盛文玥（上海電力設(shè)計院有限公司，上海200025）

多電源多支線配電網(wǎng)面保護方法

盛文玥
（上海電力設(shè)計院有限公司，上海200025）

為了解決傳統(tǒng)饋線保護整定配合困難的問題，借助于高速發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)建立起來的面保護技術(shù)，提出一種簡單易行的最小子網(wǎng)異或法，終端可根據(jù)自身和相鄰設(shè)備的故障狀態(tài)執(zhí)行跳閘邏輯，共同實現(xiàn)本區(qū)域面保護，并且提供了針對不同的故障形式和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的解決方案。該方案可適用于多電源多支線的復(fù)雜配電網(wǎng)。

面保護；饋線保護；最小子網(wǎng)異或法；多電源；多支線

配電網(wǎng)相比較于輸電網(wǎng)，具有線路復(fù)雜多變，饋線沿線的分段開關(guān)串聯(lián)多、分支多，拓撲變化多的特點。為保證供電可靠性，設(shè)計出多電源互備，使得整個配電網(wǎng)呈現(xiàn)無確定模式的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

但在傳統(tǒng)饋線保護中，根據(jù)就地實時監(jiān)測和整定值完成故障跳閘，靠電流定值和時間配合完成故障定位的工作方式在配電網(wǎng)沿線級聯(lián)復(fù)雜的情況下，會使得沿線保護配合困難，甚至于無法合理整定。電子和通信技術(shù)的發(fā)展使配電終端可同時具備線路保護和遠動通信能力，終端之間互換信息，由此發(fā)展成區(qū)域協(xié)調(diào)聯(lián)動的面保護，可有效解決區(qū)域配電網(wǎng)線路保護問題。

1　面保護概念

面保護是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)多臺保護的故障信息，判斷故障段，舍棄了時間和過流值的配合，使判斷更準(zhǔn)確、更快速。很多電力專家在這方面進行了建設(shè)性的研究。一種方法為相鄰設(shè)備對等通信，下游對上游發(fā)送閉鎖信號，上游對下游發(fā)送跳閘信號，沿饋線級級傳遞，完成手拉手環(huán)網(wǎng)的故障隔離，但該方法不能運用于多電源復(fù)雜電網(wǎng)；文獻[1]提出了一種統(tǒng)一矩陣算法，用以解決復(fù)雜配電網(wǎng)故障定位和隔離，其算法嚴(yán)密，定位明確；文獻[2]提出了基于遺傳算法的故障位置判定法，具有一定容錯能力；還有其他如神經(jīng)算法、蟻群算法等，這些方法計算量大，或涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)起來較為困難。

本文提出一種基于普通保護邏輯的最小子網(wǎng)異或法，可以準(zhǔn)確、快速解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的故障判斷，實現(xiàn)面保護。

2　最小子網(wǎng)異或法

一般區(qū)域配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？紤]任意兩至多節(jié)點的區(qū)段，即多分支線路如圖2所示。當(dāng)發(fā)生的是單一故障時，如果故障在本區(qū)段如圖2（a）所示，那么有且只有一個節(jié)點過流，過電流經(jīng)該節(jié)點流至故障點后流回；如果故障在本區(qū)段某支路的下游，圖2（b），那么一定有2個節(jié)點過流，一入一出再到故障點流回。因此單一故障下對任意區(qū)段，當(dāng)相鄰節(jié)點中僅有一個過流時，故障在本區(qū)段，當(dāng)有2個節(jié)點過流時，故障不在本段。

圖1　區(qū)域配電網(wǎng)Fig.1Regional distribution network

圖2　多分支過流情況Fig.2Multi-line circuit overcurrent condition

若故障在本區(qū)段，1個節(jié)點過流，因此所有相鄰節(jié)點異或的結(jié)果必定為1，此時本節(jié)點應(yīng)跳閘；若故障不在本段，2個節(jié)點過流，所有相鄰節(jié)點異或的結(jié)果必定為0。據(jù)此筆者提出最小子網(wǎng)異或法，來判斷故障區(qū)段、確定節(jié)點是否跳閘。

在圖1中，從電源點出線斷路器開始，經(jīng)串聯(lián)、分支等回入另一或多個電源點的區(qū)域配電網(wǎng)，在各個開關(guān)節(jié)點，包括斷路器、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)處，一對一安裝具備保護遠動功能的終端，組成區(qū)域通信網(wǎng)。各節(jié)點和其相鄰節(jié)點形成一個最小子網(wǎng)，例如圖1中節(jié)點2的最小子網(wǎng)由1、2、3、4節(jié)點組成。

出線斷路器處的終端，具備傳統(tǒng)線路保護的定時限過流跳閘和一次重合閘功能。當(dāng)由該出線供電的饋線發(fā)生故障時，定時限動作使斷路器跳閘，并經(jīng)一次重合閘排除瞬時性故障，如果再次跳閘則為永久性故障。

