配电网自愈系统搭建及故障自愈技术的研究

石 安

0 引言

配电网承担着连接电力用户“最后一公里”的重要角色，对居民的生产、生活具有十分重要的作用。传统配电网一般为单端电源结构，配电网线路以过流保护为主，级差配合困难，越级跳闸事件频发。近年来，伴随着新能源的快速发展，分布式电源大量接入配电网，配电网构造由单电源向多电源转变，使配电网构造更为繁杂，进一步影响到了保护的选择性和速动性［1-2］。现阶段配电网故障自愈普遍采用重合闸方式和主站集中控制方式。重合闸方式需要开关设备多次重合以实现故障恢复，自愈时间长。主站集中控制方式基于主站系统获取的区域信息完成故障隔离和恢复，故障隔离与恢复对主站系统的依赖度高，故障解决需要的时间较长。

为了更好地彻底解决以上问题，不依赖于主站通信的分布式配电保护自愈得到了快速发展。文献［3］明确提出了一种基于智能终端模块（STU）的分布式系统故障自愈方案，在负荷开关均为断路器的条件下，实现快速故障区段定位、隔离和非故障区段的供电恢复。文献［4］详细介绍了继电保护功能配置的优化方案和自愈控制的实现策略，并针对不同的接线形式和基础条件给出了一些工程应用实例。文献［5］明确提出了一种具备拓扑结构自适应、开关协调配合的配电网分布式保护自愈方法，通过动作定值和时序的协调配合，实现故障切除、隔离以及健全区域供电恢复。但是，目前文献［3］［4］［5］的解决方法不可以合理处理配电网中断路器与负荷开关混用的场景，以及未能有效解决分布式电源大规模接入等问题。为此，本文针对配电网中特有的应用场景进行了关键技术研究，并对配电网的多种故障恢复方法进行梳理，形成了较为完善的三级故障恢复策略，可以在保证配电稳定性的前提下，确保配电网构造的可靠性。

1 自愈系统架构

分布式自愈功能的实现需依靠安装在不同开关站的自愈装置之间的通信，而不依赖于主站通信。自愈装置之间交互系统运行状态、故障、负荷转移情况等信息，实现故障的隔离和恢复。装置之间可以采用光纤通信或者以5G 为代表的无线通信方式［6］。

1.1 自愈系统功能配置

针对自愈系统的架构如图1 所示的配电网典型的双环网接线方式，自愈系统方案配置如下：

1）完善的主保护。故障恢复的实现需依赖于故障的快速可靠隔离完成，因此分布式自愈系统中需配置完善的快速主保护：主干线路配置全线速动的快速主保护，如纵联电流差动保护或纵联方向保护，同时含有完整的后备保护和重合闸功能；开关站母线配置母线差动保护，作为母线故障的快速主保护；馈线和小电源线路以过流和零序过流作为主保护［7］。

2）自愈及故障隔离。每个开关站按母线配置自愈装置，每段母线配置1 台。自愈装置配置故障自愈、备自投和故障解列、无压跳闸、失灵保护等功能，同时装置集成主干线路快速主保护、母线差动保护、馈线常规线路保护等功能，实现故障定位，并在保护装置拒动时基于故障定位的结果进行故障隔离［8］。

3）外部优先。当外部独立配置的保护装置中主保护动作时，不再进行自愈装置的故障定位判别，以外部保护装置的动作结果为准。为获取外部保护装置的动作信息，主干线线路保护装置的差动保护动作和后备保护动作出口以及母线差动保护动作出口需接入自愈装置，用以结合断路器位置信息判断故障是否隔离完成［9］。

