孫萬里

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司海陽(yáng)市供電公司）

0 引言

高阻抗（HiZ）／斷線保護(hù)（BCP）故障是所有公用事業(yè)中眾所周知的問題。HiZ故障是那些“不能產(chǎn)生足夠的故障電流被傳統(tǒng)的過流繼電器或熔斷器檢測(cè)到”的故障。HiZ保護(hù)主要側(cè)重于保護(hù)人員、牲畜和財(cái)產(chǎn)，而傳統(tǒng)保護(hù)旨在保護(hù)電力系統(tǒng)。

在持續(xù)的客戶滿意度監(jiān)管控制的壓力下，電網(wǎng)公司面臨著提高其系統(tǒng)平均中斷持續(xù)時(shí)間指數(shù)（SAIDI）和系統(tǒng)平均中斷頻率指數(shù)（SAIFI）指標(biāo)的問題［1-2］。如果保護(hù)系統(tǒng)正確隔離故障，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）將得到改進(jìn)。為了克服這個(gè)問題，回顧了傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)，因此開發(fā)了一種新的自適應(yīng)保護(hù)概念來隔離HiZ／BCP故障。

1 技術(shù)方法分析

隨著城市的不斷擴(kuò)張和用電負(fù)荷的增加，配電網(wǎng)架空線路已成為城市供電的主要形式之一。在架空線路的使用過程中，高阻斷線路故障是不可避免的問題之一。為此，進(jìn)行高阻斷線路故障隔離的優(yōu)化分析是非常有必要的。

1.1 高阻斷線路故障隔離的原理

高阻斷線路故障通常是由于架空線路觸電、電力設(shè)備老化、桿塔損壞等原因引起。當(dāng)發(fā)生高阻斷線路故障時(shí)，會(huì)造成整條線路的電力供應(yīng)中斷。為了恢復(fù)電力供應(yīng)，需要進(jìn)行快速的故障隔離處理。故障隔離的方法通常分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)故障隔離通常需要人員現(xiàn)場(chǎng)操作，會(huì)受到時(shí)間和人力的限制；而自動(dòng)故障隔離則可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地隔離故障。自動(dòng)故障隔離采用遙測(cè)遙控技術(shù)，通過檢測(cè)故障信號(hào)和控制開關(guān)的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的隔離。

1.2 高阻斷線路故障隔離的優(yōu)化分析

（1）檢測(cè)方法的優(yōu)化

檢測(cè)方法的優(yōu)化可以提高故障隔離的準(zhǔn)確性和速度。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法主要依賴故障指示器、GIS面板等設(shè)備，但這些設(shè)備存在靈敏度低、誤判率高、檢測(cè)速度慢等問題。新型的故障檢測(cè)技術(shù)可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)故障，如基于深度學(xué)習(xí)的故障檢測(cè)方法、基于視頻識(shí)別的故障檢測(cè)方法等。

（2）故障隔離區(qū)域的確定

故障隔離區(qū)域的確定對(duì)于故障隔離的準(zhǔn)確性和速度有很大影響。目前，隔離區(qū)域主要通過預(yù)設(shè)分段方式確定，但這種方法無法全面考慮所有可能出現(xiàn)的故障情況。因此，可以采用基于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和遙測(cè)數(shù)據(jù)的分段方式，可以更加準(zhǔn)確地確定故障隔離區(qū)域。

通過優(yōu)化高阻斷線路故障隔離的方法，可以提高故障隔離的準(zhǔn)確性和速度，為城市的供電安全提供保障。未來，還需要進(jìn)一步探索新的故障隔離技術(shù)，提高故障隔離的自動(dòng)化程度和智能化水平。

2 配電網(wǎng)帶電線路試驗(yàn)觀測(cè)

