数字通信保护应用于航站楼10kV供电系统的可行性分析

钟素梅 闫 石

数字通信保护应用于航站楼10kV供电系统的可行性分析

钟素梅1闫 石2

（1. 深圳市地铁运营集团有限公司，广东 深圳 518000； 2. 深圳市机场（集团）有限公司，广东 深圳 518103）

针对传统分段式电流保护在航站楼10kV供电系统应用中存在速动段无保护范围、故障切除时间长等问题，提出一种采用允许式动作逻辑的电流保护，该保护在传统分段式电流保护的基础上优化配置、整定，并借助数字通信技术实现全线故障速切的功能。本文阐述保护在不同工况下的动作逻辑，分析其速动性、选择性、可靠性，并建议保护采用IEC 61850/面向通用对象的变电站事件（GOOSE）通信方式。

航站楼；10kV供电系统；继电保护；数字通信保护；允许式动作逻辑

0 引言

国内机场航站楼10kV供电系统具有配电级数多、供电半径短的特点，传统的分段式保护难以兼顾选择性和速动性，较难满足其电能质量、供电可靠性的高要求。本文提出一种基于数字通信技术的允许式动作逻辑电流保护，为航站楼10kV供电系统提供全线故障速切功能。

1 航站楼10kV供电系统继电保护的特点

航站楼通常设置若干10kV中心变电站、分变电站，10kV侧均采用单母分段接线，分变电站从中心变电站的不同段母线分别引入2路10kV电源，中心变电站从机场110kV变电站的不同段母线分别引入2路10kV电源[1-4]，形成闭环接线、但开环的运行方式。航站楼10kV供电系统接线如图1所示。

由于供电半径很短，且受接地变压器及接地电阻的影响，各级10kV母线的单相接地短路电流水平几乎相同，三相短路电流水平也差别不大。继电保护装置仅能依靠时间级差实现有选择性地切除故障，但受110kV变压器10kV侧保护动作时间的限制，上、下级电流保护按0.3s时间级差整定可能难以配合。电流Ⅰ段保护因线路长度太短而没有保护范围，故障只能由电流Ⅱ段保护切除。故障的延时切除，对电气设备不利，可能导致母线大量甩负荷，对电压暂降敏感的行李处理系统、自动人行步道等设备也会受到影响[5]。

图1 航站楼10kV供电系统接线

2 数字通信保护的原理

理论和实践证明，基于信息交换和比较的数字通信保护，可以实现有选择性地快速切除故障，如应用于输变电系统中的纵联保护、配电系统中的广域式保护、建筑电气系统中的级间选择连锁技 术[6-7]。国内某些机场10kV配置线路差动保护，但不能反应相邻元件的故障，不能作相邻元件的后备保护，有一定局限性。在航站楼10kV供电系统中应用的数字通信保护相对简单，它无需考虑保护的方向性，相邻保护之间仅需进行开关量的交换与比较。根据对信息的利用方式，分为闭锁式动作逻辑和允许式动作逻辑两种。

闭锁式保护即上级电流保护在动作时间内收到下级电流保护的闭锁信号后闭锁保护，否则在故障持续时间达到动作时间后动作出口[8]。允许式保护即上级电流保护启动并收到下级电流保护的允许信号后，判断为区内故障进而动作出口。由于闭锁式保护的原理导致上级电流保护无法作为下级电流保护的后备，必须配置失灵保护，而允许式保护则不需要，其动作逻辑更简单；发生区外故障时，闭锁信号丢失会导致保护误动，而允许信号丢失不会导致保护误动，其安全性、可靠性更高。

3 允许式保护的配置及整定

航站楼10kV供电系统故障如图2所示，保护点11、12为10kV变压器继电保护装置，配置相间及零序电流Ⅰ、Ⅲ段保护。相间短路电流Ⅰ段按躲过0.4kV侧出口最大短路电流整定，动作时间按40ms整定以防止避雷器动作引起保护误动；相间短路电流Ⅲ段按躲过最大负荷电流并与0.4kV侧保护配合整定，对0.4kV侧出口最小两相短路电流有规定的灵敏度，动作时间按0.4s整定。零序电流Ⅰ段按20%～40%的额定电流整定，动作时间与相间短路电流Ⅰ段相同；零序电流Ⅲ段按10%～20%的额定电流整定，动作时间与相间短路电流Ⅲ段相同。

