智能配電網(wǎng)應用差動保護技術相關問題研究

趙曼勇， 譚志海， 文安，2， 黃維芳，2

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510623; 2. 南方電網(wǎng)科學研究院,廣東 廣州 510062;3. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100000)

0 引 言

為解決日益嚴重的環(huán)境問題，分布式發(fā)電和智能電網(wǎng)相關技術近幾年發(fā)展迅速。為提高風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等各種分布式電源的接入消納能力，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)方向發(fā)展。傳統(tǒng)配電網(wǎng)過流保護配置單一、逐級配合過流參數(shù)整定困難，存在無法實現(xiàn)故障精確定位的問題。

線路電流差動保護具有原理簡單、使用電氣量少、保護范圍明確且無需逐級整定配合的特點，并且具有動作速度快、可靠性高的特性，能夠適應多端電源線路故障的精確定位。因此，線路電流差動保護應用于配電網(wǎng)，特別是10 kV中壓城市配電網(wǎng)，是解決配電網(wǎng)過流保護問題的一個較好的技術途徑。文獻[1]提出了配電網(wǎng)集中式差動保護系統(tǒng)，把被保護的區(qū)域看作廣義節(jié)點形成差動保護區(qū)間，可實現(xiàn)配電網(wǎng)故障區(qū)域快速選擇及切除。文獻[2]把差動保護方案配置為集中式線路差動與就地式母線差動保護，實現(xiàn)電纜線路主動配網(wǎng)保護，通過集中式保護裝置和DTU分別實現(xiàn)線路差動保護和母線差動保護。文獻[3]提出了基于廣義節(jié)點的配電網(wǎng)集中式差動保護模型和保護配置方法，以解決分布式電源接入和出現(xiàn)部分環(huán)網(wǎng)情況下配電網(wǎng)的保護問題。文獻[4]根據(jù)有源配電網(wǎng)具有多電源、多分段、多分支和功率雙向流動等特征，提出一種基于正序故障分量的電流差動保護方法，對差動保護動作判據(jù)進行了設計。文獻[5]對基于差動保護的配電網(wǎng)閉環(huán)運行方式進行了研究，提出了具有三層結構(主站系統(tǒng)、集中式保護控制和配電智能終端)的集中式差動保護控制概念和系統(tǒng)架構。

綜上所述，為解決各種分布式電源接入帶來的雙向潮流和傳統(tǒng)配電網(wǎng)過流保護存在的問題，已有一些專家學者對差動保護應用于配電網(wǎng)的相關技術進行了研究，但針對差動保護技術應用于配電網(wǎng)存在的網(wǎng)絡拓撲自適應問題、線路中斷路器和負荷開關混合組網(wǎng)的適應性問題以及多種通信方式情況下的數(shù)據(jù)同步和對時問題鮮見相關文獻報道。本文首先介紹了差動保護的技術原理及應用于配電網(wǎng)需要解決的相關問題，然后對相關問題分布進行了分析研究，提出了相應的解決方案，最后通過差動保護設備樣機研制過程介紹和示范工程應用情況分析，驗證了本文提出的差動保護應用于配電網(wǎng)相關問題解決方案的可行性。

1 配電網(wǎng)應用差動保護相關問題

差動保護是通過計算被保護設備兩端配置的CT電流矢量差，當達到設定的動作值時啟動動作元件。保護范圍是配置了兩端CT之間的設備(線路、發(fā)電機、電動機和變壓器等電氣設備)。

1.1 差動保護基本原理

電流差動保護是一種建立在基爾霍夫電流定律基礎上的保護方式，在進行故障判別時只需要線路兩端的電流量。因此，電流差動保護不存在與引入電壓有關的問題，不受系統(tǒng)振蕩和系統(tǒng)非全相運行等因素的影響和制約。而且，電流差動保護具有原理簡單、計算量小等優(yōu)點能夠很好地滿足繼電保護的快速性、靈敏度和可靠性等要求[5]104。差動保護把被保護的電氣設備看成一個節(jié)點，正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等，電流矢量和等于零。當設備內(nèi)出現(xiàn)故障時，流進被保護設備的電流和流出的電流不相等，電流矢量和大于零。當被保護設備流進流出電流矢量和大于設定值時，差動保護發(fā)出指令，將被保護設備的各側斷路器跳開，使被保護設備從電網(wǎng)中隔離。

