一種提高分布式饋線自動化故障判定可靠性方法

張 偉，徐士華

（積成電子股份有限公司，山東 濟南 250100）

0 引言

饋線自動化系統(tǒng)具有隔離故障區(qū)域并使健全區(qū)域快速恢復(fù)供電功能[1-15]。對減小停電面積、縮短停電時間、提高供電可靠性具有重要意義。

分布式饋線自動化系統(tǒng)是一種依靠設(shè)備間的相互配合隔離故障及恢復(fù)健全區(qū)域供電的方法[7-10]。主要包括：重合器與電壓-時間型分段器配合饋線自動化，重合器與重合器配合饋線自動化，重合器與過流脈沖計數(shù)型分段器配合饋線自動化，開關(guān)相互通信型饋線自動化[7-14]。

筆者在文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于邏輯運算的分布式饋線自動化故障判定方法，該方法將一系列開關(guān)模擬量轉(zhuǎn)換為邏輯值，通過一系列邏輯運算得到開關(guān)的控制狀態(tài)。并對暫時性故障給出了處理方案。但卻未對開關(guān)拒動、通信故障、保護信號失真等設(shè)備可靠性故障發(fā)生時的處理方法進(jìn)行論述。

為解決實際應(yīng)用中的諸多可靠性問題，本文提出了一種基于邏輯運算的分布式饋線自動化故障判定可靠性提高方法，該方法根據(jù)自動化開關(guān)之間的連接關(guān)系，提出了一種開關(guān)分組模型。依靠開關(guān)分組模型對開關(guān)拒動分為開關(guān)拒分和開關(guān)拒合兩種情況分別進(jìn)行了論述，并給出了相應(yīng)故障處理方案。并將處理方法轉(zhuǎn)換為簡單邏輯運算，給出了相應(yīng)公式。針對通信故障，分分支開關(guān)通信故障、主干開關(guān)通信故障、分支主干開關(guān)通信故障三種情況分別進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了一種基于故障開關(guān)延時分閘的統(tǒng)一故障處理原則。對保護信號失真分故障誤判和漏判及偶然性干擾和永久性故障進(jìn)行了分析。

1 配電網(wǎng)開關(guān)分組模型

將相互連通的若干饋線段組成的子網(wǎng)絡(luò)稱為配電區(qū)域。如果一個區(qū)域的所有端點都是開關(guān)并且沒有內(nèi)點或者所有內(nèi)點都是T接點，則稱該區(qū)域為最小配電區(qū)域。規(guī)定每一個最小配電區(qū)域中的開關(guān)之間都是相鄰的。則最小配電區(qū)域的每一個開關(guān)都是其他開關(guān)的相鄰開關(guān)。同一配電區(qū)域中的相鄰開關(guān)即是一組。規(guī)定有相同端點的最小配電區(qū)域相鄰，則每個開關(guān)至多有兩個相鄰最小配電區(qū)域，故此，每個開關(guān)至多有兩個相鄰開關(guān)組。

流入最小配電區(qū)域的電流稱之為入域流，其流經(jīng)的開關(guān)稱之為最小配電區(qū)域的入域開關(guān)。流出最小配電區(qū)域的電流稱之為出域流，其流經(jīng)的開關(guān)稱之為最小配電區(qū)域的出域開關(guān)。最小配電區(qū)域的出域與入域開關(guān)數(shù)稱之為該最小配電區(qū)域的出度與入度。顯然，一最小配電區(qū)域的出域開關(guān)，是其相鄰最小配電區(qū)域的入域開關(guān)。

對于圖1所示配電網(wǎng)，S1、S2為變電站出線開關(guān)；A、B、C、D、F、G、H為分段開關(guān)；E為聯(lián)絡(luò)開關(guān)；“-”表示相鄰開關(guān)為末梢點。則可以劃分相鄰開關(guān)組如表1。

