周偉績，李鳳婷，解超，王賓，岳菁鵬

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣系，烏魯木齊 830047；2.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院電氣系，新疆 石河子 832000；3.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學(xué)），北京 100084；4.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510030）

0 引言

同桿雙回輸電線路發(fā)生故障時，按照兩條單回輸電線路故障進行跳閘，雖然能夠?qū)⒐收细綦x，但未考慮兩條單回輸電線路之間耦合關(guān)系，可能導(dǎo)致跨線故障時雙回輸電線路所有相跳閘，降低區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性［1］。為了降低同桿雙回輸電線路所有相跳閘概率，西安交通大學(xué)索南加樂老師團隊和華中科技大學(xué)陳衛(wèi)老師團隊分別提出了準三相運行方式［2-4］。同桿雙回輸電線路故障后保留三異名健全相組成單回輸電線路，其余線路跳閘。準三相運行方式能夠在同桿雙回輸電線路故障降功率長時間運行，提高電網(wǎng)供電可靠性。文獻［5-6］從理論分析上對同桿雙回輸電線路準三相運行方式極限功率傳輸、電流不平衡度以及線路過載進行了論證，以此證明準三相運行方式的可行性。文獻［7-9］為了避免傳統(tǒng)同桿雙回輸電線路采用單回線路重合配置而導(dǎo)致在故障情況下可能使得兩回線路全部跳閘、線路兩端聯(lián)系中斷以及嚴重威脅電網(wǎng)安全運行的情況，提出了準三相運行策略及其運行方式，在增加線路傳輸功率的同時減少斷路器跳合閘次數(shù)。

準三相運行的核心思想為：將故障情況下的同桿雙回輸電線路轉(zhuǎn)化為單回輸電線路降功率長時運行。存在的主要問題有：1）不判定故障性質(zhì)，區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運行存在安全隱患；2）保留相三相平衡，故障相耦合電氣量很小，對故障性質(zhì)判定不利；3）健全異名相小于三相時，同桿雙回輸電線路所有相跳閘，降低區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性。針對此問題，參考單回輸電線路線路跳閘策略以尋求同桿雙回輸電線路跳閘策略更可靠解決方法。文獻［10-14］針對廣域保護選擇性降低的問題，提出了廣域后備保護智能跳閘策。文獻［15-17］針對單回線路斷路器短路電流超標問題，提出了基于短路電流預(yù)測的保護柔性跳閘策略，以規(guī)避有電流超標斷路器跳閘困難的問題。文獻［18］提出了一種基于圖論搜索技術(shù)的廣域自適應(yīng)跳閘策略，以最優(yōu)算法獲取鄰近的跳閘斷路器。文獻［19-22］提出了一種保護跳閘策略，其構(gòu)造的關(guān)聯(lián)向量指向識別并且使得關(guān)聯(lián)斷路器跳閘。文獻［23-25］提出了利用電流方向元件識別故障方向從而增加線路跳閘成功率。文獻［26］針對動態(tài)熱網(wǎng)保護提出了跳閘保護方案，在不增加投資的基礎(chǔ)上增強熱網(wǎng)穩(wěn)定性。

基于以上分析，同桿雙回輸電線路相比于單回輸電線路相數(shù)較多，在跳閘方式選擇方面靈活多變。同桿雙回輸電線路跳閘策略需考慮隔離故障的同時兼顧故障性質(zhì)判定，而單回輸電線路不存在此問題，按照既定跳閘策略跳閘即可。

本文針對同桿雙回輸電線路跨線接地故障跳閘策略開展研究。首先采用故障拓撲分析方法對綜合跳閘策略和準三相跳閘策略分析得到跳閘策略對故障性質(zhì)判定影響機理；其次基于影響機理并考慮跨線接地故障特性，提出同桿雙回輸電線路準兩相跳閘策略；最后考慮斷路器均衡跳閘提出準兩相跳閘策略保留相判定方法并得到準兩相跳閘策略流程。通過PSCAD/EMTDC 仿真實驗驗證準兩相跳閘策略的正確性和可行性。

1 跳閘策略對故障性質(zhì)判定影響機理

同桿雙回輸電線路故障時通過線路跳閘將故障隔離在一定范圍，減少對電網(wǎng)影響?？紤]到自適應(yīng)重合策略同桿雙回輸電線路跳閘后需要判定故障性質(zhì)，跳閘策略需考慮故障性質(zhì)判定的便利性?；诖?，以故障拓撲為基礎(chǔ)對現(xiàn)有跳閘策略特點進行分析，得到跳閘策略對故障性質(zhì)判定影響機理。

