智能配电网应用差动保护技术相关问题研究

赵曼勇， 谭志海， 文安，2， 黄维芳，2

(1. 中国南方电网电力调度控制中心,广东 广州 510623; 2. 南方电网科学研究院,广东 广州 510062;3. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100000)

0 引 言

为解决日益严重的环境问题，分布式发电和智能电网相关技术近几年发展迅速。为提高风力发电、太阳能发电等各种分布式电源的接入消纳能力，传统配电网向智能配电网、主动配电网方向发展。传统配电网过流保护配置单一、逐级配合过流参数整定困难，存在无法实现故障精确定位的问题。

线路电流差动保护具有原理简单、使用电气量少、保护范围明确且无需逐级整定配合的特点，并且具有动作速度快、可靠性高的特性，能够适应多端电源线路故障的精确定位。因此，线路电流差动保护应用于配电网，特别是10 kV中压城市配电网，是解决配电网过流保护问题的一个较好的技术途径。文献[1]提出了配电网集中式差动保护系统，把被保护的区域看作广义节点形成差动保护区间，可实现配电网故障区域快速选择及切除。文献[2]把差动保护方案配置为集中式线路差动与就地式母线差动保护，实现电缆线路主动配网保护，通过集中式保护装置和DTU分别实现线路差动保护和母线差动保护。文献[3]提出了基于广义节点的配电网集中式差动保护模型和保护配置方法，以解决分布式电源接入和出现部分环网情况下配电网的保护问题。文献[4]根据有源配电网具有多电源、多分段、多分支和功率双向流动等特征，提出一种基于正序故障分量的电流差动保护方法，对差动保护动作判据进行了设计。文献[5]对基于差动保护的配电网闭环运行方式进行了研究，提出了具有三层结构(主站系统、集中式保护控制和配电智能终端)的集中式差动保护控制概念和系统架构。

综上所述，为解决各种分布式电源接入带来的双向潮流和传统配电网过流保护存在的问题，已有一些专家学者对差动保护应用于配电网的相关技术进行了研究，但针对差动保护技术应用于配电网存在的网络拓扑自适应问题、线路中断路器和负荷开关混合组网的适应性问题以及多种通信方式情况下的数据同步和对时问题鲜见相关文献报道。本文首先介绍了差动保护的技术原理及应用于配电网需要解决的相关问题，然后对相关问题分布进行了分析研究，提出了相应的解决方案，最后通过差动保护设备样机研制过程介绍和示范工程应用情况分析，验证了本文提出的差动保护应用于配电网相关问题解决方案的可行性。

1 配电网应用差动保护相关问题

差动保护是通过计算被保护设备两端配置的CT电流矢量差，当达到设定的动作值时启动动作元件。保护范围是配置了两端CT之间的设备(线路、发电机、电动机和变压器等电气设备)。

1.1 差动保护基本原理

电流差动保护是一种建立在基尔霍夫电流定律基础上的保护方式，在进行故障判别时只需要线路两端的电流量。因此，电流差动保护不存在与引入电压有关的问题，不受系统振荡和系统非全相运行等因素的影响和制约。而且，电流差动保护具有原理简单、计算量小等优点能够很好地满足继电保护的快速性、灵敏度和可靠性等要求[5]104。差动保护把被保护的电气设备看成一个节点，正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，电流矢量和等于零。当设备内出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，电流矢量和大于零。当被保护设备流进流出电流矢量和大于设定值时，差动保护发出指令，将被保护设备的各侧断路器跳开，使被保护设备从电网中隔离。

1.2 差动保护应用于配电网存在的问题

差动保护原理简单、使用电气量少，但是传统线路差动保护在投产时均固定为两端或多端差动，线路结构变化时需要工程人员对相关的各侧保护从硬件、软件及定值等各方面进行调整，涉及到的现场配置调整、调试的工作量比较大，检修调试时间比较长。线路差动保护应用于配电网中，由于配电网设备点多面广、拓扑结构复杂多变和通信方式多样等特点存在以下几个问题。