1.2 主保护功能的灵活配置

自愈装置集成的主干线路快速主保护、母线差动保护、馈线常规线路保护等功能，也可直接作为保护功能使用，在故障发生后动作直接切除故障。因此，主干线保护、母线差动保护以及馈线保护功能可以选择由独立配置的线路或母线保护装置实现，也可由自愈装置实现。当配置独立的保护装置时，自愈装置中的相应保护功能作为故障定位使用，并在独立配置的保护装置主保护拒动时进行故障隔离。图1 中S2与S3的环线展示了采用自愈装置中的保护功能进行故障切除的配置方式，S1与S4的环线展示了外部独立配置保护装置的配置方式，图中每一个保护装置在功能上均可由自愈装置代替。

灵活的主保护配置方案，可以适应配电网中快速保护自愈新建和改造的不同需求。对于存量开关站，可考虑尽量保留现有的保护装置，自愈装置中相应的保护功能作为故障定位使用；对于新建开关站，为减少开关站内设备数量，保护功能可由自愈装置完成，实现故障的切除和隔离。

2 故障自愈技术

2.1 快速充电技术

配电网中存在大量断路器与负荷开关混用的场景，如图2 所示，开关站B 与C 之间的线路两侧为负荷开关QL5和QL6，其他主干线开关为断路器。由于负荷开关无法切除故障电流，需在故障切除后才能断开。对于F1故障，参照配电网的传统处理方式，自愈动作逻辑为：

图2 断路器与负荷开关混用场景

1）上一级后备保护跳闸跳开QF8断路器，切除故障。

2）故障切除后，根据故障定位信息跳开负荷开关QL5和QL6，实现故障隔离。

3）故障隔离完成后，开环点开关QF4自愈合闸。

自愈合闸后可以恢复开关站B 的供电，但开关站C 无法恢复供电。因此，负荷开关配置场景下，对于上一级跳闸所产生的失电区域，传统自愈方法无法恢复供电。

基于以上所述亟待解决的问题，需要进一步优化自愈逻辑，快速充电功能仅用于后备保护动作跳开的断路器，且仅在后备保护动作后短时投入，动作逻辑为：

1）在后备保护动作且满足自愈充电条件后，经短延时完成自愈充电。

2）在收到故障隔离完成信号后，合上后备保护跳开的开关，实现供电恢复。

对于上述F1故障，快速充电逻辑的动作过程如下：

1）QF8后备保护动作跳开断路器后，经短延时完成以QF8为开环点自愈充电。

2）故障切除后，跳开负荷开关QL5和QL6，完成故障隔离。

3）收到故障隔离完成信号后，合QF8断路器，完成开关站C 的供电恢复。

基于快速充电与普通慢速充电自愈逻辑的结合，快速保护自愈系统可以适应断路器与负荷开关混合配置的复杂场景，最大程度地恢复故障区段两侧非故障区段的供电，减少故障情况下负荷开关带来的影响。

2.2 基于双位置的失灵判别

断路器失灵保护一般在主网中应用较多，防止保护跳闸后，断路器失灵无法跳开，此时跳开与失灵断路器相邻的所有断路器。其主要判别方法：收到保护跳闸命令后，故障电流一直存在，经延时后失灵保护动作。

配电网中配置了具备选择性的快速保护和自愈功能，对可靠准确地隔离故障也提出了要求。对于线路故障，需线路两侧的断路器均跳开，自愈才能动作，以实现非故障区段的供电恢复，否则将合于故障。配电网中单端电源比较多，线路故障时，电源侧断路器跳开后，故障即已切除，同时跳闸命令收回。线路另一侧断路器失灵时，不存在故障电流，也无跳闸开入，因此无法参考主网的失灵判断方法。本文提出了基于双位置的失灵判别方法：

1）对于需要进行失灵判别的主干线开关，装置分别接入断路器合位和跳位两个辅助触点。

2）装置收到跳闸开入后，根据失灵延时定值的大小自适应调整跳闸开入的展宽时间，即失灵判别的开放时间。正常运行时，断路器合位为1，分位为0。收到保护跳闸开入后，持续判断断路器双点位置，在跳闸开入开放时间内，仅当合位和分位均未变化，且延时满足失灵跳闸延时定值时，失灵保护动作。采用双点位置判断失灵，可有效防止断路器某一辅助触点异常时，失灵保护误动，提高可靠性。

