繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離技術(shù)

卓夢(mèng)飛，王敬華

（1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司，山東 淄博 255087）

0 引言

配電網(wǎng)故障定位、隔離與恢復(fù)供電一直是電力部門致力解決的一大難題。近年來(lái)，隨著配電自動(dòng)化系統(tǒng)的大力建設(shè)，自動(dòng)化處理故障的速度加快，配電網(wǎng)供電可靠性大大提高。配電自動(dòng)化大力建設(shè)的同時(shí)，忽視了繼電保護(hù)問題，繼電保護(hù)整定和配置不完善，故障時(shí)變電站出線無(wú)選擇性動(dòng)作，明顯擴(kuò)大了停電范圍。因此，需要將配電網(wǎng)繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化統(tǒng)一考慮，形成完整的解決方案，將故障停電范圍限制在盡可能小的范圍內(nèi)，避免故障時(shí)大面積停電問題發(fā)生［1-4］。

文獻(xiàn)［5］提出一種多級(jí)級(jí)差保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)調(diào)配合的配電網(wǎng)故障處理策略，討論了多級(jí)級(jí)差繼電保護(hù)的可行性和分布式電源接入帶來(lái)的影響，主要是針對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的部分區(qū)域，討論了分支線路配置原則，并沒有給出主干線路配置原則。文獻(xiàn)［6］論述了多級(jí)級(jí)差保護(hù)與電壓時(shí)間型饋線自動(dòng)化配合的原理，但沒有分析出口斷路器，對(duì)于主干線路只是單純考慮了饋線自動(dòng)化，沒有考慮和繼電保護(hù)的結(jié)合。文獻(xiàn)［7］通過(guò)提高線路設(shè)備的絕緣水平和過(guò)電壓防護(hù)技術(shù)來(lái)減少故障，但沒有給出具體的故障隔離方案。

提出一種繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離技術(shù)。繼電保護(hù)作為第一道防線可縮小配電網(wǎng)故障范圍，配置簡(jiǎn)單，可靠性高且不依賴于通信；配電自動(dòng)化作為輔助手段，糾正繼電保護(hù)的無(wú)選擇性動(dòng)作。在配電自動(dòng)化的過(guò)程中選用代理控制型饋線自動(dòng)化的方法，可靈活選擇代理終端，故障隔離更加準(zhǔn)確，可靠性高。

1 原理分析

1.1 繼電保護(hù)原理分析

對(duì)于長(zhǎng)距離、分段開關(guān)數(shù)量少的開環(huán)農(nóng)村配電線路，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)上游每個(gè)分段開關(guān)處，故障電流的大小差別明顯，可設(shè)置三段式保護(hù)，采用電流定值和上下級(jí)差配合的方式，滿足繼電保護(hù)選擇性和快速性要求［8-9］。

對(duì)于分段開關(guān)數(shù)量多的農(nóng)村配電線路或者短距離的城市配電線路，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于故障點(diǎn)上游每個(gè)分段開關(guān)處，故障電流差別不大，可通過(guò)設(shè)置保護(hù)延時(shí)，實(shí)現(xiàn)上下級(jí)之間的配合，有選擇地切除故障。

針對(duì)110 kV/10 kV線路，假設(shè)變壓器容量為50 MVA，變壓器的短路電壓百分比為15.5%，主變壓器內(nèi)部感抗為0.31 Ω，10 kV架空配電線路的阻抗為 Z＝0.17＋j0.33 Ω/km，將電壓系數(shù)選為 1.1，忽略變壓器繞組電阻及其背后系統(tǒng)阻抗的影響，線路上不同距離處發(fā)生短路時(shí)最大短路電流的變化曲線如圖1所示。

由圖1可見，短路電流幅值與故障距離基本成反比關(guān)系，出口斷路器近端故障時(shí)，短路電流急劇下降，出口斷路器遠(yuǎn)距離故障時(shí)，短路電流變化比較平緩。線路長(zhǎng)度較短，供電電源不固定，采用二級(jí)保護(hù)配置方案，通過(guò)時(shí)間級(jí)差配合。線路長(zhǎng)度大于10 km時(shí)，末端最小短路電流1～2 kA，可采用中間斷路器保護(hù)。

圖1 配電線路相間短路電流隨故障距離的變化曲線

繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離技術(shù)方案中，分支線路開關(guān)、用戶分界開關(guān)與變電站出口斷路器相互配合，避免下游故障時(shí)出口保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)有選擇性地故障跳閘，縮小停電范圍。

1.2 配電自動(dòng)化可行性分析

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，饋線自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方案分為3種，分別為就地控制型、集中控制型和分布式控制型［10］。其中分布式饋線自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)饋線終端互相之間交換信息，實(shí)現(xiàn)配電線路故障定位、隔離與恢復(fù)供電；集中控制和本地控制的饋線自動(dòng)化的供電恢復(fù)時(shí)間都在分鐘級(jí)而分布式故障隔離系統(tǒng)可以在幾秒鐘內(nèi)完成，大大提高供電質(zhì)量，在分段開關(guān)采用斷路器時(shí)，還可以直接切除故障，避免故障點(diǎn)上游區(qū)段停電，進(jìn)一步加快故障點(diǎn)下游故障區(qū)段的恢復(fù)供電的速度。