在永久故障發(fā)生時，由于有一次重合閘過程，短路電流經(jīng)過的節(jié)點會連續(xù)兩次檢測到過電流。因此，各終端實時監(jiān)測本節(jié)點電流值，一旦檢測到連續(xù)2次過電流，則置本機故障信號為1，否則為0，并通過通信向相鄰終端實時發(fā)送其故障信號值，這樣每一節(jié)點終端都能得到其最小子網(wǎng)內(nèi)所有終端當(dāng)前的故障信號。

當(dāng)發(fā)生永久故障，出線斷路器已二次跳開后，包括斷路器在內(nèi)的各節(jié)點終端執(zhí)行啟動邏輯和跳閘邏輯，以此隔離故障區(qū)段，注意各終端為邏輯執(zhí)行單元，該邏輯稱為最小子網(wǎng)異或法。

啟動邏輯：當(dāng)本節(jié)點檢測到連續(xù)兩次過流時置本機故障信號為1，其他情況都為0，同時接收所有相鄰設(shè)備的故障信號值。那么本節(jié)點或任意相鄰節(jié)點有故障信號置位時啟動跳閘邏輯。節(jié)點4啟動邏輯圖見圖3。

圖3　圖1節(jié)點4面保護啟動邏輯Fig.3Plane protection starting logic at node 4 of Fig.1

跳閘邏輯：本節(jié)點任意一側(cè)的所有相鄰節(jié)點故障信號相異或的結(jié)果為1時跳閘。節(jié)點4跳閘邏輯圖見圖4。

圖4　圖1節(jié)點4面保護跳閘邏輯Fig.4Plane protection tripping logic at node 4 of Fig.1

例如，圖1中A處發(fā)生短路故障，那么在節(jié)點7、1、4檢測到2次過流，故障信號為1，其余節(jié)點為0。根據(jù)啟動邏輯，只要自身或相鄰終端有故障信號為1，則啟動，因此節(jié)點7、1、4、2、5、6終端啟動，執(zhí)行后續(xù)跳閘邏輯，其余節(jié)點則不作任何動作。

以節(jié)點4跳閘邏輯為例，其左上側(cè)與節(jié)點1、2相鄰，將4、1、2三個節(jié)點的過流故障信號相異或，結(jié)果為0，說明1、4、2節(jié)點相連的區(qū)段無故障；其右下側(cè)與5、6相鄰，將4、5、6節(jié)點故障信號相異或的結(jié)果為1，說明4、5、6節(jié)點相連的區(qū)段有故障；根據(jù)跳閘邏輯，只要節(jié)點任意一側(cè)的異或結(jié)果為1，則該節(jié)點跳閘，因此最終得出節(jié)點4跳閘。

總結(jié)各節(jié)點邏輯過程見表1，最終4、5、6節(jié)點跳開，正確隔離故障。

表1　各節(jié)點跳閘邏輯過程及結(jié)果Tab.1Logic process and result of the tripping of each node

圖5　圖1 A點故障保護動作時序圖Fig.5Sequential drawing of the fault protection at node A of Fig.1

3　邏輯驗證

文獻[1]提出的矩陣法是一種被廣泛采用、判斷明確的故障定位方法。它先根據(jù)局部配電網(wǎng)的拓撲連接形成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)有N個節(jié)點，則可構(gòu)成N×N方陣，若節(jié)點i和節(jié)點j相鄰，則方陣D的元素dij、dji為1，否則兩元素都為0。再根據(jù)各節(jié)點過流情況形成故障信息矩陣G，還是由N個節(jié)點構(gòu)成N×N方陣，故障發(fā)生時，如果第i個節(jié)點檢測到過流，那么矩陣G對角線上元素gii置為0，未檢測到過流則置為1，G陣非對角線上元素都置為0。將矩陣D和G相乘后得到矩陣P′，其對稱元素異或為1時，即時，節(jié)點i和節(jié)點j之間的區(qū)段可能存在故障，表示異或。

再對矩陣P′進行規(guī)格化處理得到故障矩陣P，即P=g（P′）=g（D×G），其目的是從P′可能存在故障的區(qū)段中去除無故障段，最終得到的故障矩陣P反應(yīng)了確切的故障區(qū)段，若矩陣P的對稱元素相異或為1，即，則節(jié)點i和節(jié)點j之間的區(qū)段有故障。

用矩陣法對圖1中A點故障進行判斷。網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D見式（1），故障信息矩陣G見式（2）、矩陣P′見式（3），故障判斷矩陣P見式（4）。

