趙曼勇， 譚志海， 文安，2， 黃維芳，2

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東 廣州 510623; 2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院,廣東 廣州 510062;3. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100000)

0 引 言

為解決日益嚴重的環(huán)境問題，分布式發(fā)電和智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)近幾年發(fā)展迅速。為提高風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等各種分布式電源的接入消納能力，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)方向發(fā)展。傳統(tǒng)配電網(wǎng)過流保護配置單一、逐級配合過流參數(shù)整定困難，存在無法實現(xiàn)故障精確定位的問題。

線路電流差動保護具有原理簡單、使用電氣量少、保護范圍明確且無需逐級整定配合的特點，并且具有動作速度快、可靠性高的特性，能夠適應(yīng)多端電源線路故障的精確定位。因此，線路電流差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)，特別是10 kV中壓城市配電網(wǎng)，是解決配電網(wǎng)過流保護問題的一個較好的技術(shù)途徑。文獻[1]提出了配電網(wǎng)集中式差動保護系統(tǒng)，把被保護的區(qū)域看作廣義節(jié)點形成差動保護區(qū)間，可實現(xiàn)配電網(wǎng)故障區(qū)域快速選擇及切除。文獻[2]把差動保護方案配置為集中式線路差動與就地式母線差動保護，實現(xiàn)電纜線路主動配網(wǎng)保護，通過集中式保護裝置和DTU分別實現(xiàn)線路差動保護和母線差動保護。文獻[3]提出了基于廣義節(jié)點的配電網(wǎng)集中式差動保護模型和保護配置方法，以解決分布式電源接入和出現(xiàn)部分環(huán)網(wǎng)情況下配電網(wǎng)的保護問題。文獻[4]根據(jù)有源配電網(wǎng)具有多電源、多分段、多分支和功率雙向流動等特征，提出一種基于正序故障分量的電流差動保護方法，對差動保護動作判據(jù)進行了設(shè)計。文獻[5]對基于差動保護的配電網(wǎng)閉環(huán)運行方式進行了研究，提出了具有三層結(jié)構(gòu)(主站系統(tǒng)、集中式保護控制和配電智能終端)的集中式差動保護控制概念和系統(tǒng)架構(gòu)。

綜上所述，為解決各種分布式電源接入帶來的雙向潮流和傳統(tǒng)配電網(wǎng)過流保護存在的問題，已有一些專家學(xué)者對差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)進行了研究，但針對差動保護技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)存在的網(wǎng)絡(luò)拓撲自適應(yīng)問題、線路中斷路器和負荷開關(guān)混合組網(wǎng)的適應(yīng)性問題以及多種通信方式情況下的數(shù)據(jù)同步和對時問題鮮見相關(guān)文獻報道。本文首先介紹了差動保護的技術(shù)原理及應(yīng)用于配電網(wǎng)需要解決的相關(guān)問題，然后對相關(guān)問題分布進行了分析研究，提出了相應(yīng)的解決方案，最后通過差動保護設(shè)備樣機研制過程介紹和示范工程應(yīng)用情況分析，驗證了本文提出的差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)相關(guān)問題解決方案的可行性。

1 配電網(wǎng)應(yīng)用差動保護相關(guān)問題

差動保護是通過計算被保護設(shè)備兩端配置的CT電流矢量差，當(dāng)達到設(shè)定的動作值時啟動動作元件。保護范圍是配置了兩端CT之間的設(shè)備(線路、發(fā)電機、電動機和變壓器等電氣設(shè)備)。

1.1 差動保護基本原理

電流差動保護是一種建立在基爾霍夫電流定律基礎(chǔ)上的保護方式，在進行故障判別時只需要線路兩端的電流量。因此，電流差動保護不存在與引入電壓有關(guān)的問題，不受系統(tǒng)振蕩和系統(tǒng)非全相運行等因素的影響和制約。而且，電流差動保護具有原理簡單、計算量小等優(yōu)點能夠很好地滿足繼電保護的快速性、靈敏度和可靠性等要求[5]104。差動保護把被保護的電氣設(shè)備看成一個節(jié)點，正常時流進被保護設(shè)備的電流和流出的電流相等，電流矢量和等于零。當(dāng)設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)故障時，流進被保護設(shè)備的電流和流出的電流不相等，電流矢量和大于零。當(dāng)被保護設(shè)備流進流出電流矢量和大于設(shè)定值時，差動保護發(fā)出指令，將被保護設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開，使被保護設(shè)備從電網(wǎng)中隔離。