分布式饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方式分為協(xié)同控制型和代理控制型。協(xié)同控制型饋線自動(dòng)化，指多個(gè)智能終端決策，協(xié)同完成配電線路故障定位、隔離以及恢復(fù)供電；代理控制型饋線自動(dòng)化，指故障定位、隔離與恢復(fù)供電的決策全部由1個(gè)代理智能終端完。以圖2所示架空混合線路為例，QF1，QF2為出口斷路器，Q1，Q4，Q5，Q8，Q9 為主干線路分段開關(guān)，Q2，Q6 為分支線路開關(guān)，Q3，Q7為用戶分界開關(guān)，QL為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。F點(diǎn)發(fā)生永久故障時(shí)，饋線終端FTU6通過(guò)與相鄰的饋線終端交換故障信息得知FTU1，F(xiàn)TU2，F(xiàn)TU3都檢測(cè)到有故障電流流過(guò)，而FTU4沒有檢測(cè)到故障電流流過(guò)，判斷出故障區(qū)域在Q4與Q5之間；代理終端遙控Q4，Q5分閘，F(xiàn)TU6在確認(rèn)Q4與Q5都跳開后，顯示故障隔離成功的信息。

圖2 典型架空混合線路

代理控制型分布式饋線自動(dòng)化通過(guò)控制代理終端實(shí)現(xiàn)故障隔離，故障隔離速度較慢，但易于實(shí)現(xiàn)。在此方案中選用代理控制型分布式饋線自動(dòng)化，故障的定位、隔離、恢復(fù)均由1個(gè)代理終端完成。

2 繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化配合的配電網(wǎng)故障處理策略

為避免短路電流對(duì)系統(tǒng)的傷害，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間短路故障時(shí)，變電站出口斷路器電流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般設(shè)置為 0.5 s［11－12］，意味著設(shè)置繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的開關(guān)需要在0.5 s內(nèi)完成隔離，對(duì)于配電自動(dòng)化也是如此。

2.1 線路各開關(guān)配置原則

2.1.1 出口斷路器

出口斷路器配置兩段保護(hù)，其中I段保護(hù)近端故障，動(dòng)作時(shí)限為0 s；Ⅱ段與配電變壓器配合，動(dòng)作時(shí)限為0.5 s，并配置饋線終端FTU。

2.1.2 主干線路分段開關(guān)

主干線路配置二級(jí)速斷保護(hù)，一級(jí)動(dòng)作時(shí)間為0.3 s，二級(jí)動(dòng)作時(shí)間為0 s，超過(guò)二級(jí)保護(hù)的均配置0 s，配置饋線終端FTU。

2.1.3 分支線路開關(guān)

分支線路開關(guān)配置電流Ⅱ段保護(hù)，與出口斷路器Ⅱ段保護(hù)配合，并配置一次重合閘，具備無(wú)壓無(wú)流分閘功能。

2.1.4 用戶分界開關(guān)

用戶分界開關(guān)配置0.1 s定時(shí)限電流速斷保護(hù)，具備無(wú)壓無(wú)流分閘功能。

2.2 故障隔離策略

線路發(fā)生相間短路故障時(shí)，分別針對(duì)主干線路故障和分支線路故障展開研究。

2.2.1 主干線路故障隔離策略

出口斷路器近端發(fā)生故障。I段保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，瞬時(shí)性故障合閘成功，永久性故障合閘失敗，加速跳閘隔離故障區(qū)域。

出口斷路器遠(yuǎn)端故障。分以下2種情況：

1）故障點(diǎn)上游開關(guān)為出口斷路器的下一個(gè)開關(guān)，以圖2為例，故障點(diǎn)在Q1和Q4之間，開關(guān)Q1配置0.3 s定時(shí)限電流速斷保護(hù)，即開關(guān)延遲0.3 s動(dòng)作。

2）超過(guò)二級(jí)保護(hù)的主干線路開關(guān)均配置0 s，如圖 2中的主干線路開關(guān) Q4，Q5，Q8，QL都配置 0 s速斷保護(hù)，若Q5，Q8之間發(fā)生永久性故障，故障點(diǎn)上游開關(guān)Q4，Q5立即跳閘，此時(shí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)QL檢測(cè)到一側(cè)失壓，啟動(dòng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)，代理終端通過(guò)收集各個(gè)饋線終端的故障信息，確定故障區(qū)域，遙控故障點(diǎn)兩端的開關(guān)跳閘，其他誤動(dòng)開關(guān)合閘隔離故障區(qū)域。

2.2.2 分支線路故障隔離策略

用戶側(cè)故障。分界開關(guān)延遲0.1 s動(dòng)作隔離故障，與出口斷路器構(gòu)成兩級(jí)級(jí)差保護(hù)。

分支線路故障。以圖2為例，Q2與Q3之間發(fā)生故障，分支線路開關(guān)Q2立即動(dòng)作，0.5 s后Q2合閘，瞬時(shí)性故障合閘成功，永久性故障合閘失敗，永久性故障時(shí)Q3在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到無(wú)電壓和電流后跳閘，故障隔離成功。

