微机保护实现母联备自投

目录第一章母联备自投保护模型建立与原理 (1)1.1 母联备自投保护建立 (1)1.2 母联备自投保护原理 (2)第二章采样与滤波电路 (3)2.1 采样模块 (3)2.2 滤波电路 (3)第三章电压电流算法 (4)3.1 两点计算原理 (5)3.2 两点计算模型 (5)第四章逻辑判断与控制 (6)4.1 一路电源故障时的逻辑判断 (6)4.2 一路电源恢复时的逻辑判断 (7)4.3 逻辑控制模块 (8)第五章故障设置与仿真结果 (10)5.1 故障类型设置 (10)5.2 仿真结果 (11)第六章结论与展望 (17)参考文献 (17)第一章 母联备自投保护模型建立与原理1.1 母联备自投保护建立备自投保护分为进线备自投保护和母联备自投保护，已经是微机保护系列中重要的一员，广泛的应用于各升、将压变电站母线切换，对保证供电可靠性和持续性发生着重要的作用。

母联备自投一般用于降压变电站内10kV 单母分段主母线切换。

三分段及以上母线有专用的快切装置实现，原理和母联备自投类似。

在一般的降压变电站、 开闭所内，有单母分段的场合一般都会配置母联备自投。

这是由于国网运行要求：正常运行时母联断路器断开，两路进线各自带各自的负荷运行，如果一路失去电源的情况下，由令一路对整个系统供电。

本文以一个将压变电站为例，利用PSCAD 对110kV 降压变电站10kV 单母分段母线母联备自投保护进行仿真。

如图1-1所示，图1-1 10kV 母联备自投保护两路电源模拟由两台主变低压侧引入电源，每个电源为10kV ，50Hz ，取10kV 系统的短路容量为334.8MV A,则基波阻抗如式（1-1）：20.2987U Z S==Ω (1-1) 配电网的基波电阻为如式（1-2）：0.04224R == (1-2) 配电网的基波电抗为如式（1-3）：70.2957X R == (1-3)因此系统的电源设置为串联电阻：R=0.04224Ω，串联电感值：L=0.0059H 。

并用这两个值估算系统阻抗。

两路进线和母联、10路出现都带断路器。

而每路出现的负荷用有功1MW,无功0.75Mvar ，有功对电压、无功对电压的变化率都为2来模拟实际的负荷变化情况。

每一路的额定负荷电流为721.68A，会比实际单个出现情况稍大些。

因为变电站的出线每路都在10路以上，考虑的与实际接近，因此将每路出现设置大一些。

母联备自投需要在两路进线分别按照进线PT和CT，图纸用INV_1、INV_2用来表示进线PT，用INI_I和INI_II用于表示进线CT，母线PT用BUSV_I和BUSV_II表示，母联电流用BUS_I表示。

每一路出线配置什么保护根据现场的需要额定，比如馈线三段式、电容器保护、电动机保护、接地变保护等等。

出现安装保护不在本文中讨论。

1.2 母联备自投保护原理正常运行时，两路进线断路器合闸，母联分闸运行。

两断母线各自带各自的负荷运行。

但其中一路进线PT和CT同时检测到无压与无流时，简称为无压无流判据，可以判断这一路的电源上游侧发生了故障。

无压的情况有可能PT断线、PT损坏等情况，无流可能是CT接线到保护安装处接线松动等，为了排除这些情况，必须要同时满足无压与无流的判据才能启动备自投保护。

此时备自投保护才能启动。

备自投启动后，先断开故障线路，再投合母联断路器。

这样在故障段负荷由非故障段电源供电，保证供电的可靠性。

但故障电源恢复供电时，故障进线PT将会检测到电源电压的恢复情况，此时母联备自投保护启动，先断开母联断路器，再合上故障线路。

恢复到各段带各段负荷运行的情况。

保护的逻辑如图1-2所示，图1-2母联备自投保护的逻辑第二章 采样与滤波电路由于处于中压配电网，系统在正常运行与故障运行情况下电压和电流存在谐波分量，对检测电压与电流存在干扰，这对备自投保护整定判断会存在干扰和影响，因此我们要对采样得到的电压、电流信号进行滤波，再输送到主保护元件进行判断。

2.1 采样模块微机保护的电压采样由电压互感器的二次端输入，额定线电压为100V ；电流采样由电路互感器输入，额定每相电流为5A,如果保护安装处距离电流互感器采样很远应该考虑每相电流为1A ，减少线路的损耗。

备自投装置需要采集两进线电源三相电压与三相电流，每个进线电源6路信号，一共12路信号。

而在实际的运行中需要采集到的模拟量信号转换为数字信号，输入处理器进行控制与逻辑判断。

2.2 滤波电路由于PSCAD 处理数组数量的限制，如果采用搭模块的积分滤波器，由于延时模块太多，PSCAD 不能运行。

最多只能对两路信号进线滤波。

这种情况用Fortran 语言编写可以避免数组的限制。

由于采用两点计算进线逻辑判断，滤波效果越好对逻辑判断越准确，因此本仿真通过两个差分滤波器级联进行滤波。

对单个差分滤波器而言，其滤波方程如式(2-1)所示，()()()y n x n x n k =-- (2-1)设输入正弦信号为()sin()m x x t X 2ft =π+ϕ，离散后()sin()m n x x n X 2ft =π+ϕ，离散延迟k 个采样点后为()sin[()]m n s x x n k X 2f t kT -=π-+ϕ，则差分滤波器的输出为(2-2)所示，()()()sin()cos()sin()=--=ππ-π+ϕ=π+ϕm s n s x m n y n x n x n k 2X fkT 2ft fkT Y 2ft (2-2)则差分滤波器的幅频特性为(2-3) m m s H(f)=Y /X =2sin(pfkT ) (2-3)需要滤去谐波的频率和基波及采用点数的关系如(2-4)所示 11m s Nf f kT k== (2-4) f m 为所能滤掉的谐波的频率，f 1为基波频率，则N/k 为所能滤掉的谐波的次数由式(2-4)可看出，只要是f m 的整数倍都能滤掉。

