适用于配电线路无通道保护的备用电源自动投入装置

刘 琨，董新洲，薄志谦

（1.广东电网电力调度控制中心，广东 广州 510600；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084；3.英国ALSTOM电网公司，英国 斯塔福德郡 ST174LX）

0 引言

配电线路无通道保护能够与传统的定时限过电流保护相配合，当故障线路一端断路器率先跳闸后，另一端断路器通过感受到的工频电气量变化来实现相继速动，提高了保护的动作速度，缩短了故障的切除时间。现有的4种配电线路无通道保护方案分别适用于不同结构的配电线路[1-4]。文献[5]在深入分析现有配电线路故障隔离模式的基础上，提出了一种基于无通道保护的配电自动化系统。该系统除了配备无通道保护外，还要求在主干线路上的所有开关都使用断路器，并在环网开关柜中安装使用备用电源自动投入装置（简称备自投或BZT）。

备自投装置的作用是[6]：当正常供电电源因供电线路故障或电源本身发生事故而停电时，它将负荷自动、迅速切换至备用电源上，使供电不至于中断。常用的备用电源自动投入方式主要有[7]2条线路互为备用自动投入、备用变压器自动投入和线路与母联断路器自动投入。文献[3-5]使用了2条线路互为备用自动投入的方式。备自投装置的动作判据一般为[7]：三相电压在最长故障切除时间Tmax之外低于整定值。

根据无通道保护隔离故障的特点，本文设计了新型备自投低压UV（Under Voltage）模块的启动判据和动作时间，使非故障失电线路区段的供电恢复时间最大限度减小；在投入到永久性故障再次断开时，一合一开2次扰动为对侧保护的过电流加速（AOC）模块在加速时间窗内提供电流变化量，可以从电源侧加速切除故障。实时数字仿真实验验证了整套方案的有效性。

1 基于无通道保护的配电自动化系统

图1所示为单电源、辐射状、有分支、配置单断路器的配电线路自动化系统[4]。正常情况下环网开关打开，整个网络呈2条辐射状线路。在单断路器配置的配电线路中，为保证环网开关合闸后能对失电负荷正常供电，需要从故障线路两侧进行故障隔离。

图1 单电源单断路器配电系统Fig.1 Single-source single-breaker distribution system

以断路器B2为例，需要隔离其前后2条线路L1和L2上的故障。继电器R2的基本保护配置为方向过电流OC（Over Current）模块和方向低电压DUV（Directional Under Voltage）模块。当故障发生在L1上时，R2是负荷侧继电器，其DUV模块动作；当故障发生在L2上时，R2是电源侧继电器，其OC模块动作。上下级保护之间动作的选择性通过时间的阶梯型整定来实现，时间级差设置为0.4 s。

当 L5发生不对称故障时，R4延时 0.7 s，跳开B4，如图1所示；R5在加速时间窗内发现非故障相的电流发生变化后[2-5]，加速动作，跳开 B5跳闸（＞0.7 s）。备自投检测到一端失去三相电压后，延时动作环网开关合闸，从而恢复了L4上负荷的供电。系统的最终结构如图2所示。当环网开关合闸成功后，备自投将转换为无通道保护，用于选择性地切除L3和L4上的故障。其动作时间仍然按照时间阶梯型整定实现。

图2 不对称故障发生在线路L5的最终系统结构Fig.2 Final system configuration when unsymmetrical fault occurs on L5

如图3所示，如果B6因为故障或检修退出运行，将环网开关闭合，保证对L6、L5和 L4上的负荷继续供电，R5和R4上的潮流方向都发生了变化。以R5为例，L6发生故障，R5由原来的负荷侧继电器变为电源侧继电器，其动作模块由原来的DUV模块变为OC模块。L5发生故障时情况刚好相反。因此，除故障方向检测元件外，还需要加上潮流方向检测元件，通过两者的配合使继电器进入正确的动作模块[4-5]。

图3 断路器B6退出运行时的最终系统结构Fig.3 Final system configuration when B6is out of service

2 配电自动化系统中备自投功能的实现

电力系统对备自投装置的基本要求为[7]：应该保证在工作电源断开后备自投才动作；工作母线上的电压不论何种原因消失时，备自投均应动作；备自投应保证只动作一次；如果备自投投入到永久性短路故障，继电保护应该将备用电源断开；当工作电源和备用电源同时失电时，备自投不应该动作；备自投的动作时间应该尽可能短，以便快速恢复对用户供电；备用电源投于故障时，应使继电保护加速动作。

