10 kV饋線快速保護(hù)方案

于立濤，朱中華，王文龍

（1.青島供電公司，山東省青島市，266002；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市，211102）

0 引言

2009年底，青島被國家電網(wǎng)公司列為配電自動(dòng)化試點(diǎn)建設(shè)城市之一。目前，饋線自動(dòng)化系統(tǒng)（feeder automation，F(xiàn)A）能夠隔離故障區(qū)域、恢復(fù)受故障影響的健全區(qū)域供電，對于提高供電可靠性，減小停電面積、縮短停電時(shí)間具有重要意義[1-4]。另外還有依靠智能開關(guān)設(shè)備（重合器和分段器）的相互配合達(dá)到隔離故障和恢復(fù)健全區(qū)域供電的方式[5-7]。青島供電公司本次試點(diǎn)區(qū)域?qū)⒉捎?種模式來實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域線路的饋線自動(dòng)化：一是集中型全自動(dòng)FA。主站根據(jù)各配電終端檢測到的故障報(bào)警，結(jié)合變電站、開閉所等的繼電保護(hù)信號(hào)、開關(guān)跳閘等故障信息，啟動(dòng)故障處理程序，確定故障類型和發(fā)生位置。采用聲光、語音、打印事件等報(bào)警形式，并在自動(dòng)推出的配網(wǎng)單線圖上，通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渲姆绞矫鞔_地表示出故障區(qū)段，根據(jù)需要，主站可提供事故隔離和恢復(fù)供電的1個(gè)或2個(gè)以上的操作預(yù)案，輔助調(diào)度員進(jìn)行遙控操作，達(dá)到快速隔離故障和恢復(fù)供電的目的[8-11]。二是智能分布式FA與配網(wǎng)自動(dòng)化相結(jié)合。配電終端之間通過相互間通信確定故障區(qū)域，然后快速實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的精確隔離，配電終端再將故障定位和隔離的結(jié)果上報(bào)給配電主站，配電主站根據(jù)終端上報(bào)的故障信息來恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

本文以青島配網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)工程為基礎(chǔ)，分析了智能分布式FA與配網(wǎng)自動(dòng)化相結(jié)合的方案，對方案的實(shí)施和保護(hù)動(dòng)作邏輯進(jìn)行了分析說明，提出了一種基于光纖快速通信實(shí)現(xiàn)10 kV饋線快速保護(hù)的方案。

1 通信模式與饋線終端單元的聯(lián)絡(luò)關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，饋線終端單元（feeder term inalunit，F(xiàn)TU）與相鄰的FTU之間要具備點(diǎn)對點(diǎn)通信的能力，建立橫向通信聯(lián)絡(luò)，采用以太網(wǎng)接口，通信介質(zhì)為光纖，實(shí)時(shí)交互饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)需要的相關(guān)信息。

圖1 FTU通信圖Fig.1 Diagram of FTU communication

對于“手拉手”線路的FTU之間，如圖1所示K5與K4、K6開關(guān)之間是“手拉手”連接，K5的FTU需要3個(gè)通信口，其中K5與K4、K6之間交互網(wǎng)絡(luò)保護(hù)信息需要2個(gè)以太網(wǎng)口；另1個(gè)網(wǎng)絡(luò)口負(fù)責(zé)與主站/子站通信。對于“T”接線路的FTU之間，如圖1所示K2、K3、K4之間是“T”接，K2的FTU需要4個(gè)通信口，其中K2與K1、K3、K4之間交互網(wǎng)絡(luò)保護(hù)信息需要3個(gè)以太網(wǎng)口；另1個(gè)網(wǎng)絡(luò)口負(fù)責(zé)與主站/子站通信。K4的通信口個(gè)數(shù)與K2相同。

