3/2接線方式母差保護擴建間隔壓板操作次序優化

劉懷宇，楊 柳，陳 昊，張海華，何嘉弘

（1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；3.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096）

0 引言

電力系統中直接用于生產、輸送、分配電能的電氣設備稱為“一次設備”，如線路、斷路器、母線等。對這些一次設備工況進行監測、控制、調節以及保護的低壓電氣設備稱為“二次設備”［1-3］。將這些二次設備相互連接在一起從而實現特定功能的回路稱為“二次回路”［4-7］。二次回路的可靠性直接影響著繼電保護系統的可靠性，因而對二次回路的研究意義顯著［6-12］。

通常為便于運維檢修操作，常規變電站在二次回路中增加1 個～2 個可見斷開點，并借助“硬壓板”實現對斷開點的控制；對于智能變電站則一般是通過軟壓板實現對二次“虛回路”的控制［13-17］。變電站壓板的研究廣受關注，文獻［18］-文獻［22］對變電站壓板的狀態識別方法以及相關算法進行研究；文獻［23］-文獻［25］對變電站壓板狀態監測以及校核技術進行研究；文獻［26］對變電站軟壓板防誤操作進行研究。但關于變電站壓板操作次序的討論尚無文獻涉及，對壓板操作次序優化所帶來的工作效率的提高亦無文獻涉及。因此在保證電網設備安全的前提下，對變電站壓板操作次序優化進行研究有利于提高變電站運維檢修的工作效率，并且對電網的安全穩定運行具有重要的意義。

目前大部分500 kV 及以上變電站一次接線采用3/2 接線方式，為便于討論分析，本文以3/2 接線方式500 kV變電站擴建5011斷路器間隔為例，討論啟動過程中500 kV I母母差保護5011斷路器間隔壓板操作次序的變化及其對5011 斷路器保護、500 kV I 母母差保護等動作行為的影響。在保證電網設備安全的前提下，提出500 kV I 母母差保護5011 斷路器間隔壓板最優操作次序，從而顯著減少壓板操作量，進而節約時間成本。

1 研究背景

1.1 3/2接線方式母差保護的二次回路

常規變電站通過電纜傳遞電氣量信號，其壓板為硬壓板；智能變電站通過光纜傳遞通用面向對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）信號，其壓板為GOOSE軟壓板［27-30］，此處關于智能變電站二次回路的討論是基于GOOSE 直跳方式展開。圖1為500 kV I母母差保護與5011斷路器間隔相關二次回路，其中圖1（a）為常規變電站、圖1（b）為智能變電站。

圖1 I母母差保護5011斷路器間隔相關二次回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of the secondary circuit about 5011 circuit breaker bay in the I bus-bar differential protection

為便于分析描述，常規變電站500 kV I 母第一套母差保護的5011斷路器失靈聯跳開入壓板、啟動5011斷路器失靈開出壓板、5011斷路器A相跳閘壓板、5011斷路器B 相跳閘壓板、5011 斷路器C 相跳閘壓板分別從P1.1 至P1.5 進行編號，相應的常規變電站500 kV I母第2套母差保護的5個硬壓板分別從P2.1至P2.5進行編號、智能變電站500 kV I母第1套母差保護的兩個軟壓板分別從P3.1 至P3.2 進行編號，智能變電站的500 kV I 母第2 套母差保護的兩個軟壓板分別從P4.1至P4.2進行編號，如圖1所示。

1.2 啟動步驟

根據《華東電網直調設備技改、大修后設備啟動方案編制工作規范》的規定可知，5011 斷路器的電流互感器TA 電流回路接入500 kV I 母第1 套母差保護、500 kV I 母第2 套母差保護的啟動步驟，為便于分析，對其進行一定程度的簡化，如表1所示。

