本发明公开了一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，包括：分别计算母线大范围差动电流、母线小范围差动电流以及间隔差动电流；根据大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线；间隔比率差动元件是否动作决定故障间隔；根据大差比率元件、小差比率元件以及间隔比率差动元件的动作情况，判断故障类型并对故障做出响应。本发明有益效果：能准确判断故障位置，快速切除隔离故障，防止单间隔内部故障时母线保护将所有联接元件均跳开，保证了母线保护动作的选择性，减小事故范围，提高了系统运行稳定性。
1.一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，包括以下步骤：(1)对于双母线或者双母分段主接线，假设两条母线上各连接单元均为从母线流出电流的方向为正方向；分别计算母线大范围差动电流、母线小范围差动电流以及间隔差动电流，根据计算的母线大范围差动电流、母线小范围差动电流以及间隔差动电流，判断相应的比率元件是否动作；
(2)根据大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线；间隔比率差动元件是否动作决定故障间隔；
(3)根据大差比率元件、小差比率元件以及间隔比率差动元件的动作情况，判断故障类型并对故障做出响应；
所述步骤(3)中，若母线侧CT至母线之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动动作，所有间隔差动均不动作，判断确为母线故障，线路保护不动作，母线保护跳开母线连接所有元件并远跳线路对侧断路器。
2.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(1)中，母线大范围差动电流计算范围为所有间隔线路侧CT；母线小范围差动电流计算范围为所有间隔母线侧CT；间隔差动电流计算范围为各个间隔母线侧CT与线路侧CT之间。
3.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(1)中母线大范围差动电流的计算方法为：式中， 表示各支路线路侧CT电流矢量。
4.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(1)中母线小范围差动电流的计算方法为：(1)Ⅰ母小差电流：
式中， 表示各支路母线侧CT电流矢量； 分别表示母联I母侧、II母
侧CT电流矢量；S11,S12,…,S1n表示各支路Ⅰ母刀闸位置；S21,S22,…,S2n表示各支路Ⅱ母刀闸位置；SML表示母线并列运行状态。
5.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(1)中间隔差动电流的计算方法为：(1)支路间隔差动电流：
其中，i＝1,2,…n； 分别为第i个间隔母线侧和线路侧CT二次电流矢量；Icdi为第i个支路间隔差动电流；
其中， 分别为母联I母线侧和II母线侧CT二次电流矢量；IcdML为母联间隔差动电流。
6.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(3)的具体方法为：(1)若线路侧CT与开关之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点隔离，大范围差动、小范围差动及所有间隔差动均无差流返回，判断为线路侧死区故障，母线保护不动作，母线其他元件继续运行；
(2)若母线侧CT与开关之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点仍存在，大范围差动及故障间隔差动仍有差流不返回，小范围差动仍不动作，判断为母线侧死区故障，母线保护动作跳开母线其他元件，母线跳开后经预定延时跳开故障间隔母线侧刀闸隔离故障，其他母线元件使用母线重合闸顺序合上非故障间隔断路器，母线继续运行。
7.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(3)的具体方法为：若母联断路器与II母线侧CT之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后II母小差动作跳开II母线，I母线正常运行；
