系统的虚拟差流(即虚拟差动电流，也称为虚拟大差差流)，以及第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流(单条母线的虚拟差流也称为虚拟小差差流)。

s3、母线保护装置判断母线系统的虚拟差流是否平衡，若母线系统的虚拟差流平衡，则进一步判断第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流是否平衡。

s4、当第一条母线和第二条母线中的至少一条母线的虚拟差流不平衡时，再根据当前时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号和上一时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号，以及每一条支路的电流采样值，确定发生异常的刀闸位置(需要说明的是，这里“发生异常的刀闸位置”指的是该刀闸位于哪一条支路上且接在哪一根母线上，与刀闸的位置信号并不相同)以及刀闸在发生异常之前的位置信号，并记录刀闸在发生异常之前的位置信号，以便根据刀闸发生异常之前的位置信号切除故障支路。

一般而言，在刀闸没有出现故障异常时，刀闸合闸时，刀闸的合位接点会输出高电平信号(可用数字“1”表示)至母线保护装置，刀闸的分位接点会输出低电平信号(可用数字“0”表示)至母线保护装置；刀闸分闸时，刀闸的合位接点会输出低电平信号(可用数字“0”表示)至母线保护装置，刀闸的分位接点会输出高电平信号(可用数字“1”表示)至母线保护装置。当母线保护装置接收到刀闸的接点信号为11或者00时，表示该刀闸出现了异常。

正常情况下，倒闸过程中，刀闸位置由合(10)变为分(01)，这个过程中如果出现故障或者刀闸异常等情况，例如刀闸位置异常状态11或00，本发明提供的方法会根据虚拟差动的计算结果来判别故障所在，并可以采用相应的措施切除相关故障，而不至于扩大事故，避免了全站停电的恶性后果发生，从而保证变电站正常运行。

母线保护经典电流差动原理为：|i1+i2+…+in|≥i0(式中i1、i2、…、in为支路电流，i0为差动电流门坎值)。母线差动保护是将母线上所有的各连接元件的电流互感器按同名相、同极性连接到差动回路，形成具有跳闸出口的差动量。排除母线系统不平衡电流及母线故障时电流流程的情况，如果母线系统没有故障，则母线差动保护的大差差流和小差差流都满足σi＝0。

对于双母线主接线，母线保护大差判据为确保母线故障时保护动作的可靠性，不考虑各间隔刀闸位置，只作为母线保护故障判别启动元件。小差判据依据每段母线所在间隔的刀闸位置形成的电流差动作为故障判别主逻辑，决定对故障性质、破坏强度的判别，母线段选择性以及形成跳闸出口，最终切除故障。

现有母线保护按段形成两个运行方式字(i母和ii母)，i母即第一条母线，ii母即第二条母线，因每个间隔实际运行态有4种情况，如果运行方式字有错，但i母和ii母方式字无法相互直接校核，依据方式字形成的电流差动逻辑到出口跳闸，将毫无防范，严重降低了现有母线保护的可靠性；如果母线保护能通过电流校验能识别出明显异常，往往简单将双母线强制为单母线，保护失去选择性。由此可见刀闸位置在现有母线保护差动逻辑中的重要性。

在采用刀闸双位置接入母线保护装置后，将新增6个临时运行方式字和6个对应虚拟差流。整个母线形成两个虚拟大差差流(分别依据常开节点和常闭节点计算)；每段母线再形成两个临时运行方式字及对应的两个虚拟小差差流；两段母线的4个临时运行方式字形成4个虚拟差动电流互校，并与两个虚拟大差差流进行校核。虚拟差动量的基本逻辑框图如下图3所示。

如图4所示，图4示出了刀闸由合到分的虚拟差动逻辑示意图。

依据刀闸双位置形成的虚拟差流，大差虚拟差流在母线系统没有故障时为零；若存在某个间隔的刀闸位置丢失，则大差虚拟差流不等于零。对于各段母线虚拟差流，由于存在刀闸双跨、刀闸位置节点不正常反应刀闸实际状态等情况，则可能出现i母/ii母虚拟差流不平衡的情况，此时通过刀闸记忆、虚拟差流综合比照，可以实现对异常刀闸位置的预判定位，精准告警。

如下表所示，以某支路从ⅰ母倒到ⅱ母的倒闸操作为例，倒闸完毕之后，依据ⅰ母、ⅱ母虚拟差动及各刀闸虚拟装置位置，形成虚拟差流对照表。

倒闸操作过程中各虚拟差流示意表

进一步地，步骤s4，具体包括下述步骤：

当第一条母线和第二条母线中只有一条母线的虚拟差流不平衡时，则根据每一条支路的电流采样值判断是否存在电流采样值为零的支路，若存在，并判断电流采样值为零的支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则将该刀闸在上一时刻的位置信号作为该刀闸发生异常之前的位置信号。如图5a所示，图5a示出了刀闸位置异常且对应支路没有电流时的纠错逻辑示意图。

进一步地，步骤s4，具体还包括下述步骤：

当第一条母线的虚拟差流不平衡且第二条母线的虚拟差流不平衡时，则判断支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则计算该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流中，只有一个为零且另一个不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流均不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态且该刀闸所在支路的其他刀闸发生异常之前的位置信号也对应合闸状态。如图5b所示，图5b示出了刀闸位置异常且两条母线的虚拟小差均不平衡时的纠错逻辑示意图。

