配電線路繼電保護系統中全線速切技術的應用

黃啟瑜

（重慶市電力公司永川供電局，重慶 402160）

1 配電系統速切保護原理

增加配電系統速斷保護的動作范圍，改善配電系統繼電保護的性能，主要有兩條途徑：①僅檢測一點的信息，通過復雜的算法和判據來提高保護性能，如自適應保護、無通道保護等：②通過交換多端的信息來提高保護性能。本文所研究的配電線路全線速切保護原理屬于后者。

在理論上，縱聯保護的原理和技術完全可以應用于配電系統，實現配電網絡的快速保護。但受成本、投資和維護等多方面的限制，且考慮到配電系統繼電保護在快速性和可靠性的要求不如在高壓、超高壓系統中嚴格，所以應根據配網系統的特點，構建適用于配電線路的縱聯保護系統。在輸電系統縱聯比較式保護中，縱聯信息的利用主要有閉鎖式和允許式兩種方式。

從信息交換和利用的角度而言，閉鎖式保護交換的是外部故障信息，只要被保護設備任何一側的保護感受為外部故障.就說明是外部故障，并向對側保護發出閉鎖信號，使各側保護都不動作；而當被保護設備各側的保護都感受不到外部故障時，說明發生了內部故障，互不發閉鎖信號，各側(主要指有電源的側)保護都能快速跳閘。

允許式保護傳送的是"非本側區外故障"的信息，若各側保護都感受到"非本側區外故障"，則表明是區內故障，互發允許信號，各側保護都能快速跳閘；而任何一側感受到"本側區外"故障時，就表明是區外故障，不會向其他側保護發允許信號，各側保護都小會誤動。在配電系統中構建配電線路全線速切保護，既可采用閉鎖式，也可采用允許式的保護原理，二者都能夠對配電線路保護區內的任意一點故障做到無時限切除。

2 閉鎖式速切保護方案。在輸電系統中一般采用距離元件或方向元件作為故障判斷元件。在配電系統中，一般只配備分段式過流保護，因此可以基于過流元件的動作情況研究如何對保護區內和區外的故障進行判斷區分。一個典型的配電系統結構如圖l所示 (圖中A-G為器件名稱)，用來說明配電線路閉鎖式速切保護方案的構成。

圖1 典型配電系統結構示意圖

A、G表示位于變電站的饋出線斷路器，D為手拉手開關，系統正常運行時，手拉手開關D斷開，此時的配電系統為傳統的單電源網絡。B、C、E、F為配電線路的分段開關，它們可能是負荷開關，也可能是斷路器。

2.1 下面以斷路器A處的保護為例說明閉鎖式速切保護的構成原理

(1)設分段開關B和C為能夠切斷故障電流的斷路器，且配有能夠檢測電流、電壓的饋線終端(FTU)或保護裝置。當AB之間的Fl點發生故障時，A處的過流元件會檢測到過電流，而其下游B處的過流元件不會動作，能夠確定故障位于AB之間，因此B不會向A處的保護發閉鎖信息，A處的保護在經過必要的確?？煽啃缘难訒r后跳開A，同時聯跳B，將故障隔離；若故障發生在BC之間的F2點，此時A、B處的過流元件都會檢測到過電流，B會向其上游的A發出閉鎖信息，并通過與下游C處的保護交換信息，確定故障點位于BC之間，跳開開關B、C隔離故障。

(2)如果B、C是負荷開關，無法切斷故障電流，只能依靠斷路器A切斷故障電流，但卻可以通過上述的判斷邏輯快速完成故障定位和隔離。設故障發生在BC之間的F2，A處的保護會瞬時動作跳閘切斷故障電流，并通過與B處的過流元件交換信息確定故障不在AB之間：而B處的過流元件與下游C處的過流元件通過信息交互能夠確定故障點位于BC之間，因此在A跳開后可以接著跳開B、C隔離故障，然后B和C分別與上游和下游開關處的FTU通信，合上相應的開關，恢復對非故障區段的供電。

如果變電站M退出運行，手拉手開關D閉合，AC段改由變電站N供電。此時各保護之間的配合關系發生了變化，此前的下游開關變為上游開關，通信對象也要相應改變。因此在配電系統中，通信的對象會有多個，通信更加靈活。

但一般而言，每個開關處的保護只需與相鄰的上游和下游的保護通信就能完成速切保護和故障隔離功能，因此對于特定結構的網絡，通信的對象也是確定的。只不過隨著供電電源的不同，上下游的關系不同而已。這可以借助主站對網絡結構進行辨識并制定通信策略，也可以由各保護裝置就地辨識潮流方向，根據供電電源的不同調整通信策略。

以A處的保護為例，基于過流元件的閉鎖式全線速切保護動作邏輯示意圖如圖2所示。A處的保護在判斷過流后不能立即參與邏輯的比較，需要有一個延時t，用來等待可靠收到下游的閉鎖信號，以防止保護誤動作。對于閉鎖式保護而言，通道是否正常工作十分重要。因此要有可靠完善的通道監視手段，一旦發現通道故障，立即閉鎖保護。

圖2 基于過流元件的閉鎖式速切保護動作邏輯圖

2.2 下面介紹對閉鎖式全線速切保護方案的評價

(1)從保護動作的快速性方面看，閉鎖式速切保護為了防止誤動作，必須設置一個延時等待下游閉鎖信號的可靠到來，該延時的長短主要取決于通道的類型和性能。一般情況下通道的延遲應該控制在50ms左右。