圖1 一個典型的開環(huán)配電網(wǎng)Fig. 1 A typical open-loop distribution network

表1 圖1中各個開關(guān)的相鄰開關(guān)Table 1 Parameters of the switches in Fig. 1

2 開關(guān)拒動情況分析與處理

開關(guān)拒動為開關(guān)本體故障，分為開關(guān)拒合與開關(guān)拒分。其對饋線故障的隔離與恢復(fù)具有重大影響。饋線自動裝置向開關(guān)發(fā)出合閘或分閘指令后，若在規(guī)定的時間內(nèi)未收到開關(guān)合閘或分閘成功消息，則認(rèn)為開關(guān)拒動。

2.1 開關(guān)拒分情況分析與處理

當(dāng)饋線發(fā)生故障而開關(guān)拒分時，按照分布式饋線自動化故障判定原則，故障上游區(qū)域出度皆不為0，各開關(guān)皆不動作，延時時間到后備保護動作，變電站出線開關(guān)在經(jīng)歷一次重合閘后閉鎖在分閘狀態(tài)，使故障隔離范圍擴大。

為正確隔離故障，縮小故障隔離范圍，開關(guān)拒分情況下的處理原則為：當(dāng)開關(guān)拒分時，故障開關(guān)需向兩相鄰開關(guān)組發(fā)送開關(guān)拒分信息，當(dāng)某開關(guān)收到相鄰開關(guān)的拒分信息，并且該開關(guān)流經(jīng)故障電流時，開關(guān)分閘。若開關(guān)未經(jīng)歷故障電流則開關(guān)不動作。其描述公式為

其中，Ax為開關(guān)x的動作邏輯值，邏輯0為不動作，邏輯1為動作分閘。INx為開關(guān)x的故障電流邏輯值，描述為

其中：I為流過開關(guān)的負(fù)荷電流值；IC為開關(guān)的電流保護整定值。

ROx為開關(guān)x的相鄰開關(guān)拒分信息邏輯值，其中邏輯1為相鄰開關(guān)有拒分信息，邏輯0為相鄰開關(guān)無拒分信息。描述為

其中，ROxj(j=1,2,…,n)為開關(guān)x相鄰開關(guān)的開關(guān)拒動信息邏輯值，邏輯值1為開關(guān)有拒分信息，邏輯0為開關(guān)無拒分信息。

如圖1所示配電網(wǎng)，若區(qū)域BD發(fā)生故障，按照規(guī)則開關(guān)B、D將動作分閘，若開關(guān)B拒分，其向相鄰開關(guān)A、C、D發(fā)送開關(guān)拒分信息，則開關(guān)A的拒分信息邏輯值ROA為1，且開關(guān)A經(jīng)歷故障電流，則其故障電流邏輯值為1，故開關(guān)A的動作邏輯值A(chǔ)A為1，開關(guān)動作分閘；開關(guān)C的拒分信息邏輯值ROC為1，但其未經(jīng)歷故障電流，其故障電流邏輯值為0，故開關(guān)C的動作邏輯值A(chǔ)C為0，開關(guān)不動作；開關(guān)D的拒分信息邏輯值ROD為1，且開關(guān)D已正確分閘，其當(dāng)前未經(jīng)歷故障電流，其故障電流邏輯值為0，故開關(guān)D的動作邏輯值為0，開關(guān)不動作，如圖2（a）所示。

若開關(guān)B是由于分閘延時時間過長導(dǎo)致的偶然性故障，短時間后故障消除，當(dāng)開關(guān)A分閘后，開關(guān)B也完成分閘，如圖2（b）所示。此時按照機制，開關(guān)A檢測到一側(cè)失壓后啟動重合閘功能，開關(guān)A重合成功后，區(qū)域ABC恢復(fù)正常供電，如圖2（c）所示。開關(guān)B檢測到一側(cè)失壓后啟動重合閘，若區(qū)域BD是暫時性故障，開關(guān)B、D依次重合閘，恢復(fù)供電。若區(qū)域BD是永久性故障，則開關(guān)B合閘后，其又檢測到有故障電流流過，則閉鎖在分閘狀態(tài)。聯(lián)絡(luò)開關(guān)E延時時間到后合閘，恢復(fù)對DE區(qū)域供電，如圖2（d）所示；若開關(guān)A分閘后，開關(guān)B分閘指令丟失，并未完成分閘，此時，若BD區(qū)域為暫時性故障，開關(guān)A第一次重合閘后故障消除，恢復(fù)對區(qū)域BD供電。若BD區(qū)域為永久性故障，則開關(guān)A再次經(jīng)歷故障電流將分閘，開關(guān)B由于經(jīng)歷故障電流，而開關(guān)D已分閘，故區(qū)域BD入度為1，出度為0，則開關(guān)B將分閘。至此故障隔離范圍擴大到ACD區(qū)域，如圖2（b）所示。

