湖北配電網繼電保護及饋線自動化配置策略研究

王 宇，謝琉欣，肖 明，張向陽，駱 實

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網襄陽供電公司，湖北 襄陽 441000；3.國網恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引言

提高配電網保護動作的選擇性，實現故障的就近快速隔離，是當前提高配電網設備及人身安全性和供電可靠性的重要課題［1-5］。目前國網湖北省電力有限公司2021 年10 kV 變電站出線開關跳閘高達6 800 余次，其中70%以上是由于支線故障或用戶內部故障越級跳閘，因此迫切需要一種既簡單可靠又能最大限度縮小故障停電范圍的解決方案［6-22］。文獻［23］通過對肇慶地區配網自動化建設現狀進行研究分析，提出肇慶地區配網自動化應用方案；文獻［24］針對國網合肥供電公司部分配網線路頻繁跳閘影響供電可靠性和客戶滿意度的問題，分析確認變電站出線開關的無選擇性跳閘是主要原因，開展了配網繼電保護優化方案的研究。整體來說，現有饋線自動化與繼電保護之間缺乏有效聯動。本文從單獨采用饋線自動化模式與繼電保護模式缺陷入手，并基于現有的網架結構進行分析，提出了適用于湖北電網的饋線自動化與繼電保護相結合的技術方案。

1 湖北配電網現狀

目前湖北配電線路主要投運饋線自動化為集中型和重合器式就地型饋線自動化。城區以集中型饋線自動化模式為主，由于光纖通信建設難度大、預算高，大多為采用無線通信的半自動集中型饋線自動化，需人工到現場進行故障隔離、負荷轉供，故障時變電站出線跳閘，需等人工隔離恢復，停電范圍大、時間長；與此同時大量線路終端數量少，故障區間分段少，偏遠地區信號差，故障區間判斷結果對現場搶修指導效果不佳。

重合器式就地型饋線自動化由于不依賴通信可靠隔離故障，作為縣域饋線自動化的主推方案。目前受終端設備數量、安裝位置等因素制約，部分線路建設完成后不能滿足故障自動化處置功能需求，難以實現有效覆蓋。同時大量配電線路配電自動化覆蓋均以初步覆蓋為主，難以達到故障有效隔離與自愈。

變電站10 kV出線開關速斷保護延時一般設置為0 s 或0.15 s，延時過流保護時限一般設置在0.3 s～1.0 s，在前期供電服務要求不高的情況下，可以完成故障隔離在線路，不蔓延到上級變電設備的要求，但在新的供電服務形勢下，現有的10 kV 出線開關定值難以滿足配電線路保護選擇性要求，支線故障易導致變電站出線開關越級跳閘。

2 存在的問題

建設配電自動化系統時，忽視了繼電保護問題，饋線自動化與繼電保護沒有形成有效聯動，功能應用相對獨立，保護動作選擇性差，線路下游、支線、用戶系統故障時會越級跳閘，造成全線停電。

采用純饋線自動化的情況下，主要依靠配電自動化系統實現故障隔離與恢復供電，故障點上游非故障區段用戶也會經歷短時停電，且裝置參數設定極為復雜。

采用純級差保護的情況下，由于配網結構復雜、線路長短不一、保護級數繁多等因素造成配電網線路保護整定困難，難以適應配電網運行方式頻繁變更工況。

3 技術方案

本文根據不同供電區域可靠性要求，提出繼電保護與饋線自動化功能協同配合模式，通過變電站出線開關與配電線路分段、分支、分界開關的功能配合，確保故障快速切除并減小故障停電范圍。

3.1 A+、A類供電區域

A+、A 類區域負荷密集，對供電可靠性要求高，多為重點城市的中心區域，以電纜環網結構為主，架空線路應實現多分段、多聯絡，須具備極快的故障處理方式和全面性的恢復手段。配電自動化系統建設模式根據以下原則選擇。

1）典型電纜線路

如圖1 所示，該線路位于A+類供電區域，用戶為商業CBD和政府單位，對供電可靠性要求高。該區域的配電室由S1、S2、S3、S4 4條線路雙環網供電。

圖1 A+區域典型電纜線路Fig.1 Typical cable lines in A+area

配置方案：雙環網線路主干線的環網柜選用一、二次融合環網柜，環網柜進線采用負荷開關，出線采用斷路器，配套安裝“三遙”配電自動化終端，具備測量、控制、重合閘投退、保護出口、過流檢測、接地故障檢測、歷史數據存儲與調閱、故障錄波、遠程維護等功能。