图2 航站楼10kV供电系统故障

保护点7、8为出线继电保护装置，保护点56、78为母线分段继电保护装置，保护点5、6、9、10为进线继电保护装置，均配置相间短路电流Ⅱ、Ⅲ段保护及零序电流Ⅲ段保护。考虑终端变电站中进线继电保护装置只反应母线故障，进线继电保护装置与其上级出线继电保护装置的整定值相同。相间短路电流Ⅱ段按对本线路末端有规定的灵敏度并与下级电流保护的Ⅰ或Ⅱ段配合整定；相间短路电流Ⅲ段按躲过最大负荷电流并与下级电流保护的Ⅲ段配合整定，对本线路末端及下级元件末端有规定的灵敏度。零序电流Ⅲ段按躲过本线路最大电容电流，对本线路经电阻单相接地故障有规定的灵敏度并与下级电流保护的Ⅲ段配合整定。考虑母线并列运行属于特殊运行方式，为简化整定，母线分段保护的电流整定值与其上级进线保护的相同。如图2中保护点8、10的整定值相同，按与保护点12配合整定。保护点78的电流整定值与保护点9、10中较大者相同。考虑弹簧操动机构断路器、采用傅里叶全波算法的微机保护的性能及110kV变压器的10kV侧保护动作时间限制，时间级差按0.2s整定[9]。各级继电保护装置的相间短路电流Ⅲ段与零序电流Ⅲ段的动作时间相同。各继电保护装置动作时间见表1。

表1 保护动作时间

10kV变压器继电保护装置作为10kV系统末端保护，仅向其上级继电保护装置发送信号，而不接收信号。其余继电保护装置则接收下级继电保护装置的信号，向上级继电保护装置发送信号。10kV变压器电流保护Ⅰ、Ⅲ段均参与数字通信保护，其余线路电流保护由灵敏度高的Ⅲ段参与数字通信保护，电流Ⅱ段作为后备保护。

进线、出线、母线分段保护动作逻辑分别如图3～图5所示。从图3～图5可知，允许信号是保护动作的加速信号，传输的是区内故障信息。延时一即保护加速动作时间，其大小与通信方式的类型、性能有关[10-12]，若按40ms整定，还可防止避雷器动作引起的保护误动。延时二即保护Ⅲ段动作时间。进线继电保护装置动作出口后向其上级出线继电保护装置发送加速动作出口信号能防止进线电流保护出现死区与进线断路器拒动导致的故障延时切除。

图3 进线保护动作逻辑

图4 出线保护动作逻辑

图5 母线分段保护动作逻辑

4 允许式保护的动作

4.1 母线分列运行时保护的动作

1）图2中K1故障（10kV/0.4kV变压器故障），保护点12延时0.4s跳闸。保护点78不动作。保护点10启动后未收到保护点12的未启动信号，断路器延时0.8s跳闸及闭锁备自投。保护点8启动后未收到保护点10的未启动信号，断路器延时0.8s跳闸。保护点56不动作。保护点6启动后未收到保护点8的未启动信号，断路器延时1.2s跳闸及闭锁备自投。

2）图2中K2故障（10kV母线故障），保护点10启动并在收到保护点11、12、78的未启动跳闸信号后，断路器延时40ms向保护点8发送进线保护动作出口信号，并跳闸及闭锁备自投。保护点8启动并在收到保护点10的信号后，断路器无延时跳闸。保护点56不动作。保护点6启动未收到保护点8的未启动信号，断路器延时1.2s跳闸及闭锁备 自投。

3）图2中K3故障（10kV线路故障），保护点8启动并在收到保护点10的未启动信号后，断路器延时40ms跳闸。保护点56不动作。保护点6启动未收到保护点8的未启动信号，断路器延时1.2s跳闸及闭锁备自投。

上述分析为故障仅导致电流保护Ⅲ段动作，若故障电流能使电流保护Ⅰ、Ⅱ段动作，则保护动作时间缩短，母线分列运行时保护动作时间见表2。

表2 母线分列运行时保护动作时间

4.2 母线并列运行时保护的动作

若B1母带B2母并列运行，保护点56会启动，分析与4.1节类同，各保护动作时间见表3。

表3 母线并列运行时保护动作时间

4.3 通信故障时保护的动作

由于允许式信号是使继电保护装置加速动作的信号，无论是发生区内故障还是区外故障，允许信号的丢失都不会导致保护装置误动，只是无法加速而按原有分段式保护的动作时间配合，仍然满足选择性的要求。

