继电保护与配电自动化协同故障隔离技术

卓梦飞，王敬华

（1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255087）

0 引言

配电网故障定位、隔离与恢复供电一直是电力部门致力解决的一大难题。近年来，随着配电自动化系统的大力建设，自动化处理故障的速度加快，配电网供电可靠性大大提高。配电自动化大力建设的同时，忽视了继电保护问题，继电保护整定和配置不完善，故障时变电站出线无选择性动作，明显扩大了停电范围。因此，需要将配电网继电保护与配电自动化统一考虑，形成完整的解决方案，将故障停电范围限制在尽可能小的范围内，避免故障时大面积停电问题发生［1-4］。

文献［5］提出一种多级级差保护与配电自动化协调配合的配电网故障处理策略，讨论了多级级差继电保护的可行性和分布式电源接入带来的影响，主要是针对配电自动化系统中的部分区域，讨论了分支线路配置原则，并没有给出主干线路配置原则。文献［6］论述了多级级差保护与电压时间型馈线自动化配合的原理，但没有分析出口断路器，对于主干线路只是单纯考虑了馈线自动化，没有考虑和继电保护的结合。文献［7］通过提高线路设备的绝缘水平和过电压防护技术来减少故障，但没有给出具体的故障隔离方案。

提出一种继电保护与配电自动化协同故障隔离技术。继电保护作为第一道防线可缩小配电网故障范围，配置简单，可靠性高且不依赖于通信；配电自动化作为辅助手段，纠正继电保护的无选择性动作。在配电自动化的过程中选用代理控制型馈线自动化的方法，可灵活选择代理终端，故障隔离更加准确，可靠性高。

1 原理分析

1.1 继电保护原理分析

对于长距离、分段开关数量少的开环农村配电线路，当线路发生故障时，故障点上游每个分段开关处，故障电流的大小差别明显，可设置三段式保护，采用电流定值和上下级差配合的方式，满足继电保护选择性和快速性要求［8-9］。

对于分段开关数量多的农村配电线路或者短距离的城市配电线路，当线路发生故障时，对于故障点上游每个分段开关处，故障电流差别不大，可通过设置保护延时，实现上下级之间的配合，有选择地切除故障。

针对110 kV/10 kV线路，假设变压器容量为50 MVA，变压器的短路电压百分比为15.5%，主变压器内部感抗为0.31 Ω，10 kV架空配电线路的阻抗为 Z＝0.17＋j0.33 Ω/km，将电压系数选为 1.1，忽略变压器绕组电阻及其背后系统阻抗的影响，线路上不同距离处发生短路时最大短路电流的变化曲线如图1所示。

由图1可见，短路电流幅值与故障距离基本成反比关系，出口断路器近端故障时，短路电流急剧下降，出口断路器远距离故障时，短路电流变化比较平缓。线路长度较短，供电电源不固定，采用二级保护配置方案，通过时间级差配合。线路长度大于10 km时，末端最小短路电流1～2 kA，可采用中间断路器保护。

图1 配电线路相间短路电流随故障距离的变化曲线

继电保护与配电自动化协同故障隔离技术方案中，分支线路开关、用户分界开关与变电站出口断路器相互配合，避免下游故障时出口保护越级动作，实现有选择性地故障跳闸，缩小停电范围。

1.2 配电自动化可行性分析

在配电自动化系统中，馈线自动化的实现方案分为3种，分别为就地控制型、集中控制型和分布式控制型［10］。其中分布式馈线自动化技术，通过馈线终端互相之间交换信息，实现配电线路故障定位、隔离与恢复供电；集中控制和本地控制的馈线自动化的供电恢复时间都在分钟级而分布式故障隔离系统可以在几秒钟内完成，大大提高供电质量，在分段开关采用断路器时，还可以直接切除故障，避免故障点上游区段停电，进一步加快故障点下游故障区段的恢复供电的速度。

分布式馈线自动化实现方式分为协同控制型和代理控制型。协同控制型馈线自动化，指多个智能终端决策，协同完成配电线路故障定位、隔离以及恢复供电；代理控制型馈线自动化，指故障定位、隔离与恢复供电的决策全部由1个代理智能终端完。以图2所示架空混合线路为例，QF1，QF2为出口断路器，Q1，Q4，Q5，Q8，Q9 为主干线路分段开关，Q2，Q6 为分支线路开关，Q3，Q7为用户分界开关，QL为联络开关。F点发生永久故障时，馈线终端FTU6通过与相邻的馈线终端交换故障信息得知FTU1，FTU2，FTU3都检测到有故障电流流过，而FTU4没有检测到故障电流流过，判断出故障区域在Q4与Q5之间；代理终端遥控Q4，Q5分闸，FTU6在确认Q4与Q5都跳开后，显示故障隔离成功的信息。

图2 典型架空混合线路

代理控制型分布式馈线自动化通过控制代理终端实现故障隔离，故障隔离速度较慢，但易于实现。在此方案中选用代理控制型分布式馈线自动化，故障的定位、隔离、恢复均由1个代理终端完成。

2 继电保护与配电自动化配合的配电网故障处理策略

为避免短路电流对系统的伤害，当系统发生相间短路故障时，变电站出口断路器电流Ⅱ段保护动作时间一般设置为 0.5 s［11－12］，意味着设置继电保护动作时间的开关需要在0.5 s内完成隔离，对于配电自动化也是如此。

