黃啟瑜

（重慶市電力公司永川供電局，重慶 402160）

1 配電系統(tǒng)速切保護(hù)原理

增加配電系統(tǒng)速斷保護(hù)的動作范圍，改善配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的性能，主要有兩條途徑：①僅檢測一點的信息，通過復(fù)雜的算法和判據(jù)來提高保護(hù)性能，如自適應(yīng)保護(hù)、無通道保護(hù)等：②通過交換多端的信息來提高保護(hù)性能。本文所研究的配電線路全線速切保護(hù)原理屬于后者。

在理論上，縱聯(lián)保護(hù)的原理和技術(shù)完全可以應(yīng)用于配電系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的快速保護(hù)。但受成本、投資和維護(hù)等多方面的限制，且考慮到配電系統(tǒng)繼電保護(hù)在快速性和可靠性的要求不如在高壓、超高壓系統(tǒng)中嚴(yán)格，所以應(yīng)根據(jù)配網(wǎng)系統(tǒng)的特點，構(gòu)建適用于配電線路的縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)。在輸電系統(tǒng)縱聯(lián)比較式保護(hù)中，縱聯(lián)信息的利用主要有閉鎖式和允許式兩種方式。

從信息交換和利用的角度而言，閉鎖式保護(hù)交換的是外部故障信息，只要被保護(hù)設(shè)備任何一側(cè)的保護(hù)感受為外部故障.就說明是外部故障，并向?qū)?cè)保護(hù)發(fā)出閉鎖信號，使各側(cè)保護(hù)都不動作；而當(dāng)被保護(hù)設(shè)備各側(cè)的保護(hù)都感受不到外部故障時，說明發(fā)生了內(nèi)部故障，互不發(fā)閉鎖信號，各側(cè)(主要指有電源的側(cè))保護(hù)都能快速跳閘。

允許式保護(hù)傳送的是"非本側(cè)區(qū)外故障"的信息，若各側(cè)保護(hù)都感受到"非本側(cè)區(qū)外故障"，則表明是區(qū)內(nèi)故障，互發(fā)允許信號，各側(cè)保護(hù)都能快速跳閘；而任何一側(cè)感受到"本側(cè)區(qū)外"故障時，就表明是區(qū)外故障，不會向其他側(cè)保護(hù)發(fā)允許信號，各側(cè)保護(hù)都小會誤動。在配電系統(tǒng)中構(gòu)建配電線路全線速切保護(hù)，既可采用閉鎖式，也可采用允許式的保護(hù)原理，二者都能夠?qū)ε潆娋€路保護(hù)區(qū)內(nèi)的任意一點故障做到無時限切除。

2 閉鎖式速切保護(hù)方案。在輸電系統(tǒng)中一般采用距離元件或方向元件作為故障判斷元件。在配電系統(tǒng)中，一般只配備分段式過流保護(hù)，因此可以基于過流元件的動作情況研究如何對保護(hù)區(qū)內(nèi)和區(qū)外的故障進(jìn)行判斷區(qū)分。一個典型的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示 (圖中A-G為器件名稱)，用來說明配電線路閉鎖式速切保護(hù)方案的構(gòu)成。

圖1 典型配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

A、G表示位于變電站的饋出線斷路器，D為手拉手開關(guān)，系統(tǒng)正常運行時，手拉手開關(guān)D斷開，此時的配電系統(tǒng)為傳統(tǒng)的單電源網(wǎng)絡(luò)。B、C、E、F為配電線路的分段開關(guān)，它們可能是負(fù)荷開關(guān)，也可能是斷路器。

2.1 下面以斷路器A處的保護(hù)為例說明閉鎖式速切保護(hù)的構(gòu)成原理

(1)設(shè)分段開關(guān)B和C為能夠切斷故障電流的斷路器，且配有能夠檢測電流、電壓的饋線終端(FTU)或保護(hù)裝置。當(dāng)AB之間的Fl點發(fā)生故障時，A處的過流元件會檢測到過電流，而其下游B處的過流元件不會動作，能夠確定故障位于AB之間，因此B不會向A處的保護(hù)發(fā)閉鎖信息，A處的保護(hù)在經(jīng)過必要的確保可靠性的延時后跳開A，同時聯(lián)跳B，將故障隔離；若故障發(fā)生在BC之間的F2點，此時A、B處的過流元件都會檢測到過電流，B會向其上游的A發(fā)出閉鎖信息，并通過與下游C處的保護(hù)交換信息，確定故障點位于BC之間，跳開開關(guān)B、C隔離故障。

(2)如果B、C是負(fù)荷開關(guān)，無法切斷故障電流，只能依靠斷路器A切斷故障電流，但卻可以通過上述的判斷邏輯快速完成故障定位和隔離。設(shè)故障發(fā)生在BC之間的F2，A處的保護(hù)會瞬時動作跳閘切斷故障電流，并通過與B處的過流元件交換信息確定故障不在AB之間：而B處的過流元件與下游C處的過流元件通過信息交互能夠確定故障點位于BC之間，因此在A跳開后可以接著跳開B、C隔離故障，然后B和C分別與上游和下游開關(guān)處的FTU通信，合上相應(yīng)的開關(guān)，恢復(fù)對非故障區(qū)段的供電。