若母联断路器与I母线侧CT之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后I母小差动作跳开I母线，II母线正常运行。
8.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，所述步骤(3)的具体方法为：若线路变电站A的L2线路侧CT与线路变电站B的L2线路侧CT之间发生故障，大范围差动、小范围差动和所有间隔差动均不动作，线路保护动作跳开线路两侧开关。
9.如权利要求1所述的一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，将母线侧CT加装在1刀闸气室内靠近断路器气室处，或在1刀闸气室与断路器气室之间单独加装母线侧CT。
实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法。
背景技术
[0002] 电力系统发生故障时，继电保护的选择性要求在最小的范围内、在对系统影响可能最小的处所，实现断路器的控制操作，将故障从系统中断开，以终止故障或系统事故的发展，最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。母线保护动作会切除故障母线上所连全部元件，一旦母线保护出现误判或错误动作，轻则损失负荷、影响设备安全，重则造成大面积停电，甚至引起系统稳定问题导致电网运行崩溃瓦解。深入研究母线保护选择性动作技术及原理，改变传统粗放型母线故障诊断判别模式，对提升驾驭大规模电网能力，提高系统运行稳定性，防止事故扩大意义重大。
[0003] 现运行的线路保护与母线保护的算法原理及二次回路设计，均根据电网GIS设备实际情况，即各间隔断路器线路侧及母线侧均配置电流互感器，线路侧电流引入母线保护，母线侧电流引入线路保护，通过保护范围的交叉，保证线路、母线、断路器、电流互感器等元件任何位置故障均有保护动作跳开断路器切除。特别是线路侧与母线侧电流互感器之间发生故障，线路保护与母线保护均动作，保证故障可靠切除。这种配置虽保证了可靠性，但无法满足选择性要求。线路侧与母线侧电流互感器之间发生故障，仍属单间隔内部故障，不是真正的母线故障，线路侧电流互感器与断路器之间故障，仅需拉开单间隔断路器即可隔离，断路器与母线侧电流互感器之间故障，仅需拉开单间隔刀闸即可隔离，现运行母线保护动作将母线所联所有元件均跳开，实际上造成故障范围扩大，失去选择性。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，该方法设置接入所有间隔母线侧CT的母线小差，接入所有间隔线路侧CT的母线大差，以及接入各间隔母线侧CT与线路侧CT的间隔差动，根据三个差动计算判别结果，准确定位故障点位置，并针对不同位置故障采用不同的故障隔离方案。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用采用如下技术方案：
[0006] 一种实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，其特征是，包括以下步骤：
[0007] (1)对于双母线或者双母分段主接线，假设两条母线上各连接单元均为从母线流出电流的方向为正方向；分别计算母线大范围差动电流、母线小范围差动电流以及间隔差动电流，根据计算的母线大范围差动电流、母线小范围差动电流以及间隔差动电流，判断相应的比率元件是否动作；
[0008] (2)根据大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线；间隔比率差动元件是否动作决定故障间隔；
[0009] (3)根据大差比率元件、小差比率元件以及间隔比率差动元件的动作情况，判断故障类型并对故障做出响应；
[0010] 所述步骤(3)中，若母线侧CT至母线之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动动作，所有间隔差动均不动作，判断确为母线故障，线路保护不动作，母线保护跳开母线连接所有元件并远跳线路对侧断路器。
[0011] 所述步骤(1)中，母线大范围差动电流计算范围为所有间隔线路侧CT；母线小范围差动电流计算范围为所有间隔母线侧CT；间隔差动电流计算范围为各个间隔母线侧CT与线路侧CT之间。
[0012] 所述步骤(1)中母线大范围差动电流的计算方法为：
[0013]
