多電源多支線配電網(wǎng)面保護(hù)方法

盛文玥（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

多電源多支線配電網(wǎng)面保護(hù)方法

盛文玥
（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

為了解決傳統(tǒng)饋線保護(hù)整定配合困難的問題，借助于高速發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)建立起來(lái)的面保護(hù)技術(shù)，提出一種簡(jiǎn)單易行的最小子網(wǎng)異或法，終端可根據(jù)自身和相鄰設(shè)備的故障狀態(tài)執(zhí)行跳閘邏輯，共同實(shí)現(xiàn)本區(qū)域面保護(hù)，并且提供了針對(duì)不同的故障形式和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的解決方案。該方案可適用于多電源多支線的復(fù)雜配電網(wǎng)。

面保護(hù)；饋線保護(hù)；最小子網(wǎng)異或法；多電源；多支線

配電網(wǎng)相比較于輸電網(wǎng)，具有線路復(fù)雜多變，饋線沿線的分段開關(guān)串聯(lián)多、分支多，拓?fù)渥兓嗟奶攸c(diǎn)。為保證供電可靠性，設(shè)計(jì)出多電源互備，使得整個(gè)配電網(wǎng)呈現(xiàn)無(wú)確定模式的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

但在傳統(tǒng)饋線保護(hù)中，根據(jù)就地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和整定值完成故障跳閘，靠電流定值和時(shí)間配合完成故障定位的工作方式在配電網(wǎng)沿線級(jí)聯(lián)復(fù)雜的情況下，會(huì)使得沿線保護(hù)配合困難，甚至于無(wú)法合理整定。電子和通信技術(shù)的發(fā)展使配電終端可同時(shí)具備線路保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)通信能力，終端之間互換信息，由此發(fā)展成區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的面保護(hù)，可有效解決區(qū)域配電網(wǎng)線路保護(hù)問題。

1　面保護(hù)概念

面保護(hù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)多臺(tái)保護(hù)的故障信息，判斷故障段，舍棄了時(shí)間和過流值的配合，使判斷更準(zhǔn)確、更快速。很多電力專家在這方面進(jìn)行了建設(shè)性的研究。一種方法為相鄰設(shè)備對(duì)等通信，下游對(duì)上游發(fā)送閉鎖信號(hào)，上游對(duì)下游發(fā)送跳閘信號(hào)，沿饋線級(jí)級(jí)傳遞，完成手拉手環(huán)網(wǎng)的故障隔離，但該方法不能運(yùn)用于多電源復(fù)雜電網(wǎng)；文獻(xiàn)[1]提出了一種統(tǒng)一矩陣算法，用以解決復(fù)雜配電網(wǎng)故障定位和隔離，其算法嚴(yán)密，定位明確；文獻(xiàn)[2]提出了基于遺傳算法的故障位置判定法，具有一定容錯(cuò)能力；還有其他如神經(jīng)算法、蟻群算法等，這些方法計(jì)算量大，或涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。

本文提出一種基于普通保護(hù)邏輯的最小子網(wǎng)異或法，可以準(zhǔn)確、快速解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的故障判斷，實(shí)現(xiàn)面保護(hù)。

2　最小子網(wǎng)異或法

一般區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。考慮任意兩至多節(jié)點(diǎn)的區(qū)段，即多分支線路如圖2所示。當(dāng)發(fā)生的是單一故障時(shí)，如果故障在本區(qū)段如圖2（a）所示，那么有且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)過流，過電流經(jīng)該節(jié)點(diǎn)流至故障點(diǎn)后流回；如果故障在本區(qū)段某支路的下游，圖2（b），那么一定有2個(gè)節(jié)點(diǎn)過流，一入一出再到故障點(diǎn)流回。因此單一故障下對(duì)任意區(qū)段，當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)中僅有一個(gè)過流時(shí)，故障在本區(qū)段，當(dāng)有2個(gè)節(jié)點(diǎn)過流時(shí)，故障不在本段。