2 試點(diǎn)區(qū)域的改動(dòng)及技術(shù)要求

2.1 現(xiàn)狀

變電站側(cè)的10 kV線路開關(guān)均為斷路器，帶二段式電流保護(hù)，配置速斷21A 0 s過流7A 0.3 s（CT變比：400/5）。架空線路配有重合閘。

架空線路主干線路上安裝的柱上開關(guān)全部為負(fù)荷開關(guān)。架空線的用戶側(cè)一般采用戶內(nèi)斷路器或戶外跌落式開關(guān)。

2.2 改動(dòng)及技術(shù)要求

變電站側(cè)的10 kV線路保護(hù)裝置不動(dòng)，在整定值中取消原電流速斷保護(hù)（21 A 0 s），保留過流保護(hù)（7A 0.3 s）及重合閘功能。過流保護(hù)作為全線的遠(yuǎn)后備。變電站側(cè)10 kV線路原電流速斷保護(hù)功能由FTU實(shí)現(xiàn)，參與該條線路的快速保護(hù)處理。要求整條線路任1點(diǎn)的主保護(hù)動(dòng)作延時(shí)不大于120ms、后備保護(hù)動(dòng)作延時(shí)不大于200ms（均包含斷路器機(jī)構(gòu)最大分?jǐn)喙收想娏鲿r(shí)間70ms），基于光纖通道傳遞信息，實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)保護(hù)。

如果線路上的故障在200ms內(nèi)未切除，則由原線路保護(hù)0.3 s動(dòng)作切除變電站側(cè)10 kV線路開關(guān)。

原負(fù)荷開關(guān)需要更換為斷路器，具備饋線故障電流分?jǐn)嗄芰Α嗦菲饕邆潆妱?dòng)操作機(jī)構(gòu)，可通過開閉所終端單元（distribution term inal unit，DTU）或FTU遙控分/合閘。要求其電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)能在70ms時(shí)間內(nèi)分?jǐn)嗑€路故障電流（從電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)接收到外部分閘電信號(hào)開始計(jì)算時(shí)間）。建議斷路器內(nèi)置三相保護(hù)級電流互感器。

要求FTU具備對線路過流故障（兩相短路、三相短路）的檢測能力；三相涌流檢測能力。能準(zhǔn)確檢測空投變壓器、帶電動(dòng)機(jī)重合等情況，避免誤動(dòng)；具備饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)饋線的故障區(qū)段準(zhǔn)確定位，在40ms以內(nèi)切除區(qū)段故障，實(shí)現(xiàn)故障隔離（不含斷路器機(jī)構(gòu)分?jǐn)喙收想娏鲿r(shí)間）；具備重合閘功能，排除線路上的瞬時(shí)性故障；具備近后備保護(hù)功能，在故障點(diǎn)臨近開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，由上級開關(guān)的FTU近后備保護(hù)切除故障。

3 保護(hù)動(dòng)作基本邏輯分析

3.1 F1處故障

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。K6檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K7沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），故障信息1個(gè)有1個(gè)無，即認(rèn)為故障點(diǎn)在這2個(gè)開關(guān)之間。K5檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K6也檢測到故障電流（開關(guān)在合位），2個(gè)都有故障信息，即認(rèn)為故障點(diǎn)在這2個(gè)開關(guān)的區(qū)域外。

3.2 F2處故障

圖2 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of distribution network

K6和K7都沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），2個(gè)都沒有故障信息，即認(rèn)為故障點(diǎn)在這2個(gè)開關(guān)之外。

3.3 F3處故障

K7檢測到故障電流（開關(guān)在合位），L1沒有檢測到故障電流（開關(guān)在分位），故障信息1個(gè)有1個(gè)無，即認(rèn)為故障點(diǎn)在這2個(gè)開關(guān)之間。

3.4 F4處故障

K1檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K2沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K3沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），3個(gè)中只有1個(gè)有故障信息，即認(rèn)為故障點(diǎn)在“T”接點(diǎn)上。

