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

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 王洪林 李 維 山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司 董春林

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪江川供電局 高黎明 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明富民供電局 郭 俊

1 繼電保護(hù)原理與配電自動(dòng)化可行性

1.1 繼電保護(hù)原理

繼電保護(hù)具有重要的安全意義，其能在電路本身發(fā)生故障問題時(shí)迅速進(jìn)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到保護(hù)基礎(chǔ)區(qū)域的目標(biāo)。通常情況下故障電流的差異性較為顯著，因此可采用三段保護(hù)的措施，針對(duì)電流本身的固定數(shù)值及上下配合方式進(jìn)行操作，有效達(dá)到保護(hù)選擇目標(biāo)及效率需求。在線路建設(shè)距離相對(duì)較短的城市配電范圍中，繼電保護(hù)可在故障發(fā)生時(shí)通過保護(hù)延時(shí)的方式進(jìn)行基礎(chǔ)配合，有效解決故障切斷問題，進(jìn)一步強(qiáng)化安全性能[1]。

在線路類型為110kV/10kV 狀態(tài)下，如裝置容量為50MVA，整體短路電壓百分比處于15.5%，內(nèi)部感抗為0.31Ω，10 kV 線路本身阻抗達(dá)到Z=0.17+j0.33Ω/km。通過將電壓本身的系數(shù)設(shè)置為1.1，并忽視繞組電阻狀態(tài)以及后續(xù)系統(tǒng)阻抗影響，便能得出發(fā)生短路情況下的最大電流變化趨勢（圖1）。通過分析圖中變化趨勢，可認(rèn)為短路的電流幅值與故障本身的距離成反比狀態(tài)。在出口區(qū)域發(fā)生故障時(shí)短路電流將會(huì)迅速下降，當(dāng)遠(yuǎn)距離區(qū)域發(fā)生故障時(shí)整體變化相對(duì)較為平滑。因此在線路距離短的條件下應(yīng)利用二級(jí)保護(hù)措施，通過時(shí)間級(jí)差信息進(jìn)行配合，達(dá)到良好的繼電保護(hù)目標(biāo)。此外，如果線路長度大于1km 便需應(yīng)用中間斷路器，確保能達(dá)到預(yù)定效果。在與配電自動(dòng)化協(xié)同的技術(shù)方案中，分支電路的開關(guān)與用戶開關(guān)、變電出口短路器需通過合作的方式降低故障出口越級(jí)可能性，實(shí)現(xiàn)選擇性關(guān)閉的效果，削弱故障帶來的損害。

圖1 變化趨勢

圖2 架空混合線路

1.2 配電自動(dòng)化可行性

常規(guī)配電自動(dòng)化方案主要分為三個(gè)類型：就地控制、集中控制、分布控制。分布式策略主要通過饋線裝置間的信息交換方式實(shí)現(xiàn)快速定位問題區(qū)域、自動(dòng)隔離、恢復(fù)原狀態(tài)等功能；集中控制與就地控制兩種方案的應(yīng)用時(shí)間都處于分鐘級(jí)狀態(tài)，相對(duì)于分布式策略存在效率劣勢。通過采用分布配電自動(dòng)化可使故障隔離操作在瞬間完成，有效增強(qiáng)系統(tǒng)本身的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低問題帶來的損害[2]，因此常規(guī)配電自動(dòng)化主要采用分布控制的方式運(yùn)行。在這種模式中，分段開關(guān)需結(jié)合斷路器應(yīng)用，針對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行直接切除，實(shí)現(xiàn)損害控制的效果。同時(shí)還可有效提高供電修復(fù)的效率，縮減后續(xù)經(jīng)濟(jì)損失規(guī)模。在分布式操作類型中自動(dòng)化分為兩種實(shí)現(xiàn)方式，即協(xié)同與代理。協(xié)同策略通過對(duì)數(shù)個(gè)智能終端進(jìn)行規(guī)劃，使其能達(dá)到配合的效果，在故障發(fā)生時(shí)快速完成定位操作并進(jìn)行隔離、恢復(fù)等環(huán)節(jié)；而代理方式則需利用單個(gè)智能化終端進(jìn)行操作，整體應(yīng)用效率較高，但安全性較差。一旦智能化終端出現(xiàn)問題，便會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化流程無法執(zhí)行，嚴(yán)重?fù)p害應(yīng)用效果。

例如，圖2為一種架空混合線路，在這一線路中QF1、QF2屬于出口短路裝置，Q1、Q4、Q5、Q8、Q9為主線路分段區(qū)域開關(guān)裝置，Q2、Q6具有分支線路開關(guān)的作用。Q3、Q7能發(fā)揮用戶分界開關(guān)功能，QL 可管控聯(lián)絡(luò)開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)F 區(qū)域發(fā)生故障問題狀態(tài)下，終端FTU6可利用附近饋線信息交換渠道獲得FTU1、FTU2、FTU3的基礎(chǔ)信息，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測故障電流的目標(biāo)。如FTU4沒有發(fā)現(xiàn)故障問題，便能判明發(fā)生區(qū)域處在Q4與Q5的范圍內(nèi)。此時(shí)，代理終端裝置將會(huì)操作Q4、Q5進(jìn)行分閘，直到確認(rèn)斷開完成后才會(huì)顯示成功隔離的提示內(nèi)容。