圖1　區(qū)域配電網(wǎng)Fig.1Regional distribution network

圖2　多分支過流情況Fig.2Multi-line circuit overcurrent condition

若故障在本區(qū)段，1個(gè)節(jié)點(diǎn)過流，因此所有相鄰節(jié)點(diǎn)異或的結(jié)果必定為1，此時(shí)本節(jié)點(diǎn)應(yīng)跳閘；若故障不在本段，2個(gè)節(jié)點(diǎn)過流，所有相鄰節(jié)點(diǎn)異或的結(jié)果必定為0。據(jù)此筆者提出最小子網(wǎng)異或法，來(lái)判斷故障區(qū)段、確定節(jié)點(diǎn)是否跳閘。

在圖1中，從電源點(diǎn)出線斷路器開始，經(jīng)串聯(lián)、分支等回入另一或多個(gè)電源點(diǎn)的區(qū)域配電網(wǎng)，在各個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，包括斷路器、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)處，一對(duì)一安裝具備保護(hù)遠(yuǎn)動(dòng)功能的終端，組成區(qū)域通信網(wǎng)。各節(jié)點(diǎn)和其相鄰節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)最小子網(wǎng)，例如圖1中節(jié)點(diǎn)2的最小子網(wǎng)由1、2、3、4節(jié)點(diǎn)組成。

出線斷路器處的終端，具備傳統(tǒng)線路保護(hù)的定時(shí)限過流跳閘和一次重合閘功能。當(dāng)由該出線供電的饋線發(fā)生故障時(shí)，定時(shí)限動(dòng)作使斷路器跳閘，并經(jīng)一次重合閘排除瞬時(shí)性故障，如果再次跳閘則為永久性故障。

在永久故障發(fā)生時(shí)，由于有一次重合閘過程，短路電流經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)會(huì)連續(xù)兩次檢測(cè)到過電流。因此，各終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本節(jié)點(diǎn)電流值，一旦檢測(cè)到連續(xù)2次過電流，則置本機(jī)故障信號(hào)為1，否則為0，并通過通信向相鄰終端實(shí)時(shí)發(fā)送其故障信號(hào)值，這樣每一節(jié)點(diǎn)終端都能得到其最小子網(wǎng)內(nèi)所有終端當(dāng)前的故障信號(hào)。

當(dāng)發(fā)生永久故障，出線斷路器已二次跳開后，包括斷路器在內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)終端執(zhí)行啟動(dòng)邏輯和跳閘邏輯，以此隔離故障區(qū)段，注意各終端為邏輯執(zhí)行單元，該邏輯稱為最小子網(wǎng)異或法。

啟動(dòng)邏輯：當(dāng)本節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到連續(xù)兩次過流時(shí)置本機(jī)故障信號(hào)為1，其他情況都為0，同時(shí)接收所有相鄰設(shè)備的故障信號(hào)值。那么本節(jié)點(diǎn)或任意相鄰節(jié)點(diǎn)有故障信號(hào)置位時(shí)啟動(dòng)跳閘邏輯。節(jié)點(diǎn)4啟動(dòng)邏輯圖見圖3。

圖3　圖1節(jié)點(diǎn)4面保護(hù)啟動(dòng)邏輯Fig.3Plane protection starting logic at node 4 of Fig.1

跳閘邏輯：本節(jié)點(diǎn)任意一側(cè)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)故障信號(hào)相異或的結(jié)果為1時(shí)跳閘。節(jié)點(diǎn)4跳閘邏輯圖見圖4。

圖4　圖1節(jié)點(diǎn)4面保護(hù)跳閘邏輯Fig.4Plane protection tripping logic at node 4 of Fig.1

例如，圖1中A處發(fā)生短路故障，那么在節(jié)點(diǎn)7、1、4檢測(cè)到2次過流，故障信號(hào)為1，其余節(jié)點(diǎn)為0。根據(jù)啟動(dòng)邏輯，只要自身或相鄰終端有故障信號(hào)為1，則啟動(dòng)，因此節(jié)點(diǎn)7、1、4、2、5、6終端啟動(dòng)，執(zhí)行后續(xù)跳閘邏輯，其余節(jié)點(diǎn)則不作任何動(dòng)作。

