配電網區域保護原理研究與實施

劉順桂黃 超唐義鋒趙軍平袁啟洪

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518100；2.深圳深寶電器儀表有限公司，深圳 518100；3.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100193）

配電網區域保護原理研究與實施

劉順桂1黃 超1唐義鋒2趙軍平2袁啟洪3

（1.深圳供電局有限公司，深圳 518100；2.深圳深寶電器儀表有限公司，深圳 518100；3.北京科銳配電自動化股份有限公司，北京 100193）

本文提出配電網區域保護的原理，即借助于對等式通信使不同地點智能終端能夠在毫秒級時間內進行協調，實現了保護的快速性和選擇性的統一，解決了配電系統中短距離、多級開關串聯而其保護互相之間無法配合的問題。根據我國配網現狀，可分為開環模式、閉環模式、全斷路器組網模式、混合組網模式、通信異常處理等等多種類型。實施案例表明，基于區域保護的配電自動化終端能夠毫秒級將故障切除、隔離，顯著加快了故障處理速度，有效避免了越級跳閘，提高了供電可靠性。

區域保護；對等式通信；混合組網；開環模式；閉環模式

我國配網一般采用輻射型結構的線路，或者采用將輻射線路末端互連構成手拉手的雙電源環網結構。由于線路距離較短，級聯開關較多，以及分布式電源DG的大量接入使得配網成為結構復雜的多電源網絡，所以網絡能量也不再是單向流動。而傳統的配電系統電流保護的實質是一個獨立的單元保護，它只檢測流過所監測開關的電流而決定保護的動作與否及動作延時，而不關心相鄰開關的保護動作情況。這是造成相鄰保護相互配合困難的主要原因。用這種方式來隔離故障是非常困難的，不再適應新的配電網絡。

本文介紹一個適合含分布式電源配電網的保護配合方案，稱為區域保護。這是一個全新的保護理念，使配網自動化系統的保護配合走過由分布到集中，由集中再到分布的歷程，利用現代的通信方式和簡單易行的判據，使整個網絡在互動中更高效地完成配合。

1 區域保護技術

1.1 核心原理

通過對傳統保護和集中式數字邏輯保護的研究，引入對等式通信網絡，形成了新型的區域保護策略。其核心原理是借助對等式通信網絡，將每個開關保護單元檢測的數據信息、故障判別信息、開關狀態等信息與相鄰開關實時共享，使不同地點的保護能夠在毫秒級時間內進行協調和配合，保障離故障點最近的斷路器跳閘，其他開關進入后備、不跳閘，使故障停電范圍最小、故障停電時間最短，實現了保護的快速性和選擇性的統一。技術特點如下。

1）速度快：采用主動發布故障信息，而不是以往的輪詢方式，節省了時間。

2）邏輯算法簡單可靠：邏輯判據只需知道自己和相鄰開關的保護啟動狀態，簡單快捷而又非常可靠。

3）不依賴子站：無需保護子站，化解了子站癱瘓可能帶來的風險。

4）提供后備保護：所有感受到故障的開關，若判斷自己非故障末端，則轉入后備。一旦末端開關跳閘失敗，則由后備開關切除故障。

5）適應性強：適用于各種網絡，而不必關心網絡的連接結構和系統的運行方式。

6）轉供優化：故障隔離成功，聯絡開關滿足轉供條件，根據隔離開關負荷監測數據和自身帶載容量，自行判斷是否確定轉供，以免轉供后線路過負荷。

1.2 通信系統建設

根據智能配電網的要求，通信系統的選擇和設計應具有可靠性、實時性、雙向性、靈活性。結合區域保護的實際情況和建設需求，確定其通信系統采用光纖以太網自愈環網（雙環）通信方式。

光纖以太網自愈環網（雙環）具有通信可靠性高、實時性強、網絡通信速率高、可擴展性強以及節約光纖資源和維護簡單等優點。其主要特點如下：

1）用光纖通信的多通道，可以將 FTU、DTU數據，依據系統的整體要求、實時性要求高低、數據傳輸量的大小、分類分通道傳送，系統維護方便，有利于提高網絡式保護的整體性能。

2）僅用4根纖芯即可實現具備自愈雙環功能的光纖冗余環路，在光纖斷線或光端設備出現故障時，可自行丟棄故障線段和故障光端機，重新組成新的環路繼續完成通信，提高了通信的可靠性。

