多电源多支线配电网面保护方法

盛文玥（上海电力设计院有限公司，上海200025）

多电源多支线配电网面保护方法

盛文玥
（上海电力设计院有限公司，上海200025）

为了解决传统馈线保护整定配合困难的问题，借助于高速发展的通信网络建立起来的面保护技术，提出一种简单易行的最小子网异或法，终端可根据自身和相邻设备的故障状态执行跳闸逻辑，共同实现本区域面保护，并且提供了针对不同的故障形式和电网结构的解决方案。该方案可适用于多电源多支线的复杂配电网。

面保护；馈线保护；最小子网异或法；多电源；多支线

配电网相比较于输电网，具有线路复杂多变，馈线沿线的分段开关串联多、分支多，拓扑变化多的特点。为保证供电可靠性，设计出多电源互备，使得整个配电网呈现无确定模式的网状结构。

但在传统馈线保护中，根据就地实时监测和整定值完成故障跳闸，靠电流定值和时间配合完成故障定位的工作方式在配电网沿线级联复杂的情况下，会使得沿线保护配合困难，甚至于无法合理整定。电子和通信技术的发展使配电终端可同时具备线路保护和远动通信能力，终端之间互换信息，由此发展成区域协调联动的面保护，可有效解决区域配电网线路保护问题。

1　面保护概念

面保护是根据网络多台保护的故障信息，判断故障段，舍弃了时间和过流值的配合，使判断更准确、更快速。很多电力专家在这方面进行了建设性的研究。一种方法为相邻设备对等通信，下游对上游发送闭锁信号，上游对下游发送跳闸信号，沿馈线级级传递，完成手拉手环网的故障隔离，但该方法不能运用于多电源复杂电网；文献[1]提出了一种统一矩阵算法，用以解决复杂配电网故障定位和隔离，其算法严密，定位明确；文献[2]提出了基于遗传算法的故障位置判定法，具有一定容错能力；还有其他如神经算法、蚁群算法等，这些方法计算量大，或涉及复杂数学模型，实现起来较为困难。

本文提出一种基于普通保护逻辑的最小子网异或法，可以准确、快速解决复杂网络的故障判断，实现面保护。

2　最小子网异或法

一般区域配电网结构如图1所示。考虑任意两至多节点的区段，即多分支线路如图2所示。当发生的是单一故障时，如果故障在本区段如图2（a）所示，那么有且只有一个节点过流，过电流经该节点流至故障点后流回；如果故障在本区段某支路的下游，图2（b），那么一定有2个节点过流，一入一出再到故障点流回。因此单一故障下对任意区段，当相邻节点中仅有一个过流时，故障在本区段，当有2个节点过流时，故障不在本段。

图1　区域配电网Fig.1Regional distribution network

图2　多分支过流情况Fig.2Multi-line circuit overcurrent condition

若故障在本区段，1个节点过流，因此所有相邻节点异或的结果必定为1，此时本节点应跳闸；若故障不在本段，2个节点过流，所有相邻节点异或的结果必定为0。据此笔者提出最小子网异或法，来判断故障区段、确定节点是否跳闸。

在图1中，从电源点出线断路器开始，经串联、分支等回入另一或多个电源点的区域配电网，在各个开关节点，包括断路器、分段开关、联络开关处，一对一安装具备保护远动功能的终端，组成区域通信网。各节点和其相邻节点形成一个最小子网，例如图1中节点2的最小子网由1、2、3、4节点组成。

出线断路器处的终端，具备传统线路保护的定时限过流跳闸和一次重合闸功能。当由该出线供电的馈线发生故障时，定时限动作使断路器跳闸，并经一次重合闸排除瞬时性故障，如果再次跳闸则为永久性故障。

在永久故障发生时，由于有一次重合闸过程，短路电流经过的节点会连续两次检测到过电流。因此，各终端实时监测本节点电流值，一旦检测到连续2次过电流，则置本机故障信号为1，否则为0，并通过通信向相邻终端实时发送其故障信号值，这样每一节点终端都能得到其最小子网内所有终端当前的故障信号。

当发生永久故障，出线断路器已二次跳开后，包括断路器在内的各节点终端执行启动逻辑和跳闸逻辑，以此隔离故障区段，注意各终端为逻辑执行单元，该逻辑称为最小子网异或法。

启动逻辑：当本节点检测到连续两次过流时置本机故障信号为1，其他情况都为0，同时接收所有相邻设备的故障信号值。那么本节点或任意相邻节点有故障信号置位时启动跳闸逻辑。节点4启动逻辑图见图3。

图3　图1节点4面保护启动逻辑Fig.3Plane protection starting logic at node 4 of Fig.1

跳闸逻辑：本节点任意一侧的所有相邻节点故障信号相异或的结果为1时跳闸。节点4跳闸逻辑图见图4。

图4　图1节点4面保护跳闸逻辑Fig.4Plane protection tripping logic at node 4 of Fig.1

例如，图1中A处发生短路故障，那么在节点7、1、4检测到2次过流，故障信号为1，其余节点为0。根据启动逻辑，只要自身或相邻终端有故障信号为1，则启动，因此节点7、1、4、2、5、6终端启动，执行后续跳闸逻辑，其余节点则不作任何动作。

以节点4跳闸逻辑为例，其左上侧与节点1、2相邻，将4、1、2三个节点的过流故障信号相异或，结果为0，说明1、4、2节点相连的区段无故障；其右下侧与5、6相邻，将4、5、6节点故障信号相异或的结果为1，说明4、5、6节点相连的区段有故障；根据跳闸逻辑，只要节点任意一侧的异或结果为1，则该节点跳闸，因此最终得出节点4跳闸。

