汪劍波， 李志超， 程序， 楊宏偉， 錢葉牛

(國網(wǎng)北京市電力公司， 北京 100031)

0 引言

為了確保繼電保護(hù)具備良好保護(hù)功能，通常要求能夠滿足以下性能：第一，要滿足選擇性要求，遇到電力供應(yīng)系統(tǒng)故障問題時(shí)，可以通過保護(hù)結(jié)構(gòu)使故障部件和系統(tǒng)發(fā)生分離，有效控制故障影響范圍，達(dá)到整體電網(wǎng)的穩(wěn)定性[1-3]；第二，要滿足速動性要求，可以對故障進(jìn)行快速分離，盡量減小故障部分的損害，使沒有發(fā)生故障的部分能夠保持正常運(yùn)行狀態(tài)，增加低電壓運(yùn)行時(shí)間；第三，要滿足靈敏性要求，可以及時(shí)反饋各類異常系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與各類故障信息[4]；第四，要滿足可靠性要求，當(dāng)處于保護(hù)器件控制區(qū)域中發(fā)生故障問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)執(zhí)行保護(hù)動作，而處于保護(hù)器件控制范圍外的異常情況能夠保持不動作的穩(wěn)定狀態(tài)，由此達(dá)到良好的系統(tǒng)可靠性，但也需注意并不能同時(shí)提升這兩種情況的可靠性[5-9]。

對于上述4種系統(tǒng)保護(hù)要求而言，既存在對立的情況，也需要統(tǒng)一分析各項(xiàng)保護(hù)功能。以上各項(xiàng)要求依次對應(yīng)于計(jì)算過程的定值、時(shí)間和靈敏度[10-11]。與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)是具有單端供電結(jié)構(gòu)，將功率輸送至用戶端，因此為配電網(wǎng)構(gòu)建繼電保護(hù)方案時(shí)需要建立在單端供電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上[12-13]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)構(gòu)建的中低壓配電網(wǎng)都是使用單端電源網(wǎng)絡(luò)類型。三段型電流保護(hù)模式已經(jīng)成為配電網(wǎng)保護(hù)的重要模式。對于大部分非終端線路來說，基本都是綜合運(yùn)用三段保護(hù)和其它保護(hù)相結(jié)合的模式。如果遇到不需要跟其它線路進(jìn)行配合的終端供電線路時(shí)，應(yīng)同時(shí)選擇電流I段與過電流保護(hù)的方式得到簡單的二段式保護(hù)結(jié)構(gòu)[14-15]。由于電纜線路發(fā)生的故障通常具有永久性特征，在這種情況下不必設(shè)置自動合閘的結(jié)構(gòu)。

1 三段過流保護(hù)原理

單側(cè)電源供電系統(tǒng)線路作為分析對象，如圖1所示。

圖1 單側(cè)電源供電系統(tǒng)線路

(1) 整定電流I段保護(hù)參數(shù)

當(dāng)AB饋線發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)結(jié)構(gòu)2應(yīng)能快速完成各項(xiàng)瞬時(shí)操作。當(dāng)BC饋線發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)結(jié)構(gòu)1需快速完成操作?？紤]到F1與F2部位出現(xiàn)短路故障的情況下，在保護(hù)結(jié)構(gòu)2中將會產(chǎn)生相同故障電流。因此，為提高選擇性，在F1出現(xiàn)短路問題時(shí)，結(jié)構(gòu)2運(yùn)行電流I段，當(dāng)發(fā)生F2故障時(shí)保持原有狀態(tài)。對保護(hù)2進(jìn)行電流I段進(jìn)行短路電流整定計(jì)算，如式(1)。

(1)

通?？梢愿鶕?jù)保護(hù)區(qū)域覆蓋范圍來評估電流I段所保護(hù)的饋線對短路故障達(dá)到的反應(yīng)效率，同時(shí)根據(jù)保護(hù)區(qū)域與線路長度之間的比值α來評價(jià)靈敏程度。考慮到電流I段處于系統(tǒng)最小運(yùn)行狀態(tài)下對短路電流的保護(hù)長度最小，因此可以選擇系統(tǒng)最小運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的兩相短路參數(shù)來評價(jià)保護(hù)區(qū)域。

(2) 整定電流II段保護(hù)參數(shù)

