基于無通道保護(hù)的高速鐵路10 kV電力貫通線故障隔離方法研究

溫曼越

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

10 kV電力貫通線為鐵路車站、沿線通信信號以及其他非牽引電氣設(shè)備供電，具有線路較長、接入負(fù)荷點(diǎn)多、地理?xiàng)l件差、易發(fā)生故障等特點(diǎn)?？焖贉?zhǔn)確地隔離故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)域供電是鐵路安全可靠運(yùn)行的根本保障。但是目前針對高速鐵路電力貫通線的繼電保護(hù)和故障區(qū)段隔離方案并不具有選擇性，如現(xiàn)有的保護(hù)裝置僅安裝在線路的首端，在線路任何位置發(fā)生故障后，保護(hù)跳閘將使全線停電，使得故障影響范圍大，極大降低了故障查找和恢復(fù)供電的效率。因此，電力貫通線路迫切地需要一個快速可靠的故障區(qū)段隔離方案，使得現(xiàn)有的問題得以解決，在故障后不僅能夠快速識別故障，同時能夠快速切除故障區(qū)段，避免了人工拉合閘導(dǎo)致的非故障區(qū)間失電，提高故障查找和恢復(fù)供電的效率，保證電力貫通線的供電可靠性。

由于三段式的電流保護(hù)或距離保護(hù)難以取得較好的選擇性，國內(nèi)外學(xué)者提出了相繼速動保護(hù)[1]和無通道保護(hù)方案[2]。無通道保護(hù)是自適應(yīng)保護(hù)的一種，其基本思想是利用對側(cè)開關(guān)動作信息判斷故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)或區(qū)外，從而決定是否加速本端保護(hù)動作，依靠單端量取得縱聯(lián)保護(hù)的效果[3-5]。中低壓配電系統(tǒng)中一般采用基于工頻量的無通道保護(hù)。配電線路無通道保護(hù)方案[6]利用一端保護(hù)先動作跳閘后，另一側(cè)保護(hù)檢測故障動作跳閘產(chǎn)生的單端工頻電氣量的變化，來獲取線路對端斷路器的動作情況，在區(qū)內(nèi)故障時實(shí)現(xiàn)相繼速動。但在某些系統(tǒng)參數(shù)和故障類型下，電流的工頻突變量微弱，導(dǎo)致判據(jù)靈敏度不足，存在死區(qū)問題[7，8]。對此，文獻(xiàn)[9]提出利用對側(cè)開關(guān)動作后出現(xiàn)的零序和負(fù)序電流變化的故障信息，構(gòu)成瞬時動作模式和延時動作模式，提高了保護(hù)判據(jù)的靈敏度。文獻(xiàn)[10]通過加速阻抗圓檢測對側(cè)保護(hù)動作，測量阻抗位于加速阻抗圓內(nèi)時，保護(hù)加速動作。文獻(xiàn)[11]結(jié)合行波和阻抗信息的變化來區(qū)分故障發(fā)生時刻與對側(cè)斷路器的動作時刻，以判斷對側(cè)保護(hù)的動作情況。

以上無通道保護(hù)方案在輸配電網(wǎng)中已經(jīng)有相對成熟的研究，但在鐵路電力貫通線中的應(yīng)用研究幾乎沒有。因此本文將無通道保護(hù)應(yīng)用到電力貫通線中，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的備用電源自動投入模塊，使其在故障后不僅能夠快速識別故障，同時能夠切除故障區(qū)段，可極大提高電力貫通線的供電可靠性。

1 基于無通道保護(hù)的電力貫通線故障隔離方案

如圖1所示，B1-B12和R1-R12分別為安裝在線路中的斷路器和繼電器。在單斷路器配置的線路中，要從兩端同時切除故障，每個繼電器需要根據(jù)潮流方向和故障方向的不同，判斷故障發(fā)生在斷路器的哪一側(cè)，投入不同的保護(hù)動作模式。如果故障處于電源側(cè)，則繼電器位于負(fù)荷側(cè)，投入負(fù)荷側(cè)對應(yīng)的定時限動作模塊——低電壓保護(hù)DUV(Directional Under Voltage)和加速動作模塊——加速低壓低流保護(hù)ADCUV (Accelerated Directional Under Current Under Voltage)；如果故障位于無電源側(cè)，則繼電器位于電源側(cè)，投入電源側(cè)對應(yīng)的定時限動作模塊——過電流保護(hù)OC(Over Current)和加速動作模塊——加速過電流保護(hù)AOC[6](Accelerated Over Current)。

