含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式配電網(wǎng)電流保護配置方案

鄧 串，湛 頂，蔡 碩

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司天門市供電公司，湖北 天門；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司石首市供電公司，湖北 石首）

分布式電源加入配電網(wǎng)后，可能會出現(xiàn)短路電流超標(biāo)、破壞電網(wǎng)三相電壓平衡、繼電保護裝置誤動或拒動等一系列問題。在分布式電源容量不斷增加的背景下，以往采取的改進整定值方法已經(jīng)難以滿足配電網(wǎng)安全運行的需求。基于此，本文提出了一種含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式配電網(wǎng)電流保護配置方案。

1 鄰線閉鎖式配電網(wǎng)電流保護配置方案的設(shè)計思路

所謂縱聯(lián)保護，是借助于通信通道采集線路兩端的電氣量，對比2 個電氣量是否存在明顯差異，如果有差異則說明此段線路存在故障，利用該方法快速鎖定故障位置。本文基于方向縱聯(lián)保護實現(xiàn)設(shè)計的電流保護配置方案，將電氣信息傳輸通道與閉鎖邏輯信號相結(jié)合，實現(xiàn)配電網(wǎng)的鄰線閉鎖通信，進一步提升了電流保護效果，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)電流保護配置方案示意圖

假設(shè)在圖1 母線C 處加入一個分布式電源，在故障發(fā)生后，故障所在線路的電流保護被觸發(fā)，及時閉鎖上級線路，避免出現(xiàn)保護誤動而擴大故障范圍的情況。同時，在分布式電源的上游線路配備雙端定時過電流保護，充當(dāng)方向縱聯(lián)的后備保護。這樣一來，即便是縱聯(lián)方向保護存在拒動情況，后備保護也能在定時延時后將故障線路切斷，從配電網(wǎng)中隔離，從而保障配電網(wǎng)其他部分正常運行。

2 基于雙端故障的方向縱聯(lián)保護原理

以通信通道傳送線路兩端的方向元件作為信息采集點，將采集到的信息做比較。如果兩者的方向信息相反，則說明存在區(qū)內(nèi)故障，兩端保護可靠動作；反之，則說明存在區(qū)外故障，這時發(fā)出閉鎖信號，將傳送線路閉鎖。相比于傳統(tǒng)的功率方向縱聯(lián)保護，本文提出的基于雙端故障的方向縱聯(lián)保護，具有故障識別效率快和定位精度高的優(yōu)勢。例如，基于功率的方向縱聯(lián)保護中，如果初始負(fù)荷的電流參考方向從“電網(wǎng)側(cè)流向分布式電源側(cè)”改變?yōu)椤胺植际诫娫磦?cè)流向電網(wǎng)側(cè)”，會因為初始功率的“+/-”設(shè)定發(fā)生改變而出現(xiàn)故障位置誤判的情況，進而導(dǎo)致閉鎖信號錯誤[1]?；陔p端故障的方向縱聯(lián)保護中，無論初始電流的方向如何變化，判斷結(jié)果總是“相反- 區(qū)內(nèi)故障”和“相同- 區(qū)外故障”。由此可見，基于雙端故障的方向縱聯(lián)保護，能夠更加精準(zhǔn)的分別故障所處位置是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，保證了閉鎖信號的正確性，杜絕了誤動作。

3 電氣信息傳輸通道的選擇

所用基于方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式電流保護，都要建立專門的電氣信息傳輸通道，在滿足信息采集需求的同時，還能達到屏蔽電磁干擾、加快傳輸速度、保證通信可靠的效果。本文在設(shè)計鄰線閉鎖式電流保護配置方案時，基于可靠性原則、經(jīng)濟性原則、大容量原則和易維護原則，對比了幾種常見的通信方式，對比內(nèi)容見表1。

表1 常見通信方式性能對比

結(jié)合表1 統(tǒng)計內(nèi)容可知，在5 種常見的通信方式中，光纖通信表現(xiàn)出傳輸速率快、抗干擾能力強、通信容量大等優(yōu)勢，可以滿足電氣信息傳輸需要。在配置光纖通道后，配合縱聯(lián)保護線路，可以同步采集光纖通道兩端的故障信號數(shù)據(jù)，縮小了通信時間誤差，達到了實時檢測的效果。

4 重合閘的配置

分布式電源上游縱聯(lián)保護在檢測到線路故障并且順利跳閘后，要想實現(xiàn)重合閘必須滿足2 個前提條件：其一是故障兩側(cè)均跳閘；其二是同期運行。在分布式電源并入配電網(wǎng)的實際環(huán)境下實現(xiàn)同期運行有一定難度，本文在理論研究中用檢無壓裝置模擬同期運行過程。若并網(wǎng)過程中發(fā)生故障，首先讓配電網(wǎng)側(cè)的檢無壓裝置重合閘。此時故障點的兩端均已跳閘，不存在非同期情況。在檢無壓裝置實現(xiàn)重合閘后，再對分布式電源側(cè)的檢同步裝置進行重合閘[2]。兩次重合閘均完成后，系統(tǒng)故障得以消除，恢復(fù)正常運行。當(dāng)系統(tǒng)遇到永久性故障，配電網(wǎng)側(cè)的檢無壓裝置在重合閘以后，斷路器會再次跳閘，這種情況下線路中檢測不到電壓，重合閘失敗，需要維修人員對故障作出處理。檢無壓與檢同步配合的重合閘過程如圖2 所示。

圖2 檢同步與檢無壓配合的重合閘示意圖

檢無壓繼電器的整定值設(shè)置是否合理，是決定故障點兩側(cè)斷路器能否正確動作的關(guān)鍵。本文將整定值設(shè)定為系統(tǒng)額定電壓的50%，可以在斷路器跳閘后作出正確動作。另外，基于經(jīng)濟性考慮，利用斷路器的電容式套管從配電網(wǎng)中抽取電壓，以滿足檢無壓裝置和檢同期裝置測量線路電壓的需要。