如果變電站M退出運行，手拉手開關(guān)D閉合，AC段改由變電站N供電。此時各保護(hù)之間的配合關(guān)系發(fā)生了變化，此前的下游開關(guān)變?yōu)樯嫌伍_關(guān)，通信對象也要相應(yīng)改變。因此在配電系統(tǒng)中，通信的對象會有多個，通信更加靈活。

但一般而言，每個開關(guān)處的保護(hù)只需與相鄰的上游和下游的保護(hù)通信就能完成速切保護(hù)和故障隔離功能，因此對于特定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，通信的對象也是確定的。只不過隨著供電電源的不同，上下游的關(guān)系不同而已。這可以借助主站對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識并制定通信策略，也可以由各保護(hù)裝置就地辨識潮流方向，根據(jù)供電電源的不同調(diào)整通信策略。

以A處的保護(hù)為例，基于過流元件的閉鎖式全線速切保護(hù)動作邏輯示意圖如圖2所示。A處的保護(hù)在判斷過流后不能立即參與邏輯的比較，需要有一個延時t，用來等待可靠收到下游的閉鎖信號，以防止保護(hù)誤動作。對于閉鎖式保護(hù)而言，通道是否正常工作十分重要。因此要有可靠完善的通道監(jiān)視手段，一旦發(fā)現(xiàn)通道故障，立即閉鎖保護(hù)。

圖2 基于過流元件的閉鎖式速切保護(hù)動作邏輯圖

2.2 下面介紹對閉鎖式全線速切保護(hù)方案的評價

(1)從保護(hù)動作的快速性方面看，閉鎖式速切保護(hù)為了防止誤動作，必須設(shè)置一個延時等待下游閉鎖信號的可靠到來，該延時的長短主要取決于通道的類型和性能。一般情況下通道的延遲應(yīng)該控制在50ms左右。

(2)從保護(hù)動作的安全性和可靠性方面看，如果發(fā)生了區(qū)外故障，閉鎖信號的丟失有可能造成速切保護(hù)的誤動作；但是虛假的閉鎖信號一般不會造成保護(hù)拒動。

(3)從實現(xiàn)的方案方面看，基于現(xiàn)有的分段過流保護(hù)構(gòu)建閉鎖式速切保護(hù)比較易于實現(xiàn)。過流元件可以采用傳統(tǒng)過流保護(hù)中的任何一段，只需要根據(jù)不同要求對動作延時進(jìn)行重新設(shè)定，此外還需要增加通信通道及相應(yīng)的通道監(jiān)視措施?；谶^流元件的閉鎖式速切保護(hù)已經(jīng)在供電公司的10kV配電線路上試運行，效果良好。

3 允許式速切保護(hù)方案。在允許式的速切保護(hù)方案中，除了過流元件外，還需要配備低電壓、低電流元件來配合區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。仍以圖l所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，此時各開關(guān)處的保護(hù)除了能夠檢測過電流，還應(yīng)配置能夠反映電壓降低、電流減小的元件。

仍以A處的保護(hù)為例。設(shè)故障發(fā)生在AB之間的Fl點，此時A處的保護(hù)會感受到過電流，B處的保護(hù)感受到所在點電壓降低、同時電流也減小，這樣B會向A發(fā)允許信號，加速其動作切除故障。

圖3 允許式速切保護(hù)動作邏輯圖

假設(shè)故障發(fā)生在BC之間的R點，此時B處的保護(hù)也會感受到過電流，因此不會加速A處的保護(hù)動作。C處的保護(hù)則會感受到電壓下降、同時電流減小，因此C會加速B處的保護(hù)動作切除故障。此后，可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)的判斷結(jié)果，完成故障隔離和對非故障區(qū)段的恢復(fù)供電。

由此可以看出，允許信號是一種加速保護(hù)動作的信號，該信號允許相關(guān)保護(hù)無時限動作。以A處為例的允許式速切保護(hù)動作邏輯如圖3所示。

在允許式速切保護(hù)方案中，需要對下游的電壓高低進(jìn)行監(jiān)視，目的是防止下游饋線空載運行時可能導(dǎo)致速切保護(hù)誤動作。下面是對允許式全線速切保護(hù)方案的評價。

(1)從保護(hù)動作的快速性方面看，邏輯中沒有人為的延時，故障切除的延時主要取決于允許信號的傳送時間，動作快速性好。

(2)從保護(hù)動作的安全性和可靠性方面看，如果發(fā)生區(qū)內(nèi)故障但沒有及時收到允許信號或根本沒有收到允許信號，會造成速切保護(hù)緩動甚至拒動，但此時依靠后備保護(hù)仍能夠切除故障，不會造成很嚴(yán)重的后果；正常運行情況下如果產(chǎn)生虛假的允許信號一般也不會造成速切保護(hù)誤動作，因此允許式速切保護(hù)具有較高的安全性和可靠性。