圖1 基本無通道故障隔離方案時限配置

當(dāng)故障k1發(fā)生在編號為2的區(qū)段上時，繼電器R2檢測到潮流方向和故障方向都為正向，因此為電源側(cè)繼電器，投入OC(t=0.9 s)和AOC(0.3～0.4 s)模塊；繼電器R3檢測到正向潮流方向，但故障方向?yàn)榉?，因此位于?fù)荷側(cè)，投入DUV(t=0.3 s)和ADCUV(1.9～2.0 s)模塊。比較而知，R3的DUV模塊的動作時間最短，因此在0.3 s斷開，將編號2之后的區(qū)段隔離，因此R4至R12將返回不動作。然而R3之前的故障未被隔離，因此繼電器R2的AOC模塊在0.3～0.4 s的時間窗內(nèi)檢測到非故障相電流的突變，判斷出R3已經(jīng)在0.3 s動作，因此在0.4 s加速跳開，至此故障區(qū)段被完全隔離。

依此類推，當(dāng)故障k3發(fā)生在編號為11的區(qū)段上時，R11的OC模塊和R12的ADCUV模塊先后動作，在0.2 s時切除故障區(qū)段；而當(dāng)故障k2發(fā)生在編號為7的區(qū)段上時，則需在長達(dá)1.0 s時才能切除故障區(qū)段。

因此，雖然無通道保護(hù)方案對首端和末端區(qū)段故障的切除時間較短，但對于中間部分的區(qū)段故障切除時間過長。電力貫通線采用小電阻接地，發(fā)生接地故障時通常故障電流很大，故障電流存在的時間越長，對系統(tǒng)的危害越大。因此為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對于線路中間段應(yīng)提出使故障切除時間更短的方案。

2 基于單端故障測距的電力貫通線故障隔離改進(jìn)方案

為了能夠從兩側(cè)切除故障，減小中間段故障隔離時間，針對故障切除時間較長的中間區(qū)段，即線路的1/3至2/3范圍內(nèi)的保護(hù)裝置，增加DIS(Distance)保護(hù)模塊的配置，DIS模塊根據(jù)本端測得的三相電壓電流數(shù)據(jù)判斷故障距離。故障發(fā)生時，DIS模塊在電源側(cè)啟動，依據(jù)單端故障測距的結(jié)果，判定故障是否在本端保護(hù)范圍內(nèi)，以決定是否加速本端保護(hù)的動作[12]。

2.1 單端故障測距算法

假設(shè)故障阻抗Zf為純電阻[13]，則故障點(diǎn)處Zf的虛部為零，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，UA、IA分別為測得的A相電壓和電流；Zr為線路單位阻抗；I0為線路零序電流；K為零序電流補(bǔ)償系數(shù)[14]；z0和z1分別為線路單位長度的零序和正序阻抗。

故障阻抗可以表示為

(5)

故障距離x可以表示為

(6)

由此可見，隨著故障電阻Rf的增大，故障測距結(jié)果x將呈現(xiàn)比實(shí)際故障距離偏小的誤差。

2.2 加速動作判據(jù)

(1)DIS(Distance)模塊動作判據(jù)

DIS模塊的啟動判據(jù)與AOC模塊相同；加速判據(jù)為故障測距的結(jié)果Ld在保護(hù)范圍xd之內(nèi)，即

Ld≤xd

(7)

xd為本區(qū)段DIS模塊的保護(hù)范圍，由于在上一小節(jié)中證明測距方法會導(dǎo)致偏小的測距結(jié)果，因此設(shè)置保護(hù)范圍xd為所保護(hù)區(qū)段的全長。

為保證動作的選擇性，使非故障區(qū)段的加速動作模塊在時間窗內(nèi)不會誤動，DIS的動作時限需避開OC以及DUV模塊的動作時限。由于OC模塊和DUV模塊的動作時限分別為

tOCm=0.1[2M-(2m-1)]

(8)

tDUVm=0.1(2m-1)

(9)

式中，m為斷路器編號；M為斷路器總個數(shù)。

因此設(shè)置DIS的動作時限從母線到線路方向依次減小，即

tDISm=0.1(2M-2m)

(10)

因此對負(fù)荷側(cè)的ADCUV模塊增加對應(yīng)于DIS模塊動作時限的動作時間窗，該時間窗τ設(shè)定為以對側(cè)DIS模塊動作時限為基準(zhǔn)的100 ms，即0.2～0.3 s、0.4～0.5 s、0.6～0.7 s等。如圖2所示，對于加速區(qū)段的ADCUV模塊，會配置兩個動作時間窗，λ1對應(yīng)于DIS模塊的動作時限，λ2對應(yīng)于原有的無通道保護(hù)方案OC模塊的動作時限(作為備用)。DIS模塊或者OC模塊動作后，對應(yīng)的ADCUV模塊都能夠在對應(yīng)時間窗內(nèi)檢測到三相電壓和電流的降低，加速動作切除故障區(qū)段。

