配電網饋線系統(tǒng)保護原理及分析

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一  引言

　　配電自動化技術是服務于城鄉(xiāng)配電網改造建設的重要技術，配電自動化包括饋線自動化和配電管理系統(tǒng)，通信技術是配電自動化的關鍵。目前，我國配電自動化進行了較多試點，由配電主站、子站和饋線終端構成的三層結構已得到普遍認可，光纖通信作為主干網的通信方式也得到共識。饋線自動化的實現也完全能夠建立在光纖通信的基礎上，這使得饋線終端能夠快速地彼此通信，共同實現具有更高性能的饋線自動化功能。

　　二。配電網饋線保護的技術現狀

　　電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電和配電三部分組成。發(fā)電環(huán)節(jié)的保護集中在元件保護，其主要目的是確保發(fā)電廠發(fā)生電氣故障時將設備的損失降為最小。輸電網的保護集中在輸電線路的保護，其首要目的是維護電網的穩(wěn)定。配電環(huán)節(jié)的保護集中在饋線保護上，配電網不存在穩(wěn)定問題，一般認為饋線故障的切除并不嚴格要求是快速的。不同的配電網對負荷供電可靠性和供電質量要求不同。許多配電網僅是考慮線路故障對售電量的影響及配電設備壽命的影響，尚未將配電網故障對電力負荷（用戶）的負面影響作為配電網保護的目的。

　　隨著我國經濟的發(fā)展，電力用戶用電的依賴性越來越強，供電可靠性和供電電能質量成為配電網的工作重點，而配電網饋線保護的主要作用也成為提高供電可靠性和提高電能質量，具體包括饋線故障切除、故障隔離和恢復供電。具體實現方式有以下幾種：

　　2.1傳統(tǒng)的電流保護

　　過電流保護是最基本的繼電保護之一?？紤]到經濟原因，配電網饋線保護廣泛采用電流保護。配電線路一般很短，由于配電網不存在穩(wěn)定問題，為了確保電流保護動作的選擇性，采用時間配合的方式實現全線路的保護。常用的方式有反時限電流保護和三段電流保護，其中反時限電流保護的時間配合特性又分為標準反時限、非常反時限、極端反時限和超反時限，參見式（1）、（2）、（3）和（4）。這類保護整定方便、配合靈活、價格便宜，同時可以包含低電壓閉鎖或方向閉鎖，以提高可靠性；增加重合閘功能、低周減載功能和小電流接地選線功能。

　　電流保護實現配電網保護的前提是將整條饋線視為一個單元。當饋線故障時，將整條線路切掉，并不考慮對非故障區(qū)域的恢復供電，這些不利于提高供電可靠性。另一方面，由于依賴時間延時實現保護的選擇性，導致某些故障的切除時間偏長，影響設備壽命。

　　2.2重合器方式的饋線保護

　　實現饋線分段、增加電源點是提高供電可靠性的基礎。重合器保護是將饋線故障自動限制在一個區(qū)段內的有效方式「參考文獻」。參見圖1，重合器R位于線路首端，該饋線由A、B、C三個分段器分為四段。當AB區(qū)段內發(fā)生故障F1，重合器R動作切除故障，此后，A、B、C分段器失壓后自動斷開，重合器R經延時后重合，分段器A電壓恢復后延時合閘。同樣，分段器B電壓恢復后延時合閘。當B合閘于故障后，重合器R再次跳開，當重合器第二次重合后，分段器A將再次合閘，此后B將自動閉鎖在分閘位置，從而實現故障切除、故障隔離及對非故障段的恢復供電。

　　目前在我國城鄉(xiāng)電網改造中仍有大量重合器得到應用，這種簡單而有效的方式能夠提高供電可靠性，相對于傳統(tǒng)的電流保護有較大的優(yōu)勢。該方案的缺點是故障隔離的時間較長，多次重合對相關的負荷有一定影響。

