不受網(wǎng)絡(luò)拓撲約束的就地型饋線自動化故障處理方案研究

何洪流，張銳鋒，付 宇，吳 鵬，肖小兵，李前敏

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽550002)

饋線自動化作為實現(xiàn)配電自動化的基礎(chǔ)，是保證配電網(wǎng)可靠經(jīng)濟運行的重要手段，近幾年來受到了廣泛應(yīng)用[1-3]。 但就目前來看，我國多數(shù)饋線自動化方案存在一定的局限性，沒有切實地根據(jù)不同供電區(qū)域的可靠性需求制定相應(yīng)的饋線自動化方案。 此外，對聯(lián)絡(luò)開關(guān)的不正確操作也會造成線路運行在過負荷狀態(tài)，嚴重時會造成二次停電事故或是大面積停電事故發(fā)生，對供電可靠性造成極大的威脅。 因此，從多方面對現(xiàn)有的饋線自動化方案進行優(yōu)化，對提升供電可靠性具有重要意義[4-7]。

國內(nèi)外研究學(xué)者對饋線自動化在配電網(wǎng)應(yīng)用方面已有大量研究基礎(chǔ)。 文獻[8]基于終端注入法、不停電測試技術(shù)以及主動干擾技術(shù)，研制了饋線自動化故障測試儀，詳細介紹了該故障測試儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計流程，并通過實例驗證了所提出方法的可行性和優(yōu)越性；文獻[9]基于現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，對當(dāng)前國內(nèi)配網(wǎng)饋線自動化線路的運行情況進行了分類統(tǒng)計分析，找到影響?zhàn)伨€自動化應(yīng)用可靠性和準(zhǔn)確性的重要影響因素，通過仿真測試探究配電網(wǎng)饋線自動化線路存在的問題，并對配電網(wǎng)可靠性進行評估，確保饋線自動化線路運行過程中的安全性和可靠性；文獻[10]提出了一種終端注入測試法用于現(xiàn)場測試饋線自動化功能有效性的方案，以工程現(xiàn)場測試為案例，詳細介紹了該測試法的測試步驟，并分析了現(xiàn)場應(yīng)用存在的主要問題及其解決方案；文獻[11]提出了主干線采用基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的區(qū)域故障定位與隔離，分支線采用就地分界保護功能與變電站出口斷路器級差配合的新型就地饋線自動化策略，并給出了配套產(chǎn)品的整體設(shè)計，工程應(yīng)用案例驗證了該方案的可靠性和準(zhǔn)確性；文獻[12]總結(jié)了造成饋線自動化不正確動作的相關(guān)原因并進行分析，提出了一種遞進式的饋線自動化功能測試策略，該方法涵蓋了饋線自動化功能投運的全生命周期，保證了饋線自動化啟動成功率、動作正確率，實際工程應(yīng)用效果驗證了所提方法的有效性；文獻[13]在配網(wǎng)10 kV 線路的運行管理中將10 kV 線路饋線自動化和故障定位“二遙”這兩種系統(tǒng)的功能結(jié)合起來，提出了一種具備故障自動定位隔離，且具有遙測遙信功能的配網(wǎng)自動化綜合系統(tǒng)；文獻[14]提出一種饋線故障定位、隔離和供電恢復(fù)算法可靠性評價的無失效測試方法，通過Bayes 鑒定試驗次數(shù)的選擇方法確定測試樣本空間，對每個測試樣本運行結(jié)果對用戶方貢獻度取平均值，求解出算法的可靠性量化分值，實際工程應(yīng)用案例驗證了所提可靠性評價方法的有效性；文獻[15]提出了一種基于混合型分布式終端配置的快速故障定位智能饋線自動化控制方法，在遺傳算法的基礎(chǔ)上完成了對故障區(qū)域的快速準(zhǔn)確定位，采用疊加查詢的方法定位聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置實現(xiàn)非故障區(qū)段的快速恢復(fù)供電，仿真試驗結(jié)果表明這種控制方法可在數(shù)百毫秒內(nèi)完成故障定位、切斷和恢復(fù)供電等一系列程序。

上述研究文獻從不同方面對饋線自動化在配電網(wǎng)中的應(yīng)用展開研究，但鮮有文獻對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時的饋線自動化故障處理方法進行研究。對于配電網(wǎng)新增線路分支、分段開關(guān)亦或是改變原有聯(lián)絡(luò)點的工況，初始的保護配置方法已不能保障故障的正確處理，需要對新電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)下的定值進行修改[16-17]。 為此，本文提出了一種不受網(wǎng)絡(luò)拓撲約束的就地型饋線自動化故障處理方案。 通過分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)分別對供電區(qū)域和負荷點序號進行劃分和編號，并對邏輯運行時間進行整定；通過分析故障工況下，分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作特性，探究配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變后的故障處理流程。