1)配电网拓扑结构变化的适应性

相对于主网，配电网设备和网络拓扑结构随着用户的接入和配电网建设改造，面临的变动更加频繁，若按传统电流差动保护方式设计，应用差动保护并完成现场调整调试工作量巨大，带来的经常长时间停电维护与配电网高可靠性要求冲突，这样在实际工程应用中存在应用推广困难等问题。考虑到配电网拓扑结构容易变化的特点，采用相应技术手段，使线路差动保护拓扑相关参数配置能够自动适应配电网拓扑结构变化，以减少拓扑结构变化后差动保护设备现场维护调试的工作量，有利于工程应用的推广。

2)断路器负荷开关混合组网的适应性

配电网的线路类型可以分为：架空线路、电缆线路和架空线与电缆混合线路。线路中的开关可以分为断路器和负荷开关两类。

配电网中线路主干线上的开关可以分为三种情况：第一种是开关全部是断路器，第二种是开关全部是负荷开关，第三种是既有断路器又有负荷开关。线路中的开关既有断路器又有负荷开关，这种断路器与负荷开关混合组网的线路最多，纯断路器和纯负荷开关的线路较少。线路差动保护应用于配电网，既要考虑架空线和电缆线路的适应性问题，又需要考虑线路中的开关全部是断路器、全部是负荷开关还是由断路器和负荷开关混合组成的适应问题。

3)多种通信方式的适应性

配电自动化系统与保护设备采用的通信方式多样、通信设备工作环境恶劣和通信系统可靠性低。配电自动化系统与保护设备的通信方式可以分为三大类：光纤、无线专网和无线公网。其中，光纤通信主要包括：EPON、GPEN、SDH、MSTP、ASON和PTN等。

线路电流差动保护应用于配电网需要考虑适应配网的各种通信方式现状，研究多种通信方式下的数据同步和对时技术，研究开发基于光纤和无线通信的差动保护技术，实现配电网基于线路差动保护技术的最小范围故障定位、隔离和快速恢复供电。

2 智能配电网应用差动保护相关问题解决方案

电流差动保护应用于配电网，能够解决配电网过流保护级差配置困难、无法适应大量分布式电源接入后引起的双向潮流问题，但是需要研究解决面临的配电网拓扑变化自适应、配网线路中断路器与负荷开关混合组网适应性、配电网多种通信方式下的全网数据同步和对时等问题。

2.1 配电网拓扑变化自适应

由于配电网改造频繁，配电网馈线中开关之间的拓扑连接关系经常发生变化，开关之间拓扑连接关系变化后对线路差动保护会产生影响，差动保护设备需要根据变化后的拓扑连接关系修改调整相关配置参数。如果每次拓扑变化后在现场手工修改调试受影响的差动保护设备相关配置参数，由于配电网设备数量众多且安装位置分散，拓扑连接关系变化频繁，会导致保护设备拓扑相关参数配置维护工作量大，进而影响差动保护设备在配电网中的应用推广。因此需要研究拓扑变化后，能够根据一定的规则生成影响保护设备拓扑相关配置参数，并能够远程更新到相应保护设备中，以实现保护设备对配电网拓扑变化的自适应，减少或避免保护设备拓扑相关配置参数现场维护的工作量。

配电网拓扑变化自适应利用配电自动化系统主站的模型变化检测和模型转换技术，生成模型变化后保护设备的拓扑相关配置文件，通过与保护设备通信把配置文件更新到设备，实现保护设备对配电网拓扑变化的自适应。电流差动保护配电网拓扑自适应技术实现步骤如下：

步骤1：配电自动化系统主站中检测配电网模型中开关拓扑连接关系的变化；

步骤2：若检测到开关连接拓扑关系变化，根据保护设备与开关的对应关系确定受影响的保护设备；

步骤3：根据变化后的开关连接关系、保护设备与开关的对应关系生成受影响的保护设备拓扑相关配置文件；

步骤4：步骤3生成的拓扑相关配置文件更新到相应的保护设备。

图1 开关连接拓扑图

图2 配电网拓扑变化自适应流程图

配电网线路中的开关按应用类型可以划分为出线开关、分段开关和联络开关三大类，忽略开关之间的负荷、馈线段等设备，开关之间的拓扑连接关系是一种树形供电关系，即出线开关作为树根，从出线开关开始逐层向下一层开关供电，一个开关可能有多个子开关(下一层的开关)，只能有一个父开关，即电源开关(上一层的开关)，开关之间的拓扑连接关系如图1所示。图1中，CB1为出线开关，B11、…、B14为第一层的馈线分段开关，B21、…、B25为第二层的馈线分段开关，B31、…、B37为第三层的馈线分段开关。配电网拓扑变化自适应实现流程如图2所示。