　　2.3基于饋線自動化的饋線保護

　　配電自動化包括饋線自動化和配電管理系統(tǒng)，其中饋線自動化實現對饋線信息的采集和控制，同時也實現了饋線保護。饋線自動化的核心是通信，以通信為基礎可以實現配電網全局性的數據采集與控制，從而實現配電SCADA、配電高級應用（PAS）。同時以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺實現了配電網的設備管理、圖資管理，而SCADA、GIS和PAS的一體化則促使配電自動化成為提供配電網保護與監(jiān)控、配電網管理的全方位自動化運行管理系統(tǒng)。參見圖2所示系統(tǒng)，這種饋線自動化的基本原理如下：當在開關S1和開關S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將故障線路切除，裝設在S1處的FTU 檢測到故障電流而裝設在開關S2處的FTU沒有故障電流流過，此時自動化系統(tǒng)將確認該故障發(fā)生在S1與S2之間，遙控跳開S1和S2實現故障隔離并遙控合上線路出口的斷路器，最后合上聯絡開關S3完成向非故障區(qū)域的恢復供電。

　　這種基于通信的饋線自動化方案以集中控制為核心，綜合了電流保護、RTU遙控及重合閘的多種方式，能夠快速切除故障，在幾秒到幾十秒的時間內實現故障隔離，在幾十秒到幾分鐘內實現恢復供電。該方案是目前配網自動化的主流方案，能夠將饋線保護集成于一體化的配電網監(jiān)控系統(tǒng)中，從故障切除、故障隔離、恢復供電方面都有效地提高了供電可靠性。同時，在整個配電自動化中，可以加裝電能質量監(jiān)測和補償裝置，從而在全局上實現改善電能質量的控制。

　　三。饋線保護的發(fā)展趨勢

　　目前，配電自動化中的饋線自動化較好地實現了饋線保護功能。但是隨著配電自動化技術的發(fā)展及實踐，對配電網保護的目的也要悄然發(fā)生變化。最初的配電網保護是以低成本的電流保護切除饋線故障，隨著對供電可靠性要求的提高，又出現以低成本的重合器方式實現故障隔離、恢復供電，隨著配電自動化的實施，饋線保護體現為基于遠方通信的集中控制式的饋線自動化方式。在配電自動化的基礎上，配電網通信得到充分重視，成本自動化的核心。目前國內的主流通信方式是光纖通信，具體分為光纖環(huán)網和光纖以太網。建立在光纖通信基礎上的饋線保護的實現由以下三部分組成：

　　1）電流保護切除故障；

　　2）集中式的配電主站或子站遙控FTU實現故障隔離；

　　3）集中式的配電主站或子站遙控FTU實現向非故障區(qū)域的恢復供電。

　　這種實現方式實質上是在自動裝置無選擇性動作后的恢復供電。如果能夠解決饋線故障時保護動作的選擇性，就可以大大提高饋線保護的性能，從而一次性地實現故障切除與故障隔離。這需要饋線上的多個保護裝置利用快速通信協(xié)同動作，共同實現有選擇性的故障隔離，這就是饋線系統(tǒng)保護的基本思想。

　　四。饋線系統(tǒng)保護基本原理

　　4.1 基本原理

　　饋線系統(tǒng)保護實現的前提條件如下：

　　1）快速通信；

　　2）控制對象是斷路器；

　　3）終端是保護裝置，而非TTU.

　　在高壓線路保護中，高頻保護、電流差動保護都是依靠快速通信實現的主保護，饋線系統(tǒng)保護是在多于兩個裝置之間通信的基礎上實現的區(qū)域性保護。基本原理如下：

　　參見圖3所示典型系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用斷路器作為分段開關，如圖A、B、C、D、E、F.對于變電站M，手拉手的線路為A至D之間的部分。變電站N則對應于C至F之間的部分。N側的饋線系統(tǒng)保護則控制開關A、B、C、D的保護單元UR1至UR7組成。

　　當線路故障F1發(fā)生在BC區(qū)段，開關A、B處將流過故障電流，開關C處無故障電流。但出現低電壓。此時系統(tǒng)保護將執(zhí)行步驟：

　　Step1：保護起動，UR1、UR2、UR3分別起動；

　　Step2：保護計算故障區(qū)段信息；

　　Step3：相鄰保護之間通信；

　　Step4：UR2、UR3動作切除故障；

　　Step5：UR2重合。如重合成功，轉至Step9；

　　Step6：UR2重合于故障，再跳開；

　　Step7：UR3在△T內未測得電壓恢復，通知UR4合閘；

　　Step8：UR4合閘，恢復CD段供電，轉至Step10；

　　Step9：UR3在△T時間內測得電壓恢復，UR3重合；

　　Step10：故障隔離，恢復供電結束。

　　4.2 故障區(qū)段信息

　　定義故障區(qū)段信息如下：

　　邏輯1：表示保護單元測量到故障電流，

　　邏輯0：表示保護單元未測量到故障電流，但測量到低電壓。

　　當故障發(fā)生后，系統(tǒng)保護各單元向相鄰保護單元交換故障區(qū)段，對于一個保護單元，當本身的故障區(qū)段信息與收到的故障區(qū)段信息的異或為1時，出口跳閘。

