劉 奇，李文君，彭喜云，張子健

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

電網(wǎng)故障中配電網(wǎng)故障比例較大，配電網(wǎng)傳統(tǒng)階段電流保護(hù)受電網(wǎng)方式影響也較大。隨著配電網(wǎng)分布式電源的不斷延伸擴(kuò)容，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，過流保護(hù)定值在復(fù)雜配電網(wǎng)中不能實(shí)現(xiàn)很好配合而導(dǎo)致整定困難。配電網(wǎng)定值因整定失配造成的越級(jí)風(fēng)險(xiǎn)日益突出[1]。配電網(wǎng)通信專用光纖系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行維護(hù)成本高，光纖差動(dòng)保護(hù)不適合配電網(wǎng)使用[2]。如何快速精準(zhǔn)切除故障，實(shí)現(xiàn)停電范圍最小化，是目前配電網(wǎng)運(yùn)行亟待解決的問題。

高帶寬、高可靠性、低延時(shí)與低能耗的5G通信技術(shù)[3]與電力業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用，為促進(jìn)電力業(yè)務(wù)創(chuàng)新帶來了新的思路[4]。文獻(xiàn)[5-6]提出基于5G網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)方案，但差動(dòng)保護(hù)需要解決兩個(gè)主要的問題：1)CT飽和造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的問題[7]；2)差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)采樣的通道時(shí)延、抖動(dòng)精度是否滿足要求的問題。文獻(xiàn)[5]通過5G網(wǎng)絡(luò)建立差動(dòng)保護(hù)通道，試驗(yàn)測(cè)得通道最大延遲為137 379 μs，最小延遲為11 354 μs，可見5G差動(dòng)保護(hù)存在網(wǎng)絡(luò)通道延時(shí)不穩(wěn)定問題。文獻(xiàn)[8]提出一種新的電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)，通過算法避免配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的采樣同步誤差問題。

區(qū)域保護(hù)借助對(duì)等式通信網(wǎng)絡(luò)，將區(qū)域內(nèi)各斷路器保護(hù)裝置的采集信息、保護(hù)判別信息和斷路器位置等信息與相鄰斷路器實(shí)時(shí)共享，使區(qū)域內(nèi)各個(gè)斷路器保護(hù)能夠高效協(xié)調(diào)和配合[9]。配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)相較于差動(dòng)保護(hù)，受CT飽和影響小，且無需高精度采樣同步[10]。區(qū)域保護(hù)應(yīng)用于配電網(wǎng)故障定位所需的信息量小，可靠性好[11]，能較好地兼顧保護(hù)快速性和選擇性。

下面提出一種基于5G通信的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)方案，依據(jù)區(qū)域內(nèi)斷路器的過流及方向標(biāo)志的組合信號(hào)，判斷區(qū)內(nèi)故障則跳閘，區(qū)外故障則不動(dòng)作，其選擇性強(qiáng)、動(dòng)作快速、靈敏度高，整定無復(fù)雜的配合關(guān)系。首先，介紹配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方案；其次，闡述區(qū)域保護(hù)動(dòng)作原理；最后，實(shí)例分析該方案保護(hù)整定計(jì)算原則。

1 配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，在變電站低壓側(cè)負(fù)荷出線斷路器、配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站配置分布式數(shù)據(jù)傳輸單元(data transfer unit，DTU)和客戶前置設(shè)備(customer premise equipment，CPE)[12]。

圖1 配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

其中，分布式DTU完成間隔模擬量信息、斷路器位置采集、區(qū)域保護(hù)等功能。區(qū)域內(nèi)各個(gè)DTU之間的信息交互通道為5G無線通信網(wǎng)，保護(hù)控制信息處理采用間隔DTU直接向無線通信終端CPE 發(fā)信息，CPE將處理后的信息傳入上一級(jí)或相關(guān)CPE再進(jìn)行分析計(jì)算的模式，該模式可以降低信息交互量，減少信息通道處理延時(shí)，為配電網(wǎng)保護(hù)滿足選擇性要求爭(zhēng)取了時(shí)間。

組網(wǎng)采用內(nèi)部時(shí)鐘授時(shí)模式，即5G基站通過GPS或北斗授時(shí)后，將時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)下發(fā)給區(qū)域內(nèi)各CPE終端。CPE終端具備對(duì)DTU終端的授時(shí)功能，再通過光纖接口將時(shí)鐘信號(hào)接入DTU，從而實(shí)現(xiàn)DTU內(nèi)各保護(hù)裝置的時(shí)鐘信號(hào)同步。DTU將采用的各間隔過流信號(hào)和方向信號(hào)，傳輸給CPE終端至5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各DTU之間的保護(hù)信號(hào)交互，通過比較兩端或多段的過流及方向信號(hào)，進(jìn)行區(qū)內(nèi)、區(qū)外的故障識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位和隔離。