本節(jié)簡(jiǎn)要分析在配電網(wǎng)中進(jìn)行的帶電測(cè)試。為了分析HiZ／BCP繼電器的性能，在兩種不同故障類型的架空線路饋線上進(jìn)行了帶電測(cè)試。帶電線路測(cè)試位置的土壤電阻率也不同。

2.1 帶電測(cè)試目的及類型

帶電測(cè)試的目的如下： （1）確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中接地故障電流的值和接地元件的折減系數(shù)； （2）在中性點(diǎn)斷開的情況下測(cè)量故障期間的電容電流，并評(píng)估系統(tǒng)接地性能；（3）評(píng)估接地故障電流如何在不同的地表土壤上建立；（4）評(píng)估接地故障期間的危險(xiǎn)電壓；（5）記錄波形并測(cè)量接地故障過電流、I2（反向）過電流、靈敏EF電流、電流和電壓不平衡等參數(shù)；（6）為了檢查高次諧波，存在電流和電壓失真；（7）為了檢查電弧產(chǎn)生能量爆發(fā)；（8）評(píng)估來自多個(gè)繼電器的不同檢測(cè)算法的性能； （9）評(píng)估泄漏電流的建立［3-5］。

在具有真實(shí)網(wǎng)絡(luò)配置的兩個(gè)OHL（架空線路）饋線中進(jìn)行了52次測(cè)試。在模擬過程中，五個(gè)不同的供應(yīng)商保護(hù)繼電器串聯(lián)連接。應(yīng)注意的是，繼電器設(shè)置參數(shù)由相關(guān)的原始設(shè)備制造商工程師正確設(shè)置，以分析帶電測(cè)試期間繼電器行為的性能。

（1）開路故障：導(dǎo)體斷開，從負(fù)載側(cè)接地或不接地；

（2）高阻抗接地故障：測(cè)試導(dǎo)線接觸地面2m、4m和6m長(zhǎng)，測(cè)試導(dǎo)線埋深0.2m和0.5m；

（3）金屬接地故障：連接到OHGW 和保護(hù)接地系統(tǒng)的測(cè)試導(dǎo)線；

（4）高阻抗接地故障：接觸地面的2m、4m和6m長(zhǎng)的薄測(cè)試導(dǎo)線（2.5mm2），以及埋在0.2m和0.5m深的薄測(cè)試導(dǎo)體（2.5m2），有和沒有額外的水分；

（5）高阻抗接地故障：連接在木桿上的測(cè)試導(dǎo)線，有或沒有額外的水；（6）電源中性點(diǎn)斷開的金屬接地故障（主站）；（7）金屬接地故障：連接到附近桿裝變壓器保護(hù)接地系統(tǒng)的測(cè)試導(dǎo)線。

2.2 HiZ／BCP帶電測(cè)試結(jié)果

如圖1所示在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的HiZ帶電線路測(cè)試期間保護(hù)繼電器的性能總結(jié)。從結(jié)果可以看出，大多數(shù)HiZ故障都不是由保護(hù)繼電器檢測(cè)得到。

圖1 正確跳閘與誤跳閘

在帶電線測(cè)試（細(xì)導(dǎo)體2.5mm2）中，實(shí)驗(yàn)“d”的主要目的之一是激發(fā)電弧，并記錄電流和電壓中的任何能量突發(fā)和諧波（畸變）。然而，在將測(cè)試導(dǎo)體鋪設(shè)在表面而不附加水的15個(gè)實(shí)驗(yàn)中，只有一個(gè)明顯的電弧被注意到，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)期間在砂表面記錄電弧

從圖3中可以看出故障電流中的高失真（諧波），但所有結(jié)果都表明，可見的電弧通常很難引起。從測(cè)試前的連續(xù)記錄中可以注意到，電壓的“正常”總諧波失序（THD）水平在0.3% ～0.7%的范圍內(nèi)變化，相電流在5% ～7%的范圍內(nèi)變化，這些值在故障期間沒有顯著變化，主要是因?yàn)楣收想娏飨鄬?duì)于負(fù)載電流非常低。