2.3 分布式电源的处理

自愈和备自投功能均在母线无压后启动，故障发生后，尽管故障被快速切除，但是由于分布式电源的支撑作用，母线电压可能无法满足无压条件，导致自愈无法动作。

为创造无压条件，故障发生后保护跳闸时，自愈装置需经延时联切分布式电源。联切的原则为失电区域内的所有分布式电源均切除，即联切故障点与开环点之间的所有分布式电源，范围外为非故障区段，分布式电源可以正常运行。同时配置故障解列作为后备功能，在电压或频率异常时，经延时解列分布式电源［10］。

采用上述方法时，在故障情况下，失电区域内的所有分布式电源必然会被切除。然而，随着分布式电源的大量接入，其所占比重越来越高，联切将导致大规模脱网，对分布式电源很不友好，因此需研究分布式电源并网运行下的自愈方案。本文采用了快速检同期处理方案，在保留分布式电源情况下进行自愈同期合闸。这对自愈功能有两点要求：一是由于分布式电源的带负荷能力有限，自愈合闸需在短时间内完成，同时合闸时间需考虑分布式电源的故障穿越能力并与分布式电源侧的保护配合，防止分布式电源提前脱网；二是自愈需进行检同期合闸，防止对分布式电源产生冲击，当在一定时间内一直不满足同期条件时，则直接联切分布式电源，确保后续自愈逻辑的顺利执行。

2.4 合后过负荷保护与负荷转移计算

从供电的角度来讲，故障自愈就是在故障情况下实现负荷的转移，确保不损失负荷。然而，对于运行线路来说，转移来的新增负荷可能会导致过负荷运行。针对这种情况，传统的方法是配置过负荷保护。对于自愈系统，在自愈合闸后，需要实时检测主干线上的每一个接点的过负荷状态，当任一接点出现过负荷时，表明单端电源无法支撑所有负荷，此时将过负荷标志传递给开环点装置，跳开开环点，结束自愈逻辑。然而，这种方法只能在事后进行过负荷处理，可能会对设备造成一定的影响。为避免这种情况，需考虑预判线路的过负荷状态，若合闸后转移的负荷会导致过负荷的发生，则不再合开环点，防止在自愈合闸后出现过负荷运行情况。基于转移负荷的正确识别可以实现过负荷的额预判，以图2 中F2故障为例，方法如下：

1）本线路所能支撑的最大负荷整定。自愈系统的首开关QF2和QF9分别对应S1和S4两个变电站出线，两个开关处整定对应变电站出线所能支撑的最大负荷WQF2m、WQF9m。

2）实时负荷及转移负荷计算。自愈装置实时计算的两个首开关的当前负荷WQF2、WQF9。故障隔离完成后，已跳开的、靠近开环点的主干线路开关在故障前的负荷即为自愈动作后的转移负荷。如图2 所示，F2故障发生后，线路差动动作跳开QF7和QF8，QF7为更靠近开环点的断路器，其故障前的负荷WQF7即为转移的负荷。

3）自愈后的过负荷预判。基于转移负荷计算非故障区域首开关QF9自愈后的负荷WQF′9，其大小为当前负荷与转移负荷之和，即WQF′9＝WQF9+WQF7。当自愈后负荷WQF′9大于线路最大负荷能力WQF9m时，闭锁自愈，否则允许自愈合闸。由此可实现自愈动作后的过负荷预判，避免合闸后过负荷，降低对系统的冲击。