饋線自動化及保護選型方案：選用集中型或智能分布式饋線自動化模式。進線開關配置過流和接地告警，出線開關配置過流速斷和接地保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：主要采用光纖通信方式，可采用電力線載波通信進行補充。

2）典型混合線路

如圖2 所示，該線路位于A+類供電區域，為重要商業用戶，對供電可靠性要求較高，由S1、S2 2條線路供電。

圖2 A+區域典型混合線路Fig.2 Typical hybrid lines in A+area

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8）配置具備三遙功能的分段開關、環網箱，每個用戶前側加裝可就地切除故障的斷路器式分界開關（B1、B2）。

饋線自動化及保護選型：選用集中型或智能分布式饋線自動化模式。分段開關及環網箱進線開關配置過流和接地告警，分支、分界及環網箱出線開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用光纖通信方式，可采用無線、電力線載波通信進行補充。

3）典型架空線路（多分段、多聯絡）

該線路位于A類供電區域，為重要商業用戶，對供電可靠性要求較高，A 區域典型多分段、多聯絡線路如圖3所示。

圖3 A區域典型架空線路Fig.3 Typical overhead lines in area A

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5）配置具備三遙功能的分段、分支開關，用戶前側加裝具備可就地切除故障的斷路器式分界開關（B1、B2、B3）。

饋線自動化及保護選型：選用集中型饋線自動化模式，分段開關配置過流和接地告警，分支、分界開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用光纖通信，可采用無線、電力線載波通信進行補充。

4）典型架空線路（長線路）

A區域典型架空線路（長線路）如圖4所示。

圖4 A區域典型架空線路Fig.4 Typical overhead lines in area A

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4）配置具備三遙功能的分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的斷路器式的分界開關（B1、B2、B3、B4、B5），分段開關之間根據監測范圍（1 km～2 km）適當安裝遠傳型故指（C1、C2、C3、C4）。

饋線自動化及保護選型：選用集中型饋線自動化模式，分段開關配置過流和接地告警，分支、分界開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用光纖通信，可采用無線、電力線載波通信進行補充。

5）典型架空線路（大分支）

A區域典型大分支線路如圖5所示。

圖5 A區域典型大分支線路Fig.5 Typical large branch lines in area A

配置原則：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4）配置具備三遙功能的分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的斷路器式的分界開關（B1、B2、B3、B4、B5），大分支（A3）加裝分支斷路器。

饋線自動化及保護配置：選用集中型饋線自動化模式。分段開關配置過流和接地告警，分支、分界開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用光纖通信，可采用無線、電力線載波通信進行補充。

3.2 B類供電區域

B類區域負荷集中，對供電可靠性要求較高，多為地級市的市中心區、重點城市的市區、省級高新技術開發區等，區域內電網線路以多分段多聯絡的架空線路為主，部分重要干線采用10 kV 電纜線路。

1）典型電纜線路

參考A 類區域電纜線路案例，選用集中型饋線自動化。

2）典型混合線路

B區域典型混合線路如圖6所示。

圖6 B區域典型混合線路Fig.6 Typical hybrid lines in area B

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8）配置具備三遙功能的分段開關、環網箱，用戶前側加裝可就地切除故障的斷路器式分界開關（B1、B2）。

饋線自動化及保護選型：選用集中型饋線自動化模式。分段開關及環網箱進線開關配置過流和接地告警，分支、分界及環網箱出線開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用光纖通信，可采用無線、電力線載波通信進行補充。

3）典型架空線路（多分段、多聯絡）

B區域典型架空線路（多分段、多聯絡）如圖7所示。

圖7 B區域典型架空線路Fig.7 Typical overhead lines in area B

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5）配置分段、分支開關，用戶前側加裝具備可就地切除故障的斷路器式分界開關（B1、B2、B3、B4）。

饋線自動化及保護選型：采用就地型饋線自動化模式。分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：架空線路配電自動化終端主要采用無線通信，可采用電力線載波通信進行補充。

4）典型架空線路（大分支）

B區域典型大分支線路如圖8所示。

圖8 B區域典型大分支線路Fig.8 Typical large branch lines in area B

配置原則：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A4、A5）配置分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的斷路器式的分界開關（B1、B2、B3、B4、B5），大分支（A3）前端加裝分支斷路器。

饋線自動化及保護配置：采用就地型饋線自動化模式。分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：架空線路配電自動化終端主要采用無線通信，可采用電力線載波通信進行補充。