5 通信方式

通信方式是实现继电保护装置全线故障速切的关键。IEC 61850/面向通用对象的变电站事件（general object oriented substation events, GOOSE）通信方式在电力系统已有广泛的应用，其先进性与可靠性已得到验证，并积累了成熟的经验，形成技术标准。实现方式为过程层GOOSE网络、站控层网络独立配置，每个变电站配置2台GOOSE交换机，分别构成A、B网。继电保护装置的两个独立接口通过光纤分别接入A、B网络，实现装置之间GOOSE网络的连通，进行信息交换和比较[13-14]。

6 结论

1）基于数字通信技术的允许式保护的速动性与瞬时速断保护相当，可以快速切除故障，并能作为相邻元件的后备保护。

2）允许式电流保护的逻辑、配置简单，各段保护之间仅进行开关量信息的交换、比较，也无需考虑电流保护的方向性。

3）允许式电流保护具有较高的安全性、可靠性，通信故障不会导致其误动，只是导致故障延时切除，不会造成严重后果。

4）与传统保护配置相比，基于数字通信技术的允许式保护需增加硬件配置，相应投资需增加。

[1] 钟世权, 何海平, 蒋南雁, 等. 大型国际机场航站楼用电负荷研究[J]. 建筑电气, 2019, 38(2): 15-22.

[2] 蔡梦楼. 某机场航站楼电气设计与运行小结[J]. 建筑电气, 2018, 37(8): 29-33.

[3] 马霄鹏, 赵心亮. 大型机场航站楼供电可靠性分析及措施[J]. 智能建筑电气技术, 2018, 12(6): 9-13.

[4] 张雅维, 马霄鹏. 大型航站楼负荷分析及供电措施[J]. 智能建筑电气技术, 2018, 12(6): 35-39.

[5] 邵民杰. 机场工程中电网电压骤降的危害性分析及治理[J]. 建筑电气, 2011, 30(5): 3-7.

[6] 中国勘察设计协会建筑电气工程设计分会, 中国建筑节能协会建筑电气与智能化节能专业委员会. 建筑电气设计疑难点解析及强制性条文[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[7] 王厚余. 建筑物电气装置600问[M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[8] 徐丙垠, 李天友, 薛永端. 配电网继电保护与自动化[M]. 北京: 中国电力出版社, 2017.

[9] 刘健. 简单配电网: 用简单办法解决配电网问题[M].北京: 中国电力出版社, 2017.

[10] 丛伟, 潘贞存, 郑罡, 等. 配电线路全线速切继电保护技术[J]. 电力自动化设备, 2009, 29(4): 91-95.

[11] 李俊刚, 王宏伟, 魏勇, 等. 广域差动保护建模与通信研究[J]. 电气技术, 2011, 12(7): 9-13.

[12] 李辉, 吴海, 胡国, 等. 基于GOOSE通信技术的直流配电网分布式区域保护方法[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 70-75.

[13] 侯炜, 董凯达, 宋志伟, 等. 基于高可靠性冗余环网通信的中压母线差动保护研究[J]. 电气技术, 2021, 22(8): 78-81.

[14] 张欢, 陈磊. 智能变电站中电子式互感器与通信网络对保护的影响及适应性分析概述[J]. 电气技术, 2013, 14(7): 1-6.

Feasibility analysis of digital communication protection applied to 10kV power system in airport terminal

ZHONG Sumei1YAN Shi2

(1. Shenzhen Metro Operation Group Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518000;2. Shenzhen Airport (Group) Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518103)

As the instantaneous protection zone of sectional over-current protection is none and time of faults clearing is long in 10kV power system of airport terminal, a over-current protection with operational logic of permitting is proposed based on improvement of sectional over-current protection, which supports fast protection for whole transmission lines by the information exchange between protections. Its speed, selectivity and reliability are analyzed by operational logic of faults, and communication scheme of IEC 61850/ general object oriented substation events (GOOSE) is suggested.

airport terminal; 10kV power system; relay protection; digital communication pro- tection; operational logic of permitting

2022-07-14

2022-07-29

钟素梅（1986—），女，工程师，从事地铁供电设备运行与维护技术管理工作。