总结各节点逻辑过程见表1，最终4、5、6节点跳开，正确隔离故障。

表1　各节点跳闸逻辑过程及结果Tab.1Logic process and result of the tripping of each node

图5　图1 A点故障保护动作时序图Fig.5Sequential drawing of the fault protection at node A of Fig.1

3　逻辑验证

文献[1]提出的矩阵法是一种被广泛采用、判断明确的故障定位方法。它先根据局部配电网的拓扑连接形成网络描述矩阵D。假设网络有N个节点，则可构成N×N方阵，若节点i和节点j相邻，则方阵D的元素dij、dji为1，否则两元素都为0。再根据各节点过流情况形成故障信息矩阵G，还是由N个节点构成N×N方阵，故障发生时，如果第i个节点检测到过流，那么矩阵G对角线上元素gii置为0，未检测到过流则置为1，G阵非对角线上元素都置为0。将矩阵D和G相乘后得到矩阵P′，其对称元素异或为1时，即时，节点i和节点j之间的区段可能存在故障，表示异或。

再对矩阵P′进行规格化处理得到故障矩阵P，即P=g（P′）=g（D×G），其目的是从P′可能存在故障的区段中去除无故障段，最终得到的故障矩阵P反应了确切的故障区段，若矩阵P的对称元素相异或为1，即，则节点i和节点j之间的区段有故障。

用矩阵法对图1中A点故障进行判断。网络描述矩阵D见式（1），故障信息矩阵G见式（2）、矩阵P′见式（3），故障判断矩阵P见式（4）。

形成P的规格化处理过程为：若dmj，dnj，…，dkj为1，gmm，gnn，…，gkk至少有2个0，则将P′的第j行和第j列全部置为0后形成P。可用通俗的语言描述为，在一个多分支的区段，选择其中无过流信号的节点，若相邻节点有至少2个过流信号，则将此节点相连的所有区段排除。

因此矩阵法可总结为，2节点相邻，且过流信号状态相反，相连区段的所有节点中少于2个节点过流，则2节点间的区段为故障段。这个判据与本文提出的面保护跳闸逻辑完全一致。

4　拓扑变动考虑

在真实配电网络中，根据周边用电和网架改造需求，经常局部增减分支，增加环网分段等，用最小子网异或法仅需要将变动的相邻关系告知个别终端，涉及面极小，可操作性强。

对于那种不改变网络拓扑即相邻关系，仅改变联络开关位置的运行模式变动，因该保护逻辑与节点自身分、合状态无关，只关心相邻设备的故障状态，因此无需任何变动，本方法自适应运行模式变化。

5　适用性考虑

以开环运行的复杂配电网发生过流故障为例，提出了最小子网异或法。适用于接地系统、单侧电源供电的开环运行方式。在实际的运用中，针对其他故障形式和电网运行模式，采用不同的判据对故障信号进行置位后，可使本方法依然适用。

单相接地故障占据10 kV架空线路大部分的故障情况，对不接地系统过流特征不明显，可以采用首半波判定法，在检测到电压突然跌落后，对事件发生时暂态电压、电流首半波进行相位分析，相位相同的判定为零流故障，置故障信号，其他情况不置。

分布式微电源的接入，常采用并列运行模式；另外环状、辐射状系统在较短的时间内也可能处于并列运行状态，故障发生时，故障段下游的终端也会检测到过流，可以通过功率方向来置位故障信号。选择主要供电电源方向为正，当过电流方向与之相同时，置故障信号，其他不置。图5电网故障信号为表2。

图6　并列运行电网故障情况Fig.6Faults in the parallel operation power grid

表2　并列运行故障信号判定Tab.2Judgment of the parallel operation fault signal

通过故障信号判定及置位的变化，使最小子网异或法可实现其他故障形式和运行方式的面保护。

6　结论

当配电网设计为电缆环网或辐射网开环运行，采用接地系统、小电阻接地系统的情况下，基于过电流判定的故障信号正确率高，绝大多数的故障能通过最小子网异或法实现准确、快速的面保护，逻辑严密而且简捷，易于实现。本方法仅需要相邻设备的故障信号，不依赖于整个区域所有设备的正常通信，最终共同形成对整片区域的面保护。

当系统为不接地或经消弧线圈的小电流接地系统时，基于常规零序电流检测的故障信号判定容易出现漏判，在采用本方法时应选择有针对性的故障检测手段，如首半波法、信号注入法等，以提高故障信号的正确率。

特别是本方案自适应运行模式变化，对拓扑变化仅需要改变个别设备相邻关系，因此在配电网具有相当实用性。

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（编辑董小兵）

The Plane Protection Method for Multi-Power Multi-Branch Distribution Network

SHENG Wenyue
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

In order to overcome difficulties in the setting of the conventional feeder protection，by means of the plane protection technology built due to the rapid development of communications network，this paper proposes a simple method of minimal subnet XOR.With this method，the terminal can execute the logic tripping according to the fault state of the equipment itself and neighboring equipment to achieve the plane protection in the region.And the paper also provides solutions for different failure modes and grid structures.This scheme is applicable to the multi-power distribution network of the multi-line circuit.

plane protection；feeder protection；smallest subnet XOR method；multi-power；multi-line circuit

1674-3814（2015）06-0064-05

TM76

A

2015-01-18。

盛文玥（1977—），女，本科，工程师，从事输变电工程电气设计工作。