备自投功能主要由以下两部分实现。

a.UV模块。此模块用于检测工作电源是否消失、备用电源是否完好。在2条线路互为备用自动投入的暗备用方式中，此模块需要同时检测每侧线路末端的三相电压。其启动判据与无通道保护DUV模块的启动判据类似[4]，但是不包含潮流方向和故障方向的判别（备自投在没有闭合环网开关的情况下检测到的二次侧电流为0）。启动判据为：

其中，N为每周期的采样数；U（n-2N）为2个周期前的电压有效值；U（n）为当前的电压有效值；下标s代表 a、b、c三相中的某一相。

该判据直接反映了故障后每相电压的跌落幅度。Cs在正常运行的情况下接近于0；当失去工作电源时，每相的Cs都将迅速增大。当UV模块启动后，装置将持续检测工作电源是否恢复并确认备用电源的存在。如果工作电源没有恢复，在一定的时间延迟后，UV模块将启动环网开关闭合。UV模块的动作时间延迟必须考虑整个系统保护的最大动作时间，以避免在保护没有清除故障之前将备用电源投于故障上。

b.保护模块和加速跳闸模块。在备自投闭合环网开关成功后，备自投将作为无通道保护中的一级选择性地切除发生在两侧的故障，其动作时间可按照图2所示设定，从而实现了与上下级保护的配合。如果故障发生在线路L3或者L4，备自投将合闸于故障线路上，加速跳闸模块需要无时延跳开环网开关，其只在备自投动作环网开关闭合后的一段时间内有效。对于有效期之外发生的故障，保护模块将按照图2所示的整定时间动作。

3 适用于无通道保护的备自投新方案

3.1 适用于无通道保护的UV模块启动判据

传统的备自投UV模块启动判据如式（1）所示，此模块需要在检测到某侧工作电源的三相电压都减小到一定程度时才启动。

文献[3-5]中提到的负荷侧继电器的DUV模块的启动判据为任意单相电压减小到一定幅度，且潮流方向元件与故障方向元件满足配合关系。

备自投装置安装于环网开关处，位于每条线路的末端，如果不存在高压大容量感应电动机负荷（此负荷在外部故障或者断电后的残压衰减较慢，充电效应比较明显），备自投所反映的故障相电压跌落幅度与负荷侧继电器所反映的故障相电压跌落幅度是相近的。根据整定原则[7]，备自投UV模块的电压整定值较之于低压保护往往设定得更加严格，需低于额定电压的1/3。因此，如果将备自投UV模块启动判据由三相失压变为任意单相失压，在线路上发生不对称故障时，UV模块将提前启动且保证在负荷侧继电器动作之后才闭合环网开关，使得非故障线路段的失电负荷能更早恢复供电。

以图1所示系统为例，如果不对称故障发生在L5，备自投三相失压的条件只有在故障发生后0.7 s、R4动作跳开B4后才能满足，备自投再经过一定的时间延迟后才能使环网开关合闸。如果将三相失压改为任意单相失压，备自投与R4同时启动，只需要保证备自投的动作时间比继电器R4的负荷侧保护动作时间0.7 s大一个时间阶梯即可，从而实现了线路L4上的负荷尽早恢复供电。

3.2 适用于无通道保护的UV模块动作时间

如图1所示，在2条馈线中保护的最大动作时间是2.3 s。从基本要求来看，备自投在UV模块启动后至少需要一个比2.3 s更长的时间延迟之后才使环网开关合闸。

当不对称故障发生在L1时，R2的DUV模块首先在0.1 s动作，使B2跳闸，R1的AOC模块能根据加速时间窗内非故障相电流的变化量加速动作，跳开B1；当不对称故障发生在L2时，R3的DUV模块首先在0.5 s动作，使B3跳闸，R2的AOC模块能根据加速时间窗内非故障相电流的变化量加速动作，跳开B2。因此，将备自投UV模块的动作时间修改为比前一级保护的DUV模块动作时间高一个时间阶梯即可，分别为0.9 s和1.1 s，如图4所示。

图4 UV模块动作时间Fig.4 Operation time of UV module

但是当故障发生在L3或者L4时，备自投合闸于永久性故障，加速跳闸模块会无选择性瞬时断开环网开关。如果按照前面的方法整定备自投UV模块的动作时间，以故障发生在L3为例，在R3的OC模块于1.5 s动作之前，备自投就已经在0.9 s动作，使环网开关合闸于永久性故障，加速跳闸模块会再次瞬时断开环网开关。