由于采用频率为1200Hz,工频为50Hz ，每个周期采样点数为N=24，当k=8时，可将滤掉3次及倍数次谐波滤掉，当k=6时，可将4次及倍数次谐波滤掉。

将两个滤波器级联可以把这两类谐波都滤掉。

采样和滤波模型如图2-1、2-2所示。

图2-1电压回路图2-2电流回路正常运行时滤波前与滤波后的对比如图2-3所示，FFT结果如图2-4、2-5所示。

图2-3滤波前后电路对比图2-4电流FFT直流分量图2-5电流FFT谐波含量从图中可以看出差分滤波电路将直流分量完全滤除了，对于衰减的直流风量也有很好的抑制作用。

直流分量大的原因是因为系统开始运行时电感磁链守恒引起的。

第三章电压电流算法备自投装置在对电压与电流信号采样与滤波后，处理器将对电压与电流信号进行计算。

逻辑判断元件对计算的结果进行判断电压电流是否越限来启动备自投保护用的。

在正常运行情况下，备自投保护处于被闭锁的状态。

启动元件不断地对采集到的电量进行判断，当出现故障时，启动元件启动备自投保护，备自投保护通过对当前电量进行判断，决定断路器跳不跳闸及能否合闸。

常用的算法有两点计算、半周积分算法、周期信号FFT算法。

各有优缺点，两点计算算法最简单，只需要5ms的时间间隔，但如果采样点误差较大计算结果误差大，易造成保护误动作；半周积分算法比两点计算复杂，时间至少15ms ，但是通过累加的形式可以避免采样值带来的误差；FFT 算法较前两种复杂，至少20ms ，具有滤波功能，但保护的速度动效果没前两种好。

备自投保护对电压和电流的幅值没有严格的要求。

只需要故障时能判断无压、无流，故障消除时能判断电压恢复就行。

因此采用算法简单，计算速度快的两点计算对电压电流进行计算。

3.1 两点计算原理采样间隔时间5ms 电压和电流的采样值用式(3-1)、(3-2)表示，12u sin()u sin(())m u m S u U t U t nT ωϕωϕ=+⎧⎨=++⎩ (3-1) 12i sin()i sin(())m m S i I t I t nT ωωϕ=⎧⎨=++⎩ (3-2) 经过交叉相乘并累加可式(3-3)、(3-4)表示，11211221u i u i [cos()cos()cos(2)]u i u i sin()sin()m m u i u i m m u i U I n T t n T U I n T ϕϕωωωϕϕϕϕω+=--+++⎧⎨-=-⎩(3-3) 11221221u i u i [cos()cos()cos(2)]u i u i [cos()cos()cos(2)]m m u i u i m m u i u i U I n T t n T U I n T t n T ϕϕωωωϕϕϕϕωωωϕϕ+=--+++⎧⎨+=--+++⎩ (3-4) 进一步化简可得式(3-5)，()()()1221112212212112212221122122u i -u i sin()tan =u i u i u i u i cos()(u u +u u )2u u cos()sin ()(+)2cos()sin ()u i m m n T n T n T U n T i i i i i i n T I n T ωϕϕωωωωω-+-+-=-= （） (3-5)由因为n T ω=π/2，得到最终结果(3-6)。

122111222221222212u i -u i tan =u i u i u +u +u i m m U I i i ϕϕ-+== （） (3-6)3.2 两点计算模型两点计算A 相电压和电流的幅值和相角模型如图（3-1）、（3-2）所示。

采样周期设置为200Hz 。

图(3-1)A相电压电流幅值图(3-2)A相电压电流相角正常运行情况下电压电流计算后的幅值如图(3-3)、(3-4)所示。

图(3-3)正常运行时两点计算三相电压幅值图(3-4)正常运行时两点计算三相电流幅值第四章逻辑判断与控制备自投保护是微机保护中电流电压输入、开入量开出出量最多的保护，保护逻辑也最复杂。

这是由于系统运行时两路进线和母联需要三合二闭锁，为防止两路电源并列运行，任何时刻只有两台断路器合闸。

4.1 一路电源故障时的逻辑判断当一路电源发生故障时，无论是三相直接短路还是两相相间短路，三相相电压、三相相电流都会相应的减小。

只要相应的设置低电压和低电流门限值，就可以判断出故障。

但实际中运行，需要考虑由PT断线、互感器二次接线断线等引起的无流并且无压信号，防止这些情况引起备自投保护误动作。

假设正常一次相电压是 5.77kV，一次电流根据系统所带负荷的变化而变化，保护的低电压门限值可以整定为2kV以下动过且电流门限值相应的比正常运行时要小甚至可以为0。

当系统刚送电或发生电源短时恍电的情况，此时保护需要躲过这种情况，不误动，因此需要延时判断。