該方案不依賴外部對(duì)時(shí)設(shè)備，無需比較兩側(cè)斷路器差流，因此對(duì)時(shí)精度要求不高，對(duì)通道延時(shí)和抖動(dòng)要求低。通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸交互的保護(hù)信號(hào)僅包括過流信號(hào)和方向信號(hào)，因此對(duì)傳輸帶寬要求不高，5G的通道帶寬完全滿足要求[13]。目前，國(guó)網(wǎng)成都供電公司與中國(guó)電信、許繼集團(tuán)合作，在成都開展配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)試點(diǎn)工作，該方案已在成都青白江區(qū)鐵路港片區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成功。

2 配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)基本原理

2.1 區(qū)域保護(hù)構(gòu)成

區(qū)域保護(hù)包括動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)和常規(guī)過流保護(hù)，環(huán)網(wǎng)柜饋線斷路器投入常規(guī)階段式過流保護(hù)，除饋線斷路器外的所有進(jìn)出線斷路器均投入動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)。

如圖2所示，線路斷路器為變電站負(fù)荷出線斷路器或環(huán)網(wǎng)柜、斷路器站與下一級(jí)的聯(lián)絡(luò)斷路器，取其正方向?yàn)樨?fù)荷流出方向，如圖中斷路器1、斷路器3、斷路器5；母線斷路器為線路接進(jìn)環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站的斷路器，其正方向定義為由環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站母線指向線路方向，如圖中斷路器2、斷路器4、斷路器6；饋線斷路器為環(huán)網(wǎng)柜或開關(guān)站的負(fù)荷出線斷路器，如圖中斷路器7—12。

圖2 區(qū)域保護(hù)的斷路器正方向示意和斷路器屬性

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)基于電流啟動(dòng)信號(hào)比較原理，電流啟動(dòng)信號(hào)為當(dāng)裝置過流保護(hù)啟動(dòng)時(shí)判為電流啟動(dòng)。裝置接收的電流啟動(dòng)信號(hào)分為兩類：1)來自對(duì)側(cè)線路裝置；2)來自環(huán)網(wǎng)柜同母線進(jìn)出線和母聯(lián)裝置。動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)分為T1、T2、T3時(shí)限，當(dāng)信道通道正常且所有保護(hù)裝置無故障時(shí)，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)可以在T1時(shí)限快速切除故障；當(dāng)信道通道損壞，通信異常時(shí)，保護(hù)仍然可以在T2時(shí)限快速切除故障；T3延時(shí)作為全線兜底后備保護(hù)時(shí)限，經(jīng)固定延時(shí)動(dòng)作。

2.2 線路斷路器保護(hù)

線路斷路器的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖3所示，當(dāng)裝置檢測(cè)故障電流大于“動(dòng)態(tài)加速過流定值”時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)。線路斷路器本側(cè)通過5G網(wǎng)絡(luò)接收線路對(duì)側(cè)的電流啟動(dòng)信號(hào)，結(jié)合本側(cè)的故障電流特征，確定故障點(diǎn)發(fā)在線路區(qū)內(nèi)或區(qū)外。

圖3 線路斷路器動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)動(dòng)作邏輯

如圖4所示，斷路器1和2、斷路器3和4、斷路器5和6均互為一組本側(cè)和對(duì)側(cè)斷路器。T1時(shí)限：通信正常時(shí)投入，作為本線路的快速主保護(hù)使用；動(dòng)作條件為本側(cè)過流且正方向，未收到對(duì)側(cè)反方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)。T2時(shí)限：在本間隔通信終端故障時(shí)投入；動(dòng)作條件為本側(cè)過流且正方向，本間隔通信中斷故障。T3時(shí)限：基站通信故障時(shí)，作為全線兜底后備保護(hù)投入；動(dòng)作條件為本側(cè)過流。由邏輯框圖可以看出，T1和T2為互斥關(guān)系。

圖4 線路斷路器動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)