表1 啟動步驟Table 1 Start-up steps

2 故障預想

圖2為3/2接線方式的一次系統圖，其中500 kV甲線與5011 斷路器為新擴建一次設備?；诒?，可知需要在啟動過程中將5011斷路器TA回路接入500 kV I 母第1 套母差保護以及500 kV I 母第2 套母差保護，接著通過5011斷路器空充500 kV甲線進行5011斷路器TA回路帶負荷校驗工作，帶負荷過程中500 kV I母母差保護單套運行。

圖2 一次系統圖Fig.2 Primary system diagram

圖2 中位置①、②是一次設備故障預想位置。針對故障位置①，即500 kV甲線線路保護范圍內存在隱患引起的故障，此時將由500 kV 甲線線路保護、5011斷路器過流保護動作跳開5011 斷路器。若此時5011斷路器失靈，則5011 斷路器保護需要聯跳500 kV I 母母差保護，從而切除故障。

針對故障位置②，即500 kV I 母母差保護范圍內存在隱患引起的故障，此時將由500 kV I 母母差保護動作跳開5011 斷路器、5021 斷路器，從而切除故障。此時通過5011斷路器空充500 kV甲線，故障位置②僅有經過5021斷路器提供的電源點，5011斷路器失靈與否并不影響故障切除。

3 500 kV 母差保護壓板操作次序優化分析

基于故障分析結果，可知在5011斷路器從熱備用改運行前，即表1 中步驟4，500 kV I 母母差保護5011斷路器間隔壓板的狀態對系統發生故障時保護動作切除故障無任何影響。由于帶負荷校驗工作的結束，表明新設備具備入網運行條件，上述間隔壓板必須投入運行。因而擴建間隔壓板是在步驟5或步驟6的信號改為跳閘狀態時投入、還是在步驟3 的信號改為跳閘狀態時投入、亦或在步驟1之前便投入，有必要做進一步的分析。

3.1 500 kV I母第1套母差保護影響分析

如表2所示，500 kV I母第1套母差保護5011斷路器間隔壓板在步驟1 前投入后的狀態變化情況，其中●表示壓板投入、○表示壓板退出。由表2 可知常規站壓板P1.1-P1.5、智能站壓板P3.1-P3.2 在此種方式下需要投入3次、退出2次。

表2 優化前500 kV I母第一套母差保護壓板狀態Table 2 Plate states of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection before optimization

對于500 kV I母第1套母差保護5011斷路器失靈聯跳母差保護開入壓板，如未在步驟3時投入，根據故障分析結果，當5011 斷路器失靈時，將因5011 斷路器失靈聯跳母差回路功能缺失導致500 kV I 母第1 套母差保護拒動，此時500 kV I母第2套母差保護尚處于信號狀態，從而存在丙線、丁線后備保護動作切除故障而擴大事故范圍的風險。若開入壓板在步驟1 前投入，則將存在5011 斷路器保護裝置因未進行帶負荷校驗誤發失靈聯跳500 kV I 母第1 套母差保護的風險。由于3/2接線母差保護失靈聯跳無電壓閉鎖等閉鎖邏輯，若此時I母母線區外故障通過較大穿越性電流引起電網擾動，這將引起母差保護誤動。由于斷路器保護經出廠檢測、現場調試、竣工驗收等多層把關，誤動可能性幾乎為零。

對于500 kV I母第1套母差保護5011斷路器間隔開出壓板，如未在步驟3 投入，將存在500 kV I 母第1套母差保護無法出口5011 斷路器跳閘以及啟動5011斷路器保護失靈的風險。根據故障分析結果，當500 kV I母第1套母差保護5011斷路器失靈聯跳母差保護開入壓板在步驟3時投入，無論500 kV I母第1套母差保護5011 斷路器間隔開出壓板是否投入均不影響故障切除。因而可以考慮開入壓板在步驟6 投入，從而減少運維人員壓板操作工作量，進而節約時間成本。