并且，步骤s4中，还可以包括下述步骤：当支路上的刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，还计算该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，并根据该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流验证该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流是否正确。

一般地，当该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流为零时，则该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流不为零，当该刀闸合闸时对应的第二条母线的虚拟差流为零时，则该刀闸分闸时对应的第二条母线的虚拟差流不为零。

变电站自适应倒闸的母线保护方法还包括下述步骤：

母线保护装置在没有接收到刀闸的位置信号且持续的时间达到设定的刀闸操作最长时间时，则判断该刀闸的位置异常，并根据潮流自动识别该刀闸的位置，在识别出该刀闸的位置之后，控制该刀闸所在支路上的所有刀闸均合闸，使得该支路转化为双母线运行。母线保护装置在没有接收到刀闸的位置信号且持续的时间没有达到设定的刀闸操作最长时间时，母线保护装置控制该支路转化为单母线运行。

当母线保护装置判断某条支路上有一把刀闸的常开接点(合位接点)和常闭接点(分为接点)的信号都有时，则判断刀闸位置异常，根据潮流自动识别刀闸的位置，判断刀闸是处于合位还是分位。

变电站自适应倒闸的母线保护方法还包括下述步骤：

母线保护装置在同时接收到同一条支路上的两把刀闸的合位接点信号和分位接点信号时，则判断该刀闸的位置异常，并控制该条支路上的一个刀闸合闸且另一个刀闸分闸，使得该条支路转化为单母线运行。

本发明还提供一种变电站自适应倒闸的母线保护系统，其包括：母线系统、多条支路、电流互感器以及母线保护装置，母线系统包括第一条母线和第二条母线，每一条支路均通过两个刀闸分别接入第一条母线和第二条母线。

电流互感器用于实时采集第一条母线的电流采样值和第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值，并将采集的电流采样值上传至母线保护装置。

如图6所示，母线保护装置包括：信号采集模块、差流计算模块、平衡判断模块、位置信号记录模块。

信号采集模块用于接收实时采集的第一条母线的电流采样值和第二条母线的电流采样值，以及实时采集的每一条支路的电流采样值和每一条支路上的刀闸的位置信号，其中，刀闸的位置信号包括刀闸的合位接点信号和分位接点信号。

差流计算模块用于根据所采集的电流采样值以及每一条支路上的刀闸的位置信号，计算母线系统的虚拟差流，以及第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流。

平衡判断模块用于判断母线系统的虚拟差流是否平衡，若母线系统的虚拟差流平衡，则进一步判断第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流是否平衡。

位置信号记录模块用于当第一条母线和第二条母线中的至少一条母线的虚拟差流不平衡时，再根据当前时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号和上一时刻每一条支路上各个刀闸的位置信号，以及每一条支路的电流采样值，确定发生异常的刀闸位置以及刀闸在发生异常之前的位置信号，并记录刀闸在发生异常之前的位置信号，以便根据刀闸发生异常之前的位置信号切除故障支路。

位置信号记录模块进一步地用于：

当第一条母线和第二条母线中只有一条母线的虚拟差流不平衡时，则根据每一条支路的电流采样值判断是否存在电流采样值为零的支路，若存在，并判断电流采样值为零的支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则将该刀闸在上一时刻的位置信号作为该刀闸发生异常之前的位置信号。

位置信号记录模块，还进一步地用于：

当第一条母线的虚拟差流不平衡且第二条母线的虚拟差流不平衡时，则判断支路上的刀闸在当前时刻的位置信号是否异常以及上一时刻的位置信号是否正常，若该刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，则计算该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流中，只有一个为零且另一个不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态，在该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流均不为零时，则判断该刀闸发生异常之前的位置信号对应合闸状态且该刀闸所在支路的其他刀闸发生异常之前的位置信号也对应合闸状态。

并且，位置信号记录模块还可以用于：当支路上的刀闸在当前时刻的位置信号异常且上一时刻的位置信号正常，还计算该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流，并根据该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流验证该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流和第二条母线的虚拟差流是否正确。

一般地，当该刀闸合闸时对应的第一条母线的虚拟差流为零时，则该刀闸分闸时对应的第一条母线的虚拟差流不为零，当该刀闸合闸时对应的第二条母线的虚拟差流为零时，则该刀闸分闸时对应的第二条母线的虚拟差流不为零。

母线保护装置还包括：第一异常判断模块、第二异常判断模块。

第一异常判断模块用于在没有接收到刀闸的位置信号且持续的时间达到设定的刀闸操作最长时间时，则判断该刀闸的位置异常，并根据潮流自动识别该刀闸的位置，在识别出该刀闸的位置之后，控制该刀闸所在支路上的所有刀闸均合闸，使得该支路转化为双母线运行。

第二异常判断模块用于在同时接收到同一条支路上的两把刀闸的合位接点信号和分位接点信号时，则判断该刀闸的位置异常，并控制该条支路上的一个刀闸合闸且另一个刀闸分闸，使得该条支路转化为单母线运行。

综上所述，本发明可以确保在倒闸过程中刀闸位置状态出错，且异常间隔在轻载或无流的情况下，仍然可以可靠且快速地切除故障。

本发明应用在变电站继电保护中，可有效的在变电站倒闸操作的过程中，根据所接收的刀闸的双位置信息，判别各支路所处的倒闸操作状态，自适应的处理倒闸中出现的故障，并不会无选择切除故障，导致事故扩大化，逻辑简单可靠，方便运行人员的操作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。