以圖4中的3號(hào)斷路器為例：當(dāng)A點(diǎn)故障時(shí)，3號(hào)保護(hù)過流啟動(dòng)正方向，4號(hào)保護(hù)未啟動(dòng)或收到4號(hào)保護(hù)過流正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)(若饋線有電源)，動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)T1動(dòng)作，3號(hào)斷路器跳閘；當(dāng)B點(diǎn)故障時(shí)，3號(hào)保護(hù)無過流啟動(dòng)或反方向元件啟動(dòng)(如饋線有電源)，3號(hào)斷路器不動(dòng)作；當(dāng)C點(diǎn)故障時(shí)，3號(hào)保護(hù)過流啟動(dòng)正方向，收到4號(hào)斷路器保護(hù)過流反方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，3號(hào)斷路器不動(dòng)作。

2.3 母線斷路器保護(hù)

母線斷路器的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示，當(dāng)裝置檢測(cè)故障電流大于“動(dòng)態(tài)加速過流定值”時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)。同一母線的環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)出線及母聯(lián)保護(hù)裝置通過5G網(wǎng)絡(luò)相互收發(fā)電流啟動(dòng)方向信號(hào)，確定故障點(diǎn)發(fā)生在母線區(qū)內(nèi)或區(qū)外。

圖5 母線斷路器動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)動(dòng)作邏輯

如圖6所示，4號(hào)母線斷路器作為本間隔時(shí)，相鄰間隔是指4號(hào)斷路器所在母線上的所有其余斷路器(即5、9、10號(hào)斷路器)。T1時(shí)限：通信正常時(shí)投入，作為母線故障的主保護(hù)使用，動(dòng)作條件為本間隔過流且反方向，沒有收到任意相鄰間隔正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)。T2時(shí)限：在本間隔通信終端故障時(shí)投入，動(dòng)作條件為本間隔過流且反方向，本間隔通信中斷故障。T3時(shí)限：基站通信故障時(shí)，作為全線兜底后備保護(hù)投入，動(dòng)作條件為本側(cè)過流。

以圖6中的4號(hào)斷路器為例：當(dāng)A點(diǎn)故障時(shí)，4號(hào)保護(hù)過流啟動(dòng)反方向，沒有收到任意相鄰間隔正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，4號(hào)斷路器跳閘；當(dāng)B點(diǎn)故障時(shí)，4號(hào)保護(hù)過流啟動(dòng)正方向，4號(hào)斷路器不動(dòng)作；當(dāng)C點(diǎn)故障時(shí)，4號(hào)保護(hù)過流啟動(dòng)反方向，收到相鄰間隔5號(hào)斷路器保護(hù)正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，4號(hào)斷路器不動(dòng)作。

圖6 母線斷路器動(dòng)態(tài)自適應(yīng)過流保護(hù)

2.4 饋線斷路器保護(hù)

饋線斷路器，如圖2中斷路器7—12，采用傳統(tǒng)的過流保護(hù)，保護(hù)裝置設(shè)有二段或三段過流保護(hù)，各段過流保護(hù)的電流和時(shí)間定值可獨(dú)立整定。過流保護(hù)動(dòng)作條件為最大相電流大于過流整定值，對(duì)應(yīng)過流段保護(hù)動(dòng)作，不帶方向。

3 配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)整定計(jì)算原則

3.1 整定計(jì)算原則

動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)的整定計(jì)算原則如下：

1)動(dòng)態(tài)加速過流定值：按被保護(hù)線路末端相間故障時(shí)有足夠的靈敏度整定，建議靈敏系數(shù)不小于2。

2)動(dòng)態(tài)加速過流T1時(shí)限：應(yīng)可靠大于“5G通信延時(shí)+10 ms”。通過試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)際延時(shí)測(cè)試，建議T1取100 ms，可確保區(qū)域保護(hù)動(dòng)作的選擇性。

3)動(dòng)態(tài)加速過流T2時(shí)限：應(yīng)比T1延時(shí)多一個(gè)時(shí)間級(jí)差，并按配合關(guān)系整定。

4)動(dòng)態(tài)加速過流T3時(shí)限：應(yīng)比變電站10 kV出線過流末端保護(hù)延時(shí)少一個(gè)時(shí)間級(jí)差，并按配合關(guān)系整定。

實(shí)際整定計(jì)算時(shí)，正常情況下T2時(shí)限是閉鎖狀態(tài)，當(dāng)5G通信異常時(shí)，T2時(shí)限才開放投入，因此可將T2和T3時(shí)限整定為同一時(shí)限，以簡(jiǎn)化各級(jí)斷路器的配合關(guān)系。另外，各環(huán)網(wǎng)柜之間聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)斷路器的屬性，應(yīng)將“線路斷路器”和“母線斷路器”的保護(hù)控制字均置為1，兩種保護(hù)邏輯互不影響，同時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用，當(dāng)供電方式變化時(shí)無需改變保護(hù)定值。