3.5 F5處故障

K1檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K3檢測到故障電流（開關(guān)在合位），K2沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），3個(gè)中有2個(gè)有故障信息，即認(rèn)為故障點(diǎn)在“T”接點(diǎn)之外。

3.6 F6處故障

K1、K2、K3都沒有檢測到故障電流（開關(guān)在合位），3個(gè)都沒有故障信息，即認(rèn)為故障點(diǎn)在“T”接點(diǎn)之外。變電站的出線開關(guān)A的FTU檢測到故障電流，K1沒有檢測到故障電流，即認(rèn)為故障點(diǎn)在出線開關(guān)A和K1之間。K1和變電站的出線A開關(guān)斷開，F(xiàn)6故障被隔離。主站遙控合閘聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1，出線A的非故障區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)由出線B供電。

3.7 F7處故障

K8開關(guān)為線路末端開關(guān)，如果K8檢測到故障電流，直接判定K8下游有故障。是否“末端開關(guān)”，可作為裝置定值進(jìn)行整定。

由上述分析可知，以上邏輯對故障的判定并不依賴于故障電流的方向。

4 重合閘投入時(shí)的保護(hù)邏輯分析

4.1“手拉手”開關(guān)重合閘

如圖2中F1點(diǎn)故障：K6、K7處的DTU（或FTU）通過饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)在故障定位完成后，檢測到故障電流的K6處DTU（或FTU），先保護(hù)動(dòng)作出口，跳閘K6開關(guān)；K7開關(guān)先不動(dòng)作。

在K6合閘儲(chǔ)能完成的條件下經(jīng)固定延時(shí)（可整定），重合閘K6。

如果F1為永久性故障，K6處DTU（或FTU）再次檢測到故障電流，重合閘后加速動(dòng)作，直接跳閘K6；在重合閘后加速動(dòng)作的同時(shí)，K6處DTU（或FTU）向K7處發(fā)送重合閘后加速動(dòng)作信息，K7處DTU（或FTU）收到該信息，直接跳閘K7。至此，F(xiàn)1點(diǎn)被隔離。

如果F1為瞬時(shí)性故障，K6重合閘后，DTU（或FTU）沒有再檢測到故障電流，重合閘成功，瞬時(shí)性故障排除。

4.2 “T”接點(diǎn)開關(guān)重合閘

如圖2中F4點(diǎn)故障：K1、K2、K3處的DTU（或FTU）通過饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)在故障定位完成后，檢測到故障電流的K1處DTU（或FTU），先保護(hù)動(dòng)作出口，跳閘K1開關(guān)；K2、K3開關(guān)先不動(dòng)作。在K1合閘儲(chǔ)能完成的條件下經(jīng)固定延時(shí)（延時(shí)可整定），重合閘K1。

如果F4為永久性故障，K1處DTU（或FTU）再次檢測到故障電流，重合閘后加速動(dòng)作，直接跳閘K1；在重合閘后加速動(dòng)作的同時(shí)，K1處DTU（或FTU）向K2、K3處發(fā)送重合閘后加速動(dòng)作信息，K2、K3處DTU（或FTU）收到該信息，直接跳閘K2、K3。至此，F(xiàn)1點(diǎn)被隔離。如果F1為瞬時(shí)性故障，K1重合閘后，DTU（或FTU）沒有再檢測到故障電流，重合閘成功，瞬時(shí)性故障排除。

5 防開關(guān)拒動(dòng)邏輯分析

如圖2中F1點(diǎn)故障：K6、K7處的DTU（或FTU）通過饋線網(wǎng)絡(luò)保護(hù)在故障定位完成后，K6有故障電流流過，會(huì)立即發(fā)“故障定位在本處”的信息給臨近的K5處DTU（或FTU），K5處DTU（或FTU）即啟動(dòng)近后備保護(hù)功能（K5與K6同時(shí)檢測到故障電流）。