1 配電網(wǎng)的邏輯劃分及運行時間整定

1.1 供電區(qū)域的劃分及負荷開關(guān)的編號

如圖1 所示，為配電網(wǎng)供電區(qū)域劃分及負荷編號結(jié)果示意圖。 圖1 中，QF 代表斷路器，QS 代表負荷開關(guān)，其中QS71 和QS72 為聯(lián)絡(luò)點。 在正常運行工況下，以聯(lián)絡(luò)開關(guān)作為分割點，將圖1 所示的配電網(wǎng)劃分為3 個區(qū)域模塊。 對每個區(qū)域模塊按照先主干線分段開關(guān)，然后大分支線分段開關(guān)，最后新增分支線分段開關(guān)的順序?qū)Ψ侄伍_關(guān)進行編號。 其中，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的編號為0，分段開關(guān)的編號從1 開始。以圖1 的區(qū)域模塊1 為例，圖中，分段開關(guān)QS11，QS12 和QS13 位于主干線上，從距離斷路器QF1 最近的分段開關(guān)QS11 開始依次對其進行編號，QS11編號為1，QS12 編號為2，QS13 編號為3。 接著，對分支線路上的分段開關(guān)QS14 進行編號，QS14 編號為4，若有新增分支線則編號順序依次往后。

圖1 供電區(qū)域及負荷序號的定義

1.2 邏輯運行時間的整定

分段開關(guān)運行時間的整定主要有得電延時合閘時限整定以及合閘確認時限整定量部分，又叫做X時間的整定和Y 時間的整定，其中，X＞Y；聯(lián)絡(luò)開關(guān)運行時間的整定主要是單側(cè)失壓延時合閘時間的整定，又叫做XL時間。

在電網(wǎng)實際運行中，分段開關(guān)狀態(tài)的X 運行時間和聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)的XL運行時間，需要按照開關(guān)編號進行自適應(yīng)調(diào)整，X 運行時間為X 時間基礎(chǔ)定值加上開關(guān)編號值，XL運行時間為XL時間基礎(chǔ)定值加上開關(guān)編號值的二分之一，如式(1)和式(2)所示:

式中:TXr為X 運行時間，TXb為X 時間基礎(chǔ)定值，L 為開關(guān)編號值，TXLr為XL運行時間，TXLb為XL時間基礎(chǔ)定值。

本文中，將各分段開關(guān)的TXb值均設(shè)定成7 s，Y時間均設(shè)定成5 s，而TXLb值則根據(jù)不同的運行方式，按照最大故障隔離時間進行整定:

式中:Tp為斷路器保護動作時長，Tr為第1 次重合閘的耗時，Tmax為最長分段工況下各分段開關(guān)X 時間的基礎(chǔ)定值總和；Td為安全裕度，一般為0.5 Tmax。

2 配電網(wǎng)故障處理的基本流程

當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，變電站出口斷路器保護跳閘，供電管轄范圍內(nèi)的各個分段開關(guān)隨之?dāng)嚯姺珠l，接著斷路器進行第1 次重合閘，各分段開關(guān)在判斷無零序電壓后，依次按照各自的X 運行時間進行得電延時合閘操作。

若故障上游分段開關(guān)合閘后，線路故障再次發(fā)生，則按照故障接地電流的大小對故障進行分類處理。 對于大電流接地故障，則斷路器再次發(fā)生跳閘，供電管轄范圍內(nèi)的各個分段開關(guān)均斷電分閘，故障上游區(qū)段的各個分段開關(guān)啟動正向合閘閉鎖功能；對于小電流接地故障，故障上游區(qū)段的各分段開關(guān)的動作邏輯與大電流接地故障一致，而對于故障下游區(qū)段的各分段開關(guān)，則啟動反向合閘閉鎖功能。

圖2 所示為正向合閘閉鎖邏輯示意圖。 分段開關(guān)正向合閘閉鎖邏輯判定合閘閉鎖的情形有兩種:(1)在開關(guān)合閘后的Y 時間內(nèi)過流信號以及接地故障信號仍存在，則各分段開關(guān)斷電分閘后啟動正向合閘閉鎖功能；(2)在開關(guān)合閘后，配電網(wǎng)中未檢測到過流信號或是接地故障信號，但配電網(wǎng)中存在零序電壓，則啟動分段開關(guān)延時分閘功能，若零序電壓在開關(guān)分閘后隨即消失，則啟動分段開關(guān)正向合閘閉鎖功能，需要說明的是各分段開關(guān)的延時時間為其開關(guān)編號值。 若在開關(guān)合閘后配電網(wǎng)中未檢測到零序電壓，或是在延時計時期間零序電壓消失，以及分段開關(guān)分閘后依舊能檢測到零序電壓的情況下，都將系統(tǒng)復(fù)原至正常運行工況[18]。 若在開關(guān)合閘后的Y 時間內(nèi)檢測不到故障信號的存在，也無法檢測出含有零序電壓，那么也將系統(tǒng)復(fù)原至正常運行工況。