采用電流模式來切斷沒有位于饋線電流I段保護(hù)區(qū)域以內(nèi)的短路故障，并將II段保護(hù)設(shè)置成I段保護(hù)的后續(xù)備份方案，同時(shí)設(shè)置了合適的動作時(shí)限來有效配合電流I段的保護(hù)過程。利用以下參數(shù)來評價(jià)電流II段的整定值，如式(2)。

(2)

(3) 整定電流III段保護(hù)參數(shù)

要求保護(hù)設(shè)備在啟動階段產(chǎn)生的電流整定值應(yīng)至少達(dá)到限流最大電流值，確保保護(hù)結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行過程中不會發(fā)生過電流保護(hù)的情況。可以利用下式來計(jì)算啟動電流，如式(3)。

(3)

由于電流III段屬于遠(yuǎn)后備保護(hù)部分，因此需能夠在各個(gè)動作時(shí)限條件下都能夠進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)作。利用式(2)—式(4)來校驗(yàn)系統(tǒng)靈敏性，同時(shí)利用靈敏性參數(shù)來為工作提供協(xié)作。

2 仿真分析

2.1 構(gòu)建仿真模型

在數(shù)字仿真測試系統(tǒng)上通過故障識別算法對35 kV配電網(wǎng)的故障情況進(jìn)行了測試。在案例1的配電網(wǎng)中存在3個(gè)節(jié)點(diǎn)，其工作頻率等于50 Hz，采用架空狀態(tài)的輸電線，下圖給出了該網(wǎng)絡(luò)的具體拓?fù)湫问健Ｆ渲?，大電網(wǎng)以發(fā)電機(jī)a作為分析模型，再把發(fā)電機(jī)L作為由分布電源構(gòu)成的微電網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)系統(tǒng)

F1與F2二個(gè)故障依次出現(xiàn)于AB與BL二個(gè)線路的中間部位。組成此配電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)評價(jià)了各功率流動狀態(tài)下的實(shí)際應(yīng)用過程，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

考慮到A與L二個(gè)發(fā)電機(jī)在初始相位方面存在較大差異，從而引起功率流向的變化。對各初始相位狀態(tài)進(jìn)行故障分析得到的數(shù)據(jù)，如表2所示。

其中，Ag代表A相出現(xiàn)了單相接地問題，AB代表A跟B之間發(fā)生相間短路，ABg代表A、B相存在接地短路問題，ABCg代表A相、B相、C相都出現(xiàn)了接地故障。

給出了相位差為50°的條件下通過RTDS測試得到的電流與相位變化結(jié)果。根據(jù)表2給出的仿真測試參數(shù)可知，本文設(shè)計(jì)的故障識別算法能夠精確測定雙側(cè)電源線路，此時(shí)不需要利用方向元件來判斷故障發(fā)生的方向，可以有效防止線路潮流方向產(chǎn)生的影響，采用本文算法可以實(shí)現(xiàn)對故障的精確測定。

在出現(xiàn)反向故障的情況下通過繼電器Rbl測試獲得的相位以及電流曲線，如圖3所示。

(a) 反向故障判斷圖

對故障進(jìn)行判斷的結(jié)果，紅線表示故障情況，藍(lán)線表示故障的方向。A線路出現(xiàn)單相接地問題的情況下，通過繼電器Rbl測試得到的電流以及相位曲線。對應(yīng)于A相與B相出現(xiàn)接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試形成的電流以及相位曲線。在A相、B相、C相都出現(xiàn)接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試得到的電流與相位曲線。

3 總結(jié)

1) 以單側(cè)電源供電系統(tǒng)線路作為分析對象開展了三段過流保護(hù)原理分析，設(shè)計(jì)了基于整定電流段保護(hù)參數(shù)的含分布式電源的配電網(wǎng)故障快速識別方法，并在RTDS平臺展開了仿真分析。

2) 本文設(shè)計(jì)的故障識別算法能夠精確測定雙側(cè)電源線路，不需要利用方向元件來判斷故障發(fā)生的方向，可以有效防止線路潮流方向產(chǎn)生的影響。在A相、B相、C相都出現(xiàn)接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試得到的電流與相位曲線，采用本文算法可以實(shí)現(xiàn)對故障的精確測定。