基于母联功率方向的环网快速解列方法
广东电网有限责任公司揭阳供电局、南京南瑞继保电气有限公司的研究人员陈晓彬、孙旭等，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文，针对110kV环网运行方式下线路发生故障，线路保护因装置故障、原理失配、整定错误等原因拒动引起主变后备保护无选择性越级跳闸从而导致全站失压的问题，提出一种基于母联功率方向的环网快速解列方法，在主变保护动作1时限跳母联的同时，识别故障线路所属母线，并跳开相应母线上合环运行的线路断路器，防止全站失压，缩小停电范围。
仿真结果表明，若不考虑环网两条线路保护同时拒动，则本文提出的环网快速解列方法适用于110kV环网运行方式下线路任意位置的任意类型故障。
为满足社会经济的快速发展需求，我国电网规模逐渐增大、电压等级不断升高，电网的安全稳定运行及供电可靠性要求也越来越高。110kV电网接线一般采取闭环设计、开环运行的方式[1-3]，普遍存在多级串供的现象，供电可靠性不高。因此部分地区为了提高重要负荷的供电可靠性，采用了110kV环网线路闭环运行的非常规运行方式，如西安330kV南郊变、广东220kV饶平变等，均出现过因线路保护拒动或者断路器拒动引起的主变后备越级跳闸导致全站失压问题[4-6]，严重威胁电网安全。
针对此种情况，有文献[7-9]通过调整保护定值整定原则以减少故障的影响。调整保护整定方案优点在于保持了双回线供电变电站的供电可靠性，缺点是保护方案较复杂，需修改的定值较多，且对于对侧为负荷站的情况不适用。还有文献[10]提出通过改变电网运行方式消除外挂母联的措施，优点在于简单可靠、易于实现，缺点是降低了双回线供电变电站的供电可靠性。
本文研究了一套基于母联功率方向的环网快速解列[11]逻辑，以解决110kV环网运行方式下线路发生故障，线路保护因装置故障、原理失配、整定错误等原因拒动而引起主变后备保护无选择性越级跳闸导致全站失压的问题。
1 环网运行的全站失压问题
供电负荷较重、电源点严重不足的电网，从经济性和可靠性的角度，可以采用220kV变电站110kV两段母线经母联并列运行、110kV线路双回线环网运行的方式，如图1所示，C站为重要的终端负荷站，由AC Ⅰ线和ACⅡ线环网运行进行供电。
图1 110kV线路双回线环网运行示意图
当110kV线路AB线发生故障时，以下两种情况将造成线路保护装置拒动：①原理失配[12-13]，如线路距离保护退出（如误整定）情况下的不接地故障或转换性故障（接地转三相故障），线路零序过流无法反应故障或延时不够；②高阻接地[14-16]，高阻接地距离保护可能无法动作，零序电流很小，或零序电压很小误判CT断线闭锁零序过流保护。
线路保护装置拒动时，将可能造成220kV变电站的1#主变和2#主变后备保护越级跳闸。主变后备保护厂家一般提供三段相过流、三段零序过流。Ⅰ、Ⅱ段带方向（指向系统或主变），每段三个动作时限（一时限跳母联，二时限跳本侧，三时限跳各侧）。Ⅲ段不带方向，两个动作时限（一时限跳母联，二时限跳各侧），各时限级差一般为0.3s。
因此，1#主变和2#主变后备保护一时限跳母联CB3。母联CB3跳开后：1#主变经CB1-CB7仍感受到故障的存在，二时限跳本侧CB1，110kV Ⅰ母失压；2#主变经CB2-CB9-CB10-CB4-CB6-CB5-CB7也仍感受到故障的存在，而AC Ⅰ线及AC Ⅱ线线路保护装置的故障元件此时才开始计时，在线路保护远后备动作之前，2#主变后备保护二时限跳本侧CB2，110kV Ⅱ母失压。至此全站110kV失压，严重威胁电网安全。
若在2#主变二时限跳本侧之前，快速解列ACⅠ线和AC Ⅱ线的环网，则能将2#主变与故障隔离，保证110kV Ⅱ母正常运行。因此，迫切需要研究线路故障期间环网快速解列方法。
2 环网快速解列
当110kV Ⅰ母线路发生故障时，应保证Ⅱ母所挂线路全部正常运行。在环网解列时，应跳开ACⅠ线的CB5，保证ACⅡ线正常运行。因此，本文提出的环网快速解列方法基于母联功率方向判断拒动线路所属的母线。
