配電網設備保護定值可靠性在線校驗方法

謝生貴

[摘? ? 要]提出了兩種保證配電網設備保護定值可靠性的通用算法：將配電網配置的保護以配電線路為單位，按時序分類為瞬時保護、短延時保護以及長延時保護，分別進行基于供電關系拓撲分析下的在線保護靈敏性和選擇性校驗，只要相應段滿足這兩方面的校驗，就可證明相應段保護定值是可靠的;對于集中區域的設備，如開閉所、環網柜以及配電柜內的智能開關配置等，按供電上下級關系，使用同一坐標將其保護動作曲線放在一起進行比較，只要各設備的瞬時段、短延時段以及長延時段不發生重合，就可證明這些設備的保護選擇性是匹配的，反之證明相應段存在不匹配問題。最后通過實例驗證了方法的有效性。

[關鍵詞]配電網設備保護;拓撲分析;在線校驗;保護動作曲線;保護定值

[中圖分類號]TM727.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（21）04–0–04

Realization of Online Verification Method for Reliability of Protection Setting Value of Distribution Network Equipment

Xie Sheng-gui

[Abstract]How to ensure the reliability of the protection setting value of the distribution network equipment，this paper proposes two general algorithms，one is to classify the protection configured for the distribution network into the instantaneous section protection，short-delay protection，and long-delay protection according to the time sequence based on the distribution line，respectively perform online protection sensitivity and selectivity verification based on power supply relationship topology analysis.As long as the corresponding segment meets these two aspects of verification，it can be proved that the corresponding segment protection setting is reliable.Second，for equipment in concentrated areas，such as switching stations，ring mains，and distribution cabinets，intelligent switch configuration protection，according to the relationship between the upper and lower levels of power supply，use the same coordinate to put their protection action curves together for comparison.If the instantaneous，short-delay and long-delay sections do not coincide，it can be proved that the protection selectivity of these devices is matched.On the contrary，it can be proved that the corresponding sections have non-coordination problems.Finally，the effectiveness of the method is verified through an example analysis.

[Keywords]distribution network equipment protection;topology analysis;online verification;protection action curve;protection setting value

電力系統按網絡架構分為主干網和配電網。主干網絡內設備保護配置的特點表現為兩點：①主干網是連接各變電所之間的電力網絡，該網絡內各電力設備配置的保護均安裝在變電所內，均配置在變電所內各有阻抗或無阻抗設備上，例如，線路、變壓器、母線、并聯電容器/電抗器、電動機等有阻抗設備和分段/母聯斷路器無阻抗設備上。②線路設備一般較長，存在明顯數值的短路阻抗。實現設備保護定值的可靠性，可以全網設備為背景進行拓撲分析，使用短路計算方案對全網設備配置保護分別進行靈敏性、選擇性和速動性在線校驗，只要相應指標滿足要求，即可證明保護定值滿足相應性能的可靠性要求，當在線校驗不滿足相應指標的要求時，即可判斷出保護定值可靠性在哪些方面存在問題。

配電線路直接連接城網或農網內各用電設備，供電設備種類繁多，網絡架構一般采用手拉手構建多電源或環網供電網絡，而實際運行時多采用輻射網絡的運行方式，以配電線路為單位構成相對獨立的供電小系統。配電網由于電壓等級比較低（35 kV或10 kV），供電線路半徑一般比較短，一般35 kV線路在15～20km，10 kV線路在10 km左右，所以配電主干或分支線路短路阻抗比較小。配電網保護選擇性校驗，使用短路計算方法存在無法校驗的問題;對于保護靈敏性只要保證變電站出線開關保護在配電網特殊故障點處有靈敏度即可;對于速動性校驗，由于配電網設備短路容量相對于主干網設備短路容量小得多，設備短路一般不會造成系統暫態失去穩定性問題，只可能造成設備損壞情況的發生，且配電網設備反應短路故障的保護動作時間一般在0～2s，若對于保護速動性無特別的要求時，可以不考慮保護速動性校驗。這樣配電網設備保護定值可靠性校驗只要保護定值選擇性匹配了，就可證明保護定值是可靠的。