1.1 拓撲分析方法

將拓撲分析方法應(yīng)用于故障分析成為故障拓撲分析方法。每一個故障相稱為故障節(jié)點，故障節(jié)點形成故障節(jié)點集；每一個健全相稱為健全節(jié)點，健全節(jié)點形成健全節(jié)點集。健全節(jié)點集對故障節(jié)點集具有耦合作用，耦合方式采用鏈路方式表示?？紤]到接地故障中“地”不跳合閘的特性，將“地”作為特殊的故障相。以同桿雙回輸電線路發(fā)生ⅠAⅡAG單-單同名跨線接地故障為例，分析故障拓撲分析方法。如圖1 所示為ⅠA-ⅡAG 單-單同名跨線接地故障拓撲示例。

圖1 ⅠA-ⅡAG單-單同名跨線接地故障下故障拓撲示例Fig.1 A sample of fault topology of ⅠA-ⅡAG single to single homonymous line-to-line ground faults

在圖1 中，ⅠA、ⅡA 為故障相，置于故障節(jié)點集內(nèi)，ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相為健全相，置于健全節(jié)點集內(nèi)。健全節(jié)點集對故障節(jié)點集具有耦合作用，耦合量采用單位向量表示。健全節(jié)點對故障節(jié)點耦合量如表1所示。

表1 健全節(jié)點對故障節(jié)點耦合量Tab.1 Coupling quantity of sound node to faulty node

各故障類型故障相耦合量為健全節(jié)點對故障節(jié)點耦合向量之和。

1.2 綜合跳閘策略和準三相跳閘策略

同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障按照綜合跳閘策略和準三相跳閘策略進行跳閘，故障節(jié)點集、跳閘節(jié)點集、健全節(jié)點集以及健全節(jié)點集對跳閘節(jié)點集的耦合情況如表2所示。

表2 綜合跳閘策略和準三相跳閘策略同桿雙回輸電線路故障時的跳閘與耦合情況Tab.2 Tripping and coupling situation of integrated tripping strategy and quasi three-phase tripping strategy in the event of faults in double circuit transmission lines on the same tower

由表2 可知，線路跳閘后可能出現(xiàn)的問題如下。

1）綜合跳閘策略時，每回輸電線路健全相小于兩相時，將跳開雙回輸電線路所有相，線路供電連續(xù)性不佳，尤其是含有風(fēng)電、光伏等弱電源的區(qū)域電網(wǎng)可能發(fā)生大量切機、切負荷事件，嚴重降低了區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；故障相耦合賦值多變，其賦值大小存在0、1、2 三種可能性，對自適應(yīng)重合閘故障熄弧判定的準確性影響較大。

2）準三相跳閘策略時雙回輸電線路中同名相故障將跳開雙回輸電線路所有相，嚴重影響區(qū)域電網(wǎng)供電安全；因出現(xiàn)耦合平衡現(xiàn)象，健全節(jié)點集的耦合賦值均為零，跳閘節(jié)點集中的節(jié)點將失去耦合源，故障相電氣量在故障熄弧前后的特征變化有可能不足以支撐精確的熄弧判定。

基于以上分析，跳閘策略對故障性質(zhì)判定影響機理可總結(jié)為：同桿雙回輸電線路故障時跳閘策略能夠影響跳閘相，從而影響區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性；跳閘策略決定故障相耦合量大小，從而影響故障性質(zhì)判定準確性。

2 跨線接地故障準兩相跳閘策略

根據(jù)跳閘策略對故障性質(zhì)判定影響機理同桿雙回輸電線路跳閘策略目標為：

1）在大部分故障發(fā)生時不應(yīng)盲目跳開雙回輸電線路所有相，應(yīng)盡量保證雙回輸電線路兩端系統(tǒng)的功率聯(lián)系；

2）跳閘動作后健全節(jié)點集對跳閘節(jié)點的耦合應(yīng)避免耦合平衡現(xiàn)象，且耦合賦值應(yīng)在各種故障下盡量相同。

2.1 準兩相跳閘策略

根據(jù)上述要求，并且考慮到《重合閘技術(shù)導(dǎo)則》中至少有兩異名健全相才能夠?qū)收暇€路重合的要求，得到適用于同桿雙回輸電線路的準兩相跳閘策略：同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時，當異名健全相數(shù)量大于等于兩相時，保留兩異名健全相，其余健全相和故障相跳閘；當異名健全相數(shù)量小于兩相時，雙回輸電線路所有相跳閘。此跳閘策略既保證了同桿雙回輸電線路故障情況下線路兩端系統(tǒng)功率傳輸，提高區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性，又能夠為故障相提供穩(wěn)定耦合源。