在110kV双回线环网运行的变电站，设计新的环网快速解列装置。环网快速解列逻辑如图2所示。设置环网运行压板，识别环网运行线路；采集两段母线的电压以及母联的电流用于判断母联电流方向；分别采集两台主变的后备保护动作跳母联断路器的接点；当主变后备保护动作跳母联断路器时，同时母联过流元件动作且其功率方向流向本母线，则跳开本母线上环网运行的线路，实现环网快速解列。
图2 环网解列逻辑图
3 母联功率方向元件（略）
4 仿真研究
采用RTDS在线仿真系统，参照220kV揭阳变的一次拓扑结构，构建了本仿真系统模型。
仿真试验系统接线图如图1所示。系统接线形式为110kV侧单母分段接线，两个主变各挂一段母线、正常运行时母联合环运行，220kV母线带有独立等值电源，B、C变电站为终端负荷站。母联CT同名端在Ⅰ母侧，各支路CT同名端在母线侧。仿真系统PT变比为110kV/100V，母联CT变比为2000A/1A。单回线AB线长30km，双回线AC线长100km。线路参数和变压器参数分别见表1和表2。
表1 仿真系统线路参数表
表2 仿真系统变压器参数表
仿真试验时主要模拟非环网的单回线AB线F1点以及环网运行的双回线之一AC Ⅰ线F2点故障时（AC Ⅱ线与AC Ⅰ线性质类似），其对应的线路保护装置拒动，由主变中压侧后备过流跳闸，故障发生后150ms跳母联CB3。故障类型包含单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相相间短路故障，每次故障持续时间为500ms。重点考察故障过程中母联功率方向的流向。部分RTDS录波数据分别如图3至图6所示。
图3 AB线首端A相接地故障录波图
图3至图6中横坐标为故障相对时间，纵坐标从上至下依次为Ⅰ母三相电压、母联三相电流、故障相电流方向。橙色虚线分别为90°和270°，两条线之间为Ⅰ母母联功率方向动作区域。
图4 AB线末端BC相不接地故障录波图
图5 AC Ⅰ线首端BC相接地故障录波图
图6 AC Ⅰ线末端三相不接地故障录波图（C站环网两侧系统对称）
由图3可知，Ⅰ母单回线AB线首端A相接地故障发生后，A相母联电流方向由Ⅱ母指向Ⅰ母。环网快速解列装置收到主变跳母联开入后起动，母联功率方向元件判断母联电流流向Ⅰ母，经环网运行压板识别后跳开Ⅰ母上的环网线路AC Ⅰ线的断路器CB5，Ⅱ母与故障隔离。
由图4可知，Ⅰ母单回线AB线末端BC相不接地故障发生后，B相、C相母联电流方向由Ⅱ母指向Ⅰ母，环网解列元件将Ⅱ母与故障隔离。
由图5可知，Ⅰ母双回线之一AC Ⅰ线首端BC相接地故障发生后，B相、C相母联电流方向由Ⅱ母指向Ⅰ母，此时环网解列元件将CB5跳开后，可以避免Ⅰ母失压，保障B站供电的可靠性。
由图6可知，若环网对侧C变电站环线两侧等效系统对称，则AC Ⅰ线末端三相不接地故障发生后，母联电流基本为0，因此无法判别功率方向。
实际上，当环网运行的AC Ⅰ线发生各类故障时，A站双回线的线路保护以及C站AC Ⅰ线的线路保护（配置保护的情况下，从经济性角度考虑，一般终端负荷站不配置线路保护）均能判别故障在正方向。
不考虑两套线路保护装置同时拒动的情况，若C站AC Ⅰ线配置线路保护，则由线路保护跳开CB6，Ⅱ母与故障隔离；若C站AC Ⅰ线未配置线路保护，则由AC Ⅱ线线路保护跳开CB9，虽然C站仍然会失压，但是A站Ⅱ母未失压，Ⅱ母上其他出线及相连变电站不受影响。
RTDS仿真验证试验总体结论如下：
1）当非环网运行线路发生各类故障时，母联功率方向元件均指向故障支路所属母线，环网解列元件将无故障支路的母线与故障隔离。
2）环网运行的双回线中某一出线发生故障时：①出口等故障点较近各类故障，母联功率方向元件均指向故障支路所属母线，环网解列元件将故障支路与所属母线隔离，同时由双回线其他线路保护将无故障支路的母线与故障隔离；②末端三相故障，可能会发生母联电流接近0，导致母联功率无法判别的情况，此时由双回线其他线路保护将无故障支路的母线与故障隔离。
110kV环网运行方式下线路发生故障，线路保护拒动可能会引起主变后备保护无选择性越级跳闸，从而导致全站失压，本文提出一种基于母联功率方向的环网快速解列方法来解决此问题。
理论和仿真试验结果表明，本文提出的环网快速解列方法，无论是单回线还是环网运行的双回线发生各类故障，均可避免出现环网运行的两条母线因主变后备保护越级跳闸导致同时失压的情况，最大限度地保证了供电可靠性，对地区电网的安全、稳定运行具有重要意义。