2.2 断路器与负荷开关混合组网的适应性

配电网线路中的开关一般既有断路器，又有负荷开关，差动保护应用于配电网需要适应配电断路器与负荷开关混合组网的这种开关拓扑结构。

断路器与负荷开关混合组网时，基于差动保护的故障处理方案为：负荷开关之间发生短路故障后，负荷开关上安装的保护设备线路差动保护功能启动，因负荷开关不能切断故障电流，通过负荷开关上安装的保护设备与相邻开关上的保护设备进行通信，先跳开负荷开关最近的电源侧断路器以隔离故障，断路器跳闸成功后再跳开负荷开关，负荷开关跳闸成功后再合上跳开的断路器。即通过“负荷开关之间发生短路故障→负荷开关上安装的保护设备的差动保护功能启动→负荷开关最近的电源侧断路器跳闸→负荷开关跳闸→跳开的断路器合闸”这样的处理流程和开关动作序列来达到最终故障周围负荷开关跳闸以最小范围隔离故障的目的。

2.3 多种通信方式下的全网数据同步和对时

线路差动保护应用于配电网中需要适应配电网具有多种通信方式的现状，需要针对不同的通信方式研究全网数据同步和对时技术。无论是采用有线通信还是无线通信方式，当传输出现不大于200 ms数据延时和不大于100 μs的同步误差时，保护设备应能正常工作。设备差动保护功能完善，且支持基于时间信息(TOD)和秒脉冲的数据同步方法。当采用无线通信时，保护设备接入的每一个间隔使用的带宽应不大于64 kbps。以太网无源光网络(EPON)广泛应用于配电网，借助现有的EPON通信网络实现线路差动保护经济可行，具有广阔的应用空间[6]95。文献[6]分析了EPON传输延时及抖动产生的机理，提出了差动保护抗延时抖动算法。IEEE 15888对时具有对时精度高且共用EPON的特点，适合于配电网环境下的差动保护之间的采样同步。基于GPS的高精度网络对时技术，采用NTP和PTP的对时协议实现网络的高精度对时也有一些相关研究应用[7-9]。相邻保护设备之间需要进行时钟同步，以保证各设备内时钟的一致性。IEEE 1588采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可以使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，节约大量时钟电缆。目前常用的有GPS(全球定位系统)和IRIG-B(国际通用时间格式码)两种对时方法，IRIG-B每秒发送一个帧脉冲和10 MHz基准时钟，实现主控机/客户机的时钟同步。数据同步方法有基于秒脉冲的数据同步方法和基于时间信息的数据同步方法。

3 样机研制与示范应用

根据本文对差动保护应用于配电网相关问题提出的解决方案，研制了差动保护功能样机和差动保护拓扑自适应模块，实现了配电网差动保护拓扑自适应、配电网多种通信方式下的数据同步和对时、断路器和负荷开关混着组网情况下的故障定位处理等功能。通过基于RTDS的仿真环境中测试和实际的示范工程现场验证测试，验证了本文提出的解决方案的可行性。

根据示范工程实际网络架构设计的测试环境使用的网络接线情况为：由110 kV主山站的F36瑞龙线和110 kV樟村站的F5堑头I线两条线路组成，线路中有5个配电房。其中，瑞龙路2号为联络开关站，其601开关为联络开关。差动保护拓扑自适应模块程序的主要功能为:监测主站系统中网络拓扑变化，网络拓扑变化后根据开关站与保护设备的对应关系生成保护设备拓扑相关配置文件，拓扑相关配置文件下发给保护设备。

4 结束语

考虑到配电网的实际情况和配电网设备点多面广、拓扑结构复杂容易变化等特点，分析研究了电流差动保护应用于配电网需要解决的问题，给出了问题的解决方案，通过样机研制和示范工程应用，验证了本文提出的差动保护应用于配电网相关问题解决方案的可行性。