同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時采用準兩相跳閘策略進行線路跳閘，故障節(jié)點集、跳閘節(jié)點集、健全節(jié)點集以及健全節(jié)點集對跳閘節(jié)點集的耦合情況如表3所示。

表3 準兩相跳閘策略下同桿雙回輸電線路故障時的跳閘與耦合情況Tab.3 Tripping and coupling situation of double circuit transmission lines on the same tower during faults under quasi two-phase tripping strategy

由表3 可知，同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時，采用本文所提準兩相跳閘策略進行線路跳閘的優(yōu)點如下。

1）故障時保留了兩異名健全相，保證了同桿雙回輸電線路故障情況下線路兩端功率傳輸?shù)倪B續(xù)性。

2）健全節(jié)點集對跳閘節(jié)點集的耦合賦值大小均為1，在保證自適應(yīng)重合閘熄弧判定準確性的同時，統(tǒng)一了耦合效果，有利于熄弧判定整定值的確定。

3）在同桿雙回輸電線路發(fā)生ⅠA-ⅡAG 跨線接地故障時，健全相為ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相，而健全節(jié)點集中僅保留兩異名相，如何制定合理的保留相和跳閘相判定規(guī)則是需要解決的問題。

2.2 準兩相跳閘策略跳閘相判定方法

同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時采用準兩相跳閘策略，需要判定保留相和跳閘相。由于保留相與跳閘相互斥，若其中之一確定，則另外一組也就確定（如已知保留相為ⅠA和ⅡB相，則跳閘相為ⅠB、ⅠC、ⅡA 和ⅡC）。所以，跳閘相判定采用保留相判定方法替代。

斷路器為輸電線路中非常重要的電力設(shè)備，主要作用為故障情況下斷開觸頭，將故障隔離在一定區(qū)域，減小故障對電網(wǎng)影響。須對斷路器跳閘策略進行優(yōu)化，合理配置斷路器跳閘策略，使各相斷路器動作概率趨于一致，盡量避免連續(xù)跳合閘?；诖耍Ａ粝嗯卸ㄐ杩紤]斷路器跳閘情況。

同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時，所有故障相跳閘，健全相是否跳閘需要再次判定。將健全相斷路器最近一次和次近一次跳閘數(shù)據(jù)作為本次跳閘與否的判定依據(jù)。保留相判定流程圖如圖2所示。

圖2 跨線接地故障準兩相跳閘策略保留相判定流程圖Fig.2 Flow chart of reserved phase determination of line-toline faults with quasi two-phase tripping strategy

具體操作方法如下。

1）某線路最近一次作為保留相在跨線接地故障中保留過，則在本次判定中不應(yīng)該再次被保留；

2）某線路在次近一次作為保留相在跨線接地故障中保留過，則需要判定其余故障線路在最近一次和次近一次保留情況綜合判定；

3）線路中不包含最近一次作為保留相在跨線不接地故障中保留過的線路，則保留相為健全相中相序排序的前兩相。

2.3 準兩相跳閘策略流程

同桿雙回輸電線路跨線接地故障準兩相跳閘策略如圖3所示。

圖3 跨線接地故障準兩相跳閘策略流程圖Fig.3 Flow chart of line-to-line grounding faults with quasi twophase tripping strategy

同桿雙回輸電線路跨線接地故障準兩相跳閘策略執(zhí)行過程如下。

1）繼電保護裝置檢測到線路發(fā)生故障，需區(qū)分人為操作和故障。若是人為操作，為了操作安全，閉合重合閘裝置，操作完成前不再重合；若不是人為操作，則判定為線路發(fā)生了故障，需根據(jù)各互感器反饋信號，確定故障相、故障接地和跨線情況，確定故障類型，然后進入下一步。

2）基于故障類型，對異名健全相數(shù)量進行判定，初步確定保留相。具體方法為：若異名健全相數(shù)量小于兩相，則跳開雙回輸電線線路所有相并閉鎖重合閘裝置；若異名健全相數(shù)量等于兩相，則將兩異名健全相作為保留相；若異名健全相大于兩相，進入下一步。

