劉 琨，董新洲，薄志謙

（1.廣東電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510600；2.清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084；3.英國ALSTOM電網公司，英國 斯塔福德郡 ST174LX）

0 引言

配電線路無通道保護能夠與傳統(tǒng)的定時限過電流保護相配合，當故障線路一端斷路器率先跳閘后，另一端斷路器通過感受到的工頻電氣量變化來實現相繼速動，提高了保護的動作速度，縮短了故障的切除時間。現有的4種配電線路無通道保護方案分別適用于不同結構的配電線路[1-4]。文獻[5]在深入分析現有配電線路故障隔離模式的基礎上，提出了一種基于無通道保護的配電自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了配備無通道保護外，還要求在主干線路上的所有開關都使用斷路器，并在環(huán)網開關柜中安裝使用備用電源自動投入裝置（簡稱備自投或BZT）。

備自投裝置的作用是[6]：當正常供電電源因供電線路故障或電源本身發(fā)生事故而停電時，它將負荷自動、迅速切換至備用電源上，使供電不至于中斷。常用的備用電源自動投入方式主要有[7]2條線路互為備用自動投入、備用變壓器自動投入和線路與母聯斷路器自動投入。文獻[3-5]使用了2條線路互為備用自動投入的方式。備自投裝置的動作判據一般為[7]：三相電壓在最長故障切除時間Tmax之外低于整定值。

根據無通道保護隔離故障的特點，本文設計了新型備自投低壓UV（Under Voltage）模塊的啟動判據和動作時間，使非故障失電線路區(qū)段的供電恢復時間最大限度減??；在投入到永久性故障再次斷開時，一合一開2次擾動為對側保護的過電流加速（AOC）模塊在加速時間窗內提供電流變化量，可以從電源側加速切除故障。實時數字仿真實驗驗證了整套方案的有效性。

1 基于無通道保護的配電自動化系統(tǒng)

圖1所示為單電源、輻射狀、有分支、配置單斷路器的配電線路自動化系統(tǒng)[4]。正常情況下環(huán)網開關打開，整個網絡呈2條輻射狀線路。在單斷路器配置的配電線路中，為保證環(huán)網開關合閘后能對失電負荷正常供電，需要從故障線路兩側進行故障隔離。

圖1 單電源單斷路器配電系統(tǒng)Fig.1 Single-source single-breaker distribution system

以斷路器B2為例，需要隔離其前后2條線路L1和L2上的故障。繼電器R2的基本保護配置為方向過電流OC（Over Current）模塊和方向低電壓DUV（Directional Under Voltage）模塊。當故障發(fā)生在L1上時，R2是負荷側繼電器，其DUV模塊動作；當故障發(fā)生在L2上時，R2是電源側繼電器，其OC模塊動作。上下級保護之間動作的選擇性通過時間的階梯型整定來實現，時間級差設置為0.4 s。

當 L5發(fā)生不對稱故障時，R4延時 0.7 s，跳開B4，如圖1所示；R5在加速時間窗內發(fā)現非故障相的電流發(fā)生變化后[2-5]，加速動作，跳開 B5跳閘（＞0.7 s）。備自投檢測到一端失去三相電壓后，延時動作環(huán)網開關合閘，從而恢復了L4上負荷的供電。系統(tǒng)的最終結構如圖2所示。當環(huán)網開關合閘成功后，備自投將轉換為無通道保護，用于選擇性地切除L3和L4上的故障。其動作時間仍然按照時間階梯型整定實現。

圖2 不對稱故障發(fā)生在線路L5的最終系統(tǒng)結構Fig.2 Final system configuration when unsymmetrical fault occurs on L5

如圖3所示，如果B6因為故障或檢修退出運行，將環(huán)網開關閉合，保證對L6、L5和 L4上的負荷繼續(xù)供電，R5和R4上的潮流方向都發(fā)生了變化。以R5為例，L6發(fā)生故障，R5由原來的負荷側繼電器變?yōu)殡娫磦壤^電器，其動作模塊由原來的DUV模塊變?yōu)镺C模塊。L5發(fā)生故障時情況剛好相反。因此，除故障方向檢測元件外，還需要加上潮流方向檢測元件，通過兩者的配合使繼電器進入正確的動作模塊[4-5]。

圖3 斷路器B6退出運行時的最終系統(tǒng)結構Fig.3 Final system configuration when B6is out of service

2 配電自動化系統(tǒng)中備自投功能的實現

電力系統(tǒng)對備自投裝置的基本要求為[7]：應該保證在工作電源斷開后備自投才動作；工作母線上的電壓不論何種原因消失時，備自投均應動作；備自投應保證只動作一次；如果備自投投入到永久性短路故障，繼電保護應該將備用電源斷開；當工作電源和備用電源同時失電時，備自投不應該動作；備自投的動作時間應該盡可能短，以便快速恢復對用戶供電；備用電源投于故障時，應使繼電保護加速動作。