3.3 C類供電區域

C類區域負荷集中，對供電可靠性要求中等，多為地級市的市區、較為發達的城鎮等，區域內電網線路以多分段多聯絡的架空線路為主，個別重要干線可采用10 kV電纜線路。

1）典型電纜線路

參考A 類區域電纜線路案例，選用集中型饋線自動化。

2）典型混合線路

C區域典型混合線路如圖9所示。

圖9 C區域典型混合線路Fig.9 Typical hybrid lines in area C

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8）配置具備三遙功能的分段開關，用戶前側加裝可就地切除故障的斷路器式分界開關（B1、B2），柱上分段開關之間根據監測范圍（3 km～4 km）適當安裝遠傳型高精度故指。

饋線自動化及保護選型：選用集中型或就地型饋線自動化模式。對于集中型饋線自動化模式下，分段開關及環網箱進線開關配置過流和接地告警，分支、分界及環網箱出線開關配置過流速斷和零序延時保護，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。對于就地型饋線自動化模式下，分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：混合線路根據終端的配置方式及饋線自動化選用模式確定采用光纖或無線通信，可采用電力線載波通信進行補充。

3）典型架空線路（多分段、多聯絡）

C區域典型架空線路（多分段、多聯絡）如圖10所示。

圖10 C區域典型架空線路Fig.10 Typical overhead lines in area C

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4、A5）配置具備三遙功能的分段開關，用戶前側加裝可就地切除故障的分界開關（B1、B2、B3），分段開關之間根據監測范圍（2 km～4 km）適當安裝遠傳型故指（C1、C2、C3）。

饋線自動化及保護選型：采用就地型饋線自動化模式。分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用無線通信方式，可采用電力線載波通信進行補充。

4）典型架空線路（長線路）

C區域典型架空線路（長線路）如圖11所示。

圖11 C區域典型架空線路Fig.11 Typical overhead lines in area C

配置方案：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A3、A4）配置分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的分界開關（B1、B2、B3、B4、B5），分段開關之間根據監測范圍（2 km～4 km）適當安裝遠傳型故指（C1、C2、C3、C4）。

饋線自動化及保護選型：采用就地型饋線自動化模式。分段開關（A1，A2，A4）配置就地型饋線自動化邏輯；中間分段開關（A3）、分支、分界開關配置過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用無線通信方式，可采用電力線載波通信進行補充。

5）典型架空線路（大分支）

C區域典型大分支線路如圖12所示。

圖12 C區域典型大分支線路Fig.12 Typical large branch lines in area C

配置原則：對于配電線路關鍵性節點（A1、A2、A4、A5）配置具備分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的分界開關（B1、B2、B3、B4、B5），大分支（A3）前端加裝可就地切除故障的分支斷路器，分段開關之間適當安裝遠傳型故指（C1、C2、C3、C4）。

饋線自動化及保護選型：采用就地型饋線自動化模式。分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用無線通信方式，可采用電力線載波通信進行補充。

3.4 D類供電區域

D類區域負荷略集中，對供電可靠性要求一般，多為一般城鎮與農村等，區域內電網線路以輻射架空線路為主，部分重要線路可采用多分段多聯絡架空線路。

1）混合線路

參考C 類區域混合線路案例。

2）架空線路

D區域典型架空線路如圖13所示。

圖13 D區域典型架空線路Fig.13 Typical overhead lines in area D

配置原則：D 類區域架空線路可逐步實現標準化配置。過渡階段在線路上部署遠傳型故障指示器（C1、C2、C3）實現故障定位；最終階段對于配電線路關鍵性節點（A1、A5）配置分段開關，用戶前端加裝可就地切除故障的分界開關（B1、B2、B3），大分支（A2）前端加裝可就地切除故障的分支斷路器，分段開關之間適當安裝遠傳型故指（C1、C2、C3）。

饋線自動化及保護配置：采用就地型饋線自動化模式。分段開關配置就地型饋線自動化邏輯，分支、分界開關加用過流速斷和零序延時保護，加用跳閘功能，與變電站出線斷路器進行級差配合，避免用戶側故障造成線路停電。

通信方式：配電自動化終端主要采用無線通信，可采用電力線載波通信進行補充。

4 結語

配電網保護動作的選擇性對于保證系統的穩定性和可靠性有著重要的作用，但目前湖北10 kV 配電網保護動作選擇性差，線路下游、支線、用戶系統故障時會越級跳閘。本文根據湖北10 kV配電網的網架和負荷特點提出饋線自動化模式與保護級差配合模式相結合的方案，當線路發生故障時，可將停電范圍降至最小，避免支線故障或用戶內部故障越級跳閘，可最大限度發揮其應用價值，提升電網供電可靠性。