[0014] 式中， 表示各支路线路侧CT电流矢量。
[0015] 所述步骤(1)中母线小范围差动电流的计算方法为：
[0016] (1)Ⅰ母小差电流：
[0017] (2)Ⅱ母小差电流：
[0018] 式中， 表示各支路母线侧CT电流矢量； 分别表示母联I母侧、II母侧CT电流矢量；S11,S12,…,S1n表示各支路Ⅰ母刀闸位置；S21,S22,…,S2n表示各支路Ⅱ母刀闸位置；SML表示母线并列运行状态。
[0019] 所述步骤(1)中间隔差动电流的计算方法为：
[0020] (1)支路间隔差动电流：
[0021]
[0022] 其中，i＝1,2,…n； 分别为第i个间隔母线侧和线路侧CT二次电流矢量；Icdi为第i个支路间隔差动电流；
[0023] (2)母联间隔差动电流：
[0024]
[0025] 其中， 分别为母联I母线侧和II母线侧CT二次电流矢量；IcdML为母联间隔差动电流。
[0026] 所述步骤(3)的具体方法为：
[0027] (1)若线路侧CT与开关之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点隔离，大范围差动、小范围差动及所有间隔差动均无差流返回，判断为线路侧死区故障，母线保护不动作，母线其他元件继续运行；
[0028] (2)若母线侧CT与开关之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点仍存在，大范围差动及故障间隔差动仍有差流不返回，小范围差动仍不动作，判断为母线侧死区故障，母线保护动作跳开母线其他元件，母线跳开后经预定延时跳开故障间隔母线侧刀闸隔离故障，其他母线元件使用母线重合闸顺序合上非故障间隔断路器，母线继续运行。
[0029] 所述步骤(3)的具体方法为：
[0030] 若母联断路器与II母线侧CT之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后II母小差动作跳开II母线，I母线正常运行；
[0031] 若母联断路器与I母线侧CT之间发生故障，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后I母小差动作跳开I母线，II母线正常运行。
[0032] 所述步骤(3)的具体方法为：
[0033] 若线路变电站A的L2线路侧CT与线路变电站B的L2线路侧CT之间发生故障，大范围差动、小范围差动和所有间隔差动均不动作，线路保护动作跳开线路两侧开关。
[0034] 将母线侧CT加装在1刀闸气室内靠近断路器气室处，或在1刀闸气室与断路器气室之间单独加装母线侧CT。
[0035] 本发明的有益效果是：
[0036] 本发明提出的可实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法，与传统的保护原理相比，该方法能准确判断故障位置，快速切除隔离故障，防止单间隔内部故障时母线保护将所有联接元件均跳开，保证了母线保护动作的选择性，减小事故范围，提高了系统运行稳定性。
[0037] 本发明提出的母线保护新原理及调控运行操作控制方案，实现了当精准判断为线路侧电流互感器与断路器之间故障时，保护动作仅跳开故障间隔断路器实现故障隔离；当精准判断为断路器与母线侧电流互感器之间故障时，自动/手动拉开单间隔刀闸隔离故障，母线上运行的所有非故障健全元件保持继续运行；当精准判断为真正的母线故障时，由母线保护正确动作跳开所有联接元件。
[0038] 本发明方法解决了目前GIS运行设备单间隔内部发生故障而母线保护非选择性动作、跳开所有母线连接元件扩大事故范围问题，从根本上改变传统粗放型母线故障诊断判别模式，避免了造成系统崩溃瓦解的严重后果，保证了电网稳定运行。解决了驾驭大电网迫切需要处理的核心问题，具有极强的实际应用价值，具备非常广阔的行业全面推广前景。
附图说明
[0039] 图1为传统双母线专用母联接线；
[0040] 图2为本发明母线保护新原理示意图；
[0041] 图3为本发明母线侧CT安装在Z1气室示意图；
[0042] 图4为本发明实施例故障位置分析图；
[0043] 图5为本发明实施例故障定位及处理流程图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。
[0045] 1、传统母线保护原理