備自投功能主要由以下兩部分實現。

a.UV模塊。此模塊用于檢測工作電源是否消失、備用電源是否完好。在2條線路互為備用自動投入的暗備用方式中，此模塊需要同時檢測每側線路末端的三相電壓。其啟動判據與無通道保護DUV模塊的啟動判據類似[4]，但是不包含潮流方向和故障方向的判別（備自投在沒有閉合環(huán)網開關的情況下檢測到的二次側電流為0）。啟動判據為：

其中，N為每周期的采樣數；U（n-2N）為2個周期前的電壓有效值；U（n）為當前的電壓有效值；下標s代表 a、b、c三相中的某一相。

該判據直接反映了故障后每相電壓的跌落幅度。Cs在正常運行的情況下接近于0；當失去工作電源時，每相的Cs都將迅速增大。當UV模塊啟動后，裝置將持續(xù)檢測工作電源是否恢復并確認備用電源的存在。如果工作電源沒有恢復，在一定的時間延遲后，UV模塊將啟動環(huán)網開關閉合。UV模塊的動作時間延遲必須考慮整個系統(tǒng)保護的最大動作時間，以避免在保護沒有清除故障之前將備用電源投于故障上。

b.保護模塊和加速跳閘模塊。在備自投閉合環(huán)網開關成功后，備自投將作為無通道保護中的一級選擇性地切除發(fā)生在兩側的故障，其動作時間可按照圖2所示設定，從而實現了與上下級保護的配合。如果故障發(fā)生在線路L3或者L4，備自投將合閘于故障線路上，加速跳閘模塊需要無時延跳開環(huán)網開關，其只在備自投動作環(huán)網開關閉合后的一段時間內有效。對于有效期之外發(fā)生的故障，保護模塊將按照圖2所示的整定時間動作。

3 適用于無通道保護的備自投新方案

3.1 適用于無通道保護的UV模塊啟動判據

傳統(tǒng)的備自投UV模塊啟動判據如式（1）所示，此模塊需要在檢測到某側工作電源的三相電壓都減小到一定程度時才啟動。

文獻[3-5]中提到的負荷側繼電器的DUV模塊的啟動判據為任意單相電壓減小到一定幅度，且潮流方向元件與故障方向元件滿足配合關系。

備自投裝置安裝于環(huán)網開關處，位于每條線路的末端，如果不存在高壓大容量感應電動機負荷（此負荷在外部故障或者斷電后的殘壓衰減較慢，充電效應比較明顯），備自投所反映的故障相電壓跌落幅度與負荷側繼電器所反映的故障相電壓跌落幅度是相近的。根據整定原則[7]，備自投UV模塊的電壓整定值較之于低壓保護往往設定得更加嚴格，需低于額定電壓的1/3。因此，如果將備自投UV模塊啟動判據由三相失壓變?yōu)槿我鈫蜗嗍海诰€路上發(fā)生不對稱故障時，UV模塊將提前啟動且保證在負荷側繼電器動作之后才閉合環(huán)網開關，使得非故障線路段的失電負荷能更早恢復供電。

以圖1所示系統(tǒng)為例，如果不對稱故障發(fā)生在L5，備自投三相失壓的條件只有在故障發(fā)生后0.7 s、R4動作跳開B4后才能滿足，備自投再經過一定的時間延遲后才能使環(huán)網開關合閘。如果將三相失壓改為任意單相失壓，備自投與R4同時啟動，只需要保證備自投的動作時間比繼電器R4的負荷側保護動作時間0.7 s大一個時間階梯即可，從而實現了線路L4上的負荷盡早恢復供電。

3.2 適用于無通道保護的UV模塊動作時間

如圖1所示，在2條饋線中保護的最大動作時間是2.3 s。從基本要求來看，備自投在UV模塊啟動后至少需要一個比2.3 s更長的時間延遲之后才使環(huán)網開關合閘。

當不對稱故障發(fā)生在L1時，R2的DUV模塊首先在0.1 s動作，使B2跳閘，R1的AOC模塊能根據加速時間窗內非故障相電流的變化量加速動作，跳開B1；當不對稱故障發(fā)生在L2時，R3的DUV模塊首先在0.5 s動作，使B3跳閘，R2的AOC模塊能根據加速時間窗內非故障相電流的變化量加速動作，跳開B2。因此，將備自投UV模塊的動作時間修改為比前一級保護的DUV模塊動作時間高一個時間階梯即可，分別為0.9 s和1.1 s，如圖4所示。

圖4 UV模塊動作時間Fig.4 Operation time of UV module

但是當故障發(fā)生在L3或者L4時，備自投合閘于永久性故障，加速跳閘模塊會無選擇性瞬時斷開環(huán)網開關。如果按照前面的方法整定備自投UV模塊的動作時間，以故障發(fā)生在L3為例，在R3的OC模塊于1.5 s動作之前，備自投就已經在0.9 s動作，使環(huán)網開關合閘于永久性故障，加速跳閘模塊會再次瞬時斷開環(huán)網開關。

