金恩淑，張 愷，扈佃愛(ài)，許 晶，李 登，金雨薇，余 舟

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)日照供電公司，山東 日照 276800)

20kV閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)的快速電流保護(hù)方案

金恩淑1，張 愷1，扈佃愛(ài)2，許 晶1，李 登1，金雨薇1，余 舟1

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)日照供電公司，山東 日照 276800)

在20 kV閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)中，由于供電密度大、環(huán)網(wǎng)長(zhǎng)度短且采用電纜供電，導(dǎo)致傳統(tǒng)電流保護(hù)難以滿(mǎn)足。針對(duì)上述特點(diǎn)，提出了一種20 kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行無(wú)通道保護(hù)新方法。該方法根據(jù)本端相電流的變化來(lái)判別對(duì)端斷路器的動(dòng)作狀態(tài)，并通過(guò)加速保護(hù)的時(shí)間配置來(lái)確定故障區(qū)間，最終實(shí)現(xiàn)本端保護(hù)相繼動(dòng)作。通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真,驗(yàn)證了該方法的可靠性與速動(dòng)性。

20 kV配電網(wǎng)；閉環(huán)運(yùn)行；無(wú)通道保護(hù)；相繼動(dòng)作

目前，隨著負(fù)荷密度的不斷提高，10 kV配電網(wǎng)供電能力已難以適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，將現(xiàn)有的10 kV配電網(wǎng)升壓為20 kV的技術(shù)改造在一些試點(diǎn)城市已經(jīng)投入運(yùn)行，例如蘇州、廣州中新知識(shí)城、遼寧本溪等地配電網(wǎng)均開(kāi)始采用20 kV電壓等級(jí)[1]。20 kV配電網(wǎng)設(shè)備價(jià)格、征地支出與10 kV配電網(wǎng)相差不多，以20 kV作為中壓配電電壓，不但可以簡(jiǎn)化變電層次、減小線(xiàn)路損耗、增強(qiáng)供電能力，而且還能節(jié)省投資，因此配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級(jí)是未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)[2-4]。

20 kV配電網(wǎng)一般采用合環(huán)運(yùn)行方式，用戶(hù)從線(xiàn)路的兩個(gè)方向獲得電源，具有較高的供電連續(xù)性和可靠性，并滿(mǎn)足分布式電源的友好接入。目前，20 kV閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)一般采用兩種保護(hù)配置方案。一種是配置電流保護(hù)[5]，主要采用電流瞬時(shí)速斷、過(guò)電流保護(hù)、零序電流Ⅰ段和零序電流Ⅱ段相配合，但是對(duì)于復(fù)雜的環(huán)形配電網(wǎng)，由于短路電流大且故障切除時(shí)間長(zhǎng)，很難滿(mǎn)足環(huán)網(wǎng)的需要；另外一種是配置差動(dòng)保護(hù)[6-7]，雖然差動(dòng)保護(hù)能夠解決母線(xiàn)和線(xiàn)路保護(hù)的選擇性問(wèn)題，但要求通信系統(tǒng)具有非常高的可靠性，建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用高昂，且需要另外配置后備保護(hù)，不適用于配電網(wǎng)。

近年來(lái)，無(wú)通道保護(hù)技術(shù)已在10 kV配電線(xiàn)路上得到了廣泛的應(yīng)用，該保護(hù)構(gòu)成簡(jiǎn)單，能十分準(zhǔn)確地判別故障區(qū)間。開(kāi)環(huán)運(yùn)行的10 kV配電網(wǎng)一般為“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行”，通過(guò)檢測(cè)非故障相電流差值加速保護(hù)動(dòng)作，但這種方法不能識(shí)別對(duì)稱(chēng)短路[8-11]；而閉環(huán)運(yùn)行的20 kV配電網(wǎng)電氣聯(lián)系緊密，線(xiàn)路阻抗小，當(dāng)發(fā)生對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，短路電流高達(dá)20 kA，必須盡快切除短路，因此10 kV配電網(wǎng)無(wú)通道保護(hù)方案在20 kV配電網(wǎng)已不再適用。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以中新廣州知識(shí)城20 kV花瓣?duì)罟╇娔Ｐ蜑榛A(chǔ)進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)20 kV配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種20 kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行無(wú)通道保護(hù)的新方法。該方法靈敏度高，且在20 kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行時(shí)能可靠地加速保護(hù)動(dòng)作，減小短路故障的影響。