[0046] 分段母线，如双母线、双母分段等主接线如图1所示，差动保护使用大差比率差动元件作为区内故障判别元件；使用小差比率差动元件作为故障母线选择元件。即由大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线。
[0047] 传统母线保护原理故障响应行为及停电范围如下：
[0048] (1)故障点在母线保护CT与断路器之间(见图1中k1故障点)
[0049] 母线保护与线路保护均动作，跳开故障线路开关及所在母线其他运行间隔，扩大了停电范围，仅跳开线路L2两侧断路器即可隔离故障。
[0050] (2)故障点在断路器与线路保护CT之间(见图1中k2故障点)
[0051] 母线保护与线路保护均动作，跳开故障线路开关及所在母线其他运行间隔，扩大了停电范围，仅跳开线路L2两侧断路器并拉开I、II母线隔离刀闸即可隔离故障。
[0052] (3)故障点在刀闸气室或母线(见图1中k3故障点)
[0053] 母线保护动作，跳开故障母线所有运行间隔，未扩大停电范围。
[0054] 2、本发明实现GIS故障精准切除及自动恢复供电的母线保护算法[0055] 双母线、双母分段等主接线如图2所示，大范围比率差动元件作为区内故障判别元件；小范围比率差动元件作为故障母线选择元件；间隔比率差动作为故障间隔选择元件。即由大差比率元件是否动作，区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作时，由小差比率元件是否动作决定故障发生在哪一段母线；间隔比率差动元件是否动作决定故障间隔。
[0056] 2.1基本原理
[0057] 设两条母线上各连接单元均为从母线流出电流的方向为正方向，如图3所示。
[0058] 第一个母线大范围差动计算范围为所有间隔线路侧CT；第二个母线小范围差动计算范围为所有间隔母线侧CT；间隔差动计算范围为各个间隔母线侧CT与线路侧CT之间。
[0059] 大范围差动电流公式：
[0060]
[0061] 式中， 表示各支路线路侧CT电流矢量。
[0062] 小范围差动电流公式：
[0063] (1)Ⅰ母小差电流：
[0064] (2)Ⅱ母小差电流：
[0065] 式中， 表示各支路母线侧CT电流矢量； 分别表示母联I母侧、II母侧CT电流矢量；S11,S12,…,S1n表示各支路Ⅰ母刀闸位置(0表示刀闸分，1表示刀闸合)；S21,S22,…,S2n表示各支路Ⅱ母刀闸位置；SML表示母线并列运行状态(0表示分裂运行，1表示并列运行)。
[0066] 支路间隔差动电流公式：
[0067]
[0068] 其中，i＝1,2,…n； 分别为第i个间隔母线侧和线路侧CT二次电流矢量；Icdi为第i个支路间隔差动电流。
[0069] 母联间隔差动电流公式：
[0070]
[0071] 其中， 分别为母联I母线侧和II母线侧CT二次电流矢量；IcdML为母联间隔差动电流。
[0072] 母线大差电流、I母小差电流、II母小差电流、支路间隔差动电流和母联间隔差动电流的故障动作判据分别为：
[0073]
[0074] 其中，K为比率制动系数；IjL为第j个连接支路的线路侧CT电流；IjB为第j个连接支路的母线侧CT电流；Icdzd为差动电流启动定值。
[0075] 2.2故障响应
[0076] (1)若线路侧CT与开关之间发生故障(图2中k1点故障)，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时(躲开关动作灭弧时间如160MS)先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点隔离，大范围差动、小范围差动及所有间隔差动均无差流返回，判断为线路侧死区故障，母线保护不动作，母线其他元件继续运行。
[0077] (2)若母线侧CT与开关之间发生故障(图2中k2点故障)，大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作，间隔差动保护跳开本间隔开关并远跳线路对侧开关，母线保护加小延时(躲开关动作灭弧时间如160MS)先不动作，线路两侧开关跳开后，故障点仍存在，大范围差动及故障间隔差动仍有差流不返回，小范围差动仍不动作，判断为母线侧死区故障，母线保护动作跳开母线其他元件，母线跳开后经预定延时跳开故障间隔母线侧刀闸隔离故障，其他母线元件使用母线重合闸顺序合上非故障间隔断路器，母线继续运行。
[0078] (3)若母线侧CT至母线之间发生故障(图2中k3点故障)，大范围差动动作，小范围差动动作，所有间隔差动均不动作，判断确为母线故障，线路保护不动作，母线保护跳开母线连接所有元件并远跳线路对侧断路器。