備自投合閘于永久性故障不可避免，因為僅從末端的三相電壓判斷，備自投無法識別故障究竟發(fā)生在線路的哪一段?；疽笾兄赋鰬摫ＷC在工作電源斷開后備自投才動作，因此故障發(fā)生在L3時，要求備自投的動作時間大于1.5 s。但是如果線路L3上的故障是永久性的，即使在B3跳閘后，備自投仍會有一個動作環(huán)網開關“合閘—跳閘”的過程。

根據無通道保護的設置原則，R3的AOC模塊會在不對稱故障發(fā)生后設置一個以0.9 s為中心、寬度為50 ms的時間窗，用于檢測非故障相電流的變化量，從而實現加速跳閘的目的。利用這一點，備自投通過在0.9 s動作，使環(huán)網開關合閘并迅速跳閘，在時間窗內引起2次三相電流擾動，從而為R3的加速動作提供可能性。理論分析可得到如下結論[8]：非故障相電流擾動大小主要與2條線路末端電壓的矢量差有關，矢量差越大電流變化量越明顯；故障相電流擾動的大小主要取決于系統(tǒng)阻抗、線路阻抗和故障電阻之間的大小關系。進一步理論分析可知[9-14]，以上過程將會增加故障相間或者故障相對地的短路電流（單條線路變?yōu)?條線路并聯）。如果用戶或現場無法接受這一現象，設置一個高于1.5 s的UV模塊動作時間是有必要的。

4 實時數字仿真實驗與結果分析

4.1 測試系統(tǒng)說明

基于實時數字仿真系統(tǒng)，在英國ALSTOM電網公司構建了基于無通道保護的配電自動化測試模型，其系統(tǒng)結構如圖5所示。該系統(tǒng)為10 kV單電源輻射狀系統(tǒng)，中性點經10 Ω小電阻接地。系統(tǒng)的線路參數為：正、負序阻抗均為0.17+j0.38 Ω/km，正、負序電納均為3.03 μS/km；零序阻抗為0.32+j1.32 Ω/km；零序電納為1.38 μS/km；電流互感器變比為1 kA/1 A，電壓互感器變比為 10 kV/100 V；保護配置和時間整定值設置參考圖4；斷路器的跳閘固有時間設為40 ms，備自投合閘固有時間設為30 ms。

4.2 線路L2發(fā)生A相接地故障

圖5 測試系統(tǒng)結構Fig.5 Structure of test system

圖6 線路L2發(fā)生A相接地故障Fig.6 A-phase grounding fault on L2

相關繼電器的響應如圖6所示。R3為負荷側繼電器，故障發(fā)生后其DUV模塊啟動，計時0.5 s后動作，跳開 B3，如圖 6（a）所示；R2是電源側繼電器，故障發(fā)生后其AOC模塊啟動，在以啟動后0.56 s為中心、50 ms為半徑的時間窗內檢測到非故障相電流的變化，因此加速動作，跳開B2，跳閘時間稍落后于B3，加速效果明顯，如圖6（b）所示；備自投檢測到A相電壓跌落后即啟動，與R3的啟動同步，計時0.9 s后動作環(huán)網開關合閘，如圖6（c）所示，L3上負荷的停電時間大幅縮短，系統(tǒng)最終結構與圖2類似。

4.3 線路L3發(fā)生A相接地故障

圖7 線路L3發(fā)生A相接地故障Fig.7 A-phase grounding fault on L3

相關繼電器的響應如圖7所示。備自投檢測到A相電壓跌落后即啟動，計時0.9 s后使環(huán)網開關合閘，環(huán)網開關由于合閘到永久性故障上而瞬時跳開，如圖7（a）所示；R3是電源側繼電器，故障發(fā)生后其AOC模塊啟動，在以啟動后0.96 s為中心、50 ms為半徑的時間窗內檢測到非故障相電流的變化（環(huán)網開關“一合一開”產生2次擾動），因此加速動作跳開B3，動作時間上相對原計劃的1.5 s大幅縮短，如圖7（b）所示。

4.4 小結

本文還模擬了不同位置、不同類型的不對稱性短路故障，結果表明：無通道保護能快速、有選擇地隔離故障，備自投能快速恢復無故障區(qū)段負荷的供電。對稱故障時不存在非故障相，電源側繼電器的AOC模塊將失效；負荷側電壓電流均為0，DUV模塊也將失效；文獻[15]對這種情況下的故障隔離與自愈進行了詳細闡述。針對瞬時性故障，文獻[16]提出了一種適用于配電線路無通道保護的重合閘方案。

5 結語

根據配電線路無通道保護的特點，通過修改傳統(tǒng)備用電源自動投入裝置的UV模塊啟動判據和動作延遲時間，不僅能最大限度地縮短非故障區(qū)段負荷的停電時間，而且能充分加快電源側斷路器的跳閘時間，提高了該自動化系統(tǒng)的故障隔離性能和自愈性能，增強了該系統(tǒng)的推廣應用價值。