1.2 差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)存在的問題

差動保護原理簡單、使用電氣量少，但是傳統(tǒng)線路差動保護在投產(chǎn)時均固定為兩端或多端差動，線路結(jié)構(gòu)變化時需要工程人員對相關(guān)的各側(cè)保護從硬件、軟件及定值等各方面進行調(diào)整，涉及到的現(xiàn)場配置調(diào)整、調(diào)試的工作量比較大，檢修調(diào)試時間比較長。線路差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)中，由于配電網(wǎng)設(shè)備點多面廣、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變和通信方式多樣等特點存在以下幾個問題。

1)配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性

相對于主網(wǎng)，配電網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨著用戶的接入和配電網(wǎng)建設(shè)改造，面臨的變動更加頻繁，若按傳統(tǒng)電流差動保護方式設(shè)計，應(yīng)用差動保護并完成現(xiàn)場調(diào)整調(diào)試工作量巨大，帶來的經(jīng)常長時間停電維護與配電網(wǎng)高可靠性要求沖突，這樣在實際工程應(yīng)用中存在應(yīng)用推廣困難等問題?？紤]到配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)容易變化的特點，采用相應(yīng)技術(shù)手段，使線路差動保護拓撲相關(guān)參數(shù)配置能夠自動適應(yīng)配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)變化，以減少拓撲結(jié)構(gòu)變化后差動保護設(shè)備現(xiàn)場維護調(diào)試的工作量，有利于工程應(yīng)用的推廣。

2)斷路器負荷開關(guān)混合組網(wǎng)的適應(yīng)性

配電網(wǎng)的線路類型可以分為：架空線路、電纜線路和架空線與電纜混合線路。線路中的開關(guān)可以分為斷路器和負荷開關(guān)兩類。

配電網(wǎng)中線路主干線上的開關(guān)可以分為三種情況：第一種是開關(guān)全部是斷路器，第二種是開關(guān)全部是負荷開關(guān)，第三種是既有斷路器又有負荷開關(guān)。線路中的開關(guān)既有斷路器又有負荷開關(guān)，這種斷路器與負荷開關(guān)混合組網(wǎng)的線路最多，純斷路器和純負荷開關(guān)的線路較少。線路差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)，既要考慮架空線和電纜線路的適應(yīng)性問題，又需要考慮線路中的開關(guān)全部是斷路器、全部是負荷開關(guān)還是由斷路器和負荷開關(guān)混合組成的適應(yīng)問題。

3)多種通信方式的適應(yīng)性

配電自動化系統(tǒng)與保護設(shè)備采用的通信方式多樣、通信設(shè)備工作環(huán)境惡劣和通信系統(tǒng)可靠性低。配電自動化系統(tǒng)與保護設(shè)備的通信方式可以分為三大類：光纖、無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)。其中，光纖通信主要包括：EPON、GPEN、SDH、MSTP、ASON和PTN等。

線路電流差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)需要考慮適應(yīng)配網(wǎng)的各種通信方式現(xiàn)狀，研究多種通信方式下的數(shù)據(jù)同步和對時技術(shù)，研究開發(fā)基于光纖和無線通信的差動保護技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)基于線路差動保護技術(shù)的最小范圍故障定位、隔離和快速恢復(fù)供電。

2 智能配電網(wǎng)應(yīng)用差動保護相關(guān)問題解決方案

電流差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)，能夠解決配電網(wǎng)過流保護級差配置困難、無法適應(yīng)大量分布式電源接入后引起的雙向潮流問題，但是需要研究解決面臨的配電網(wǎng)拓撲變化自適應(yīng)、配網(wǎng)線路中斷路器與負荷開關(guān)混合組網(wǎng)適應(yīng)性、配電網(wǎng)多種通信方式下的全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時等問題。

2.1 配電網(wǎng)拓撲變化自適應(yīng)

