基于重合閘時(shí)序圖的聯(lián)絡(luò)開關(guān)保護(hù)整定*

何洪流付 宇吳 鵬張銳鋒肖小兵劉安茳

(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)

隨著配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，在饋線終端裝置上配置配電自動(dòng)化的緊急控制功能，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、完整的故障診斷以及隔離功能，已然成為饋線自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)饋線自動(dòng)化的原理分析以及改進(jìn)控制技術(shù)研究已有一定的基礎(chǔ)。黎錦榮等[5]提出應(yīng)用遺傳算法，提出了一種基于混合型分布式終端配置的快速故障定位饋線自動(dòng)化控制策略，采用疊加查詢的方法定位聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的快速定位以及非故障區(qū)段的快速恢復(fù)供電，仿真實(shí)驗(yàn)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。嵇文路等[6]通過分析饋線自動(dòng)化動(dòng)作失敗的常見原因，提出了一種遞進(jìn)式的饋線自動(dòng)化功能檢驗(yàn)策略，包括饋線自動(dòng)化功能投運(yùn)的全生命周期，保證了饋線自動(dòng)化啟動(dòng)成功率、動(dòng)作正確率，實(shí)際工程應(yīng)用效果驗(yàn)證了所提方法的有效性。蘇標(biāo)龍等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)配網(wǎng)饋線自動(dòng)化線路的運(yùn)行情況進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)分析，找到影響?zhàn)伨€自動(dòng)化應(yīng)用可靠性和準(zhǔn)確性的重要影響因素，通過仿真測(cè)試探究配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化線路存在的問題，并對(duì)配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行評(píng)估，確保饋線自動(dòng)化線路運(yùn)行過程中的安全性和可靠性。張維等[8]提出了主干線采用基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膮^(qū)域故障定位與隔離，分支線采用就地分界保護(hù)功能與變電站出口斷路器級(jí)差配合的新型就地饋線自動(dòng)化策略，并給出了相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，工程應(yīng)用情況證明了該方案的可靠性和準(zhǔn)確性。覃朝云等[9]通過引入配電線路的靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ团c動(dòng)態(tài)拓?fù)淠Ｐ?，作為?shí)現(xiàn)配電線路拓?fù)渥赃m應(yīng)的基礎(chǔ)，提出了主站系統(tǒng)與分布式饋線自動(dòng)化以及終端之間的拓?fù)淠Ｐ徒换C(jī)制，實(shí)現(xiàn)配電線路拓?fù)渥兏赃m應(yīng)，并在南瑞配網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)上驗(yàn)證了其可行性。凌萬水等[10]提出了一種終端注入測(cè)試法，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試饋線自動(dòng)化功能有效性的方案，以工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為案例，詳細(xì)介紹了該測(cè)試法的測(cè)試步驟，并分析了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在的主要問題及其解決方案。凌萬水等[11]在配網(wǎng)10 kV 線路的運(yùn)行管理中將10 kV 線路饋線自動(dòng)化和故障定位“二遙”這2 種系統(tǒng)的功能結(jié)合起來，提出了一種具備故障自動(dòng)定位隔離，且具有遙測(cè)遙信功能的配網(wǎng)自動(dòng)化綜合系統(tǒng)。

結(jié)合上述研究文獻(xiàn)來看，要使配電自動(dòng)化成套設(shè)備正確動(dòng)作，充分發(fā)揮饋線自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)越性，不僅要合理配置饋線終端，還要適當(dāng)調(diào)整變電站出線斷路器的保護(hù)定值，以滿足自動(dòng)化開關(guān)正確動(dòng)作的要求。為此，基于重合閘時(shí)序圖，對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的失壓合閘時(shí)限展開分析，提出了一種電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)快速合閘延時(shí)的保護(hù)整定計(jì)算方法，以期能夠縮短停電時(shí)長(zhǎng)，提升配電網(wǎng)的供電能力。

1 電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化聯(lián)絡(luò)開關(guān)

1.1 技術(shù)手段

電壓-時(shí)間型柱上自動(dòng)化負(fù)荷開關(guān)，簡(jiǎn)稱為電壓型柱上開關(guān)，是具備自動(dòng)分閘、合閘及閉鎖功能的柱上自動(dòng)化成套設(shè)備，由負(fù)荷開關(guān)本體、饋線終端、電壓互感器等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[12]。

電壓型柱上開關(guān)通過其饋線終端預(yù)先設(shè)定好的電壓-時(shí)間邏輯對(duì)線路運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)作邏輯進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)作邏輯進(jìn)行整定，當(dāng)線路兩側(cè)均斷電時(shí)，則啟動(dòng)自動(dòng)分閘功能；當(dāng)線路一側(cè)來電時(shí)，則啟動(dòng)延時(shí)合閘功能。電壓型聯(lián)絡(luò)開關(guān)與上一級(jí)線路的斷路器保護(hù)以及重合閘相互協(xié)作完成故障區(qū)段的快速隔離以及非故障區(qū)域的正常供電[13]。通常，將電壓型柱上開關(guān)分成分段用柱上開關(guān)以及聯(lián)絡(luò)用柱上開關(guān)兩種，即常閉型柱上開關(guān)和常開型柱上開關(guān)。