圖3 模擬d時(shí)變電站中的電流波形THD＝42%

3 隔離高阻抗／斷線故障的最佳解決方案

隔離高阻抗故障的最佳解決方案是根據(jù)電力公司帶電線路測(cè)試結(jié)果，并應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，考慮到經(jīng)濟(jì)、安全、可靠和最大程度的謹(jǐn)慎，以最大限度地減少設(shè)備損壞，并為客戶提供不間斷的電源。電力系統(tǒng)設(shè)備非常昂貴，因此需要投入非常大的資金。為了最大限度地提高這項(xiàng)支出的回報(bào)，必須在供應(yīng)的安全性和可靠性的適用限制范圍內(nèi)盡可能多地使用該系統(tǒng)。

3.1 使用IEC61850的HiZ／BCP保護(hù)原理

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)廣泛使用了可視化的概念。簡(jiǎn)易故障裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式呈現(xiàn)。這樣，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度來看，IED功能變得通用，但底層功能保留了供應(yīng)商特定的特性，這些特性在本質(zhì)上可能是獨(dú)特和專有的。

本文的HiZ／BCP方案的架構(gòu)單個(gè)集中式IED用于連接到標(biāo)準(zhǔn)間隔控制單元的許多饋線，這些饋線已經(jīng)存在于相關(guān)饋線中。該方案的主要目的是在不影響符合ADWEA／AADC規(guī)范的高阻抗／斷線保護(hù)要求的情況下將成本降至最低。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)使用的數(shù)據(jù)模型基于包含一組數(shù)據(jù)對(duì)象的邏輯節(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)對(duì)象在集中式HiZ／BCP IED中定義。數(shù)據(jù)模型在標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-4和IEC 61850-7-3中進(jìn)行了定義。該通信標(biāo)準(zhǔn)旨在確保來自不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的互操作性。它還有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，任何供應(yīng)商的簡(jiǎn)易爆炸裝置都可以更換，以防出現(xiàn)必要的缺陷。

推薦方案的制定方式是，只有當(dāng)OHL發(fā)生故障時(shí)，故障饋線才會(huì)與系統(tǒng)隔離，而健康的饋線將留在系統(tǒng)中而不會(huì)跳閘。根據(jù)AADC／ADWEA規(guī)范，包括BCU在內(nèi)的所有IED和保護(hù)繼電器應(yīng)符合最新的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。間隔級(jí)裝置將接收來自電流和電壓互感器的模擬輸入。GOOSE（通用面向?qū)ο笞冸娬臼录╊惸Ｐ陀糜谕ㄟ^使用多播服務(wù)在間隔級(jí)的IED之間分配輸入和輸出數(shù)據(jù)值。GOOSE消息是單向的，僅發(fā)送請(qǐng)求特定于應(yīng)用程序的方法以確保消息的發(fā)送方和接收方安全操作的消息。

這意味著GOOSE消息的接收器也分發(fā)GOOSE信息并且閉合用于通信的循環(huán)。這取決于以何種方式進(jìn)行確認(rèn)的應(yīng)用程序。

HiZ元件使用多種算法來實(shí)現(xiàn)高阻抗故障檢測(cè)，例如負(fù)載分析算法、電弧爆發(fā)模式分析算法、諧波抑制算法、I2／I1檢測(cè)算法、總諧波檢測(cè)算法 （THD）和電壓監(jiān)控算法。HiZ元件確定持續(xù)電弧是來自倒下的導(dǎo)體還是來自完整的導(dǎo)體，然后產(chǎn)生輸出以分別指示倒下的導(dǎo)體的檢測(cè)或電弧的檢測(cè)。