圖1 中新廣州知識(shí)城花瓣?duì)罟╇娔Ｐ?/p>

1 中新廣州知識(shí)城20 kV花瓣?duì)罟╇娔Ｐ?/h2>

中新廣州知識(shí)城花瓣?duì)罟╇娔Ｐ?如圖1所示。變電站每?jī)苫?0 kV饋線(xiàn)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，形成花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，稱(chēng)為花瓣?duì)罟╇娔Ｐ?。?lián)絡(luò)點(diǎn)通常處于常開(kāi)狀態(tài)，20 kV環(huán)網(wǎng)部分閉環(huán)運(yùn)行?；ò曛腥魏卧O(shè)備“N-1”都不影響其他設(shè)備正常供電?；ò?duì)罟╇娔Ｐ桶?20 kV主網(wǎng)、20 kV主環(huán)、20 kV分支線(xiàn)路三部分[12]，本文主要分析20 kV主環(huán)。

花瓣?duì)罟╇娊Y(jié)構(gòu)是以變電站為中心的多個(gè)“花瓣”構(gòu)成。當(dāng)某一段線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作斷開(kāi)故障線(xiàn)路兩端斷路器，由環(huán)網(wǎng)內(nèi)其他段繼續(xù)向用戶(hù)供電，提高了供電的可靠性[13]。在短路故障情況下，為保證一條回路能夠帶動(dòng)整個(gè)“花瓣”的負(fù)荷，正常運(yùn)行方式下，線(xiàn)路利用率一般要低于50%[14]。本文以其中一個(gè)“花瓣”，即一個(gè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。

2 20 kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行無(wú)通道保護(hù)新方法

2.1 保護(hù)的啟動(dòng)算法

閉環(huán)運(yùn)行的20 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)圖，如圖2所示。閉環(huán)運(yùn)行且當(dāng)線(xiàn)路FA的f3處發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)R1、R7均靠近電源側(cè)，通過(guò)方向過(guò)電流繼電器均能檢測(cè)到電流突變而動(dòng)作，線(xiàn)路FA退出運(yùn)行，閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)運(yùn)行。若此時(shí)f2處短路，由于保護(hù)R2靠近負(fù)荷側(cè)，其方向過(guò)電流繼電器將檢測(cè)不到短路電流，但保護(hù)R2所在母線(xiàn)電壓將降低。因此為了保證再次發(fā)生短路后位于負(fù)荷側(cè)的保護(hù)能檢測(cè)到故障，需在母線(xiàn)處加裝低電壓繼電器[15]。

圖2 閉環(huán)運(yùn)行的20 kV配電網(wǎng)

由上述分析可得，保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)如公式(1)和公式(2)所示。

I(k)/I(k-n)>α，

(1)

U(k)<β，

(2)

式中：k為采樣時(shí)間；n為一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)；α、β為啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作的門(mén)檻值。

公式(1)為電源側(cè)保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，I(k)/I(k-n)為相電流一個(gè)周期前后采樣值的比值，為了躲開(kāi)正常負(fù)荷投切所帶來(lái)的影響并滿(mǎn)足保護(hù)的靈敏度，一般情況下，α取為2；公式(2)為負(fù)荷側(cè)保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，U(k)為故障相母線(xiàn)電壓，短路故障后降為0 kV，因此動(dòng)作門(mén)檻值β應(yīng)接近0。

2.2 加速保護(hù)原理與算法

如圖2所示，R1、R2、R3、R4、R5、R6為一組過(guò)電流保護(hù)，它們的動(dòng)作時(shí)限分別整定為1.6 s、1.3 s、1.0 s、0.7 s、0.4 s、0.1 s；R7、R8、R9、R10、R11、R12為另一組過(guò)電流保護(hù)，它們的動(dòng)作時(shí)限分別整定為0.1 s、0.4 s、0.7 s、1.0 s、1.3 s、1.6 s，所有過(guò)電流保護(hù)均加裝方向元件。在同一段線(xiàn)路中，時(shí)間整定值小的保護(hù)不配置無(wú)通道保護(hù)，如R4、R5、R6、R7、R8、R9；時(shí)間整定值大的保護(hù)需配置無(wú)通道保護(hù)，如R1、R2、R3、R10、R11、R12。短路后，傳統(tǒng)保護(hù)先跳閘，被加速的保護(hù)在檢測(cè)到對(duì)端保護(hù)動(dòng)作后加速本端保護(hù)相繼動(dòng)作，加速時(shí)間整定如表1所示。