5 動作時間的設(shè)定

使用鄰線閉鎖式電流保護時，各級閉鎖信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩藭ㄙM一定時間，并且隨著雙端距離的延長，傳輸時間相應(yīng)增加。本文在設(shè)計鄰線閉鎖式電流保護配置方案時，將閉鎖信號的接收等待時間（即動作時間）設(shè)定為10 ms。在保護動作指令發(fā)出后，前端的繼電保護裝置完成跳閘，啟動元件和其他各級保護應(yīng)當(dāng)即時復(fù)位?？紤]到有些復(fù)位速度較慢的元件能夠始終維持閉鎖狀態(tài)，需要經(jīng)過10 ms 的延時后再發(fā)送閉鎖信號，從而保證所有保護裝置能夠同時完成復(fù)位[3]。需要注意的是，在分布式電源的上游和下游，由于保護動作原理不同，因此設(shè)定的動作時間也有差異。

對于分布式電源上游的縱聯(lián)保護，根據(jù)信息比較結(jié)果判斷為“區(qū)內(nèi)故障”后，可以直接發(fā)送閉鎖信號給鄰線；判斷為“區(qū)外故障”后，直接閉鎖兩端。所有動作均為即時動作，動作時間通常不超過10 ms；對于分布式電源下游的縱聯(lián)保護，各段電流需要根據(jù)整定時間靈活設(shè)定延時。例如，分布式電源的I 段電流動作時間為5 ms，即延時5 ms 后跳閘。而Ⅱ段電流需要接收到I 段閉鎖信號后再延時10 ms 跳閘。因此，分布式電源下游速斷保護的動作時間通常會達到15 ms。

6 含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式電流保護配置方案

本文設(shè)計的含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式電流保護配置方案，對分布式電源接入配電網(wǎng)后的繼電保護進行了改進。分布式電源上游安裝了基于電流相角方向元件的縱聯(lián)保護，同時接入鄰線閉鎖信號避免發(fā)生誤動或拒動；以雙端的定時過流保護作為后備保護。在分布式電源下游，安裝了基于鄰線閉鎖式的電流保護。這里以上游縱聯(lián)保護為例，接線方式如圖3 所示。

圖3 分布式電源上游方向縱聯(lián)保護接線圖

鄰線閉鎖式電流保護配置的實現(xiàn)流程如下：采集兩端電流值后，啟動方向元件，比較兩側(cè)方向是否一致。如果兩端同向，則判斷為“區(qū)外故障”；如果兩端反向，則判斷為“區(qū)內(nèi)故障”。對于區(qū)外故障，實行兩側(cè)閉鎖保護；對于區(qū)內(nèi)故障，首先閉鎖上線線路，在延時10 ms 后接收到閉鎖信號，完成閉鎖[4]。

7 線閉鎖式電流保護配置方案的仿真驗證

為了驗證含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式電流保護配置方案的應(yīng)用效果，本文選擇Matlab 仿真軟件中的Simulink 工具構(gòu)建了配電網(wǎng)模型，并模擬分布式電源接入配電網(wǎng)的情況，驗證保護動作能否順利實現(xiàn)。這里以分布式電源上游保護動作為例進行仿真驗證，具體方法如下：

利用Simulink 工具構(gòu)建2 臺按制器的仿真模型，假設(shè)方向元件的輸出信號為邏輯值“-1/1/0”，相應(yīng)的相角差Δu 的判別范圍為“（θ＜Δu＜π-θ）/（θ-π）＜Δu＜-θ/（Δu=0）”，表示了“反方向/正方向/保持”3 種方向結(jié)果。這里閉鎖角θ取30°，則判斷依據(jù)Δu 的判別范圍為“（30°＜Δu＜150°）/（-150°＜Δu＜-30°）/（Δu=0°）”。在采集保護1 和保護2 的方向邏輯信號電平“-1/1/0”后相加。如果兩者反向，則縱聯(lián)保護的邏輯信號為“0”，為低電平，此時斷路器跳閘；如果兩者同向，則縱聯(lián)保護的邏輯型號為“2”，為高電平，此時斷路器合閘[5]。保護1 和保護2 的方向元件判別情況見表2。

表2 保護1、保護2 方向元件判別情況

在仿真實驗中，設(shè)定分布式電源容量為10 MW，在0.1 s 時發(fā)生永久故障，重合閘動作時間為0.5 s，仿真時長為1 s。根據(jù)上述設(shè)定條件，得到保護1 和保護2 的仿真結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 保護1、2 故障電流波形圖

由圖4 可知，保護1 和保護2 均能在瞬時故障產(chǎn)生后，準(zhǔn)確識別故障并且快速將故障所在線路從配電網(wǎng)中切除，達到了電流保護效果。同時在故障切除后立即啟動重合閘，不影響配電網(wǎng)的正常運行，該方案的可行性得到了驗證。

8 結(jié)論

在分布式電源并入配電網(wǎng)的過程中，如何實現(xiàn)配網(wǎng)運行的實時監(jiān)測和故障的科學(xué)處理，是電力公司考慮的關(guān)鍵問題。含方向縱聯(lián)的鄰線閉鎖式電流保護配置方案，基于電流相角突變式方向判別原理，對各類保護裝置的按制邏輯信號進行了方向判斷，進而確定故障屬于區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。根據(jù)判斷結(jié)果，準(zhǔn)確鎖定故障位置后使兩端跳閘，成功將故障線路隔離在配電網(wǎng)之外，保證了配電網(wǎng)的可靠和安全運行。