需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)值進(jìn)行特殊處理，以設(shè)置包含在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的幾個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，從而允許變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）內(nèi)的實(shí)體之間的兩組通信服務(wù)。其中一個(gè)組使用客戶端-服務(wù)器模型，提供報(bào)告和遠(yuǎn)程切換等服務(wù)。第二組利用對(duì)等模型用于與時(shí)間關(guān)鍵活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的通用變電站事件（GSE）服務(wù)，例如用于保護(hù)目的的智能電子設(shè)備（IED）之間的快速可靠通信。

IEC61850-7-4標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置數(shù)據(jù)的值與定義的設(shè)置組的值一樣多，每個(gè)設(shè)置組都有一組一致的值。HiZ／BCPIED具有許多設(shè)置組，并且根據(jù)任何單獨(dú)的設(shè)置組可以用于任何特定的饋線，這將提供改變特定饋線的設(shè)置的靈活性。

不同的算法可以由HiZ／BCPIED基于從間隔級(jí)單元（BCUIED）接收的模擬測(cè)量來檢測(cè)。此外，一旦接收到來自HiZ／BCPIED的信號(hào)，所有間隔級(jí)IED將接收該信息，并且相應(yīng)地，相關(guān)健康饋線的跳閘／報(bào)警信號(hào)被阻斷。如圖4所示。

圖4 邏輯設(shè)備構(gòu)建

3.2 優(yōu)勢(shì)

從上述擬議方案中，可以預(yù)見到以下優(yōu)勢(shì)。

（1）在不影響方案要求的情況下，以最小的成本實(shí)現(xiàn)高阻抗／斷線故障。

（2）庫(kù)存成本可以最小化，因?yàn)閭浼?shù)量可以受到限制。

（3）當(dāng)使用IEC61850定義方案時(shí)，可以使用不同的供應(yīng)商IED。

（4）由于HiZ／BCP方案是通過所有OHL饋線的單個(gè)IED實(shí)現(xiàn)的，因此總體成本將降至最低，并且還將消除控制線的使用，這是該方案的額外成本節(jié)約。

3.3 限值

從上面提出的方案中，觀察到以下限制。

（1）如果光纖電纜發(fā)生故障或IED之間的通信中斷，則無法檢測(cè)到高阻抗／斷導(dǎo)體故障。

（2）當(dāng)計(jì)劃為每個(gè)饋線使用不同的設(shè)置組時(shí)，饋線的數(shù)量是有限的。但是不需不同的設(shè)置組，如果計(jì)劃在大多數(shù)情況下使用一個(gè)或幾個(gè)設(shè)置組，則保護(hù)設(shè)置是相同的。

（3）應(yīng)評(píng)估IED在AlAin現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的操作適用性，因?yàn)镮ED在極端溫度下的故障已被注意到，盡管文獻(xiàn)證實(shí)了耐溫額定值。

4 結(jié)束語

根據(jù)帶電測(cè)試，最終確定了砂中HiZ／BCP故障檢測(cè)的引用。利用這些標(biāo)準(zhǔn)以及使用GOOSE邏輯的集中式IED提出的斷導(dǎo)體保護(hù)／高阻抗故障方案，有望在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)HiZ／BCP故障檢測(cè)。實(shí)際上，由于HiZ故障在干沙上很難檢測(cè)到，因此不可能檢測(cè)到100%的HiZ并實(shí)現(xiàn)對(duì)假輸出的高度安全性。然而，HiZ／BCP方案對(duì)于滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求和防止設(shè)備／牲畜的損害至關(guān)重要。此外，投資前必須分析投資成本。本方案從經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的角度出發(fā)，最大限度地減少設(shè)備的損壞，為AADC網(wǎng)絡(luò)的用戶提供不間斷的電力供應(yīng)。為了使這筆支出的回報(bào)最大化，系統(tǒng)必須在安全和可靠性的適用限制范圍內(nèi)盡可能多地使用。配電公司有責(zé)任以滿足保護(hù)要求的方式設(shè)計(jì)方案，以盡量減少或消除損害。