圖2 ADCUV模塊動作時間窗示意

(2)保護(hù)超越分析

(11)

這樣可能導(dǎo)致加速區(qū)段末端故障時DIS模塊拒動，因此需配合保護(hù)裝置內(nèi)同時啟動的OC模塊，在DIS模塊拒動時切除故障。

2.3 改進(jìn)方案保護(hù)構(gòu)成與動作邏輯

由于備自投的投入會導(dǎo)致線路潮流方向發(fā)生變化，因此由潮流方向和故障方向元件同時決定繼電器啟用電源側(cè)或是負(fù)荷側(cè)的動作模塊[15]。具體保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)方案保護(hù)構(gòu)成

ADCUV模塊和AOC模塊的動作流程如圖4所示。故障發(fā)生時，各模塊根據(jù)故障與潮流的方向判定位于負(fù)荷側(cè)還是電源側(cè)，并相應(yīng)投入ADCUV模塊或者AOC模塊。為防止保護(hù)的誤啟動，設(shè)置啟動計(jì)數(shù)器。在滿足啟動判據(jù)后，AOC或ADCUV模塊啟動計(jì)數(shù)，若在規(guī)定的時間窗內(nèi)滿足加速判據(jù)，則跳閘斷開相應(yīng)的斷路器，否則返回不動作；若ACDUV模塊位于加速區(qū)段，則返回后再次啟動計(jì)數(shù)，若在下一個時間窗內(nèi)檢測到三相電流和電壓接近于零，則跳閘斷開相應(yīng)的斷路器，否則返回不動作。

圖4 加速保護(hù)模塊動作流程

2.4 備自投單元投入判據(jù)

備自投UV(Under Voltage)模塊的動作判據(jù)通常為[16]

(12)

t=Tmax+Δt

(13)

式中，Ua、Ub、Uc為三相電壓有效值；Uset為故障整定電壓，通常設(shè)置為額定電壓的30%；t為模塊動作時間，必須考慮系統(tǒng)中保護(hù)的最大動作時間Tmax；Δt為動作時級差，同樣取為0.2 s。

當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，若負(fù)荷側(cè)先動作，則已將備自投模塊與故障點(diǎn)之間的區(qū)段隔離，無需等待故障區(qū)段被完全隔離，備自投UV模塊即可合閘供電。因此，新增UV模塊的啟動判據(jù)為將三相同時失壓變?yōu)槿嘀腥我庖幌嗟氖篬17]

(14)

t2=Tmax2+Δt

(15)

式中，N為每個周期采樣數(shù)；Up(n-2N)為2個周期前電壓有效值；Up(n)為當(dāng)前周期電壓有效值，下標(biāo)P代表三相中的任一相。

發(fā)生故障時，UV模塊與線路上DUV模塊同時啟動，其延時時間t2只需比負(fù)荷側(cè)DUV模塊的最長動作時間Tmax2高一個時間階梯Δt即可。

無通道保護(hù)對對稱故障的處理，應(yīng)首先保證故障切除的快速性。提出的不依賴通信的故障隔離方案，在對稱故障發(fā)生時從首端無選擇性瞬時切除故障。因此，為使得備自投裝置識別三相的失壓是由不對稱故障時負(fù)荷側(cè)斷路器跳閘引起還是三相對稱故障引起的，在以上判據(jù)的基礎(chǔ)上，增加一個不對稱故障判據(jù)[18]

(16)

在同時滿足式(14)和式(16)的情況時，UV模塊才可以啟動，使得備自投(BZT)不會再次重合于對稱故障上。

在無通信模式下，UV模塊的動作判據(jù)分別根據(jù)故障區(qū)段電源側(cè)或者負(fù)荷側(cè)的先后動作順序設(shè)定為：(1)電源側(cè)先動作，UV模塊需等待負(fù)荷側(cè)動作后再投入，因此需在到達(dá)延時時間t3時動作；(2)負(fù)荷側(cè)先動作，則UV模塊只需在檢測到任一相失壓后，與線路上DUV模塊同時啟動，到達(dá)延時時間t2時動作。綜上所述，備自投UV模塊動作邏輯圖如圖5所示。