备自投合闸于永久性故障不可避免，因为仅从末端的三相电压判断，备自投无法识别故障究竟发生在线路的哪一段。基本要求中指出应该保证在工作电源断开后备自投才动作，因此故障发生在L3时，要求备自投的动作时间大于1.5 s。但是如果线路L3上的故障是永久性的，即使在B3跳闸后，备自投仍会有一个动作环网开关“合闸—跳闸”的过程。

根据无通道保护的设置原则，R3的AOC模块会在不对称故障发生后设置一个以0.9 s为中心、宽度为50 ms的时间窗，用于检测非故障相电流的变化量，从而实现加速跳闸的目的。利用这一点，备自投通过在0.9 s动作，使环网开关合闸并迅速跳闸，在时间窗内引起2次三相电流扰动，从而为R3的加速动作提供可能性。理论分析可得到如下结论[8]：非故障相电流扰动大小主要与2条线路末端电压的矢量差有关，矢量差越大电流变化量越明显；故障相电流扰动的大小主要取决于系统阻抗、线路阻抗和故障电阻之间的大小关系。进一步理论分析可知[9-14]，以上过程将会增加故障相间或者故障相对地的短路电流（单条线路变为2条线路并联）。如果用户或现场无法接受这一现象，设置一个高于1.5 s的UV模块动作时间是有必要的。

4 实时数字仿真实验与结果分析

4.1 测试系统说明

基于实时数字仿真系统，在英国ALSTOM电网公司构建了基于无通道保护的配电自动化测试模型，其系统结构如图5所示。该系统为10 kV单电源辐射状系统，中性点经10 Ω小电阻接地。系统的线路参数为：正、负序阻抗均为0.17+j0.38 Ω/km，正、负序电纳均为3.03 μS/km；零序阻抗为0.32+j1.32 Ω/km；零序电纳为1.38 μS/km；电流互感器变比为1 kA/1 A，电压互感器变比为 10 kV/100 V；保护配置和时间整定值设置参考图4；断路器的跳闸固有时间设为40 ms，备自投合闸固有时间设为30 ms。

4.2 线路L2发生A相接地故障

图5 测试系统结构Fig.5 Structure of test system

图6 线路L2发生A相接地故障Fig.6 A-phase grounding fault on L2

相关继电器的响应如图6所示。R3为负荷侧继电器，故障发生后其DUV模块启动，计时0.5 s后动作，跳开 B3，如图 6（a）所示；R2是电源侧继电器，故障发生后其AOC模块启动，在以启动后0.56 s为中心、50 ms为半径的时间窗内检测到非故障相电流的变化，因此加速动作，跳开B2，跳闸时间稍落后于B3，加速效果明显，如图6（b）所示；备自投检测到A相电压跌落后即启动，与R3的启动同步，计时0.9 s后动作环网开关合闸，如图6（c）所示，L3上负荷的停电时间大幅缩短，系统最终结构与图2类似。

4.3 线路L3发生A相接地故障

图7 线路L3发生A相接地故障Fig.7 A-phase grounding fault on L3

相关继电器的响应如图7所示。备自投检测到A相电压跌落后即启动，计时0.9 s后使环网开关合闸，环网开关由于合闸到永久性故障上而瞬时跳开，如图7（a）所示；R3是电源侧继电器，故障发生后其AOC模块启动，在以启动后0.96 s为中心、50 ms为半径的时间窗内检测到非故障相电流的变化（环网开关“一合一开”产生2次扰动），因此加速动作跳开B3，动作时间上相对原计划的1.5 s大幅缩短，如图7（b）所示。

4.4 小结

本文还模拟了不同位置、不同类型的不对称性短路故障，结果表明：无通道保护能快速、有选择地隔离故障，备自投能快速恢复无故障区段负荷的供电。对称故障时不存在非故障相，电源侧继电器的AOC模块将失效；负荷侧电压电流均为0，DUV模块也将失效；文献[15]对这种情况下的故障隔离与自愈进行了详细阐述。针对瞬时性故障，文献[16]提出了一种适用于配电线路无通道保护的重合闸方案。

5 结语

根据配电线路无通道保护的特点，通过修改传统备用电源自动投入装置的UV模块启动判据和动作延迟时间，不仅能最大限度地缩短非故障区段负荷的停电时间，而且能充分加快电源侧断路器的跳闸时间，提高了该自动化系统的故障隔离性能和自愈性能，增强了该系统的推广应用价值。