綜上所述，可得優化后500 kV I母第1套母差保護5011斷路器間隔壓板啟動過程中的狀態情況，即如表3所示，由表可知常規站壓板P1.1、智能站壓板P3.1需要投入2 次、退出1 次；常規站壓板P1.2-P1.5、智能站壓板P3.2僅需要投入1次。

表3 優化后500 kV I母第一套母差保護壓板狀態Table 3 Plate states of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection after optimization

為方便分析統計，將壓板投入與退出各計為1 次操作，則可得如表4所示的優化前后500 kV I母第1套母差保護5011 斷路器間隔壓板操作量對比，由表4 可知，優化前后常規站操作量由25次降為7次，操作量減少18 次；優化前后智能站操作量由10 次降為4 次，操作量減少6次。

表4 優化前后500 kV I母第一套母差保護壓板操作量對比Table 4 Comparison of the first set of 500 kV I bus-bar differential protection plate workload before and after optimization

3.2 500 kV I母第2套母差保護影響分析

如表5所示，500 kV I母第2套母差保護5011斷路器間隔壓板在步驟1前投入后的狀態變化情況。由表5可知常規站壓板P2.1-P2.5、智能站壓板P4.1-P4.2在此種方式下需要投入2次、退出1次。

表5 優化前500 kV I母第2套母差保護壓板狀態Table 5 Plate states of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection before optimization

基于500 kV I母第1套母差保護的分析過程，可知5011 斷路器失靈聯跳母差保護開入壓板至少應在步驟5時投入，500 kV I母第2套母差保護5011斷路器間隔開出壓板是否投入均不影響故障切除，則可得優化后500 kV I母第2套母差保護5011斷路器間隔壓板啟動過程中的狀態情況，即如表6所示。

表6 優化后500 kV I母第2套母差保護壓板狀態Table 6 Plate states of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection after optimization

表7 所示為優化前后500 kV I 母第2 套母差保護5011斷路器間隔壓板操作量對比，由表7可知，優化前后常規站操作量由15 次降為5 次，操作量減少10 次；優化前后智能站操作量由6 次降為2 次，操作量減少4次。

表7 優化前后500 kV I母第2套母差保護壓板操作量對比Table 7 Comparison of the second set of 500 kV I bus-bar differential protection plate workload before and after optimization

3.3 優化結果

基于500 kV I 母母差保護影響分析結果，可得500 kV I母母差保護5011斷路器間隔壓板操作次序優化表，如表8 所示。無論智能站還是常規站，500 kV I 母第1 套母差保護5011 斷路器間隔開入壓板需在帶負荷校驗前改為跳閘狀態時投入、開出壓板需要在帶負荷校驗之后改為跳閘狀態時投入；500 kV I母第2套母差保護5011 斷路器間隔開入開出壓板均在帶負荷校驗之后改為跳閘狀態時投入。

表8 500 kV I母母差保護5011斷路器間隔壓板操作次序優化Table 8 Operation routine optimization of the 5011 circuit breaker bay plates in 500 kV I bus-bar differential protection

4 結語

本文以5011 斷路器間隔擴建為例，探討500 kV I母母差保護5011 斷路器間隔壓板操作次序及其對保護動作行為的影響，得出結論如下：

1） 優化后500 kV I母第1套母差保護5011斷路器間隔開入壓板需在帶負荷校驗前改為跳閘狀態時投入，開出壓板需要在帶負荷校驗之后改為跳閘狀態時投入，相比優化前壓板操作量常規站降低72%、智能站降低60%；

2） 優化后500 kV I母第2套母差保護5011斷路器間隔開入開出壓板均在帶負荷校驗之后改為跳閘狀態時投入，相比優化前壓板操作量常規站與智能站均降低66.7%。

本文僅對3/2接線方式空充線路情況下500 kV母差保護擴建間隔壓板最優操作次序進行討論，能夠給同類型的工程應用一定程度的參考。今后將對其它接線方式或不同運行方式下壓板操作優化進行分析討論，以提高本文研究的普適性。