圖5 備自投UV模塊動作邏輯圖

3 仿真分析

3.1 模型搭建

根據(jù)實(shí)際參數(shù)搭建全電纜電力貫通線仿真模型，在MATLAB/SIMULINK軟件中仿真驗(yàn)證本方案的正確性和有效性。如圖6所示，對于配置12個保護(hù)裝置的電力貫通線，加速區(qū)間編號為5-8的區(qū)段，在此區(qū)間內(nèi)使用基于單端故障測距的加速方案隔離故障區(qū)段。設(shè)置故障電阻為10 Ω，采樣頻率為1 kHz，對各電氣量基波相量的提取采用傅里葉變換[19]。

圖6 加速無通道故障隔離方案時限配置

3.2 加速區(qū)段故障分析

如圖6所示，設(shè)置在編號為8的區(qū)段上距離繼電器R8 0.916 km處于0.135 s發(fā)生B相接地短路故障，繼電器R8檢測到潮流方向和故障方向都為正向，因此為電源側(cè)繼電器，投入OC(t=0.7 s)和AOC(t為1.5～1.6 s)以及DIS(t=0.2 s)；繼電器R9檢測到正向潮流方向，但故障方向?yàn)榉?，因此位于?fù)荷側(cè)，投入DUV(t=1.5s)和ADCUV(t為0.2～0.3 s和0.7～0.8 s)。R5-R8繼電器同時啟動DIS模塊進(jìn)行故障測距，但是R5-R7繼電器檢測到故障位于保護(hù)范圍之外，而R8的DIS模塊檢測故障距離為0.912 km，位于保護(hù)范圍的2.86 km之內(nèi)，比較而知，R8的DIS模塊的動作時間最短，因此在0.335 s斷開，將編號為8的區(qū)段之后的區(qū)段隔離。R1至R7檢測到三相電流恢復(fù)正常，返回不動作。繼電器R9的ADCUV模塊在0.335～0.435 s的時間窗內(nèi)檢測到三相電壓和電流的有效值均接近于零，判斷出R7已經(jīng)在0.335 s動作，因此在0.435 s加速跳開，至此故障區(qū)段被完全隔離，本區(qū)段故障切除時間由0.8 s縮短至0.3 s。DIS模塊和ADCUV模塊的響應(yīng)波形分別如圖7和圖8所示。

圖7 R8的DIS模塊響應(yīng)

圖8 R9的ADCUV模塊響應(yīng)

相同故障條件下改變故障發(fā)生位置，當(dāng)故障發(fā)生在編號為8的區(qū)段上距離繼電器R8 0.12 km時，繼電器R7和R8的DIS模塊動作判據(jù)如圖9所示。由圖9可見，R7的保護(hù)范圍為1.726 km，測距結(jié)果為1.721 km；繼電器R8的保護(hù)范圍為2.86 km，測距結(jié)果為0.1 km，都在對應(yīng)的保護(hù)范圍之內(nèi)，而R8的DIS模塊動作時間(t=0.2 s)小于R7的DIS模塊動作時間(t=0.4 s)，因此0.335 s時斷路器B7動作隔離故障區(qū)段，R8則返回不動作。

圖9 R7和R8的DIS模塊動作判據(jù)

以下分析故障點(diǎn)k2被隔離之后，備自投UV模塊的響應(yīng)。B相接地故障在0.135 s時發(fā)生，R8的DIS模塊在0.335s時動作，R9的ADCUV模塊在0.535 s時動作，隔離故障區(qū)段。t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s，從R8動作的0.335 s時檢測到滿足動作判據(jù)，因此UV模塊啟動計(jì)時，應(yīng)在0.635 s時動作；t2=Tmax2+Δt=(0.7+0.2) s=0.9 s，在故障發(fā)生的0.135 s時檢測到滿足動作判據(jù)開始計(jì)時，應(yīng)在1.035 s時動作。比較而知t2動作時間較短，如圖10所示，備自投UV模塊在0.635 s時動作，恢復(fù)R9之后的非故障區(qū)段的供電。UV模塊投入后，R9之后的非故障區(qū)段的潮流方向?qū)⒎聪?，因此各模塊的整定值和時限也應(yīng)當(dāng)重新配置，如圖11所示。

若k2點(diǎn)處的故障為三相短路故障，則如圖12所示，在0.135 s發(fā)生故障后，首端繼電器R1的OC模塊檢測到三相故障發(fā)生，瞬時無選擇性動作切除故障。考慮到合閘初期變壓器勵磁涌流的影響，設(shè)定動作延時為60 ms。因此OC模塊在0.195 s時動作切除故障時，備自投UV模塊雖然滿足兩個啟動判據(jù)，但發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不存在負(fù)序電流，不滿足不對稱故障判據(jù)，因此經(jīng)過t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s后，在0.495 s時不會投入動作，以免造成三相短路故障的再次發(fā)生。