智能配網自愈控制系統主要分為主站（或子站）、通信和終端3個層次。通信層的主要功能是提供通道，又可分為兩種，即主站（或子站）和各個終端間的通信和終端之間的通信。

主站（或子站）和各個終端間的通信：將控制中心的控制命令準確地傳送到為數眾多的遠方終端，并且將反映遠方設備運行情況的數據信息收集到控制中心，從而實現主站與遠方終端之間的互相通信，傳遞數據信息、設備狀態、控制命令等功能。建議采用基于TCP/IP協議的IEC 60870—5—104規約。

終端之間的通信：每個智能終端通過對等式通信網絡進行信息交互（電壓、電流、開關等狀態量，跳閘信息，故障后信息等）為區域保護算法提供數據。圖1所示為智能配網通信系統圖。

圖1 智能配網通信系統圖

2 區域保護的分類

2.1 開環模式

區域保護的開環模式算法適用于單電源輻射接線、N供一備（N-1）接線、多分段n聯絡等配網連接方式。網絡拓撲為樹狀結構，故障電流路徑單一，分析起來較簡單；主要的判據來源是開關本身及其相鄰開關的故障電流。

當發生故障時，故障電流流經的線路是從電源到故障點的一條路經，即故障區段必定位于從電源到末梢方向的最后一個經歷了故障電流的開關和第一個未經歷故障電流的開關之間。故障末端的開關除自身會感受到過流，其相鄰的開關中只有一個開關（其上游開關）會經歷故障電流。

2.2 閉環模式

區域保護的閉環模式算法適用于雙電源手拉手環網接線、三電源環網接線、雙環網等配網連接方式。當發生故障時，故障電流路徑不再是簡單的樹狀分布，而是會從多個電源匯集到故障點，這時，判據中加入方向判斷的元素是解決這個問題最直接有效的方法。因此，智能終端在監測故障電流的同時，需要計算故障電流的方向。

基本原則是：當本開關檢測到故障電流時，同時與故障電流指向的那一側所有相鄰開關保護通信，當該側相鄰開關沒有組合大電流流出（有故障電流通過且與本開關故障電流方向相反或沒有故障電流），則說明故障就在本開關保護區內，啟動本地保護速斷跳閘，否則自己只作為后備保護。

2.3 混合組網模式

配網中通常斷路器和負荷開關等多種類型開關并存。開關的種類不同，采取的自動化方案也不一樣。

區域保護可以根據聯接開關的不同而整定不同的功能，從而使整個自動化方案整潔、高效，方便改造、升級和擴展。

當聯接開關是斷路器時，它能在短路故障發生后，開斷故障電流，并根據設定要求進行一次或多次重合閘。其他相鄰開關根據對電流和電壓的監視，分別進行延時分閘或合閘操作，以隔離故障及轉移和恢復非故障區段的供電。

當聯接開關是負荷開關時，與上級斷路器配合，在上級開關清除故障后，故障兩側的開關跳閘，聯絡開關自動合閘，達到隔離故障和恢復供電的目的。

整個故障定位、隔離和轉供過程無需整個SCADA系統參與，使恢復供電時間大幅度縮短。

2.4 通信故障時的處理思路

通信是配電系統的神經，無論選擇哪一種通信方式，可靠性都應該是首先考慮的問題。

假如通信出現故障（物理故障或者軟件故障等），當收不到相鄰開關的電壓、電流、開關狀態以及故障跳閘等數據信息時，記通信不上的開關過流狀態為零，無論此開關實際狀態是否過流，保護都會依然按照原有判據進行判斷。這樣就可能出現保護越級跳一級或幾級，擴大故障范圍。因此，為增強區域保護的普適性，針對以上問題設計了完善的容錯方案。在系統中任何節點或裝置出現通信異常后，自動啟動容錯方案，通過一系列功能的自動執行，確保故障區段最終能夠被有效隔離，聯絡開關自動轉移供電。

2.5 故障區段的隔離和非故障區域的恢復供電

前幾小節描述了區域保護技術的故障定位和切除功能；同時，區域保護技術還需要隔離故障區域和恢復故障點后的非故障區域供電，其過程如下：

智能終端在切除故障點的同時將跳閘信息發送給相鄰開關，緊鄰故障點的、處于下游的開關可以在最短的時間內聯鎖跳閘，以隔離故障點（最短100ms）。

處于分閘狀態的聯絡開關如果收到該故障點的隔離信息，說明線路出現故障且智能終端已準確隔離故障，則啟動自動合閘轉供功能，以恢復非故障區域供電（最短為2s）。

3 實施案例

3.1 變電所基本情況

圖2是某區變電所高壓配電示意圖。在3#變電所內，開關設備K1-K13全部為斷路器，其中K1、K2為電源側開關，電源來自兩座變電站，K12為聯絡開關。原系統開關柜均裝有獨立保護單元。目前系統設計為開環運行，開環點可任意選擇 K1、K2或K12。