圖2 正向合閘閉鎖流程圖

圖3 反向合閘閉鎖流程圖

圖3 為反向合閘閉鎖邏輯示意圖。 分段開關(guān)反向合閘閉鎖邏輯判定合閘閉鎖的情形有兩種:(1)分段開關(guān)處于分閘位置，并且瞬時電壓未能維持X運行時間；(2)分段開關(guān)處于分閘位置，接收到正向來電電壓信號的持續(xù)時間超過X 運行時間，此外，配電網(wǎng)中存在零序電壓且正向電壓與零序電壓同時存在、同時消失。 需要說明的是，分段開關(guān)能夠自動解除反向合閘閉鎖功能，若開關(guān)在處于反向合閘閉鎖狀態(tài)下接收到電源側(cè)的來電信號，得電信號持續(xù)時間超過X 運行時間且無零序電壓，那么分段開關(guān)解除反向合閘閉鎖控制得電合閘[19-20]。

對于非故障區(qū)域的供電恢復(fù)，也按照故障接地電流的大小對故障供電恢復(fù)進行分類處理。 對于大電流接地故障，在實現(xiàn)故障區(qū)域的隔離后，故障上游區(qū)段通過出口斷路器的二次重合閘完成非故障區(qū)域的復(fù)供電；對于小電流接地故障，在實現(xiàn)故障區(qū)域的隔離后，故障上游區(qū)段未發(fā)生斷電無需進行供電恢復(fù)，而故障下游區(qū)段通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的合閘轉(zhuǎn)供、分段開關(guān)的順序合閘實現(xiàn)非故障區(qū)域分段的復(fù)電。

3 案例分析

如圖4 所示，網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化后的配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)簡化示意圖。 圖中，QS71 和QS72 為原聯(lián)絡(luò)點，因此該兩點的負荷編號為0，圖4 中的虛線表示新增的分支線，分支線上開關(guān)QS15 的編號從已有開關(guān)序號4 往后順序編寫為編號5，在拓撲結(jié)構(gòu)改變后，配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)點位置發(fā)生變化，各開關(guān)在網(wǎng)絡(luò)拓撲變化后的X 運行時間以及XL運行時間在圖4 中已標(biāo)注出。

假設(shè)QS13 與QS71 之間的線路發(fā)生短路故障，則故障處理流程如下:

(1)斷路器QF1 跳閘，QF1 供電范圍內(nèi)的所有分段開關(guān)失電分閘，如圖5(a)所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時的配電網(wǎng)算例

圖5 拓撲改變后故障處理流程

(2)斷路器QF1 啟動第1 次重合，分段開關(guān)QS11(8 s)和分段開關(guān)QS12(9 s)順序得電合閘，而后經(jīng)過10 s，分段開關(guān)QS13 進入得電合閘邏輯，合于故障并檢測到過流信號，如圖5(b)所示。

(3)斷路器QF1 又一次保護跳閘，分段開關(guān)QS13 失電分閘啟動正向合閘閉鎖邏輯，分段開關(guān)QS15 和分段開關(guān)QS71 處于分閘狀態(tài)，同時接收到電源側(cè)傳來的短時來電信號啟動反向合閘閉鎖邏輯。 斷路器QF1 啟動二次重合恢復(fù)故障上游區(qū)段的供電，分段開關(guān)QS11 和分段開關(guān)QS12 順序上電合閘，隨后分段開關(guān)QS15 經(jīng)過12 s 后解除其反向合閘閉鎖邏輯開始合閘，如圖5(c)所示。

(4)對于聯(lián)絡(luò)開關(guān)QS14 和QS22，自斷路器QF1 第1 次保護跳閘開始啟動XL運行時間計時，當(dāng)QS14 接收到兩側(cè)均有電壓信號傳來時停止計時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)QS22在61 s 后開始合閘，QS23 經(jīng)過10 s 后開始合閘，實現(xiàn)了整個故障下游區(qū)段的復(fù)電，如圖5(d)所示。

綜上，得到各開關(guān)的動作時間情況如表1 所示。

表1 故障處理流程

4 結(jié)語

本文對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后的饋線自動化故障處理方法進行研究，提出了一種基于供電區(qū)域和負荷開關(guān)編號的不受網(wǎng)絡(luò)拓撲約束的就地型饋線自動化故障處理方法，分析了各開關(guān)邏輯運行時間的整定原則、故障工況下各開關(guān)的操作邏輯與復(fù)電流程，并以某新增分支線的配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖為例，證明本文所提方法在拓撲架構(gòu)發(fā)生變化后，系統(tǒng)在故障處理方面的自適應(yīng)性。