3 三级故障恢复策略

基于分布式自愈系统速动性和可靠性的提升，以及对配电网复杂应用场景的广泛适应，故障自愈功能已经具备了与线路重合闸以及备用电源自投配合的能力。对于架空线路等可投入重合闸功能的配电网系统，故障切除后，采用重合闸实现瞬时性故障的供电恢复；对于永久性故障重合闸无法恢复供电，或者电缆线路不投入重合闸时，采用自愈功能实现供电恢复；当自愈完成后发生转换性故障等复杂场景，无法恢复供电时，由备自投完成供电恢复。由此构成重合闸、故障自愈、备用电源自投三级故障恢复策略。

3.1 自愈与重合闸功能的配合

为实现自愈功能与重合闸功能的配合，设置自愈跳闸时间定值，按躲过重合闸时间整定，同时要求自愈合闸之前必须先执行跳闸命令。若独立配置的线路差动保护正确动作，自愈装置经自愈跳闸时间定值延时后执行跟跳命令，之后才能执行自愈合闸；若独立配置的差动保护拒动，自愈装置的故障定位功能经延时跳闸，之后执行自愈合闸，从而确保重合闸优先动作。时间配合关系如图3 所示。

图3 自愈、重合闸及备自投时间配合图

3.2 自愈与备用电源自投功能的配合

为实现自愈优先，备自投作为后备的故障恢复原则，自愈和备自投功能需做如下配合：

1）自愈和备自投同时充电时，自愈动作，备自投不动作。

2）自愈动作完成后，若供电未恢复，备自投仍然可以继续动作。为此，可通过自愈充电情况下闭锁备自投出口，而不是直接放电的方式来实现。

基于重合闸、故障自愈、备用电源自投三级故障恢复策略，可以实现瞬时性故障就地快速恢复、永久性故障主干线转供，并在复杂转换性故障情况下不损失负荷，在保证供电可靠性的前提下，提高配电网网架结构的稳定性。

4 仿真试验

为验证本文快速保护自愈方案的准确性，基于图1 的典型接线方式，基于实时数字仿真系统（RTDS）搭建了如图4 所示仿真模型。系统采用双环网接线方式，共4个开关站，其中开关站A、C、D 各2 条进线、1 条馈线，开关站B 配置2 条进线和1 条小电源线路。由于双环网中两个环线的结构和配置相同，本次试验针对S1 与S4 变电站之间的环网开展。保护配置参照前文所述保护自愈方案配置，其中线路、母线均配置独立的保护装置，自愈装置的保护功能作为定位使用。

图4 仿真系统图

为验证各种运行工况下发生故障时，自愈装置的动作情况，RTDS 系统共设置102、103、104、105、405、404、403 和402 开关共8 个开环点运行方式，每种运行方式下模拟F1—F15共15 个故障点，每个故障点模拟单相接地故障和相间短路2 种故障类型，每种故障类型下模拟保护正确动作切除故障、保护拒动、开关失灵3种场景，考核自愈装置的动作行为准确性。

以105 开关开环运行方式下的F3、F4、F5和F6故障为例，自愈装置动作情况如表1 所示。

表1 105 开关开环运行方式下发生故障时的自愈动作情况

由表1 可知，外部独立配置的保护装置动作跳开断路器时，故障被成功隔离；当独立配置保护拒动时，由后备保护动作切除故障，之后自愈装置根据自身的故障定位功能进行故障隔离；当开关失灵时，会启动自愈失灵逻辑，以实现故障隔离。在故障隔离完成后，根据故障点发生的位置判断是否能完成供电恢复，若开环点能恢复非故障区域供电，则自愈合闸；若无法恢复供电则自愈放电，则停止后续操作。

5 结语

文中针对配电网中特有而又普遍存在的运行场景，提出了针对性的解决方案：一是针对断路器与负荷开关混用的复杂配置场景，提出了快速充电与普通慢速充电相融合的自愈方案；二是针对配电网系统与输电系统中断路器失灵的差异，优化了断路器失灵逻辑，实现断路器失灵情况下的故障隔离；三是针对分布式电源大规模接入的趋势，提出了检同期合闸的自愈策略，提高分布式电源接入的友好程度。