K5臨近的DTU（或FTU）在變電站饋線開關(guān)處，因?yàn)镵5不是故障臨近點(diǎn)開關(guān)，給變電站饋線開關(guān)處DTU（或FTU）發(fā)送“故障定位不在本處”的信息，不啟動(dòng)近后備保護(hù)。

K5從檢測到故障電流開始計(jì)算時(shí)間，在固定時(shí)延之后（時(shí)間可整定，在本方案中可整定為120ms）仍然檢測到故障電流（如K6拒動(dòng)），近后備保護(hù)動(dòng)作出口，直接跳閘K5開關(guān)。K6開關(guān)因拒動(dòng)，DTU（或FTU）會(huì)發(fā)送“拒動(dòng)”信息給K7，讓K7直接跳閘。

6 應(yīng)用實(shí)例分析

6.1 實(shí)例配網(wǎng)接線

35 kV軟件園站的10 kV軟學(xué)線與35 kV辛家莊站的10 kV大學(xué)線建立了“手拉手”關(guān)系，KG5為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常在斷開位置，其他開關(guān)正常在閉合位置。如圖3所示。模擬瞬時(shí)性故障，故障點(diǎn)位于KG1與KG2之間；故障前有1A（二次電流）的負(fù)荷電流；裝置的重合閘功能投入。

6.2 KG1跳閘情況分析

圖4為KG1處FTU采集的本裝置以及接收到相鄰裝置保護(hù)信息的事件報(bào)告，采用各裝置SOE事件的相對時(shí)標(biāo)可計(jì)算時(shí)間差。“回路1”為本回路即KG1，“鄰開關(guān)”為相鄰開關(guān)KG2。根據(jù)該報(bào)告可以看出，序號(hào)7的事件為“回路1過流3段動(dòng)作”時(shí)間為08：45：21.785；序號(hào)12的事件為“回路1網(wǎng)絡(luò)保護(hù)上游動(dòng)作”，時(shí)間為08：45：21.797，因此，可以看出12 ms KG1判定本側(cè)FTU位于故障點(diǎn)上游并發(fā)跳閘命令給KG1斷路器。

6.3 KG2跳閘情況分析

根據(jù)事件報(bào)告可以看出，序號(hào)9的事件為“鄰開關(guān)1網(wǎng)絡(luò)保護(hù)啟動(dòng)”，時(shí)間為08：45：21.790；序號(hào)13的事件為“鄰開關(guān)1判定為下游”，時(shí)間為08：45：21.800，因此，可以看出10ms KG2判定本側(cè)FTU位于故障點(diǎn)下游，KG2開關(guān)不動(dòng)作。

6.4 試驗(yàn)結(jié)果

KG1判定位于故障點(diǎn)相鄰上游（簡稱“上游”），跳閘后重合成功；KG2判定位于故障點(diǎn)相鄰下游（簡稱“下游”），但不跳閘。由于通信采用點(diǎn)對點(diǎn)直接互聯(lián)方式中間環(huán)節(jié)僅有光纖，故通道延時(shí)可忽略。以上可以看出從保護(hù)動(dòng)作時(shí)間12ms加上開關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間40ms，故障切除時(shí)間可縮短到52ms。

7 結(jié)論

結(jié)合配網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施，提出了基于光纖通信的饋線快速保護(hù)的技術(shù)方案。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位與隔離的同時(shí)，可發(fā)送命令到配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)，由主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與恢復(fù)。本方案是針對青島地區(qū)典型配網(wǎng)供電模式設(shè)計(jì)的保護(hù)自動(dòng)化解決方案，基于高速的光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，自動(dòng)識(shí)別故障位置，準(zhǔn)確的隔離故障，經(jīng)驗(yàn)證這種饋線快速保護(hù)動(dòng)作時(shí)間短，選擇性好，靈敏度高，解決了繼電保護(hù)的整定配合問題，為提高配電網(wǎng)的供電可靠性提供了有效的技術(shù)支撐。

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