由于配電網(wǎng)改造頻繁，配電網(wǎng)饋線中開關(guān)之間的拓撲連接關(guān)系經(jīng)常發(fā)生變化，開關(guān)之間拓撲連接關(guān)系變化后對線路差動保護會產(chǎn)生影響，差動保護設(shè)備需要根據(jù)變化后的拓撲連接關(guān)系修改調(diào)整相關(guān)配置參數(shù)。如果每次拓撲變化后在現(xiàn)場手工修改調(diào)試受影響的差動保護設(shè)備相關(guān)配置參數(shù)，由于配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量眾多且安裝位置分散，拓撲連接關(guān)系變化頻繁，會導(dǎo)致保護設(shè)備拓撲相關(guān)參數(shù)配置維護工作量大，進而影響差動保護設(shè)備在配電網(wǎng)中的應(yīng)用推廣。因此需要研究拓撲變化后，能夠根據(jù)一定的規(guī)則生成影響保護設(shè)備拓撲相關(guān)配置參數(shù)，并能夠遠程更新到相應(yīng)保護設(shè)備中，以實現(xiàn)保護設(shè)備對配電網(wǎng)拓撲變化的自適應(yīng)，減少或避免保護設(shè)備拓撲相關(guān)配置參數(shù)現(xiàn)場維護的工作量。

配電網(wǎng)拓撲變化自適應(yīng)利用配電自動化系統(tǒng)主站的模型變化檢測和模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，生成模型變化后保護設(shè)備的拓撲相關(guān)配置文件，通過與保護設(shè)備通信把配置文件更新到設(shè)備，實現(xiàn)保護設(shè)備對配電網(wǎng)拓撲變化的自適應(yīng)。電流差動保護配電網(wǎng)拓撲自適應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：配電自動化系統(tǒng)主站中檢測配電網(wǎng)模型中開關(guān)拓撲連接關(guān)系的變化；

步驟2：若檢測到開關(guān)連接拓撲關(guān)系變化，根據(jù)保護設(shè)備與開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系確定受影響的保護設(shè)備；

步驟3：根據(jù)變化后的開關(guān)連接關(guān)系、保護設(shè)備與開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系生成受影響的保護設(shè)備拓撲相關(guān)配置文件；

步驟4：步驟3生成的拓撲相關(guān)配置文件更新到相應(yīng)的保護設(shè)備。

圖1 開關(guān)連接拓撲圖

圖2 配電網(wǎng)拓撲變化自適應(yīng)流程圖

配電網(wǎng)線路中的開關(guān)按應(yīng)用類型可以劃分為出線開關(guān)、分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)三大類，忽略開關(guān)之間的負荷、饋線段等設(shè)備，開關(guān)之間的拓撲連接關(guān)系是一種樹形供電關(guān)系，即出線開關(guān)作為樹根，從出線開關(guān)開始逐層向下一層開關(guān)供電，一個開關(guān)可能有多個子開關(guān)(下一層的開關(guān))，只能有一個父開關(guān)，即電源開關(guān)(上一層的開關(guān))，開關(guān)之間的拓撲連接關(guān)系如圖1所示。圖1中，CB1為出線開關(guān)，B11、…、B14為第一層的饋線分段開關(guān)，B21、…、B25為第二層的饋線分段開關(guān)，B31、…、B37為第三層的饋線分段開關(guān)。配電網(wǎng)拓撲變化自適應(yīng)實現(xiàn)流程如圖2所示。

2.2 斷路器與負荷開關(guān)混合組網(wǎng)的適應(yīng)性

配電網(wǎng)線路中的開關(guān)一般既有斷路器，又有負荷開關(guān)，差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)需要適應(yīng)配電斷路器與負荷開關(guān)混合組網(wǎng)的這種開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。

斷路器與負荷開關(guān)混合組網(wǎng)時，基于差動保護的故障處理方案為：負荷開關(guān)之間發(fā)生短路故障后，負荷開關(guān)上安裝的保護設(shè)備線路差動保護功能啟動，因負荷開關(guān)不能切斷故障電流，通過負荷開關(guān)上安裝的保護設(shè)備與相鄰開關(guān)上的保護設(shè)備進行通信，先跳開負荷開關(guān)最近的電源側(cè)斷路器以隔離故障，斷路器跳閘成功后再跳開負荷開關(guān)，負荷開關(guān)跳閘成功后再合上跳開的斷路器。即通過“負荷開關(guān)之間發(fā)生短路故障→負荷開關(guān)上安裝的保護設(shè)備的差動保護功能啟動→負荷開關(guān)最近的電源側(cè)斷路器跳閘→負荷開關(guān)跳閘→跳開的斷路器合閘”這樣的處理流程和開關(guān)動作序列來達到最終故障周圍負荷開關(guān)跳閘以最小范圍隔離故障的目的。