圖2 故障處理中開關(guān)B拒動的各種情況Fig. 2 Switch B resists in fault handling

為避免暫時性故障，分布式FTU大多具有開關(guān)一次重合閘功能。為避免開關(guān)拒分導(dǎo)致的故障隔離范圍擴大，開關(guān)一次重合閘補充規(guī)則如下：若當(dāng)開關(guān)一次重合閘后，若再次檢測到故障電流，需延時分閘，延時時間要小于變電站出線開關(guān)后備保護整定時間（250 ms），大于開關(guān)拒分處理時間（150 ms），一般取180 ms。若延時時間到后，故障電流消失，則開關(guān)恢復(fù)到正常狀態(tài)。若故障電流未消失，則閉鎖在分閘狀態(tài)。

若開關(guān)B是由于永久性故障導(dǎo)致的開關(guān)拒分，當(dāng)開關(guān)A分閘后，開關(guān)B一直處于合閘狀態(tài)，若區(qū)域BD是暫時性故障，開關(guān)A一次重合閘后故障消除，區(qū)域BD恢復(fù)供電；若區(qū)域BD是永久性故障，則開關(guān)A一次重合閘后，開關(guān)B再次拒分，則開關(guān)A延時時間到后閉鎖在分閘狀態(tài)，如圖2（a）所示。

2.2 開關(guān)拒合情況分析與處理

當(dāng)健全區(qū)域恢復(fù)供電時，若開關(guān)拒合，則故障隔離范圍將擴大，此時故障處理原則為：若開關(guān)拒合，故障開關(guān)延時一定時間后開放二次重合閘功能，若再次合閘失敗，則閉鎖在分閘狀態(tài)。若合閘成功，按一次重合閘規(guī)則處理。

如圖1所示配電網(wǎng)，若區(qū)域BD發(fā)生故障，按照規(guī)則開關(guān)B、D分閘隔離故障，開關(guān)B由于一側(cè)失壓啟動重合閘，若開關(guān)B拒動，則啟動延時二次重合閘功能，若開關(guān)B為偶然性故障導(dǎo)致的開關(guān)拒合，則開關(guān)二次重合閘成功，若BD區(qū)域為暫時性故障，開關(guān)B合閘后恢復(fù)對BD區(qū)域供電。若BD區(qū)域為永久性故障，則開關(guān)B合閘后，再次檢測到故障電流，則延時分閘，延時時間到后，閉鎖在分閘狀態(tài)，如圖2（d）所示；若開關(guān)B為永久性故障導(dǎo)致的開關(guān)拒合，則開關(guān)B啟動二次重合閘后失敗，閉鎖在分閘狀態(tài)，如圖2（d）所示。

3 通信故障情況分析與處理

當(dāng)開關(guān)收不到相鄰開關(guān)的開關(guān)邏輯值信息時，判定為該兩相鄰開關(guān)通信故障。當(dāng)饋線發(fā)生故障時，若相鄰開關(guān)通信故障，將導(dǎo)致故障判定方法失靈，變電站出線開關(guān)后備保護動作，擴大故障隔離范圍。通信故障的情況分以下三種。

第一種，相鄰?fù)ㄐ殴收祥_關(guān)為兩分支開關(guān)。當(dāng)饋線故障發(fā)生時，其皆未經(jīng)歷故障電流，故障區(qū)域出度、入度判定正常，兩開關(guān)通信故障不影響故障判定。