3）異名健全相數(shù)量大于兩相時，根據(jù)準兩相跳閘策略，需保留兩異名健全相作為保留相。判定方法采用賦值計算法，按照賦值計算結(jié)果大小進行排序，選取計算值較大的兩異名相作為保留相；當大于0 的計算值不足兩相時，按相序順序從計算結(jié)果為零的健全相中選取一相或者兩相作為保留相。

4）保留相判定結(jié)束后，故障相和剩余健全相全部跳閘。跳閘成功，跨線接地故障準兩相跳閘階段完成；跳閘失敗，則跳開雙回輸電線路所有相并閉鎖重合閘裝置，等待檢修。

3 仿真分析

為了驗證本文提出的自適應(yīng)重合閘策略的正確性，以同桿雙回輸電線路發(fā)生ⅠA-ⅡBCG 跨線接地故障為例，參照新疆哈密地區(qū)某220 kV 同桿雙回輸電線路，以PSCAD/EMTDC 為研究平臺，構(gòu)建仿真模型，驗證所提出自適應(yīng)重合閘策略的正確性。算例線路所處局部電網(wǎng)的地理結(jié)線圖如圖4 所示。單位長度送出線路參數(shù)如表4所示。

表4 單位長度送出線路參數(shù)Tab.4 Parameters per unit length of the outgoing line

圖4 仿真算例地理結(jié)線圖Fig.4 Geographical wiring diagram of the simulation example

3.1 跨線接地故障線路跳閘仿真分析

同桿雙回輸電線路發(fā)生ⅠA-ⅡBCG 單-雙不同名跨線接地故障時，線路保留情況如算例1、2 和3所示。

算例1：在最近一次操作中ⅠA 和ⅡC 相保留過，ⅠC 和ⅡA 相在次近一次操作中保留過，ⅡB和ⅠB相未保留過；

算例2：在最近一次操作中ⅡA 和ⅠB 相保留過，ⅠA 和ⅡC 相在次近一次操作中保留過，ⅠC和ⅡB相未保留過；

算例3：在最近一次操作中ⅠC 和ⅡA 相保留過，ⅡB 和ⅠB 相在次近一次操作中保留過，ⅠA和ⅡC相未保留過。

故障相為ⅠA、ⅡB 和ⅡC 相，健全相為ⅠB、ⅠC 和ⅡA 相。準兩相跳閘策略按照保留相判定方法，在健全相中保留兩異名相，以綜合跳閘策略和準三相跳閘策略進行對照，跳閘健全相、跳閘相和保留相如表5所示。

表5 ⅠA-ⅡBCG跨線接地故障時3種跳閘策略的跳閘相和保留相列表Tab.5 List of tripping phases and reserved phases for three tripping strategies in case of line-line grounding fault

從表5可以得出如下結(jié)論。

1）綜合跳閘策略線路跳閘后，非跳閘相為兩異名相，能夠為故障相提供穩(wěn)定耦合源；雙回輸電線路在故障情況下有功率傳輸。但是，3 個算例中跳閘健全相和非跳閘相完全相同，表明綜合跳閘策略不具備斷路器均衡跳閘功能。

2）準三相跳閘策略跳閘后，同桿雙回輸電線路轉(zhuǎn)變?yōu)閱位剌旊娋€路，降功率、長時間運行。但是其非跳閘相耦合平衡，為故障相提供的耦合源為零，故障性質(zhì)判定較困難。對非跳閘相的選擇不考慮斷路器均衡跳閘，可能發(fā)生線路故障時斷路器連續(xù)跳閘現(xiàn)象，降低電力系統(tǒng)供電可靠性。

3）準兩相跳閘策略跳閘后，故障相為ⅠA、ⅡB和ⅡC，跳閘健全相和非跳閘相因線路在最近一次和次近一次保留情況不盡相同。非跳閘相為兩異名相，能夠為故障相提供穩(wěn)定耦合源，且故障情況下雙回輸電線路兩端依然有功率傳輸，保障區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；考慮斷路器均衡跳閘，降低線路斷路器連續(xù)跳閘概率，有助于區(qū)域電網(wǎng)提升供電可靠性。

3.2 3種跳閘策略故障相耦合電氣量對比

前文分析了同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障時，綜合跳閘策略、準兩相跳閘策略以及準三相跳閘策略特點，而對于各種故障類型故障相耦合電壓幅值大小分析不能夠準確體現(xiàn)。由于準三相跳閘策略在各故障類型，故障相獲得耦合電氣量很小，所以，準三相跳閘策略不作為主要分析對象。如圖5 所示為跨線接地故障采用綜合跳閘策略和準兩相跳閘策略電壓仿真波形。