2.3 多種通信方式下的全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時

線路差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)中需要適應(yīng)配電網(wǎng)具有多種通信方式的現(xiàn)狀，需要針對不同的通信方式研究全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步和對時技術(shù)。無論是采用有線通信還是無線通信方式，當(dāng)傳輸出現(xiàn)不大于200 ms數(shù)據(jù)延時和不大于100 μs的同步誤差時，保護設(shè)備應(yīng)能正常工作。設(shè)備差動保護功能完善，且支持基于時間信息(TOD)和秒脈沖的數(shù)據(jù)同步方法。當(dāng)采用無線通信時，保護設(shè)備接入的每一個間隔使用的帶寬應(yīng)不大于64 kbps。以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)，借助現(xiàn)有的EPON通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)線路差動保護經(jīng)濟可行，具有廣闊的應(yīng)用空間[6]95。文獻[6]分析了EPON傳輸延時及抖動產(chǎn)生的機理，提出了差動保護抗延時抖動算法。IEEE 15888對時具有對時精度高且共用EPON的特點，適合于配電網(wǎng)環(huán)境下的差動保護之間的采樣同步。基于GPS的高精度網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)，采用NTP和PTP的對時協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高精度對時也有一些相關(guān)研究應(yīng)用[7-9]。相鄰保護設(shè)備之間需要進行時鐘同步，以保證各設(shè)備內(nèi)時鐘的一致性。IEEE 1588采用時間分布機制和時間調(diào)度概念，客戶機可以使用普通振蕩器，通過軟件調(diào)度與主控機的主時鐘保持同步，過程簡單可靠，節(jié)約大量時鐘電纜。目前常用的有GPS(全球定位系統(tǒng))和IRIG-B(國際通用時間格式碼)兩種對時方法，IRIG-B每秒發(fā)送一個幀脈沖和10 MHz基準(zhǔn)時鐘，實現(xiàn)主控機/客戶機的時鐘同步。數(shù)據(jù)同步方法有基于秒脈沖的數(shù)據(jù)同步方法和基于時間信息的數(shù)據(jù)同步方法。

3 樣機研制與示范應(yīng)用

根據(jù)本文對差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)相關(guān)問題提出的解決方案，研制了差動保護功能樣機和差動保護拓撲自適應(yīng)模塊，實現(xiàn)了配電網(wǎng)差動保護拓撲自適應(yīng)、配電網(wǎng)多種通信方式下的數(shù)據(jù)同步和對時、斷路器和負荷開關(guān)混著組網(wǎng)情況下的故障定位處理等功能。通過基于RTDS的仿真環(huán)境中測試和實際的示范工程現(xiàn)場驗證測試，驗證了本文提出的解決方案的可行性。

根據(jù)示范工程實際網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的測試環(huán)境使用的網(wǎng)絡(luò)接線情況為：由110 kV主山站的F36瑞龍線和110 kV樟村站的F5塹頭I線兩條線路組成，線路中有5個配電房。其中，瑞龍路2號為聯(lián)絡(luò)開關(guān)站，其601開關(guān)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。差動保護拓撲自適應(yīng)模塊程序的主要功能為:監(jiān)測主站系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化后根據(jù)開關(guān)站與保護設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系生成保護設(shè)備拓撲相關(guān)配置文件，拓撲相關(guān)配置文件下發(fā)給保護設(shè)備。

4 結(jié)束語

考慮到配電網(wǎng)的實際情況和配電網(wǎng)設(shè)備點多面廣、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜容易變化等特點，分析研究了電流差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)需要解決的問題，給出了問題的解決方案，通過樣機研制和示范工程應(yīng)用，驗證了本文提出的差動保護應(yīng)用于配電網(wǎng)相關(guān)問題解決方案的可行性。