形成P的規(guī)格化處理過程為：若dmj，dnj，…，dkj為1，gmm，gnn，…，gkk至少有2個0，則將P′的第j行和第j列全部置為0后形成P?？捎猛ㄋ椎恼Z言描述為，在一個多分支的區(qū)段，選擇其中無過流信號的節(jié)點，若相鄰節(jié)點有至少2個過流信號，則將此節(jié)點相連的所有區(qū)段排除。

因此矩陣法可總結(jié)為，2節(jié)點相鄰，且過流信號狀態(tài)相反，相連區(qū)段的所有節(jié)點中少于2個節(jié)點過流，則2節(jié)點間的區(qū)段為故障段。這個判據(jù)與本文提出的面保護跳閘邏輯完全一致。

4　拓撲變動考慮

在真實配電網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)周邊用電和網(wǎng)架改造需求，經(jīng)常局部增減分支，增加環(huán)網(wǎng)分段等，用最小子網(wǎng)異或法僅需要將變動的相鄰關(guān)系告知個別終端，涉及面極小，可操作性強。

對于那種不改變網(wǎng)絡(luò)拓撲即相鄰關(guān)系，僅改變聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置的運行模式變動，因該保護邏輯與節(jié)點自身分、合狀態(tài)無關(guān)，只關(guān)心相鄰設(shè)備的故障狀態(tài)，因此無需任何變動，本方法自適應(yīng)運行模式變化。

5　適用性考慮

以開環(huán)運行的復(fù)雜配電網(wǎng)發(fā)生過流故障為例，提出了最小子網(wǎng)異或法。適用于接地系統(tǒng)、單側(cè)電源供電的開環(huán)運行方式。在實際的運用中，針對其他故障形式和電網(wǎng)運行模式，采用不同的判據(jù)對故障信號進行置位后，可使本方法依然適用。

單相接地故障占據(jù)10 kV架空線路大部分的故障情況，對不接地系統(tǒng)過流特征不明顯，可以采用首半波判定法，在檢測到電壓突然跌落后，對事件發(fā)生時暫態(tài)電壓、電流首半波進行相位分析，相位相同的判定為零流故障，置故障信號，其他情況不置。

分布式微電源的接入，常采用并列運行模式；另外環(huán)狀、輻射狀系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)也可能處于并列運行狀態(tài)，故障發(fā)生時，故障段下游的終端也會檢測到過流，可以通過功率方向來置位故障信號。選擇主要供電電源方向為正，當(dāng)過電流方向與之相同時，置故障信號，其他不置。圖5電網(wǎng)故障信號為表2。

圖6　并列運行電網(wǎng)故障情況Fig.6Faults in the parallel operation power grid

表2　并列運行故障信號判定Tab.2Judgment of the parallel operation fault signal

通過故障信號判定及置位的變化，使最小子網(wǎng)異或法可實現(xiàn)其他故障形式和運行方式的面保護。

6　結(jié)論

當(dāng)配電網(wǎng)設(shè)計為電纜環(huán)網(wǎng)或輻射網(wǎng)開環(huán)運行，采用接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)的情況下，基于過電流判定的故障信號正確率高，絕大多數(shù)的故障能通過最小子網(wǎng)異或法實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的面保護，邏輯嚴(yán)密而且簡捷，易于實現(xiàn)。本方法僅需要相鄰設(shè)備的故障信號，不依賴于整個區(qū)域所有設(shè)備的正常通信，最終共同形成對整片區(qū)域的面保護。

當(dāng)系統(tǒng)為不接地或經(jīng)消弧線圈的小電流接地系統(tǒng)時，基于常規(guī)零序電流檢測的故障信號判定容易出現(xiàn)漏判，在采用本方法時應(yīng)選擇有針對性的故障檢測手段，如首半波法、信號注入法等，以提高故障信號的正確率。

特別是本方案自適應(yīng)運行模式變化，對拓撲變化僅需要改變個別設(shè)備相鄰關(guān)系，因此在配電網(wǎng)具有相當(dāng)實用性。

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（編輯董小兵）

The Plane Protection Method for Multi-Power Multi-Branch Distribution Network

SHENG Wenyue
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

In order to overcome difficulties in the setting of the conventional feeder protection，by means of the plane protection technology built due to the rapid development of communications network，this paper proposes a simple method of minimal subnet XOR.With this method，the terminal can execute the logic tripping according to the fault state of the equipment itself and neighboring equipment to achieve the plane protection in the region.And the paper also provides solutions for different failure modes and grid structures.This scheme is applicable to the multi-power distribution network of the multi-line circuit.

plane protection；feeder protection；smallest subnet XOR method；multi-power；multi-line circuit

1674-3814（2015）06-0064-05

TM76

A

2015-01-18。

盛文玥（1977—），女，本科，工程師，從事輸變電工程電氣設(shè)計工作。