1.2 差動保護應用于配電網(wǎng)存在的問題

差動保護原理簡單、使用電氣量少，但是傳統(tǒng)線路差動保護在投產(chǎn)時均固定為兩端或多端差動，線路結構變化時需要工程人員對相關的各側保護從硬件、軟件及定值等各方面進行調(diào)整，涉及到的現(xiàn)場配置調(diào)整、調(diào)試的工作量比較大，檢修調(diào)試時間比較長。線路差動保護應用于配電網(wǎng)中，由于配電網(wǎng)設備點多面廣、拓撲結構復雜多變和通信方式多樣等特點存在以下幾個問題。

1)配電網(wǎng)拓撲結構變化的適應性

相對于主網(wǎng)，配電網(wǎng)設備和網(wǎng)絡拓撲結構隨著用戶的接入和配電網(wǎng)建設改造，面臨的變動更加頻繁，若按傳統(tǒng)電流差動保護方式設計，應用差動保護并完成現(xiàn)場調(diào)整調(diào)試工作量巨大，帶來的經(jīng)常長時間停電維護與配電網(wǎng)高可靠性要求沖突，這樣在實際工程應用中存在應用推廣困難等問題?？紤]到配電網(wǎng)拓撲結構容易變化的特點，采用相應技術手段，使線路差動保護拓撲相關參數(shù)配置能夠自動適應配電網(wǎng)拓撲結構變化，以減少拓撲結構變化后差動保護設備現(xiàn)場維護調(diào)試的工作量，有利于工程應用的推廣。

2)斷路器負荷開關混合組網(wǎng)的適應性

配電網(wǎng)的線路類型可以分為：架空線路、電纜線路和架空線與電纜混合線路。線路中的開關可以分為斷路器和負荷開關兩類。

配電網(wǎng)中線路主干線上的開關可以分為三種情況：第一種是開關全部是斷路器，第二種是開關全部是負荷開關，第三種是既有斷路器又有負荷開關。線路中的開關既有斷路器又有負荷開關，這種斷路器與負荷開關混合組網(wǎng)的線路最多，純斷路器和純負荷開關的線路較少。線路差動保護應用于配電網(wǎng)，既要考慮架空線和電纜線路的適應性問題，又需要考慮線路中的開關全部是斷路器、全部是負荷開關還是由斷路器和負荷開關混合組成的適應問題。

3)多種通信方式的適應性

配電自動化系統(tǒng)與保護設備采用的通信方式多樣、通信設備工作環(huán)境惡劣和通信系統(tǒng)可靠性低。配電自動化系統(tǒng)與保護設備的通信方式可以分為三大類：光纖、無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)。其中，光纖通信主要包括：EPON、GPEN、SDH、MSTP、ASON和PTN等。

線路電流差動保護應用于配電網(wǎng)需要考慮適應配網(wǎng)的各種通信方式現(xiàn)狀，研究多種通信方式下的數(shù)據(jù)同步和對時技術，研究開發(fā)基于光纖和無線通信的差動保護技術，實現(xiàn)配電網(wǎng)基于線路差動保護技術的最小范圍故障定位、隔離和快速恢復供電。

2 智能配電網(wǎng)應用差動保護相關問題解決方案

電流差動保護應用于配電網(wǎng)，能夠解決配電網(wǎng)過流保護級差配置困難、無法適應大量分布式電源接入后引起的雙向潮流問題，但是需要研究解決面臨的配電網(wǎng)拓撲變化自適應、配網(wǎng)線路中斷路器與負荷開關混合組網(wǎng)適應性、配電網(wǎng)多種通信方式下的全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時等問題。