20 kV配電網(wǎng)采用電纜線(xiàn)路，其阻抗遠(yuǎn)小于架空線(xiàn)路；而且20 kV配電網(wǎng)電氣聯(lián)系緊密，環(huán)網(wǎng)長(zhǎng)度短，因此線(xiàn)路阻抗小于系統(tǒng)阻抗。這就使得短路故障后，一端保護(hù)跳閘，從對(duì)端線(xiàn)路流入短路點(diǎn)的短路電流將明顯增大。例如f2處發(fā)生短路后，R8在0.4 s跳閘，此時(shí)流過(guò)R2的短路電流必然增大；同時(shí)由于保護(hù)R8跳開(kāi)，流過(guò)保護(hù)R2的正常相負(fù)荷電流減小到0 A。通過(guò)上述分析可以看出，閉環(huán)運(yùn)行的20 kV配電網(wǎng)在對(duì)端斷路器切除后，可檢測(cè)到流過(guò)本端保護(hù)的各相電流均發(fā)生突變，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的加速時(shí)間段(見(jiàn)表1)，最終可加速本端保護(hù)動(dòng)作。

表1 被加速保護(hù)的時(shí)間配置

圖3 保護(hù)流程圖

加速保護(hù)判據(jù)如公式(3)所示。

(3)

其中：I(k)、I(k-n)分別表示相電流一個(gè)周期前后的采樣值；γ為突變量門(mén)檻值，為防止短路故障時(shí)小負(fù)荷投切帶來(lái)的擾動(dòng)，γ可取為本段線(xiàn)路負(fù)荷電流的一半。

只要有一相電流突變值滿(mǎn)足公式(3)且滿(mǎn)足表1中的加速時(shí)間，則加速保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)的流程圖，如圖3所示。

3 仿真結(jié)果與分析

本文以中新廣州知識(shí)城20 kV環(huán)網(wǎng)為例(如圖2所示)，利用PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真驗(yàn)證。環(huán)網(wǎng)采用純電纜線(xiàn)路，線(xiàn)路參數(shù)如下：r1=0.259 Ω/km，x1=0.093 Ω/km；線(xiàn)路長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)FA=2 km，LAB=1 km，LBC=1.5 km，LCD=1.5k m，LDE=2 km，LEF=1 km；分配于20 kV主環(huán)的5個(gè)節(jié)點(diǎn)A-E的負(fù)荷分別5.75+j2.9 MVA、5.75+j2.9 MVA、2+j0.9 MVA、2+j0.9 MVA、2+j0.9 MVA。由于20 kV側(cè)為純電纜線(xiàn)路，發(fā)生的短路故障基本為低阻接地[16]。因此，所有算例均假設(shè)系統(tǒng)在1 s時(shí)刻發(fā)生短路。

3.1 閉環(huán)運(yùn)行——線(xiàn)路BC末端f1處發(fā)生A相短路接地

圖4由上至下分別為保護(hù)R9、R3各相電流及R3各相電流突變值。當(dāng)1 s時(shí)刻f1處發(fā)生A相短路接地故障后，保護(hù)R1、R2、R3及保護(hù)R9、R10、R11、R12均將啟動(dòng)。由圖4(a)所示，由于保護(hù)R9的動(dòng)作時(shí)限最短，R9的過(guò)電流保護(hù)在1.7 s時(shí)刻最先切除故障，此時(shí)保護(hù)R10、R11、R12不會(huì)再檢測(cè)到短路故障，均正確返回；由圖4(b)、圖4(c)所示，R9跳開(kāi)后，流過(guò)保護(hù)R3的短路電流和正常相電流均發(fā)生突變，在加速時(shí)間段1.7 s-1.8 s內(nèi)，只有保護(hù)R3仍能檢測(cè)到短路存在且相電流采樣值突變量大于門(mén)檻值，進(jìn)而加速跳開(kāi)斷路器，將短路故障快速隔離。由分析可知，所有算例中，當(dāng)線(xiàn)路BC發(fā)生短路故障時(shí)，切除故障時(shí)間最長(zhǎng)，需0.8 s。