4#變電所內，開關設備T1-T4全部為負荷開關，原系統未裝設保護等二次自動化設備，4條線路均引自3#變電所。

圖2 3#、4#變電所高壓配電示意圖

3.2 保護配置要求

在 3#或 4#變電所內及兩座變電所之間任意線路發生故障，均能實現緊鄰故障點的電源側開關跳閘，快速切除隔離故障，聯絡開關自動轉供電，恢復非故障線路供電，使故障影響時間及范圍最小。正常運行時，聯絡點可以任意調整，無需調整配置，以均衡負載率。

3.3 區域保護配置

每套區域保護裝置，可以處理4路開關柜保護信息，每路保護功能通用，可以靈活配置斷路器模式或負荷開關模式，可自動轉換聯絡模式。

3#變電所共13臺開關柜，擬配置2套區域保護控制8路開關，剩余5路（K4、K5、K10、K11、K13）利用原獨立保護單元。每套區域保護裝置具體連接開關號可根據現場施工就近原則設置，不影響保護功能。

4#變電所為4臺負荷開關，可配置1套區域保護裝置，設置為負荷開關模式，與3#變電所配合。具體配置見表 1，因系統中配置的常規保護需要與區域保護進行配合，所以主環開關(K1、K2、K12)需要設置延時。