2.1 配電網(wǎng)拓撲變化自適應

由于配電網(wǎng)改造頻繁，配電網(wǎng)饋線中開關之間的拓撲連接關系經(jīng)常發(fā)生變化，開關之間拓撲連接關系變化后對線路差動保護會產(chǎn)生影響，差動保護設備需要根據(jù)變化后的拓撲連接關系修改調(diào)整相關配置參數(shù)。如果每次拓撲變化后在現(xiàn)場手工修改調(diào)試受影響的差動保護設備相關配置參數(shù)，由于配電網(wǎng)設備數(shù)量眾多且安裝位置分散，拓撲連接關系變化頻繁，會導致保護設備拓撲相關參數(shù)配置維護工作量大，進而影響差動保護設備在配電網(wǎng)中的應用推廣。因此需要研究拓撲變化后，能夠根據(jù)一定的規(guī)則生成影響保護設備拓撲相關配置參數(shù)，并能夠遠程更新到相應保護設備中，以實現(xiàn)保護設備對配電網(wǎng)拓撲變化的自適應，減少或避免保護設備拓撲相關配置參數(shù)現(xiàn)場維護的工作量。

配電網(wǎng)拓撲變化自適應利用配電自動化系統(tǒng)主站的模型變化檢測和模型轉換技術，生成模型變化后保護設備的拓撲相關配置文件，通過與保護設備通信把配置文件更新到設備，實現(xiàn)保護設備對配電網(wǎng)拓撲變化的自適應。電流差動保護配電網(wǎng)拓撲自適應技術實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：配電自動化系統(tǒng)主站中檢測配電網(wǎng)模型中開關拓撲連接關系的變化；

步驟2：若檢測到開關連接拓撲關系變化，根據(jù)保護設備與開關的對應關系確定受影響的保護設備；

步驟3：根據(jù)變化后的開關連接關系、保護設備與開關的對應關系生成受影響的保護設備拓撲相關配置文件；

步驟4：步驟3生成的拓撲相關配置文件更新到相應的保護設備。

圖1 開關連接拓撲圖

圖2 配電網(wǎng)拓撲變化自適應流程圖

配電網(wǎng)線路中的開關按應用類型可以劃分為出線開關、分段開關和聯(lián)絡開關三大類，忽略開關之間的負荷、饋線段等設備，開關之間的拓撲連接關系是一種樹形供電關系，即出線開關作為樹根，從出線開關開始逐層向下一層開關供電，一個開關可能有多個子開關(下一層的開關)，只能有一個父開關，即電源開關(上一層的開關)，開關之間的拓撲連接關系如圖1所示。圖1中，CB1為出線開關，B11、…、B14為第一層的饋線分段開關，B21、…、B25為第二層的饋線分段開關，B31、…、B37為第三層的饋線分段開關。配電網(wǎng)拓撲變化自適應實現(xiàn)流程如圖2所示。

2.2 斷路器與負荷開關混合組網(wǎng)的適應性

配電網(wǎng)線路中的開關一般既有斷路器，又有負荷開關，差動保護應用于配電網(wǎng)需要適應配電斷路器與負荷開關混合組網(wǎng)的這種開關拓撲結構。

斷路器與負荷開關混合組網(wǎng)時，基于差動保護的故障處理方案為：負荷開關之間發(fā)生短路故障后，負荷開關上安裝的保護設備線路差動保護功能啟動，因負荷開關不能切斷故障電流，通過負荷開關上安裝的保護設備與相鄰開關上的保護設備進行通信，先跳開負荷開關最近的電源側斷路器以隔離故障，斷路器跳閘成功后再跳開負荷開關，負荷開關跳閘成功后再合上跳開的斷路器。即通過“負荷開關之間發(fā)生短路故障→負荷開關上安裝的保護設備的差動保護功能啟動→負荷開關最近的電源側斷路器跳閘→負荷開關跳閘→跳開的斷路器合閘”這樣的處理流程和開關動作序列來達到最終故障周圍負荷開關跳閘以最小范圍隔離故障的目的。