圖4 線(xiàn)路BC發(fā)生A相短路保護(hù)R9、R3的響應(yīng) 圖5 線(xiàn)路AB發(fā)生BC兩相短路保護(hù)R2的響應(yīng)

3.2 開(kāi)環(huán)運(yùn)行(線(xiàn)路FA退出運(yùn)行)——線(xiàn)路AB出口f2處發(fā)生BC相間短路

圖5由上至下分別為母線(xiàn)A處各相電壓、R2各相電流及R2各相電流突變值。線(xiàn)路FA退出運(yùn)行，配電網(wǎng)由閉環(huán)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)，在1 s時(shí)刻f2處發(fā)生BC相間短路故障，由圖5(a) 、圖5(b)所示，負(fù)荷側(cè)方向過(guò)電流保護(hù)R2將檢測(cè)不到短路電流，僅能通過(guò)檢測(cè)A母線(xiàn)B、C相電壓來(lái)正確啟動(dòng)保護(hù)R2；同時(shí)電源側(cè)保護(hù)R8、R9、R10、R11、R12均檢測(cè)到故障相電流突變，保護(hù)均啟動(dòng)。由于保護(hù)R8的整定時(shí)間最短，最先動(dòng)作，保護(hù)R8動(dòng)作后，保護(hù)R9、R10、R11、R12檢測(cè)不到短路電流，保護(hù)均正確返回。由圖5(c) 所示，在1.4 s-1.5 s只有保護(hù)R2仍能檢測(cè)到短路存在，且A相電流突變量大于門(mén)檻值，滿(mǎn)足相應(yīng)的加速條件，進(jìn)而加速跳開(kāi)保護(hù)R2，將短路故障快速隔離。

由上述仿真可以看出，在開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路故障，無(wú)通道保護(hù)均能正確動(dòng)作，且動(dòng)作時(shí)間明顯縮短。但在開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)發(fā)生對(duì)稱(chēng)短路故障，由于此時(shí)沒(méi)有健全相且故障相電流無(wú)突變量，加速保護(hù)無(wú)法識(shí)別，只能按正常動(dòng)作時(shí)間切除對(duì)稱(chēng)短路故障。

3.3 閉環(huán)運(yùn)行——線(xiàn)路FA出口f3處發(fā)生三相短路

圖6為保護(hù)R1的A相電流局部放大圖及R1各相電流突變值。由圖6(a)、圖6(b)所示，在1.1 s保護(hù)R7動(dòng)作后，流過(guò)保護(hù)R1的A相短路電流增大近2 kA(B、C相短路電流類(lèi)似于A相)，在1.1 s-1.2 s加速保護(hù)檢測(cè)到對(duì)端斷路器動(dòng)作，并在短路后0.2 s加速保護(hù)正確動(dòng)作，切除短路故障的時(shí)間整整縮短了1.4 s。而保護(hù)R2和保護(hù)R3在相應(yīng)的加速時(shí)間段內(nèi)，已檢測(cè)不到短路存在，因此保護(hù)R2、R3不會(huì)誤動(dòng)并能正確返回。

圖6 線(xiàn)路FA發(fā)生三相短路保護(hù)R1的響應(yīng)

3.4 分布式電源接入對(duì)無(wú)通道保護(hù)的影響

分別在短路點(diǎn)f1、f2、f3處上、下游接入30 MW的分布式電源，通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)：接入30 MW分布式電源后，加速保護(hù)仍能正確動(dòng)作。由于上述搭建的仿真系統(tǒng)比實(shí)際的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)單許多，為了可靠躲過(guò)正常電流擾動(dòng)的影響，門(mén)檻值可適當(dāng)增大，雖然可使保護(hù)靈敏度降低，但是對(duì)于傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)仍能正確動(dòng)作。本文提出的無(wú)通道保護(hù)方案，對(duì)于提高20 kV配電網(wǎng)保護(hù)的性能仍能起到十分重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)配電網(wǎng)有從10 kV向20 kV過(guò)渡的趨勢(shì)，相關(guān)的繼電保護(hù)也應(yīng)完善。本文提出了一種針對(duì)20kV配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的無(wú)通道保護(hù)新方法，即根據(jù)本端相電流的變化來(lái)判別對(duì)端斷路器的動(dòng)作狀態(tài)，并通過(guò)加速保護(hù)的時(shí)間配置來(lái)確定故障區(qū)間。該方法克服了無(wú)通道保護(hù)不能識(shí)別對(duì)稱(chēng)短路故障的弊端，為無(wú)通道保護(hù)在20 kV配電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