以節(jié)點(diǎn)4跳閘邏輯為例，其左上側(cè)與節(jié)點(diǎn)1、2相鄰，將4、1、2三個(gè)節(jié)點(diǎn)的過流故障信號(hào)相異或，結(jié)果為0，說(shuō)明1、4、2節(jié)點(diǎn)相連的區(qū)段無(wú)故障；其右下側(cè)與5、6相鄰，將4、5、6節(jié)點(diǎn)故障信號(hào)相異或的結(jié)果為1，說(shuō)明4、5、6節(jié)點(diǎn)相連的區(qū)段有故障；根據(jù)跳閘邏輯，只要節(jié)點(diǎn)任意一側(cè)的異或結(jié)果為1，則該節(jié)點(diǎn)跳閘，因此最終得出節(jié)點(diǎn)4跳閘。

總結(jié)各節(jié)點(diǎn)邏輯過程見表1，最終4、5、6節(jié)點(diǎn)跳開，正確隔離故障。

表1　各節(jié)點(diǎn)跳閘邏輯過程及結(jié)果Tab.1Logic process and result of the tripping of each node

圖5　圖1 A點(diǎn)故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖Fig.5Sequential drawing of the fault protection at node A of Fig.1

3　邏輯驗(yàn)證

文獻(xiàn)[1]提出的矩陣法是一種被廣泛采用、判斷明確的故障定位方法。它先根據(jù)局部配電網(wǎng)的拓?fù)溥B接形成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，則可構(gòu)成N×N方陣，若節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j相鄰，則方陣D的元素dij、dji為1，否則兩元素都為0。再根據(jù)各節(jié)點(diǎn)過流情況形成故障信息矩陣G，還是由N個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成N×N方陣，故障發(fā)生時(shí)，如果第i個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到過流，那么矩陣G對(duì)角線上元素gii置為0，未檢測(cè)到過流則置為1，G陣非對(duì)角線上元素都置為0。將矩陣D和G相乘后得到矩陣P′，其對(duì)稱元素異或?yàn)?時(shí)，即時(shí)，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的區(qū)段可能存在故障，表示異或。

再對(duì)矩陣P′進(jìn)行規(guī)格化處理得到故障矩陣P，即P=g（P′）=g（D×G），其目的是從P′可能存在故障的區(qū)段中去除無(wú)故障段，最終得到的故障矩陣P反應(yīng)了確切的故障區(qū)段，若矩陣P的對(duì)稱元素相異或?yàn)?，即，則節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的區(qū)段有故障。

用矩陣法對(duì)圖1中A點(diǎn)故障進(jìn)行判斷。網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D見式（1），故障信息矩陣G見式（2）、矩陣P′見式（3），故障判斷矩陣P見式（4）。

形成P的規(guī)格化處理過程為：若dmj，dnj，…，dkj為1，gmm，gnn，…，gkk至少有2個(gè)0，則將P′的第j行和第j列全部置為0后形成P。可用通俗的語(yǔ)言描述為，在一個(gè)多分支的區(qū)段，選擇其中無(wú)過流信號(hào)的節(jié)點(diǎn)，若相鄰節(jié)點(diǎn)有至少2個(gè)過流信號(hào)，則將此節(jié)點(diǎn)相連的所有區(qū)段排除。

因此矩陣法可總結(jié)為，2節(jié)點(diǎn)相鄰，且過流信號(hào)狀態(tài)相反，相連區(qū)段的所有節(jié)點(diǎn)中少于2個(gè)節(jié)點(diǎn)過流，則2節(jié)點(diǎn)間的區(qū)段為故障段。這個(gè)判據(jù)與本文提出的面保護(hù)跳閘邏輯完全一致。

4　拓?fù)渥儎?dòng)考慮

在真實(shí)配電網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)周邊用電和網(wǎng)架改造需求，經(jīng)常局部增減分支，增加環(huán)網(wǎng)分段等，用最小子網(wǎng)異或法僅需要將變動(dòng)的相鄰關(guān)系告知個(gè)別終端，涉及面極小，可操作性強(qiáng)。