[0079] (4)若母联断路器与II母线侧CT之间发生故障(图2中k4点故障)，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后II母小差动作跳开II母线，I母线正常运行。
[0080] (5)若母联断路器与I母线侧CT之间发生故障(图2中k5点故障)，大范围差动动作，小范围差动不动作，母联间隔差动动作，判断确为母联故障，间隔差动跳开母联开关，母联开关跳开后I母小差动作跳开I母线，II母线正常运行。
[0081] (6)线路变电站A L2线路侧CT与线路变电站B L2线路侧CT之间发生故障(图2中k6点故障)，大范围差动、小范围差动和所有间隔差动均不动作，线路保护动作跳开线路两侧开关。
[0082] 3、母线保护CT布置改进
[0083] GIS是气体绝缘全封闭组合电器的简称，它把变电站一次设备如断路器、隔离开关、电流互感器、母线等元器件连接在一起，密封在一个接地的金属外壳内，壳内充有一定压强的SF6的绝缘气体以保证相间、地以及断口间的可靠绝缘。
[0084] 根据实际GIS气室结构，若母线侧CT安装在Z0气室内靠近Z1气室处，如图3出线1所示。经本方法判断，仅为母线侧死区故障(如k1)时，Z1气室无问题，拉开故障间隔母线刀闸即可隔离故障，恢复母线供电。但Z0气室故障绝缘击穿，会导致整个气室绝缘降低，引发母线侧CT本身故障，造成各差动判断结果错误。
[0085] 若母线侧CT安装在Z1气室内靠近Z0气室处，经本方法判断，仅为母线侧死区故障时，若仅母线侧CT与Z1气室壁之间发生故障(如k2)，Z1气室其他部分无故障，拉开故障间隔母线刀闸后可暂时隔离故障，但整个气室会因一点故障导致整体绝缘降低，发展为母线故障，母线保护将跳开母线连接所有元件。气室内局部故障引发整个气室故障的机率非常大，若仅判为母线侧死区故障而无母线故障，则Z1气室无问题。
[0086] 综合比较，建议母线侧CT加装在Z1气室内靠近Z0气室处，或在Z1与Z0气室之间单独加装母线侧CT。
[0087] 4、案例分析
[0088] 以220kVGIS设备为例，发生如图4所示位置故障时，根据上述GIS故障精准隔离母线保护新原理，可实现故障精准定位并迅速隔离，非故障部分快速恢复正常运行。
[0089] 1)A点故障，控制过程：
[0090] (1)利用公式(1)-(5)计算三个范围的差动电流，得出大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作。
[0091] (2)间隔差动动作后，母线保护延时160ms启动，躲开线路两侧开关动作时间。
[0092] (3)L1线路两侧断路器跳开，由图5可知，故障点A被隔离，判断为断路器与线路侧CT之间故障。大范围差动、小范围差动及所有间隔差动无差流返回，母线保护不动作，母线其他间隔继续运行。
[0093] 2)B点故障，控制过程：
[0094] (1)利用公式(1)-(5)计算三个范围的差动电流，得出大范围差动动作，小范围差动不动作，故障间隔差动动作，非故障间隔差动不动作。
[0095] (2)间隔差动动作后，母线保护延时160ms启动，躲开线路两侧开关动作时间。
[0096] (3)L1间隔两侧断路器跳开后，由图5可知，故障点B仍存在。大范围差动及L1间隔差动有差流不返回，小范围差动不动作，母线保护经延时后动作，跳开Ⅰ母线其他元件。判断为断路器与母线侧CT之间故障。
[0097] (4)故障定位后，自动/手动拉开故障间隔母线侧刀闸D2隔离故障，其他母线元件使用母线重合闸自动/手动合上断路器，母线继续运行。
[0098] 3)C点发生故障，控制过程：
[0099] (1)利用公式(1)-(5)计算三个范围的差动电流，得出大范围差动动作，小范围差动动作，所有间隔差动均不动作。
[0100] (2)判断为母线侧CT至母线之间发生故障。启动母线保护跳开Ⅰ母线连接所有元件，线路保护不动作。
[0101] 综上所述，该故障定位及调控方案流程如图5所示。
[0102] 与传统的保护原理相比，该方案能准确判断故障位置，快速切除隔离故障，防止单间隔内部故障时母线保护将所有联接元件均跳开，保证了母线保护动作的选择性，减小事故范围，提高了系统运行稳定性。
[0103] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