　　為了確保故障區(qū)段信息識別的正確性，在進行邏輯1的判斷時，可以增加低壓閉鎖及功率方向閉鎖。

　　4.3 系統(tǒng)保護動作速度及其后備保護

　　為了確保饋線保護的可靠性，在饋線的首端UR1處設限時電流保護，建議整定時間內0.2秒，即要求饋線系統(tǒng)保護在200ms內完成故障隔離。

　　在保護動作時間上，系統(tǒng)保護能夠在20ms內識別出故障區(qū)段信息，并起動通信。光纖通信速度很快，考慮到重發(fā)多幀信息，相鄰保護單元之間的通信應在30ms內完成。斷路器動作時間為40ms~100ms.這樣，只要通信環(huán)節(jié)理想即可實現快速保護。

　　4.4 饋線系統(tǒng)保護的應用前景

　　饋線系統(tǒng)保護在很大程度上沿續(xù)了高壓線路縱聯保護的基本原則。由于配電網的通信條件很可能十分理想。在此基礎之上實現的饋線保護功能的性能大大提高。饋線系統(tǒng)保護利用通信實現了保護的選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘、恢復故障一次性完成，具有以下優(yōu)點：

　?。?）快速處理故障，不需多次重合；

　　（2）快速切除故障，提高了電動機類負荷的電能質量；

　?。?）直接將故障隔離在故障區(qū)段，不影響非故障區(qū)段；

　?。?）功能完成下放到饋線保護裝置，無需配電主站、子站配合。

　　四。系統(tǒng)保護展望

　　繼電保護的發(fā)展經歷了電磁型、晶體管型、集成電路型和微機型。微機保護在擁有很強的計算能力的同時，也具有很強的通信能力。通信技術，尤其是快速通信技術的發(fā)展和普及，也推動了繼電保護的發(fā)展。系統(tǒng)保護就是基于快速通信的由多個位于不同位置的保護裝置共同構成的區(qū)域行廣義保護。

　　電流保護、距離保護及主設備保護都是采集就地信息，利用局部電氣量完成故障的就地切除。線路縱聯保護則是利用通信完成兩點之間的故障信息交換，進行處于異地的兩個裝置協(xié)同動作。近年來出現的分布式母差保護則是利用快速的通信網絡實現多個裝置之間的快速協(xié)同動作如果由位于廣域電網的不同變電站的保護裝置共同構成協(xié)同保護則很可能將繼電保護的應用范圍提高到一個新的層次。這種協(xié)同保護不僅可以改進保護間的配合，共同實現性能更理想的保護，而且可以演生于基于繼電保護相角測量的穩(wěn)定監(jiān)控協(xié)系統(tǒng)，基于繼電保護的高精度多端故障測距以及基于繼電保護的電力系統(tǒng)動態(tài)模型及動態(tài)過程分析等應用領域。目前，在輸電網中已經出現了基于GPS的動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)和分散式行波測距系統(tǒng)。在配電網，伴隨賊配電自動化的開展。配電網饋線系統(tǒng)保護有可能率先得到應用。

　　五。結論

　　建立在快速通信基礎上的系統(tǒng)保護是繼電保護的發(fā)展方向之一。隨著配電網改造的深入及配電網自動化技術的發(fā)展，系統(tǒng)保護技術可能在配電網中率先得以應用。本文討論了配電網饋線保護的發(fā)展過程，提出了建立在配電自動化和光纖通信基礎之上的饋線系統(tǒng)保護新原理。這種新原理能夠進一步提高供電可靠性。同時，系統(tǒng)保護分布式的功能也將提高配電自動化的主站及子站的性能，是一種極具前途的饋線自動化新原理。