圖1 電壓柱上負(fù)荷開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)聯(lián)絡(luò)用柱上開關(guān)的保護(hù)整定方法進(jìn)行研究，主要技術(shù)參數(shù)包括[14]:

(1)失壓合閘時(shí)間，又稱為XL時(shí)限，是柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于分閘位置時(shí)，檢測(cè)到單側(cè)失壓后聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘的延時(shí)時(shí)間。

(2)合閘確認(rèn)時(shí)間，又稱為Y時(shí)限，是指開關(guān)上電合閘后，在該時(shí)限內(nèi)失壓，則啟動(dòng)自動(dòng)分閘功能并將該開關(guān)正向閉鎖合閘。

(3)分閘延時(shí)時(shí)間，又稱為Z時(shí)限，是指線路失電后到啟動(dòng)開關(guān)分閘功能的延時(shí)時(shí)間。

1.2 饋線自動(dòng)化配置方案

電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化作為一種常見的就地控制型自動(dòng)化控制方案，被廣泛用于不同的配電線路中[15-17]。如圖2 所示，為電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化配置方案的典型接線。聯(lián)絡(luò)開關(guān)具有聯(lián)絡(luò)型電壓-時(shí)間的時(shí)序邏輯診斷功能，可以對(duì)開關(guān)兩側(cè)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采集，即當(dāng)檢測(cè)到聯(lián)絡(luò)開關(guān)單側(cè)的失壓信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)合閘，當(dāng)檢測(cè)到聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)均有失壓信號(hào)時(shí)，則啟動(dòng)閉鎖合閘。

圖2 饋線自動(dòng)化配置方案

2 電壓-時(shí)間型聯(lián)絡(luò)開關(guān)保護(hù)的整定計(jì)算

電壓型分段開關(guān)在正常運(yùn)行工況下處于分閘狀態(tài)，在投入開關(guān)單側(cè)失壓延時(shí)合閘邏輯判斷時(shí)，需要對(duì)Y時(shí)限、Z時(shí)限以及XL時(shí)限進(jìn)行整定。通常，將電壓型柱上開關(guān)的Y時(shí)限設(shè)定為5 s，Z時(shí)限設(shè)定為3.5 s，而XL時(shí)限的整定需要根據(jù)不同故障情況以及具體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)失壓合閘時(shí)間配合問題進(jìn)行分析。

2.1 聯(lián)絡(luò)開關(guān)失壓合閘時(shí)限分析

以圖3 所示的多分段單聯(lián)絡(luò)的配電網(wǎng)為例，CB1 為變電站出線斷路器，A、B、C、D、E、F 均為電壓型柱上分段開關(guān)，LS 為電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，在開關(guān)A 和開關(guān)B 間線路上存在兩條分支線，且每條分支線上各配置一個(gè)分段開關(guān)D 和分段開關(guān)E，圖中注明了各個(gè)分段開關(guān)的X 時(shí)限。

圖3 多分段單聯(lián)絡(luò)的配電網(wǎng)示意圖

基于圖3 可知，若線路發(fā)生瞬時(shí)接地故障，出線斷路器CB1 跳閘再進(jìn)行第1 次重合閘后，各分段開關(guān)A、D、E、B、C 依次進(jìn)行延時(shí)合閘，整個(gè)配電網(wǎng)恢復(fù)正常供電，此時(shí)，可以求得聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 從失壓到復(fù)電所耗費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)為:

式中:tg為出線斷路器CB1 首次保護(hù)跳閘的動(dòng)作時(shí)間；TCH1為首次重合閘時(shí)間；∑Xn為各分段開關(guān)得電合閘的時(shí)間總和，此時(shí)為35 s。假定tg＝2 s，TCH1＝5 s，則有＝42 s。

基于上述分析發(fā)現(xiàn)，若聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 失壓時(shí)間大于42 s 后還未復(fù)電，則判定配電線路中存在永久性故障。假定永久性故障發(fā)生在E 開關(guān)所在支線，此時(shí)可通過二次重合閘的方式恢復(fù)非故障區(qū)域的供電[18]。假設(shè)第2 次重合閘時(shí)間TCH2＝30 s，圖4 為整個(gè)故障處理的時(shí)序圖，故障隔離分析詳細(xì)過程如下:

(1)E 開關(guān)所在支線發(fā)生永久短路接地故障，線路失壓，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 開啟失壓計(jì)時(shí)，2 s 后出線斷路器CB1 保護(hù)跳閘:

(2)5 s 后斷路器CB1 進(jìn)行首次重合閘；

(3)分段開關(guān)A、D、E 順序合閘，時(shí)間間隔均為7 s，當(dāng)E 開關(guān)合于永久短路接地故障時(shí)，出線斷路器CB1 經(jīng)過2 s 時(shí)長(zhǎng)后再次保護(hù)跳閘，此時(shí)開關(guān)E失壓分閘且啟動(dòng)閉鎖合閘:

(4)30 s 后出線斷路器CB1 進(jìn)行第2 次重合閘；

(5)分段開關(guān)A、D、B、C 分別在t＝67 s、74 s、88 s、95 s 時(shí)刻順序合閘，當(dāng)C 開關(guān)得電合閘時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 得電停止計(jì)時(shí)，此時(shí)失壓總時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了95 s。

圖4 開關(guān)E 故障恢復(fù)邏輯圖

由此可知，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 的單側(cè)失壓自動(dòng)合閘時(shí)間既要超過瞬時(shí)接地故障下的復(fù)電時(shí)間，又要大于非聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線線路故障后的復(fù)電時(shí)間，如圖3 案例中支線開關(guān)E 的故障復(fù)電時(shí)間95 s。

因此，柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)失壓合閘時(shí)間的整定應(yīng)考慮通過2 次重合閘，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)電源側(cè)非故障區(qū)段的復(fù)電，再通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)另一側(cè)非故障區(qū)的復(fù)電，以提升合閘的可靠性。XL時(shí)限的計(jì)算方法為:

式中:ΔT為聯(lián)絡(luò)開關(guān)的可靠合閘延時(shí)時(shí)限，一般設(shè)置為2 s～3 s。進(jìn)一步求得聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 的XL時(shí)限為:

2.2 聯(lián)絡(luò)開關(guān)的快速合閘策略

如2.1 節(jié)所述的供電恢復(fù)策略耗時(shí)較長(zhǎng)，為減小非故障區(qū)域恢復(fù)供電的等待時(shí)間，對(duì)各分段開關(guān)的合閘時(shí)間及配電線路的規(guī)劃建設(shè)提出了如下要求:

(1)合理整定分段開關(guān)的X 時(shí)限，優(yōu)先啟動(dòng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線分段開關(guān)的合閘邏輯。如圖3 所示的配電網(wǎng)，設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線的分段開關(guān)A、B、C 優(yōu)先合閘，再合閘分段開關(guān)D、E，各開關(guān)的X 時(shí)限如圖4 所示。

(2)在配電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)期間，就需確立好線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在的主干線配置方案，確保在線路發(fā)生改造、新增等工況下聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線的分段開關(guān)依舊能進(jìn)行優(yōu)先合閘。

在符合以上要求的前提下，柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)的XL時(shí)限可整定為避開線路斷路器首次或是第2 次重合后聯(lián)絡(luò)開關(guān)處復(fù)電的時(shí)長(zhǎng)。此時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)快速合閘延時(shí)時(shí)限XL的計(jì)算方法為:

在式(4)的計(jì)算過程中，需要注意的是，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的合閘延時(shí)整定應(yīng)配合開關(guān)兩側(cè)線路的重合送電過程，取兩側(cè)重合送電時(shí)間的最大值。若存在多個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)時(shí)，則選定具有較強(qiáng)轉(zhuǎn)供性能的聯(lián)絡(luò)開關(guān)作為主聯(lián)絡(luò)開關(guān)，啟動(dòng)該聯(lián)絡(luò)開關(guān)的單側(cè)失壓延時(shí)自動(dòng)合閘邏輯，而剩下的聯(lián)絡(luò)開關(guān)則經(jīng)由人工操作進(jìn)行合閘。

2.3 快速合閘延時(shí)的可靠性分析

以圖5 所示的配電網(wǎng)為例，基于快速合閘策略對(duì)饋線自動(dòng)化方案進(jìn)行配置，基于式(4)計(jì)算得到其快速合閘延時(shí)為:

圖5 快速?gòu)?fù)電的配電網(wǎng)

若聯(lián)絡(luò)開關(guān)另一端送電的合閘延時(shí)時(shí)限小于該合閘延時(shí)時(shí)限，那么聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 的快速合閘延時(shí)即為56 s。

研究分別從故障發(fā)生于主干線線路和分支線線路2 種工況下，驗(yàn)證所提快速合閘延時(shí)策略的可靠性:

(1)永久性接地故障存在于BC 段線路

若永久性接地故障發(fā)生在BC 段線路，則其故障處理的時(shí)序圖如圖6 所示。在t＝0 s 時(shí)刻，線路發(fā)生永久短路接地故障，線路失壓，聯(lián)絡(luò)開關(guān)開始單側(cè)失壓計(jì)時(shí)；在t＝7 s 時(shí)刻，斷路器進(jìn)行首次重合閘；在t＝21 s 時(shí)刻，分段開關(guān)B 合于故障，線路再次失壓，2 s 后線路再次跳閘，分段開關(guān)B 與分段開關(guān)C 啟動(dòng)合閘閉鎖邏輯，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 繼續(xù)計(jì)時(shí)；經(jīng)過30 s 后出線斷路器啟動(dòng)第2 次重合閘，分段開關(guān)A、D、E 分別在t＝60 s、81 s、88 s 時(shí)刻順序合閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)電源側(cè)非故障區(qū)域恢復(fù)供電；在t＝56 s 時(shí)刻，TXL延時(shí)時(shí)限達(dá)到，聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)另一側(cè)非故障區(qū)域開始恢復(fù)供電。

圖6 BC 段故障恢復(fù)邏輯圖

由此可知，對(duì)于故障發(fā)生在聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線的工況，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的可靠合閘時(shí)間為斷路器二次重合后3 s，大大縮短了兩側(cè)非故障區(qū)段的復(fù)電時(shí)間。

(2)永久性接地故障存在于開關(guān)E 負(fù)荷側(cè)

假定永久性接地故障發(fā)生在分段開關(guān)E 的負(fù)荷側(cè)，如圖7 為該故障工況下的開關(guān)操作時(shí)序圖。在t＝0 s 時(shí)刻，線路發(fā)生永久短路接地故障，線路失壓，聯(lián)絡(luò)開關(guān)開始單側(cè)失壓計(jì)時(shí)；在t＝7 s 時(shí)刻，斷路器進(jìn)行首次重合；經(jīng)過14 s 后，分段開關(guān)C 得電合閘，同時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)得電而清零失電計(jì)時(shí)。在t＝42 s 時(shí)刻，分段開關(guān)E 合于故障，線路再次失壓，2 s后出線斷路器再次跳閘，分段開關(guān)E 啟動(dòng)合閘閉鎖邏輯，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS 重新開始計(jì)時(shí)。經(jīng)過30 s 后出線斷路器啟動(dòng)第2 次重合閘，在t＝95 s 時(shí)刻，分段開關(guān)C 再次得電合閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)再次得電而清零失電計(jì)時(shí)，此時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)累積計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)為53 s，7 s 后分段開關(guān)D 開始合閘，恢復(fù)整條線路非故障區(qū)域的正常供電。

由此可知，對(duì)于故障發(fā)生在非聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支線的工況，快速合閘策略能夠保障聯(lián)絡(luò)開關(guān)不發(fā)生誤合閘，也證明了該策略的有效性。

圖7 E 開關(guān)故障恢復(fù)邏輯圖

3 案例分析

基于研究?jī)?nèi)容，將電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)的XL時(shí)限整定方法分為可靠合閘時(shí)間整定和快速合閘時(shí)間整定2 種。以圖8 所示的配電網(wǎng)為例，基于快速合閘策略對(duì)饋線自動(dòng)化方案進(jìn)行配置，圖中，LS1 為電壓型柱上主聯(lián)絡(luò)開關(guān)，啟動(dòng)單側(cè)失壓延時(shí)自動(dòng)合閘邏輯，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS2 為一般用電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，經(jīng)由人工操作進(jìn)行合閘；出線斷路器CB1、CB2 的最長(zhǎng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tg為2 s，首次重合閘時(shí)長(zhǎng)t1為5 s，第2 次重合閘時(shí)長(zhǎng)t2為60 s，A、B、C、D、E、F 均為電壓型柱上分段開關(guān)，各分段開關(guān)的X 時(shí)限在圖中已標(biāo)注出。

圖8 多聯(lián)絡(luò)開關(guān)配置圖

對(duì)L1的失壓合閘時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。得到變電站1 出線斷路器CB1 重合后主聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1得電的最長(zhǎng)等待時(shí)間為:

計(jì)算得到變電站3 出線斷路器CB3 重合后主聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1得電的最長(zhǎng)等待時(shí)間為:

由此，可得主聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1的快速失壓合閘時(shí)間時(shí)限為:

4 小結(jié)

對(duì)出線斷路器與饋線終端的保護(hù)配合方案展開重點(diǎn)研究，對(duì)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的失壓合閘時(shí)限保護(hù)配置方案進(jìn)行分析，基于重合閘時(shí)序圖，提出了一種電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開關(guān)快速合閘延時(shí)策略，并給出了相應(yīng)的保護(hù)整定計(jì)算方法，算例驗(yàn)證結(jié)果充分證明了所提快速合閘延時(shí)保護(hù)整定方案能夠有效減少停電時(shí)間，提高配電網(wǎng)供電水平。