本文針對配電線路主干、分支上開關配置保護定值選擇性在線校驗的問題，提出了以配電線路為單位宏觀校驗配電網設備保護定值選擇性方法，一般配電網采用手拉手構建方式，運行時采用靈活的供電方式，所以配電網設備保護定值選擇性驗證的前提條件是必須采用在線校驗的方式進行，實時跟蹤每條配電線路運行方式的狀態，按照實際供電拓撲關系的變化，從電源到負荷設備給出供電設備之間的拓撲關系，按照電源設備保護定值大于下級分支設備的保護定值，電源設備保護動作時間大于下級分支設備保護動作時間的原則，將各設備配置保護，按時序保護動作曲線作為整體移到同一坐標系下，橫坐標為保護動作電流，縱坐標為保護動作時間，通過比較設備保護之間可視化動作曲線動作區域是否存在重疊的方法，判別出哪些設備的哪段保護定值存在不完全配合的問題。

1 配電線路為單位的宏觀校驗主干線段及分支保護選擇性的方法

1.1 配電線路主干及分支拓撲自動識別的算法

在建設配電網框架模型時，可采用配電網GIS系統或配電自動化系統以建設好的模型及圖形作為數據源，使用第三方結構模型文件（xlm格式或g格式或SVG格式文件），將其導入本應用軟件系統，為的是避免重復構建配電網。在構建時分為兩部分：①配電網主干及分支模型的創建;②相對集中區域視為變電所給出該區域詳細進線、分段、出線支路的單相接線圖。典型的配電網接線如圖1所示。

該典型配電線路構建連接4個電源變電站出線開關，形成井字互聯城網供電模式，但在實際運行時通過互聯分段開關的操作，分別給出4個電源變電站出線開關輻射供電負荷的拓撲連接運行方式，依據識別配電線路小供電網的層次關系的算法，即可獲取對應主干分支線各層拓撲關系。

依據配網自動化系統實時讀取的配網設備遙信狀態，確定實際當前配網設備運行狀態，啟動以配電線路為單位的網絡拓撲分析功能，獲取輻射配電線路內設備供電拓撲分析結果作為校驗這些設備保護定值的背景。

識別配電網線路小供電網絡的方法，依據整體配電網，按照某個配電變電站出線開關為起點進行拓撲查找，直到其他配電變電站出線開關為終點或相對集中配電區域為終點。構成的配電線路小供電網絡作為該配電線路為單位分析宏觀主干及分支保護選擇性分析對象。

識別配電線路小供電網的層次關系的方法，依據配電線路小供電網絡，按照某個配電變電站出線開關為起點進行拓撲查找，直到其他配電變電站出線開關為終點作為第一層主干網;在主干網中遇到每個分支作為第二層，將連接主干網設備作為電源設備，在確定是第二層分支網時，將分支節點作為起始節點進行拓撲查找，直到相對集中配電區域為終點作為第二層分支網絡對象;在第二層中遇到每個分支作為第三層，將連接第二層網設備作為電源設備，在確定是第三層分支網時，將分支節點作為起始節點進行拓撲查找，直到相對集中配電區域為終點作為第三層分支網絡對象;以此類推，按照實際配電線路存在的分支網絡深度查找第四層……第n層分支網絡。

1.2 保護選擇性校驗方法

在確定所分析的各層分支網絡后，將各層電源設備保護作為本層的拓撲首節點編號（所在層號），將本層按照供電拓撲關系連接的設備保護順序節點編號（所在層號+順序號）構成本層設備保護選擇性校驗的列表，按層分別校驗設備保護之間選擇性配合關系，只要各層設備保護之間保證選擇性配合，就可證明配電線路整體設備保護定值選擇性是可靠的;若某層設備保護之間失去選擇性配合，即可定位哪個設備的哪段保護存在選擇性校驗問題，輸出校驗結果簡單明了。