對(duì)于那種不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼聪噜応P(guān)系，僅改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置的運(yùn)行模式變動(dòng)，因該保護(hù)邏輯與節(jié)點(diǎn)自身分、合狀態(tài)無(wú)關(guān)，只關(guān)心相鄰設(shè)備的故障狀態(tài)，因此無(wú)需任何變動(dòng)，本方法自適應(yīng)運(yùn)行模式變化。

5　適用性考慮

以開環(huán)運(yùn)行的復(fù)雜配電網(wǎng)發(fā)生過流故障為例，提出了最小子網(wǎng)異或法。適用于接地系統(tǒng)、單側(cè)電源供電的開環(huán)運(yùn)行方式。在實(shí)際的運(yùn)用中，針對(duì)其他故障形式和電網(wǎng)運(yùn)行模式，采用不同的判據(jù)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行置位后，可使本方法依然適用。

單相接地故障占據(jù)10 kV架空線路大部分的故障情況，對(duì)不接地系統(tǒng)過流特征不明顯，可以采用首半波判定法，在檢測(cè)到電壓突然跌落后，對(duì)事件發(fā)生時(shí)暫態(tài)電壓、電流首半波進(jìn)行相位分析，相位相同的判定為零流故障，置故障信號(hào)，其他情況不置。

分布式微電源的接入，常采用并列運(yùn)行模式；另外環(huán)狀、輻射狀系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)也可能處于并列運(yùn)行狀態(tài)，故障發(fā)生時(shí)，故障段下游的終端也會(huì)檢測(cè)到過流，可以通過功率方向來(lái)置位故障信號(hào)。選擇主要供電電源方向?yàn)檎?，?dāng)過電流方向與之相同時(shí)，置故障信號(hào)，其他不置。圖5電網(wǎng)故障信號(hào)為表2。

圖6　并列運(yùn)行電網(wǎng)故障情況Fig.6Faults in the parallel operation power grid

表2　并列運(yùn)行故障信號(hào)判定Tab.2Judgment of the parallel operation fault signal

通過故障信號(hào)判定及置位的變化，使最小子網(wǎng)異或法可實(shí)現(xiàn)其他故障形式和運(yùn)行方式的面保護(hù)。

6　結(jié)論

當(dāng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)為電纜環(huán)網(wǎng)或輻射網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行，采用接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)的情況下，基于過電流判定的故障信號(hào)正確率高，絕大多數(shù)的故障能通過最小子網(wǎng)異或法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的面保護(hù)，邏輯嚴(yán)密而且簡(jiǎn)捷，易于實(shí)現(xiàn)。本方法僅需要相鄰設(shè)備的故障信號(hào)，不依賴于整個(gè)區(qū)域所有設(shè)備的正常通信，最終共同形成對(duì)整片區(qū)域的面保護(hù)。

當(dāng)系統(tǒng)為不接地或經(jīng)消弧線圈的小電流接地系統(tǒng)時(shí)，基于常規(guī)零序電流檢測(cè)的故障信號(hào)判定容易出現(xiàn)漏判，在采用本方法時(shí)應(yīng)選擇有針對(duì)性的故障檢測(cè)手段，如首半波法、信號(hào)注入法等，以提高故障信號(hào)的正確率。

特別是本方案自適應(yīng)運(yùn)行模式變化，對(duì)拓?fù)渥兓瘍H需要改變個(gè)別設(shè)備相鄰關(guān)系，因此在配電網(wǎng)具有相當(dāng)實(shí)用性。

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（編輯董小兵）

The Plane Protection Method for Multi-Power Multi-Branch Distribution Network

SHENG Wenyue
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

In order to overcome difficulties in the setting of the conventional feeder protection，by means of the plane protection technology built due to the rapid development of communications network，this paper proposes a simple method of minimal subnet XOR.With this method，the terminal can execute the logic tripping according to the fault state of the equipment itself and neighboring equipment to achieve the plane protection in the region.And the paper also provides solutions for different failure modes and grid structures.This scheme is applicable to the multi-power distribution network of the multi-line circuit.

plane protection；feeder protection；smallest subnet XOR method；multi-power；multi-line circuit

1674-3814（2015）06-0064-05

TM76

A

2015-01-18。

盛文玥（1977—），女，本科，工程師，從事輸變電工程電氣設(shè)計(jì)工作。