3.3 改進(jìn)方案加速效果分析

經(jīng)過大量仿真分析，改進(jìn)方案與原故障隔離方案的故障隔離時間如圖13所示?？梢娫谂渲?2個保護(hù)裝置的線路中，最長故障區(qū)段切除時間由1.1 s縮短至0.7 s，其中區(qū)段8的切除時間由0.8 s縮減至0.3 s(圖13中加速效果2)。因此，在基本無通道保護(hù)方案使得故障區(qū)段的最大故障隔離時間縮短一半的前提下，基于單端測距的故障隔離加速方案進(jìn)一步縮短了中間區(qū)段故障的隔離時間。對于配置更多保護(hù)裝置的線路，則故障隔離時間的加速效果會更加明顯。

圖10 不對稱故障時備自投UV模塊響應(yīng)

圖11 備自投投入后各模塊時限配置方案

圖12 對稱故障時備自投UV模塊響應(yīng)

圖13 兩種方案故障隔離時間對比

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于無通道保護(hù)原理的電力貫通線故障區(qū)段隔離方案，通過單端故障測距對保護(hù)動作時限進(jìn)行加速，解決了原無通道保護(hù)方案對貫通線路中間段故障隔離時間過長的問題。針對提出的無通信條件下故障區(qū)段的隔離方案，研究了相應(yīng)的備用電源自動投入方案，實(shí)現(xiàn)了故障區(qū)段被隔離后非故障區(qū)段供電的快速恢復(fù)，保證了電力貫通線運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

[1] Pei L， Deshu C， Hua P， et al. Analysis of an accelerated trip scheme for faults in the second zone of protection of a transmission line[J]. Power Delivery， IEEE Transactions on， 1990，5(1):72-78.

[2] Bo Z Q. Adaptive non-communication protection for power lines BO scheme. II. The instant operation approach[J]. Power Delivery， IEEE Transactions on， 2002，17(1):92-96.

[3] Darwish H A， Kawady T A， Taalab A M I， et al. Robust non-communication line protection scheme using novel quantities[C]. Power Engineering Society General Meeting， IEEE， 2006.

[4] Sharafi A， Sanaye-Pasand M， Jafarian P. Non-communication protection of parallel transmission lines using breakers open-switching travelling waves[J]. IET Generation Transmission & Distribution， 2012，6(1):88-98.

[5] Dong X， Shi S， Wang B， et al. Feeder automation system based on non-communication protection and control unit[C]. Power & Energy Society General Meeting， 2009. PES ’09. IEEE. IEEE， 2009:1-7.

[6] 董新洲，施慎行，王賓，等.新型配電線路自動化模式[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2007(3)：1-7.

[7] 侯喆，張艷霞，戴劍鋒.基于小波理論的全線相繼速動保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27(9)：54-57.

[8] 石鐵洪，張昊，劉沛.小波變換在全線相繼速動保護(hù)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2001，25(2)：36-39.

[9] 李志雷，張舉，陳少偉，等.輸電線路無通道保護(hù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2006，34(3)：5-8.

[10] 張舉，李志雷，王興國，等.一種基于加速阻抗圓的無信道保護(hù)方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2)：75-79.

[11] Aguilera C， Orduna E， Ratta G. Adaptive noncommunication protection based on traveling waves and impedance relay[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2006，21(3)：1154-1162.

[12] 溫曼越.高速鐵路10 kV電力貫通線故障自動隔離方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[13] 施世鴻.高壓輸電線路故障測距研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[14] 張保會，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2005：30-32.

[15] 張梅，董新洲，薄志謙，等.實(shí)用化的配電線路無通道保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(12)：68-72.

[16] Yin D， Liu K， Dong X， et al. Distribution line automation system based on non-communication protection in the case of symmetrical fault[C]. Advanced Power System Automation and Protection (APAP)， 2011 International Conference on. IEEE， 2011：659-662.

[17] 劉琨，董新洲，薄志謙.適用于配電線路無通道保護(hù)的備用電源自動投入裝置[J].電力自動化設(shè)備，2013，33(6)：147-151.

[18] 劉琨，董新洲，施慎行，等.對稱故障下基于無通道保護(hù)的配電線路自動化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，51(11)：1652-1657.

[19] 楊奇遜，黃少鋒.微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：中國電力出版社，2007：87-99.