2.1 线路各开关配置原则

2.1.1 出口断路器

出口断路器配置两段保护，其中I段保护近端故障，动作时限为0 s；Ⅱ段与配电变压器配合，动作时限为0.5 s，并配置馈线终端FTU。

2.1.2 主干线路分段开关

主干线路配置二级速断保护，一级动作时间为0.3 s，二级动作时间为0 s，超过二级保护的均配置0 s，配置馈线终端FTU。

2.1.3 分支线路开关

分支线路开关配置电流Ⅱ段保护，与出口断路器Ⅱ段保护配合，并配置一次重合闸，具备无压无流分闸功能。

2.1.4 用户分界开关

用户分界开关配置0.1 s定时限电流速断保护，具备无压无流分闸功能。

2.2 故障隔离策略

线路发生相间短路故障时，分别针对主干线路故障和分支线路故障展开研究。

2.2.1 主干线路故障隔离策略

出口断路器近端发生故障。I段保护瞬时动作，瞬时性故障合闸成功，永久性故障合闸失败，加速跳闸隔离故障区域。

出口断路器远端故障。分以下2种情况：

1）故障点上游开关为出口断路器的下一个开关，以图2为例，故障点在Q1和Q4之间，开关Q1配置0.3 s定时限电流速断保护，即开关延迟0.3 s动作。

2）超过二级保护的主干线路开关均配置0 s，如图 2中的主干线路开关 Q4，Q5，Q8，QL都配置 0 s速断保护，若Q5，Q8之间发生永久性故障，故障点上游开关Q4，Q5立即跳闸，此时联络开关QL检测到一侧失压，启动配电自动化系统，代理终端通过收集各个馈线终端的故障信息，确定故障区域，遥控故障点两端的开关跳闸，其他误动开关合闸隔离故障区域。

2.2.2 分支线路故障隔离策略

用户侧故障。分界开关延迟0.1 s动作隔离故障，与出口断路器构成两级级差保护。

分支线路故障。以图2为例，Q2与Q3之间发生故障，分支线路开关Q2立即动作，0.5 s后Q2合闸，瞬时性故障合闸成功，永久性故障合闸失败，永久性故障时Q3在规定的时间内检测到无电压和电流后跳闸，故障隔离成功。

3 实例分析及测试结果

3.1 实例分析

以图2所示的典型架空混合配电网线路为例，根据2.1中开关配置原则，出口断路器配置2段保护，其中I段0 s，保护近端（1 km）故障，Ⅱ段0.5 s速断保护。主干线路开关、分支线路开关和分界开关的配置不再赘述，当在不同位置发生故障时，故障处理过程如下：

1）K1点故障，Q3延时0.1 s保护动作，瞬时性故障开关合闸成功，永久性故障合闸失败，开关再次跳开，切除故障；如图3（a）所示。分界开关下游故障，不影响主干线路正常运行，提高了供电可靠性。

2）K2点故障，Q4，Q5 立即动作，如图 3（b）所示，代理终端QL通过自动拓扑可知Q8位于故障点下游遥控分闸，自动合闸Q4，恢复故障点上游区段供电，完成故障隔离。联络开关QL合闸，恢复故障点下游区段供电（在多联络开关线路中，需要比较联络开关的容量，选择容量大的联络开关合闸），如图3（c）所示。

图3 不同位置故障处理过程

此方案中，一方面即使是线路通信发生故障，配电自动化不能在规定的时间内启动，主干线路近端故障仍可正确地隔离故障，保护变压器不受损坏；另一方面选用联络开关而不选用出口断路器作为代理终端，减轻了变压器保护配置负担，不更改原有变压器保护配置，扩大适用范围。故障首先由保护处理，存在保护无法配合发生越级跳闸的区段或需要联络开关动作恢复非故障区段供电时，由分布式馈线自动化处理，对其进一步优化和纠正，提高可靠性。

3.2 静态模拟系统测试结果分析

基于3.1中分析的典型架空混合线路，在静态模拟系统中进行测试。在该系统中利用模拟仿真技术将变电站或馈线中各环节用相应模拟元件来代替，搭建1个变电站或馈线分段模型，该模拟系统较数字仿真具有更高的真实性和可信度。

在模拟系统中，合理配置电流互感器TA、电压互感器TV的变比，使进入保护和自动装置中的电流和电压分别为5 A和100 V，与实际系统中数据保持一致。模拟系统可仿真架空线、城市电缆运行及故障、环网柜形式变电站等不同形式，实用性十分广泛。以图3为例的测试结果如下所示。

K1点故障开关动作顺序为：

Q3跳闸，故障隔离完成。测试结果如表1所示。

K2点故障开关动作顺序为：

1）Q4，Q5 跳闸；

2）遥控Q8跳闸，Q4合闸，故障隔离完成。测试结果如表2所示。

表1 K1点故障开关动作时间

表2 K2点故障开关动作时间

4 结语

提出一种继电保护与配电自动化协同故障隔离方案，方案在分支线路故障时不需要通信，当通信系统不稳定导致配电自动化不能在规定时间内启动时，可利用继电保护隔离故障区域。

所提方案无需更改原有变压器保护配置，故障首先由保护处理，存在保护无法配合发生越级跳闸的区段或需要联络开关动作恢复非故障区段供电时，分布式馈线自动化进行纠正和优化处理。

继电保护与配电自动化协同故障隔离技术方案同样适用于含有多联络开关的线路，但在主干线路开关数量多的情况下，故障点远端故障时会有多个开关同时跳开，为避免此问题，可采用中间分段断路器保护。