含方向縱聯的鄰線閉鎖式配電網電流保護配置方案

鄧 串，湛 頂，蔡 碩

（1.國網湖北省電力有限公司天門市供電公司，湖北 天門；2.國網湖北省電力有限公司石首市供電公司，湖北 石首）

分布式電源加入配電網后，可能會出現短路電流超標、破壞電網三相電壓平衡、繼電保護裝置誤動或拒動等一系列問題。在分布式電源容量不斷增加的背景下，以往采取的改進整定值方法已經難以滿足配電網安全運行的需求。基于此，本文提出了一種含方向縱聯的鄰線閉鎖式配電網電流保護配置方案。

1 鄰線閉鎖式配電網電流保護配置方案的設計思路

所謂縱聯保護，是借助于通信通道采集線路兩端的電氣量，對比2 個電氣量是否存在明顯差異，如果有差異則說明此段線路存在故障，利用該方法快速鎖定故障位置。本文基于方向縱聯保護實現設計的電流保護配置方案，將電氣信息傳輸通道與閉鎖邏輯信號相結合，實現配電網的鄰線閉鎖通信，進一步提升了電流保護效果，具體結構如圖1 所示。

圖1 配電網電流保護配置方案示意圖

假設在圖1 母線C 處加入一個分布式電源，在故障發生后，故障所在線路的電流保護被觸發，及時閉鎖上級線路，避免出現保護誤動而擴大故障范圍的情況。同時，在分布式電源的上游線路配備雙端定時過電流保護，充當方向縱聯的后備保護。這樣一來，即便是縱聯方向保護存在拒動情況，后備保護也能在定時延時后將故障線路切斷，從配電網中隔離，從而保障配電網其他部分正常運行。

2 基于雙端故障的方向縱聯保護原理

以通信通道傳送線路兩端的方向元件作為信息采集點，將采集到的信息做比較。如果兩者的方向信息相反，則說明存在區內故障，兩端保護可靠動作；反之，則說明存在區外故障，這時發出閉鎖信號，將傳送線路閉鎖。相比于傳統的功率方向縱聯保護，本文提出的基于雙端故障的方向縱聯保護，具有故障識別效率快和定位精度高的優勢。例如，基于功率的方向縱聯保護中，如果初始負荷的電流參考方向從“電網側流向分布式電源側”改變為“分布式電源側流向電網側”，會因為初始功率的“+/-”設定發生改變而出現故障位置誤判的情況，進而導致閉鎖信號錯誤[1]。基于雙端故障的方向縱聯保護中，無論初始電流的方向如何變化，判斷結果總是“相反- 區內故障”和“相同- 區外故障”。由此可見，基于雙端故障的方向縱聯保護，能夠更加精準的分別故障所處位置是區內還是區外，保證了閉鎖信號的正確性，杜絕了誤動作。

3 電氣信息傳輸通道的選擇

所用基于方向縱聯的鄰線閉鎖式電流保護，都要建立專門的電氣信息傳輸通道，在滿足信息采集需求的同時，還能達到屏蔽電磁干擾、加快傳輸速度、保證通信可靠的效果。本文在設計鄰線閉鎖式電流保護配置方案時，基于可靠性原則、經濟性原則、大容量原則和易維護原則，對比了幾種常見的通信方式，對比內容見表1。

表1 常見通信方式性能對比

結合表1 統計內容可知，在5 種常見的通信方式中，光纖通信表現出傳輸速率快、抗干擾能力強、通信容量大等優勢，可以滿足電氣信息傳輸需要。在配置光纖通道后，配合縱聯保護線路，可以同步采集光纖通道兩端的故障信號數據，縮小了通信時間誤差，達到了實時檢測的效果。

4 重合閘的配置

分布式電源上游縱聯保護在檢測到線路故障并且順利跳閘后，要想實現重合閘必須滿足2 個前提條件：其一是故障兩側均跳閘；其二是同期運行。在分布式電源并入配電網的實際環境下實現同期運行有一定難度，本文在理論研究中用檢無壓裝置模擬同期運行過程。若并網過程中發生故障，首先讓配電網側的檢無壓裝置重合閘。此時故障點的兩端均已跳閘，不存在非同期情況。在檢無壓裝置實現重合閘后，再對分布式電源側的檢同步裝置進行重合閘[2]。兩次重合閘均完成后，系統故障得以消除，恢復正常運行。當系統遇到永久性故障，配電網側的檢無壓裝置在重合閘以后，斷路器會再次跳閘，這種情況下線路中檢測不到電壓，重合閘失敗，需要維修人員對故障作出處理。檢無壓與檢同步配合的重合閘過程如圖2 所示。

圖2 檢同步與檢無壓配合的重合閘示意圖

檢無壓繼電器的整定值設置是否合理，是決定故障點兩側斷路器能否正確動作的關鍵。本文將整定值設定為系統額定電壓的50%，可以在斷路器跳閘后作出正確動作。另外，基于經濟性考慮，利用斷路器的電容式套管從配電網中抽取電壓，以滿足檢無壓裝置和檢同期裝置測量線路電壓的需要。