配電線路內配置的保護有柱上開關保護、分支跌落保險以及分支智能開關保護，可能配置一次保險及二次保護裝置等設備，提取保護的電流、電壓定值和保護動作時間作為校驗保護定值對象，按照電源到負荷各級供電關系，分析保護定值選擇性和動作時間選擇性配合關系，在配電網絡由于線段阻抗較小（通過實際短路電流的測量對于電纜線路2 km左右無明顯變化，但對于架空有所改變，但作為區分上下級保護定值整定短路電流值變化不明顯），定值滿足選擇性配合的情況不多，但時間配合必須滿足要求，否則就會存在保護定值選擇性出現問題。

在校驗保護定值時，需要區分一次保險和二次保護裝置，因為一次保險只有動作定值可選擇配置保險的大小，其動作時間是產品固有值，而保護裝置配置的保護可以對定值及動作時間進行整定計算，即對于一次保險的保護只進行定值配合校驗，而保護裝置的保護既要滿足定值配合要求，還需要有動作時間級差，有選擇性的切除故障部位，防止停電范圍擴大。

通過配電線路為單位宏觀保護選擇性校驗，能夠掌握配電線路主干分支保護定值配合的情況，避免了分支細節保護（相對集中配置保護）影響主干分支保護配合的判斷。

軟件在實際運行時可以依據當前配網斷路器遙信變位情況，快速鎖定有變化的配電線路，然后進行該配電線路內保護定值上下級配合的校驗，一般校驗耗時在幾分鐘之內，能夠做到實時發現保護定值配合存在的問題。而全部校驗的選擇可以在配電網錄入系統時或配電網運行方式變化較大時進行一次。配電線路為單位宏觀保護選擇性校驗流程見圖2。

1.3 保護靈敏性校驗方法

配電線路主干分支保護靈敏性校驗的原則是，對于配電線路分支層次多或配電線路長度較長時，需要將各段線路錄入阻抗參數，一般按配電網變電所出線開關的保護靈敏性要求，設置校驗配網靈敏度故障點，保證出線開關在整個配電線路發生最小相間故障時具有足夠靈敏度，即保護靈敏度校驗故障點選取距保護安裝處最遠配電線路節點處。

2 集中區域設備繼電保護選擇性校驗方法

2.1 算法

配電線路集中區域設備一般歸屬為終端設備或供電層次更深的中轉設備，包括開閉所、環網柜、配電柜等區域小型變電所，其內部包含進線、分段、出線等類型間隔，特點是其設備均屬同一電壓等級且它們電氣連接線路較短，在定值核算時阻抗幾乎可以忽略，這些設備運行方式一般不會影響到配電線路主干分支運行方式的變化。為了避免這些設備對配電線路主干分支設備保護選擇性宏觀掌握的影響，需要將這些設備從配電線路主干分支中脫離出來，而設置專用分析保護選擇性工具處理此類區域內保護校驗。

①將集中區域小型變電所內設備，按供電關系確定電源設備、分段設備、饋線設備的分類;②獲取各設備全套保護時序配置的保護動作坐標曲線（橫坐標為保護定值確定的動作電流，考慮保護定值允許存在±3%誤差給出曲線波動范圍，縱坐標為保護動作時間定值確定的動作時間，由于智能開關固有動作時間小于配合最小時差值，所以不考慮縱軸曲線波動范圍）;③按照電源設備、分段設備、饋線設備的順序，在同一坐標系下分別移動設備保護動作曲線圖，其中電流大小決定曲線組左右移動，其中動作時間大小確定曲線組上下移動，繪制出該區域設備保護動作曲線圖，分別分析瞬時、短時、長時保護時序段配合關系是否滿足保護選擇性要求，只要各時序曲線組不重疊說明保護選擇性能夠相互配合，對于存在時序段重疊部分說明重疊部分的時序保護之間存在選擇性不配合的問題，需要調整相應設備保護定值。

2.2 實例計算分析

按配電線路內某個開閉所配置保護類型的3種典型實例，驗證算法的正確性。該開閉所母線接線形式為單母線，包括：中壓主進線開關（401）、中壓聯絡開關（463）、SSTS進線開關（Q1，Q2）、SSTS出線開關（Q3，Q1BP，Q2BP）和饋線開關（Q3-1）見表1。