表1 保護配置表

另外，兩座變電所內存在常規保護與區域保護配合，當有一定保護延時，應將引出J3、J4線路的變電站出線保護速斷動作時限設置為300ms。

3.4 故障處理分析

為便于分析，將兩座變電所結構進行化簡，其示意圖如圖3所示。

圖3 3#、4#變電所高壓系統結構示意圖

1）切換聯絡點

在線路正常工作狀況下，可以通過遙控切換聯絡點實現倒換負荷。以K1為例具體操作如下：

（1）遙控斷開新聯絡點K1。

（2）遙控合閘原聯絡點K12。

（3）分段開關K1自動轉換為聯絡模式。

切換后的運行示意圖如圖4所示。

圖4 聯絡點切換后運行示意圖

2）主環線路故障

正常運行線路如圖5所示，F點處發生短路故障。處理過程如下：

圖5 主環故障點示意圖

（1）K2檢測到故障，按設定延時150ms后分閘。

（2）K12確認故障切除后立即分閘隔離故障。

（3）K1確認故障成功隔離后可立即合閘轉供電，恢復非故障區域供電，完成故障處理，如圖 6所示，總耗時約1.0s。

圖6 主環故障處理結束示意圖

3）變電所間線路故障

正常運行線路如圖7所示，變電所間F點處發生短路故障。

圖7 變電所間線路故障示意圖

處理過程如下。

（1）K2、K8檢測到故障，K8確認臨近故障點后速斷分閘，K2檢測到故障消失，不動作。

（2）T3下方由于沒有連接電源，可以不必分閘。若連接電源，則需分閘隔離。故障處理完成如圖8所示，總耗時約100ms。

如果 K8由于機械原因拒動，那么處理過程如下所述：

（1）K2、K8檢測到故障，K8確認臨近故障點后速斷分閘；接著K8由于機械原因拒動，K2收到拒動信號后立即由后備狀態進入速斷分閘。

圖8 變電所間線路故障處理結束

（2）K12確認故障切除后立即分閘隔離故障。

（3）K1確認故障成功隔離后可立即合閘轉供電，恢復非故障區域供電，完成故障處理，如圖 9所示，總耗時約1.0s。

圖9 變電所間線路故障、開關拒動處理結束

4）負荷開關線路故障

正常運行線路如圖10所示，變電所4#即負荷開關下方處發生短路故障。處理過程分為以下3個步驟。

圖10 負荷開關線路故障示意圖

（1）T3、K2、K8檢測到故障，K8確認為臨近故障點的斷路器，速斷分閘，K2檢測到故障消失，不動作。

（2）T3檢測到故障后，由于K8分閘失壓，所以執行分斷操作。

（3）K8于500ms后執行重合操作，合閘成功，恢復非故障線路供電。故障處理完成如圖11所示，總耗時約為600ms。

當T3通信故障時，處理過程分為以下7個步驟。

（1）T3、K2、K8檢測到故障，K8確認為臨近故障點的斷路器，速斷分閘，K2檢測到故障消失，不動作。

（2）T3檢測到故障但不能確定是否臨近故障點，由于K8分閘失壓，所以執行分斷操作。

（3）K8于500ms后執行重合操作，合閘成功，恢復非故障線路供電。

（4）T3一側檢測到電壓，啟動“得電延時合閘”功能，合閘。

（5）T3、K2、K8再次檢測到故障，K8速斷分閘，K2檢測到故障消失，不動作。

（6）T3檢測到故障脈沖，啟動“合到故障分閘閉鎖”功能，分閘閉鎖。

（7）K8于500ms后執行重合操作，合閘成功，恢復非故障線路供電。故障處理完成如圖11所示，總耗時約2.0s。

圖11 負荷開關故障處理結束

5）常規保護線路故障

正常運行線路如圖12所示，K4開關即常規保護下方處發生短路故障。處理過程如下。

圖12 常規保護線路故障示意圖

（1）K4、K12、K2檢測到故障，K4速斷分閘，K12、K2檢測到故障后在延時150ms時間內故障消失，不動作。

（2）故障處理完成如圖 13所示，總耗時約100ms。

圖13 常規保護線路故障處理結束

4 結論

基于區域保護的故障處理速度快、可靠性高。

在整個配網自動化控制系統中，它還可以通過配電自動化主站進行全局優化，消除傳統集中控制和就地控制的缺點。

配電自動化的緊急控制功能應盡可能下放到智能終端上實現，充分發揮區域保護的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和面積。同時基于主站集中式的網絡控制方式提供了優化的后備方式，一方面在就地控制出現錯誤時及時糾正，另一方面在綜合考慮了各種系統約束條件后，給出最佳的故障處理方式選擇，同時也提供了人工干預的接口，便于調度員監視和控制故障的自動處理過程。當通信網絡或主站控制系統發生故障而不可用時，也不會影響到分布式智能控制系統及時的完成故障處理和供電恢復。

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[5]Qihong Y,Chunguang Li,Qincheng Y,et al.Network Based Protection Based on the Peer-to-Peer Communication-Part I：Research on the Protection of the Multiple Power and Radicalized Connection Structure[C]//China International Conference on Electricity Distribution,Shenzhen,China,2014.

[6]Chunguang Li,Qihong Y,QinchengY,et al.Network Based Protection Based on the Peer-to-Peer Communication-Part II：Research on the Protection of the Multiple Power and Loop Connection Structure[C]//China International Conference on Electricity Distribution,Shenzhen,China,2014.

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[8]Xiaoyun H,Qincheng Y,Chunguang Li,et al.Research on the Network Reconfiguration after Distribution Network Fault[C]//China International Conference on Electricity Distribution,Shenzhen,China,2014.

Research and Implementation of the Regional Protection Principle in the Distribution Network

Liu Shungui1Huang Chao1Tang Yifeng2Zhao Junping2Yuan Qihong3
(1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.,Ltd,Shenzhen 518100；2.Shenzhen Shenbao Electronic Instrument Co.,Ltd,Shenzhen 518100；3.Automation Section,Creative Distribution Automation Co.,Ltd,Beijing 100193)

A new protection theory,the Regional Protection Principle,is brought forward in this paper.In order to achieve high speed and the selective protection of coordinates,Intelligent controllers,with the aid of the peer-to-peer communication system,collect information of adjacent switch and make a comprehensive judgment.Through this method,the scheme realizes the real distributed,digital and intelligent protection.According to the situation of distribution network in China,the Regional Protection Principle can be classified into Radial network,Loop network.,the whole breaker network structure,the breaker and load switch network structure,Fault-tolerant and so on.The implementation and the cases suggest thatthe distribution automation terminal,based on the regional protection,can locate and isolate the fault in milliseconds,significantly speed up the processing speed of the fault,effectively avoid the great trip and improve the power supply reliability.

regional protection；peer-to-peer communication；the breaker and load switch network structure；radial network；loop network

劉順桂（1963-），男，碩士研究生，主要從事新能源及系統運行方面的研究及應用工作。