(2)從保護動作的安全性和可靠性方面看，如果發生了區外故障，閉鎖信號的丟失有可能造成速切保護的誤動作；但是虛假的閉鎖信號一般不會造成保護拒動。

(3)從實現的方案方面看，基于現有的分段過流保護構建閉鎖式速切保護比較易于實現。過流元件可以采用傳統過流保護中的任何一段，只需要根據不同要求對動作延時進行重新設定，此外還需要增加通信通道及相應的通道監視措施。基于過流元件的閉鎖式速切保護已經在供電公司的10kV配電線路上試運行，效果良好。

3 允許式速切保護方案。在允許式的速切保護方案中，除了過流元件外，還需要配備低電壓、低電流元件來配合區分區內和區外故障。仍以圖l所示的系統結構為例，此時各開關處的保護除了能夠檢測過電流，還應配置能夠反映電壓降低、電流減小的元件。

仍以A處的保護為例。設故障發生在AB之間的Fl點，此時A處的保護會感受到過電流，B處的保護感受到所在點電壓降低、同時電流也減小，這樣B會向A發允許信號，加速其動作切除故障。

圖3 允許式速切保護動作邏輯圖

假設故障發生在BC之間的R點，此時B處的保護也會感受到過電流，因此不會加速A處的保護動作。C處的保護則會感受到電壓下降、同時電流減小，因此C會加速B處的保護動作切除故障。此后，可以結合網絡拓撲結構和保護的判斷結果，完成故障隔離和對非故障區段的恢復供電。

由此可以看出，允許信號是一種加速保護動作的信號，該信號允許相關保護無時限動作。以A處為例的允許式速切保護動作邏輯如圖3所示。

在允許式速切保護方案中，需要對下游的電壓高低進行監視，目的是防止下游饋線空載運行時可能導致速切保護誤動作。下面是對允許式全線速切保護方案的評價。

(1)從保護動作的快速性方面看，邏輯中沒有人為的延時，故障切除的延時主要取決于允許信號的傳送時間，動作快速性好。

(2)從保護動作的安全性和可靠性方面看，如果發生區內故障但沒有及時收到允許信號或根本沒有收到允許信號，會造成速切保護緩動甚至拒動，但此時依靠后備保護仍能夠切除故障，不會造成很嚴重的后果；正常運行情況下如果產生虛假的允許信號一般也不會造成速切保護誤動作，因此允許式速切保護具有較高的安全性和可靠性。

(3)從方案實現方面看，允許式速切保護方案中不僅要具備檢測過流的保護元件，還要有能夠反映低電壓、小電流的保護元件，保護配置稍顯復雜。

(4)通信通道故障不會對允許式速切保護產生嚴重影響。如果通道故障，內部故障時速切保護無法動作，可依靠其他保護裝置或后備保護切除故障，最多帶來一定的故障切除延時。理論分析和運行經驗都表明，閉鎖式和允許式速切保護各有優缺點。

4 速切保護通信通道。通信通道是實現配電線路速切保護功能的關鍵，無論是閉鎖信號，還是允許信號，都需要借助通信系統快速、可靠的傳送。與輸電系統相比，配電系統的通信手段不夠完善，也不可能大規模投資重新建設通信系統，因此只能根據配電系統的特點和現場條件，選擇適當的通信方式。

4.1 專用或復用光纖信道。在有條件的配電系統中應優先采用專用或復用的光纖通道傳送速切保護所需要的信息，這樣可以充分保證信息傳送的快速性和可靠性。

4.2 導引線。如果通信距離較短(一般為幾百米)，例如短的并網線或發電廠內部的短線路，可以考慮采用導引線傳送信息。這種方式成本非常低，系統構成也較簡單，可以直接將下游保護的動作信息以開關狀態的形式傳送給上游保護，信息傳送的快速性能夠得到充分保證。但導引線易受干擾，因此為了增加通信的可靠性，可以考慮采用屏蔽效果較好的導線，同時輔以濾波器、避雷器等抗干擾措施。

4.3 電力線載波。在已經裝設載波通信的配電系統中可以采用復用載波通道的方式傳送相關信息，實現方式與輸電系統中的載波通信類似。

4.4 數傳電臺。在不具備完善通信設施的變電站中可以考慮采用無線數傳電臺的方式進行通信。該方法的優點是工程量很小，可以在很短的時間內建立通信系統，且施工無需停電。但前提是通信視野必須開闊，無高大建筑或山體阻擋，對通信環境要求也較高，強大的電磁干擾或臨近無線通信干擾都會使數傳電臺工作不可靠。

4.5 移動通信。移動通信近幾年來發展迅速，所提供的業務類型也比較豐富，因此借助移動通信網絡完成通信任務也是可用途徑之一。但由于移動通信屬于公共通信的特點，因此用于電力系統中快速性和可靠性都是比較大的問題，且移動通信也面臨著干擾、信號等無線通信所共有的不利問題。但是從另一個方面看，配電線路保護的位置相對固定，通信途徑也就相對固定，以利用這個特點，從技術層面上簡化連接建立的過程，達到減小通信延時的目的。

上述幾種通信通道均可應用于配電線路全線速切保護系統中，可以根據現場通信條件和投資靈活選擇。隨著配網自動化系統的發展。光纖通信在配網系統中被越來越廣泛的采用，在FTU處配置光端機.通過單模光纖與主站通信。目前，常用的光端機一般都配備了至少6路獨立的RS2232接口、多路RS2485接口甚至以太網接口，因此有豐富的冗余接口供保護裝置使用。故光纖通信是首選。

結論：隨著配電系統的改造，配電線路供電半徑逐漸縮小，但短路容量卻在不斷增加，不僅給傳統過電流保護帶來整定、配合方面的問題，而且配電線路故障切除時間過長也會給電網的安全穩定運行帶來很大的影響，這些影響已經不容忽視。

[1]叢偉，潘貞存，鄭罡，段昊，施嘯寒.配電線路全線速切繼電保護技術. 電力自動化設備，2009年4期.