圖5 跨線接地故障采用綜合跳閘策略和準兩相跳閘策略時故障相電壓Fig.5 Fault phase voltage when using comprehensive tripping strategy and quasi two-phase tripping strategy for line-to-line grounding faults

由圖5 可知：同桿雙回輸電線路采用綜合跳閘策略在發(fā)生ⅠAⅡAG 單-單同名跨線接地故障時，故障相耦合電壓幅值最大，主要原因為非跳閘相ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相的耦合賦值較大；發(fā)生ⅠABⅡBCG 雙-雙同名跨線接地故障時，故障相耦合電壓幅值幾乎為0，主要原因為雙回輸電線路所有相跳閘，故障相失去耦合源；發(fā)生ⅠAⅡBG 單-單不同名、ⅠAⅡBCG單-雙不同名和ⅠAⅡABCG單-三同名跨線接地故障時，故障相耦合電壓幅值基本相等，主要原因為這3 種故障保留相為耦合電壓幅值相等，故障相獲得耦合電壓也就基本相等；同桿雙回輸電線路采用準兩相跳閘策略在發(fā)生各種跨線接地故障時，故障相耦合電壓幅值基本相等，主要原因為準兩相跳閘策略保留相為兩異名健全相，能夠為故障相提供相同幅值的耦合源。

通過以上分析可以看出：相比于綜合跳閘策略，準兩相跳閘策略能夠為故障相提供幅值相同的耦合源，有助于得到統(tǒng)一的故障相耦合電路，便于故障熄弧判據(jù)的制定。

3.3 3種跳閘策略性能對比

表6 所示為3 種跳閘策略性能對比。故障情況下同桿雙回輸電線路供電連續(xù)性（簡稱供電連續(xù)性）、故障相能夠獲得耦合電氣量（簡稱耦合電氣量幅值）、考慮斷路器均衡跳閘（簡兩相跳閘策略電壓波形稱均衡跳閘）和對故障耦合電氣量幅值統(tǒng)一（簡稱耦合統(tǒng)一性）作為綜合跳閘策略、準三相跳閘和準兩相跳閘策略對故障相耦合特性考核指標，以驗證各跳閘策略性能。

表6 3種跳閘策略性能對比Tab.6 Performance comparison of three tripping strategies

表6 可以看出綜合跳閘策略、準三相跳閘策略以及準兩相跳閘策略在同桿雙回輸電線路發(fā)生跨線接地故障，供電連續(xù)性、耦合電壓幅值、均衡跳閘以及耦合統(tǒng)一性這4 個方面的性能分析。由分析結(jié)果可以看出，準兩相跳閘策略相比于綜合跳閘策略和準三相跳閘策略，故障情況下輸電線路供電可靠性更高，對故障相耦合源更加穩(wěn)定，降低因斷路器連續(xù)跳閘引發(fā)的系統(tǒng)故障率。綜上所述，相比于綜合跳策略和準三相跳閘策略，準兩相跳閘策略更加適合同桿雙回輸電線路跨線接地故障線路跳閘，為自適應(yīng)重合熄弧判據(jù)制定奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文針對同桿雙回輸電線路跨線故障采用現(xiàn)有跳閘策略可能導(dǎo)致雙回輸電線路所有相跳閘，嚴重影響區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性問題，提出了同桿雙回輸電線路跨線接地故障準兩相跳閘策略具體如下。

1）提出采用同桿雙回輸電線路跨線故障拓撲分析方法，從理論分析的角度得到跳閘策略對跨線故障性質(zhì)判定影響機理。

2）基于故障性質(zhì)判定影響機理提出準兩相跳閘策略，為故障性質(zhì)判定奠定基礎(chǔ)。

3）考慮斷路器維護和檢修周期平衡增加斷路器使用壽命，提出基于交叉賦值計算方法的準兩相跳閘策略保留相判定方法。

4）結(jié)合準兩相跳閘策略和準三相運行優(yōu)勢提出改進準三相運行方式。該方式首先采用準兩相跳閘策略為故障性質(zhì)判定奠定基礎(chǔ)，若為瞬時性故障則線路合閘，若為永久性故障則準三相運行，解決了準三相運行不判定故障性質(zhì)，降低區(qū)域電網(wǎng)供電可靠性問題。