3 實(shí)例分析及測(cè)試結(jié)果

3.1 實(shí)例分析

以圖2所示的典型架空混合配電網(wǎng)線路為例，根據(jù)2.1中開關(guān)配置原則，出口斷路器配置2段保護(hù)，其中I段0 s，保護(hù)近端（1 km）故障，Ⅱ段0.5 s速斷保護(hù)。主干線路開關(guān)、分支線路開關(guān)和分界開關(guān)的配置不再贅述，當(dāng)在不同位置發(fā)生故障時(shí)，故障處理過(guò)程如下：

1）K1點(diǎn)故障，Q3延時(shí)0.1 s保護(hù)動(dòng)作，瞬時(shí)性故障開關(guān)合閘成功，永久性故障合閘失敗，開關(guān)再次跳開，切除故障；如圖3（a）所示。分界開關(guān)下游故障，不影響主干線路正常運(yùn)行，提高了供電可靠性。

2）K2點(diǎn)故障，Q4，Q5 立即動(dòng)作，如圖 3（b）所示，代理終端QL通過(guò)自動(dòng)拓?fù)淇芍猀8位于故障點(diǎn)下游遙控分閘，自動(dòng)合閘Q4，恢復(fù)故障點(diǎn)上游區(qū)段供電，完成故障隔離。聯(lián)絡(luò)開關(guān)QL合閘，恢復(fù)故障點(diǎn)下游區(qū)段供電（在多聯(lián)絡(luò)開關(guān)線路中，需要比較聯(lián)絡(luò)開關(guān)的容量，選擇容量大的聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘），如圖3（c）所示。

圖3 不同位置故障處理過(guò)程

此方案中，一方面即使是線路通信發(fā)生故障，配電自動(dòng)化不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，主干線路近端故障仍可正確地隔離故障，保護(hù)變壓器不受損壞；另一方面選用聯(lián)絡(luò)開關(guān)而不選用出口斷路器作為代理終端，減輕了變壓器保護(hù)配置負(fù)擔(dān)，不更改原有變壓器保護(hù)配置，擴(kuò)大適用范圍。故障首先由保護(hù)處理，存在保護(hù)無(wú)法配合發(fā)生越級(jí)跳閘的區(qū)段或需要聯(lián)絡(luò)開關(guān)動(dòng)作恢復(fù)非故障區(qū)段供電時(shí)，由分布式饋線自動(dòng)化處理，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化和糾正，提高可靠性。

3.2 靜態(tài)模擬系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

基于3.1中分析的典型架空混合線路，在靜態(tài)模擬系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。在該系統(tǒng)中利用模擬仿真技術(shù)將變電站或饋線中各環(huán)節(jié)用相應(yīng)模擬元件來(lái)代替，搭建1個(gè)變電站或饋線分段模型，該模擬系統(tǒng)較數(shù)字仿真具有更高的真實(shí)性和可信度。

在模擬系統(tǒng)中，合理配置電流互感器TA、電壓互感器TV的變比，使進(jìn)入保護(hù)和自動(dòng)裝置中的電流和電壓分別為5 A和100 V，與實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)保持一致。模擬系統(tǒng)可仿真架空線、城市電纜運(yùn)行及故障、環(huán)網(wǎng)柜形式變電站等不同形式，實(shí)用性十分廣泛。以圖3為例的測(cè)試結(jié)果如下所示。

K1點(diǎn)故障開關(guān)動(dòng)作順序?yàn)椋?/p>

Q3跳閘，故障隔離完成。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

K2點(diǎn)故障開關(guān)動(dòng)作順序?yàn)椋?/p>

1）Q4，Q5 跳閘；

2）遙控Q8跳閘，Q4合閘，故障隔離完成。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 K1點(diǎn)故障開關(guān)動(dòng)作時(shí)間

表2 K2點(diǎn)故障開關(guān)動(dòng)作時(shí)間

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離方案，方案在分支線路故障時(shí)不需要通信，當(dāng)通信系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致配電自動(dòng)化不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)時(shí)，可利用繼電保護(hù)隔離故障區(qū)域。

所提方案無(wú)需更改原有變壓器保護(hù)配置，故障首先由保護(hù)處理，存在保護(hù)無(wú)法配合發(fā)生越級(jí)跳閘的區(qū)段或需要聯(lián)絡(luò)開關(guān)動(dòng)作恢復(fù)非故障區(qū)段供電時(shí)，分布式饋線自動(dòng)化進(jìn)行糾正和優(yōu)化處理。

繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離技術(shù)方案同樣適用于含有多聯(lián)絡(luò)開關(guān)的線路，但在主干線路開關(guān)數(shù)量多的情況下，故障點(diǎn)遠(yuǎn)端故障時(shí)會(huì)有多個(gè)開關(guān)同時(shí)跳開，為避免此問題，可采用中間分段斷路器保護(hù)。