理論分析和仿真結(jié)果表明：對(duì)于一個(gè)擁有6段線(xiàn)路的環(huán)形20 kV配電網(wǎng)，任意位置故障最大切除時(shí)間均不超過(guò)0.8 s。

[1] 魏慶海.配電網(wǎng)采用20 kV供電的前景分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32 (23)：61-66.

[2] 劉云，王玉鵬，張愷，等.主動(dòng)配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列及評(píng)估方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(S1)：22-30.

[3] 覃慶祿.城市配電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)供電方式[J].廣東電力，2003，16 (3)：21-22.

[4] 肖白，張屹，穆鋼，等.配電網(wǎng)電壓等級(jí)的合理配置[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29 (2)：5-11.

[5] 許慶強(qiáng)，許揚(yáng)，周棟驥，等.小電阻接地配電網(wǎng)線(xiàn)路保護(hù)單相高阻接地分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(9)：91-94.

[6] 溫盛科.中新廣州知識(shí)城20kV保護(hù)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[7] 金恩淑，楊健，張有才，等.異步法在T型線(xiàn)路電流差動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34 (1)：31-34.

[8] 張梅，董新洲，薄志謙，等.實(shí)用化的配電線(xiàn)路無(wú)通道保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(12)：68-72.

[9] 施慎行，董新洲，劉建政，等.配電線(xiàn)路無(wú)通道保護(hù)研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(6)：31-34.

[10] 劉建凱，董新洲，薄志謙.有分支配電線(xiàn)路無(wú)通道保護(hù)研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(1)：37-41.

[11] 陳飛，董新洲，薄志謙.快速有選擇性的輻射狀配電網(wǎng)無(wú)通道保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(22)：45-49.

[12] 吳涵，林韓，溫步瀛，等.巴黎_新加坡中壓配電網(wǎng)供電模型啟示[J].電力與電工，2010，30(2)：4-7.

[13] 蔡燕春，張少凡，楊詠梅.20kV瓣型配電網(wǎng)若干技術(shù)問(wèn)題分析[J].供用電，2016，33(1)：51-55.

[14] 庫(kù)曉斐.20kV配電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行支撐技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[15] 金恩淑，金雨薇，陳亞瀟，等.智能變電站新型集成保護(hù)研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36 (6)：25-29.

[16] 孫景釕，李永麗，李盛偉，等.含分布式電源配電網(wǎng)的快速電流保護(hù)方案[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(2)：102-108.

A Fast Current Protection Scheme for 20kV Closed-loop Distribution Network

Jin Enshu1，Zhang Kai1，Hu Dianai2，Xu Jing1，Li Deng1，Jin Yuwei1，Yu Zhou1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Rizhao Power Supply Company，Rizhao Shangdong 276800)

In 20kV closed-loop distribution network，due to it has a great power supply density and short power cable line，leading to conventional current protection cannot meet the requirements of it.According to the characteristics of 20kV distribution network，we propose a new non-communication protection method.By comparing the local changing of the phase current value to judge status of the remote breaker and time configuration of the accelerated protection to confirm the fault zone，and then accelerated trip of the local breaker.And closed-loop distribution network occurs symmetrical fault can be chopped reliably.By PSCAD/EMTDC simulation shows non-communication protection method reliability and speed.

20kV distribution network；Closed-loop；Non-communication protection；Successive action

2016-06-01

金恩淑(1972-)，女，博士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù).

1005-2992(2017)04-0008-06

TP29

A

電子郵箱： jes222@aliyun.com(金恩淑)；1316332872@qq.com(張愷)；546937909@qq.com(扈佃愛(ài))；1554051887@qq.com(許晶)；358294081@qq.com(李登)；747174371@qq.com(金雨薇)；261025041@qq.com(余舟)