2.3 多種通信方式下的全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時

線路差動保護應用于配電網(wǎng)中需要適應配電網(wǎng)具有多種通信方式的現(xiàn)狀，需要針對不同的通信方式研究全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時技術。無論是采用有線通信還是無線通信方式，當傳輸出現(xiàn)不大于200 ms數(shù)據(jù)延時和不大于100 μs的同步誤差時，保護設備應能正常工作。設備差動保護功能完善，且支持基于時間信息(TOD)和秒脈沖的數(shù)據(jù)同步方法。當采用無線通信時，保護設備接入的每一個間隔使用的帶寬應不大于64 kbps。以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(EPON)廣泛應用于配電網(wǎng)，借助現(xiàn)有的EPON通信網(wǎng)絡實現(xiàn)線路差動保護經(jīng)濟可行，具有廣闊的應用空間[6]95。文獻[6]分析了EPON傳輸延時及抖動產(chǎn)生的機理，提出了差動保護抗延時抖動算法。IEEE 15888對時具有對時精度高且共用EPON的特點，適合于配電網(wǎng)環(huán)境下的差動保護之間的采樣同步?；贕PS的高精度網(wǎng)絡對時技術，采用NTP和PTP的對時協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡的高精度對時也有一些相關研究應用[7-9]。相鄰保護設備之間需要進行時鐘同步，以保證各設備內(nèi)時鐘的一致性。IEEE 1588采用時間分布機制和時間調(diào)度概念，客戶機可以使用普通振蕩器，通過軟件調(diào)度與主控機的主時鐘保持同步，過程簡單可靠，節(jié)約大量時鐘電纜。目前常用的有GPS(全球定位系統(tǒng))和IRIG-B(國際通用時間格式碼)兩種對時方法，IRIG-B每秒發(fā)送一個幀脈沖和10 MHz基準時鐘，實現(xiàn)主控機/客戶機的時鐘同步。數(shù)據(jù)同步方法有基于秒脈沖的數(shù)據(jù)同步方法和基于時間信息的數(shù)據(jù)同步方法。

3 樣機研制與示范應用

根據(jù)本文對差動保護應用于配電網(wǎng)相關問題提出的解決方案，研制了差動保護功能樣機和差動保護拓撲自適應模塊，實現(xiàn)了配電網(wǎng)差動保護拓撲自適應、配電網(wǎng)多種通信方式下的數(shù)據(jù)同步和對時、斷路器和負荷開關混著組網(wǎng)情況下的故障定位處理等功能。通過基于RTDS的仿真環(huán)境中測試和實際的示范工程現(xiàn)場驗證測試，驗證了本文提出的解決方案的可行性。

根據(jù)示范工程實際網(wǎng)絡架構設計的測試環(huán)境使用的網(wǎng)絡接線情況為：由110 kV主山站的F36瑞龍線和110 kV樟村站的F5塹頭I線兩條線路組成，線路中有5個配電房。其中，瑞龍路2號為聯(lián)絡開關站，其601開關為聯(lián)絡開關。差動保護拓撲自適應模塊程序的主要功能為:監(jiān)測主站系統(tǒng)中網(wǎng)絡拓撲變化，網(wǎng)絡拓撲變化后根據(jù)開關站與保護設備的對應關系生成保護設備拓撲相關配置文件，拓撲相關配置文件下發(fā)給保護設備。

4 結束語

考慮到配電網(wǎng)的實際情況和配電網(wǎng)設備點多面廣、拓撲結構復雜容易變化等特點，分析研究了電流差動保護應用于配電網(wǎng)需要解決的問題，給出了問題的解決方案，通過樣機研制和示范工程應用，驗證了本文提出的差動保護應用于配電網(wǎng)相關問題解決方案的可行性。