第二種，相鄰?fù)ㄐ殴收祥_關(guān)一個為分支開關(guān)，一個為主干開關(guān)。當(dāng)饋線故障發(fā)生時，若主干開關(guān)經(jīng)歷故障電流，分支開關(guān)未經(jīng)歷故障電流。此時故障區(qū)間出度、入度判定正常，兩開關(guān)通信故障不影響故障判定。若主干開關(guān)在故障點下游，未經(jīng)歷故障電流，則此時故障區(qū)間出度無法判定，通信故障主干開關(guān)動作邏輯值無法判定。

第三種，相鄰?fù)ㄐ殴收祥_關(guān)為兩主干開關(guān)。當(dāng)饋線故障發(fā)生時，若主干開關(guān)皆經(jīng)歷故障電流，此時故障區(qū)間出度無法判定。若主干開關(guān)一個經(jīng)歷故障電流，一個未經(jīng)歷故障電流，前者出度無法判定，后者入度無法判定，無法完成故障隔離。

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為解決上述問題，相鄰開關(guān)通信故障時處理原則如下：

（1）若開關(guān)通信故障，則相鄰故障開關(guān)假設(shè)無故障電流流過，以此假設(shè)判定故障區(qū)間，若故障發(fā)生在開關(guān)所屬區(qū)域，且開關(guān)流經(jīng)故障電流，則開關(guān)延時分閘（一般取180 ms），若延時時間內(nèi)故障電流消除，則開關(guān)返回正常狀態(tài)；

（2）若開關(guān)兩相鄰故障組判定結(jié)果一為延時分閘，一為立即分閘，則開關(guān)需立即分閘；

（3）若開關(guān)通信故障且兩側(cè)失壓，則開關(guān)分閘。

如圖1所示配電網(wǎng)，若區(qū)域BD發(fā)生故障，開關(guān)A、B之間發(fā)生通信故障，根據(jù)通信故障處理原則（1），將開關(guān)A相鄰開關(guān)B 假設(shè)流過正常負(fù)荷電流，因開關(guān)A流過故障電流，其開關(guān)動作邏輯值為1，且開關(guān)A屬于通信故障相鄰開關(guān)組ABC，則開關(guān)需延時分閘。同理可判斷開關(guān) B延時分閘。因故障發(fā)生在BD區(qū)域，根據(jù)判定規(guī)則（2），開關(guān)B、D需立即分閘隔離故障，至此故障電流消除，根據(jù)判定規(guī)則（1）開關(guān)A延時時間到后，返回正常狀態(tài)，如圖3（a）所示，其中虛線框表示開關(guān)延時分閘。

若區(qū)域BD發(fā)生故障，開關(guān)B、C之間發(fā)生通信故障，則根據(jù)通信故障處理原則（1），開關(guān)B、C延時分閘。根據(jù)判定規(guī)則（2），開關(guān)B需立即分閘隔離故障，至此故障電流消除，根據(jù)判定規(guī)則（1），開關(guān)C恢復(fù)到正常狀態(tài)，如圖3（b）所示。

若區(qū)域BD發(fā)生故障，開關(guān)B、D之間發(fā)生通信故障，則根據(jù)通信故障處理原則（1），開關(guān)B需延時分閘。延時時間到后，故障未消除，故開關(guān)B分閘隔離故障。根據(jù)通信故障判定規(guī)則（3），開關(guān)D兩側(cè)失壓，開關(guān)分閘，如圖3（c）所示。至此完成整個故障隔離。

圖3 故障處理中通信故障的各種情況Fig. 3 Communication failure in fault handling

4 保護信息失真情況分析與處理

保護信號失真是指故障信息的誤判與漏判，可分為互感器損壞與偶然干擾兩種情況。

故障信息誤判包括正常負(fù)荷電流誤判為故障電流、故障電流誤判為正常負(fù)荷電流；故障信息漏判是指故障電流及故障功率漏判。

根據(jù)故障判定準(zhǔn)則，故障發(fā)生在出度為0的最小配電區(qū)域，若正常負(fù)荷電流誤判為故障電流時，故障開關(guān)下游最小配電區(qū)域出度為 0，區(qū)域包含開關(guān)將分閘。若故障電流誤判為正常負(fù)荷電流，相當(dāng)于故障信息漏判，此時開關(guān)上游所屬最小配電子區(qū)域因出度為0，區(qū)域包含開關(guān)將分閘。