2.2.1 第一種典型配置分析

只考慮401、463、Q3-1三個開關保護定值曲線選擇性校驗情況，見表2。

脫扣曲線如圖3所示。

校驗結論：三級斷路器脫扣曲線基本無交叉，可實現保護配合。

2.2.2 第二種典型配置分析

在第一種典型分析的基礎上加入Q1/Q3驗證。加入Q1/Q3后的脫扣曲線（Q1BP/Q2BP定值設定與Q3相同）如圖4所示。

校驗結論：

①Q1/Q2定值設定。長延時電流Ir=630 A，長延時時間Isd=8，瞬動電流Ii=5670 A（短延時電流Isd=6300，Tsd=0.4，大于瞬動定值，相當于短延時保護退出）。②Q3定值設定：長延時電流Ir=500 A，長延時時間Isd=8，瞬動Ii=5670 A（短延時電流Isd=5000，Tsd=0.4，接近瞬動定值，相當于短延時保護退出）。③根據脫扣曲線可看出，主進（401）、聯絡（463）與塑殼（Q1/Q3/Q3-1）間曲線基本無交叉，可實現保護配合。④Q1，Q3與Q3-1脫扣曲線在瞬動保護區間（5 000～7 000 A）段重疊，三級開關無選擇性。

第三種典型配置分析：

對第二種典型情況的Q1、Q3瞬動定值調整后脫扣曲線（Q1BP/Q2BP定值設定與Q3相同）如圖5所示。

校驗結論：

（1）定值設定。

Q1/Q2：Ir=630 A，Tr=8 s;Ii=5 670A（2倍變壓器額定制）;Isd=6300 A，Tsd=0.4（大于瞬動值，相當于短延時保護退出）。

Q3：Ir=500 A，Tr=8s;Ii=4 095 A（接近1.5倍變壓器額定制）;Isd=5 000 A，Tsd=0.4（大于瞬動值，相當于短延時保護退出）。

Q3-1：Ir=400 A，Tr=8s;Ii=2 205 A（接近0.5倍Q3瞬動值）;Isd=4000 A，Tsd=0.4（大于瞬動值，相當于短延時保護退出）。

（2）根據脫扣曲線可看出，主進（401）、聯絡（463）與塑殼（Q1/Q3/Q3-1）間曲線基本無交叉，可實現保護配合。

（3）Q1，Q3脫扣曲線在瞬動保護區間（5 000～6 000 A）段重疊，此時SSTS進出線開關無選擇性;Q1/Q3與Q3-1間基本實現選擇性。

綜合以上3種典型配置分析，表3給出開閉所定值。

3 結論

通過分析配電網架構的特點，得出配電網設備數目遠大于主網設備數目，且配電網線段阻抗參數小，現場缺乏必要的阻抗參數等情況。使用短路計算的方法校驗保護選擇性，不論是計算量，還是現場不具備的條件都限制了該方法的實現，故提出了一套配電網繼電保護定值選擇性校驗方法。

（1）針對配網主干分支開關配置保護在線校驗的方法，是按以配電線路為單位分時序段，分別進行基于供電拓撲關系下的設備保護定值選擇性校驗，該方法能夠從宏觀上把握配電線路主干分支開關保護定值之間配合關系是否滿足選擇性要求，表現的特點是：校驗結果能夠簡單清晰描述出配電線路主干分支開關之間保護定值選擇性存在的問題，能夠快速跟蹤配電網運行方式改變。

（2）針對于集中區域，如開閉所、環網柜、配電柜內智能開關等設備配置保護在線校驗的方法，是按供電上下級拓撲關系，將各智能開關保護完整時序段動作曲線歸并在同一坐標下，通過相應時序段是否存在重疊區，判別保護定值選擇性是否存在問題，表現的特點是：校驗結果能夠直觀給出配電區域內設備之間保護定值及動作時間選擇性失配的問題。

（3）使用該套方法開發軟件系統應用到多個配電網實例工程中得到驗證是有效的。

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