(3)從方案實現(xiàn)方面看，允許式速切保護(hù)方案中不僅要具備檢測過流的保護(hù)元件，還要有能夠反映低電壓、小電流的保護(hù)元件，保護(hù)配置稍顯復(fù)雜。

(4)通信通道故障不會對允許式速切保護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果通道故障，內(nèi)部故障時速切保護(hù)無法動作，可依靠其他保護(hù)裝置或后備保護(hù)切除故障，最多帶來一定的故障切除延時。理論分析和運行經(jīng)驗都表明，閉鎖式和允許式速切保護(hù)各有優(yōu)缺點。

4 速切保護(hù)通信通道。通信通道是實現(xiàn)配電線路速切保護(hù)功能的關(guān)鍵，無論是閉鎖信號，還是允許信號，都需要借助通信系統(tǒng)快速、可靠的傳送。與輸電系統(tǒng)相比，配電系統(tǒng)的通信手段不夠完善，也不可能大規(guī)模投資重新建設(shè)通信系統(tǒng)，因此只能根據(jù)配電系統(tǒng)的特點和現(xiàn)場條件，選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>

4.1 專用或復(fù)用光纖信道。在有條件的配電系統(tǒng)中應(yīng)優(yōu)先采用專用或復(fù)用的光纖通道傳送速切保護(hù)所需要的信息，這樣可以充分保證信息傳送的快速性和可靠性。

4.2 導(dǎo)引線。如果通信距離較短(一般為幾百米)，例如短的并網(wǎng)線或發(fā)電廠內(nèi)部的短線路，可以考慮采用導(dǎo)引線傳送信息。這種方式成本非常低，系統(tǒng)構(gòu)成也較簡單，可以直接將下游保護(hù)的動作信息以開關(guān)狀態(tài)的形式傳送給上游保護(hù)，信息傳送的快速性能夠得到充分保證。但導(dǎo)引線易受干擾，因此為了增加通信的可靠性，可以考慮采用屏蔽效果較好的導(dǎo)線，同時輔以濾波器、避雷器等抗干擾措施。

4.3 電力線載波。在已經(jīng)裝設(shè)載波通信的配電系統(tǒng)中可以采用復(fù)用載波通道的方式傳送相關(guān)信息，實現(xiàn)方式與輸電系統(tǒng)中的載波通信類似。

4.4 數(shù)傳電臺。在不具備完善通信設(shè)施的變電站中可以考慮采用無線數(shù)傳電臺的方式進(jìn)行通信。該方法的優(yōu)點是工程量很小，可以在很短的時間內(nèi)建立通信系統(tǒng)，且施工無需停電。但前提是通信視野必須開闊，無高大建筑或山體阻擋，對通信環(huán)境要求也較高，強大的電磁干擾或臨近無線通信干擾都會使數(shù)傳電臺工作不可靠。

4.5 移動通信。移動通信近幾年來發(fā)展迅速，所提供的業(yè)務(wù)類型也比較豐富，因此借助移動通信網(wǎng)絡(luò)完成通信任務(wù)也是可用途徑之一。但由于移動通信屬于公共通信的特點，因此用于電力系統(tǒng)中快速性和可靠性都是比較大的問題，且移動通信也面臨著干擾、信號等無線通信所共有的不利問題。但是從另一個方面看，配電線路保護(hù)的位置相對固定，通信途徑也就相對固定，以利用這個特點，從技術(shù)層面上簡化連接建立的過程，達(dá)到減小通信延時的目的。

上述幾種通信通道均可應(yīng)用于配電線路全線速切保護(hù)系統(tǒng)中，可以根據(jù)現(xiàn)場通信條件和投資靈活選擇。隨著配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的發(fā)展。光纖通信在配網(wǎng)系統(tǒng)中被越來越廣泛的采用，在FTU處配置光端機.通過單模光纖與主站通信。目前，常用的光端機一般都配備了至少6路獨立的RS2232接口、多路RS2485接口甚至以太網(wǎng)接口，因此有豐富的冗余接口供保護(hù)裝置使用。故光纖通信是首選。

結(jié)論：隨著配電系統(tǒng)的改造，配電線路供電半徑逐漸縮小，但短路容量卻在不斷增加，不僅給傳統(tǒng)過電流保護(hù)帶來整定、配合方面的問題，而且配電線路故障切除時間過長也會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來很大的影響，這些影響已經(jīng)不容忽視。

[1]叢偉，潘貞存，鄭罡，段昊，施嘯寒.配電線路全線速切繼電保護(hù)技術(shù). 電力自動化設(shè)備，2009年4期.