若故障信息漏判與誤判是由互感器偶然干擾引起，則誤判與漏判導(dǎo)致的隔離區(qū)域經(jīng)開關(guān)一次重合閘后恢復(fù)正常。

若故障信息漏判與誤判是由互感器損耗導(dǎo)致的永久性故障，且正常負(fù)荷電流誤判為故障電流，根據(jù)判斷規(guī)則，故障開關(guān)下游最小配電區(qū)域包含開關(guān)分閘，故障開關(guān)一側(cè)失壓后啟動一次重合閘功能，合閘成功后，因開關(guān)互感器為永久性故障，再次誤判為故障電流，開關(guān)將閉鎖在分閘狀態(tài)，致使故障開關(guān)下游失電。

若故障信息漏判與誤判是由互感器損耗導(dǎo)致的永久性故障，且故障電流誤判為正常負(fù)荷電流，根據(jù)判定規(guī)則，故障開關(guān)上游配電子區(qū)域所屬開關(guān)全部分閘，因開關(guān)一側(cè)失壓，啟動重合閘功能，當(dāng)故障開關(guān)合閘后，因開關(guān)誤判為正常電流，根據(jù)故障判定準(zhǔn)則，故障開關(guān)上游最小配電區(qū)域包含開關(guān)再次分閘，并閉鎖在分閘狀態(tài)。致使故障開關(guān)下游及上游相鄰區(qū)域失電。

故此，互感器偶然干擾引起的保護信號失真對故障的正確判定隔離無影響，互感器永久性故障引起的保護信號失真將導(dǎo)致開關(guān)錯誤分閘，造成正常區(qū)域失電，遇到此種情況需及時更換互感器。

如圖1所示配電網(wǎng)，若正常運行情況下，開關(guān)B誤判為故障電流流過，則根據(jù)判定規(guī)則，區(qū)域BD將發(fā)生故障，開關(guān)B、D將分閘，若是偶然性故障，開關(guān)B、D經(jīng)一次重合閘將恢復(fù)正常供電。若是永久性故障，則開關(guān)B將閉鎖在分閘狀態(tài)，導(dǎo)致開關(guān)B下游區(qū)域失電。

若區(qū)域BD發(fā)生故障，而開關(guān)B誤判為正常電流流過，則根據(jù)判定規(guī)則，區(qū)域 ABC為故障發(fā)生區(qū)，開關(guān) A、B、C分閘，若是偶然性故障，開關(guān)經(jīng)歷一次重合閘后恢復(fù)供電。若是永久性故障，則開關(guān)B合閘后將再次經(jīng)歷故障判定，開關(guān)A、B、C再次分閘，并閉鎖在分閘狀態(tài)，導(dǎo)致開關(guān)A下游區(qū)域失電。

5 結(jié)論

提出了配電網(wǎng)開關(guān)分組模型，依靠該模型研究了開關(guān)拒分情況下故障判定處理過程，給出了一種開關(guān)拒分情況下的故障處理原則，并將該原則轉(zhuǎn)換為邏輯運算，給出了具體描述公式。對故障隔離過程中的一次重合閘原則進(jìn)行了補充，有效避免了開關(guān)拒分情況下的故障隔離范圍擴大。

對開關(guān)拒合情況下的故障判定處理過程進(jìn)行了研究，給出了一種開關(guān)二次重合閘功能，有效避免了故障隔離恢復(fù)過程中開關(guān)偶然性故障引起的開關(guān)拒合而導(dǎo)致的故障隔離范圍擴大問題。

分支路開關(guān)通信故障、干路開關(guān)通信故障、分支主干通信故障三種情況，研究了開關(guān)通信故障情況下的故障處理過程，給出了一種相鄰開關(guān)通信故障情況下的統(tǒng)一故障處理方案。

對開關(guān)保護信號失靈情況按互感器偶然性故障與永久性故障進(jìn)行了分析，分析顯示偶然性故障不會導(dǎo)致故障范圍擴大，而永久性故障將會使故障隔離范圍擴大。

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