饋線斷路器傳統(tǒng)過流保護(hù)的整定計(jì)算原則如下：

1)過流保護(hù)Ⅰ段定值按避開3～8倍配電變壓器勵(lì)磁涌流整定，饋線在變電站出線Ⅰ段范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)力爭(zhēng)本段有靈敏度，過流Ⅰ段時(shí)間取0 s。

2)過流保護(hù)Ⅱ段定值按避開本支線最大負(fù)荷電流整定，并確保有足夠靈敏度，考慮自啟動(dòng)系數(shù)，可取1.35～2.4倍最大負(fù)荷電流，時(shí)間應(yīng)小于變電站出線有靈敏度段和上級(jí)分段動(dòng)作時(shí)間至少一個(gè)級(jí)差，取0.2 ～0.5 s。

3)過流Ⅲ段定值可考慮與過流Ⅱ段合并，為減少時(shí)間級(jí)差并簡(jiǎn)化計(jì)算，按過流Ⅱ段取值并確保有足夠靈敏度，或者將過流Ⅲ段退出使用。

3.2 實(shí)例分析

國(guó)網(wǎng)成都供電公司在青白江試點(diǎn)的配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)包括110 kV變電站內(nèi)10 kV樓港線916斷路器、3個(gè)環(huán)網(wǎng)柜及各饋線斷路器，如圖7所示。饋線斷路器的過流Ⅰ段時(shí)限均為0 s，過流 Ⅱ/Ⅲ段時(shí)限按0.4 s、0.2 s、0.1 s逐級(jí)配合。除饋線斷路器外的其余斷路器均投入動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)，T1時(shí)限均取0.1 s，T2和T3時(shí)限按0.6 s、0.4 s、0.2 s逐級(jí)配合。

圖7 配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限

當(dāng)2號(hào)環(huán)網(wǎng)柜母線發(fā)生短路故障時(shí)，905斷路器過流啟動(dòng)反方向，未收到相鄰間隔921、922、907斷路器正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，滿足母線側(cè)動(dòng)作條件，延時(shí)0.1 s跳開905斷路器；903斷路器過流啟動(dòng)正方向，但收到對(duì)側(cè)905斷路器反方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，因此903斷路器T1不會(huì)動(dòng)作；916、901斷路器同理，均不滿足T1動(dòng)作條件。通信故障時(shí)，916、901、903、905斷路器均滿足動(dòng)作條件，905、903斷路器經(jīng)0.4 s延時(shí)跳閘，不會(huì)越級(jí)到901和916斷路器。

當(dāng)饋線922斷路器線路發(fā)生短路故障時(shí)，通信正常時(shí)，922斷路器傳統(tǒng)過流保護(hù)動(dòng)作，當(dāng)達(dá)到過流Ⅰ段定值時(shí)，0 s跳閘；當(dāng)未達(dá)到過流Ⅰ段定值時(shí)，0.2 s跳閘；905斷路器過流啟動(dòng)反方向，但收到相鄰間隔922斷路器正方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，因此905斷路器T1不會(huì)動(dòng)作；903斷路器過流啟動(dòng)正方向，但收到對(duì)側(cè)905斷路器反方向啟動(dòng)GOOSE信號(hào)，因此903斷路器T1不會(huì)動(dòng)作；916、901斷路器同理，均不滿足T1動(dòng)作條件。通信故障時(shí)，916、901、903、905、922斷路器均滿足動(dòng)作條件，但922斷路器經(jīng)0 s延時(shí)或0.2 s延時(shí)跳閘，不會(huì)越級(jí)到其余斷路器。

4 結(jié) 論

前面提出了一種基于5G通信的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)方案，通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可行性。配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)方案規(guī)避了配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的采樣同步問題，無需采樣數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)同步。利用帶方向性的動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)和傳統(tǒng)過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)短路故障的快速準(zhǔn)確定位，具有優(yōu)秀的快速性和選擇性，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)停電范圍最小化，極大提高了配電網(wǎng)供電可靠性。

該方案的保護(hù)動(dòng)作邏輯和整定計(jì)算原則，在配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)整定計(jì)算工作中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)將繼續(xù)研究配電網(wǎng)5G區(qū)域保護(hù)與目前廣泛使用的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)如何高效配合，以實(shí)現(xiàn)分布式自愈控制功能，故障跳閘后實(shí)現(xiàn)備用電源的快速恢復(fù)供電，進(jìn)一步提高配電網(wǎng)供電自愈性。