2 繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障隔離方案

開關(guān)配置。在繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化進(jìn)行協(xié)同工作的狀態(tài)下，應(yīng)針對(duì)出口區(qū)域的斷路器應(yīng)用雙重保護(hù)的策略。在這一流程中，首層保護(hù)應(yīng)針對(duì)近端故障現(xiàn)象進(jìn)行操作，基礎(chǔ)時(shí)間限制需保持在0S，而二層保護(hù)需與配電變壓裝置進(jìn)行共同操作，操作時(shí)間限制保持在0.5S，并通過FTU 進(jìn)行配置操作。主線路需加裝二級(jí)快速斷開保護(hù)裝置，首段時(shí)間限制在0.3S，其次動(dòng)作時(shí)間在0S，超出范圍均設(shè)置為0S動(dòng)作，同樣采用FTU 進(jìn)行配置。分支開關(guān)應(yīng)加裝電流Ⅱ保護(hù)措施，并與出口區(qū)域的Ⅱ保護(hù)進(jìn)行協(xié)同操作。通過配置重合閘的方式，達(dá)到無電壓無電流的分閘效果。針對(duì)用戶分界開關(guān)的時(shí)間配置應(yīng)為0.1S，并定時(shí)限制電流進(jìn)行速斷保障[3]。

隔離措施。當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路本身的差異進(jìn)行深入研究。例如主線路故障情況下，如區(qū)域處于近端狀態(tài)則Ⅰ段保護(hù)將會(huì)快速進(jìn)入操作狀態(tài)，并使整體故障區(qū)域得到控制，有效合閘。如合閘操作沒有正確完成則會(huì)通過加速跳閘的方式隔離目標(biāo)區(qū)域位置。當(dāng)出口短路裝置的遠(yuǎn)端區(qū)域發(fā)生故障問題時(shí)則分為兩種主要情況：一為上游開關(guān)與斷路器下一開關(guān)的范圍故障，在這種情況下需通過開關(guān)配置的方式將電流進(jìn)行快速切斷，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)；第二種情況可將保護(hù)區(qū)域的線路開關(guān)設(shè)置為0S，使永久性故障發(fā)生的過程中能使故障點(diǎn)立即跳閘，進(jìn)而使聯(lián)絡(luò)開關(guān)能判斷問題區(qū)域，啟動(dòng)自動(dòng)化處理流程。這一流程可通過終端裝置分析區(qū)域故障問題并快速確定點(diǎn)位，遙控進(jìn)行跳閘，實(shí)現(xiàn)故障隔離的目標(biāo)[4]。

3 實(shí)例分析結(jié)果

以圖2分析，通過采用對(duì)應(yīng)的開關(guān)配置方法，使出口區(qū)域的短路裝置能達(dá)到雙重保護(hù)效果。首段設(shè)置時(shí)間為0S，當(dāng)保護(hù)近端小于一千米的區(qū)域發(fā)生故障情況下，二重保護(hù)能以0.5S 的速度快速控制故障區(qū)域，達(dá)到隔離目標(biāo)。在位置故障具有差異的狀態(tài)下，則需按照對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位進(jìn)行處理操作，基礎(chǔ)點(diǎn)位如圖3ac 所示。當(dāng)K1點(diǎn)位故障的情況下，Q3區(qū)域?qū)?huì)延長約0.1s 的時(shí)間進(jìn)行操作，使瞬間故障能夠得到有效控制。如合閘出現(xiàn)問題開關(guān)將會(huì)直接跳開，有效切除故障區(qū)域，如圖3a 所示。如分界開關(guān)的下游區(qū)域出現(xiàn)問題，也不會(huì)影響主線路的狀態(tài)，具有良好的安全性。當(dāng)K2點(diǎn)故障的情況下，Q4與Q5點(diǎn)位將會(huì)立即進(jìn)入反應(yīng)狀態(tài)，如圖3b 所示。這時(shí)代理裝置QL 將會(huì)通過自動(dòng)拓?fù)涞姆椒ǐ@得Q8點(diǎn)位的故障情報(bào)，進(jìn)而操作Q4進(jìn)行自動(dòng)化合閘。這種方式可有效完成故障隔離，為后續(xù)發(fā)展提供良好的幫助。聯(lián)絡(luò)開關(guān)QL 合閘，能恢復(fù)下游區(qū)域的供電狀態(tài)，如圖3c 所示。

圖3a K1故障處理

圖3b K2故障處理

圖3c 遙控Q4合閘、Q8跳閘、QL 合閘恢復(fù)下游供電

綜上，繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同的技術(shù)方案具有良好的適應(yīng)性，能夠在多種故障情況下迅速達(dá)到控制的目標(biāo)，有效隔離問題區(qū)域，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。因此在未來建設(shè)的過程中應(yīng)重視這種方案的應(yīng)用，進(jìn)一步提高整體電網(wǎng)活動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)展目標(biāo)。