5 動作時間的設定

使用鄰線閉鎖式電流保護時，各級閉鎖信號從發送端傳輸到接收端會花費一定時間，并且隨著雙端距離的延長，傳輸時間相應增加。本文在設計鄰線閉鎖式電流保護配置方案時，將閉鎖信號的接收等待時間（即動作時間）設定為10 ms。在保護動作指令發出后，前端的繼電保護裝置完成跳閘，啟動元件和其他各級保護應當即時復位。考慮到有些復位速度較慢的元件能夠始終維持閉鎖狀態，需要經過10 ms 的延時后再發送閉鎖信號，從而保證所有保護裝置能夠同時完成復位[3]。需要注意的是，在分布式電源的上游和下游，由于保護動作原理不同，因此設定的動作時間也有差異。

對于分布式電源上游的縱聯保護，根據信息比較結果判斷為“區內故障”后，可以直接發送閉鎖信號給鄰線；判斷為“區外故障”后，直接閉鎖兩端。所有動作均為即時動作，動作時間通常不超過10 ms；對于分布式電源下游的縱聯保護，各段電流需要根據整定時間靈活設定延時。例如，分布式電源的I 段電流動作時間為5 ms，即延時5 ms 后跳閘。而Ⅱ段電流需要接收到I 段閉鎖信號后再延時10 ms 跳閘。因此，分布式電源下游速斷保護的動作時間通常會達到15 ms。

6 含方向縱聯的鄰線閉鎖式電流保護配置方案

本文設計的含方向縱聯的鄰線閉鎖式電流保護配置方案，對分布式電源接入配電網后的繼電保護進行了改進。分布式電源上游安裝了基于電流相角方向元件的縱聯保護，同時接入鄰線閉鎖信號避免發生誤動或拒動；以雙端的定時過流保護作為后備保護。在分布式電源下游，安裝了基于鄰線閉鎖式的電流保護。這里以上游縱聯保護為例，接線方式如圖3 所示。

圖3 分布式電源上游方向縱聯保護接線圖

鄰線閉鎖式電流保護配置的實現流程如下：采集兩端電流值后，啟動方向元件，比較兩側方向是否一致。如果兩端同向，則判斷為“區外故障”；如果兩端反向，則判斷為“區內故障”。對于區外故障，實行兩側閉鎖保護；對于區內故障，首先閉鎖上線線路，在延時10 ms 后接收到閉鎖信號，完成閉鎖[4]。

7 線閉鎖式電流保護配置方案的仿真驗證

為了驗證含方向縱聯的鄰線閉鎖式電流保護配置方案的應用效果，本文選擇Matlab 仿真軟件中的Simulink 工具構建了配電網模型，并模擬分布式電源接入配電網的情況，驗證保護動作能否順利實現。這里以分布式電源上游保護動作為例進行仿真驗證，具體方法如下：

利用Simulink 工具構建2 臺按制器的仿真模型，假設方向元件的輸出信號為邏輯值“-1/1/0”，相應的相角差Δu 的判別范圍為“（θ＜Δu＜π-θ）/（θ-π）＜Δu＜-θ/（Δu=0）”，表示了“反方向/正方向/保持”3 種方向結果。這里閉鎖角θ取30°，則判斷依據Δu 的判別范圍為“（30°＜Δu＜150°）/（-150°＜Δu＜-30°）/（Δu=0°）”。在采集保護1 和保護2 的方向邏輯信號電平“-1/1/0”后相加。如果兩者反向，則縱聯保護的邏輯信號為“0”，為低電平，此時斷路器跳閘；如果兩者同向，則縱聯保護的邏輯型號為“2”，為高電平，此時斷路器合閘[5]。保護1 和保護2 的方向元件判別情況見表2。

表2 保護1、保護2 方向元件判別情況

在仿真實驗中，設定分布式電源容量為10 MW，在0.1 s 時發生永久故障，重合閘動作時間為0.5 s，仿真時長為1 s。根據上述設定條件，得到保護1 和保護2 的仿真結果，如圖4 所示。

圖4 保護1、2 故障電流波形圖

由圖4 可知，保護1 和保護2 均能在瞬時故障產生后，準確識別故障并且快速將故障所在線路從配電網中切除，達到了電流保護效果。同時在故障切除后立即啟動重合閘，不影響配電網的正常運行，該方案的可行性得到了驗證。

8 結論

在分布式電源并入配電網的過程中，如何實現配網運行的實時監測和故障的科學處理，是電力公司考慮的關鍵問題。含方向縱聯的鄰線閉鎖式電流保護配置方案，基于電流相角突變式方向判別原理，對各類保護裝置的按制邏輯信號進行了方向判斷，進而確定故障屬于區內故障還是區外故障。根據判斷結果，準確鎖定故障位置后使兩端跳閘，成功將故障線路隔離在配電網之外，保證了配電網的可靠和安全運行。