基于准两相跳闸的同杆双回输电线路跨线故障跳闸策略

周伟绩，李凤婷，解超，王宾，岳菁鹏

（1.新疆大学电气工程学院电气系，乌鲁木齐 830047；2.石河子大学机械电气工程学院电气系，新疆 石河子 832000；3.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学），北京 100084；4.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510030）

0 引言

同杆双回输电线路发生故障时，按照两条单回输电线路故障进行跳闸，虽然能够将故障隔离，但未考虑两条单回输电线路之间耦合关系，可能导致跨线故障时双回输电线路所有相跳闸，降低区域电网供电可靠性［1］。为了降低同杆双回输电线路所有相跳闸概率，西安交通大学索南加乐老师团队和华中科技大学陈卫老师团队分别提出了准三相运行方式［2-4］。同杆双回输电线路故障后保留三异名健全相组成单回输电线路，其余线路跳闸。准三相运行方式能够在同杆双回输电线路故障降功率长时间运行，提高电网供电可靠性。文献［5-6］从理论分析上对同杆双回输电线路准三相运行方式极限功率传输、电流不平衡度以及线路过载进行了论证，以此证明准三相运行方式的可行性。文献［7-9］为了避免传统同杆双回输电线路采用单回线路重合配置而导致在故障情况下可能使得两回线路全部跳闸、线路两端联系中断以及严重威胁电网安全运行的情况，提出了准三相运行策略及其运行方式，在增加线路传输功率的同时减少断路器跳合闸次数。

准三相运行的核心思想为：将故障情况下的同杆双回输电线路转化为单回输电线路降功率长时运行。存在的主要问题有：1）不判定故障性质，区域电网稳定运行存在安全隐患；2）保留相三相平衡，故障相耦合电气量很小，对故障性质判定不利；3）健全异名相小于三相时，同杆双回输电线路所有相跳闸，降低区域电网供电可靠性。针对此问题，参考单回输电线路线路跳闸策略以寻求同杆双回输电线路跳闸策略更可靠解决方法。文献［10-14］针对广域保护选择性降低的问题，提出了广域后备保护智能跳闸策。文献［15-17］针对单回线路断路器短路电流超标问题，提出了基于短路电流预测的保护柔性跳闸策略，以规避有电流超标断路器跳闸困难的问题。文献［18］提出了一种基于图论搜索技术的广域自适应跳闸策略，以最优算法获取邻近的跳闸断路器。文献［19-22］提出了一种保护跳闸策略，其构造的关联向量指向识别并且使得关联断路器跳闸。文献［23-25］提出了利用电流方向元件识别故障方向从而增加线路跳闸成功率。文献［26］针对动态热网保护提出了跳闸保护方案，在不增加投资的基础上增强热网稳定性。

基于以上分析，同杆双回输电线路相比于单回输电线路相数较多，在跳闸方式选择方面灵活多变。同杆双回输电线路跳闸策略需考虑隔离故障的同时兼顾故障性质判定，而单回输电线路不存在此问题，按照既定跳闸策略跳闸即可。

本文针对同杆双回输电线路跨线接地故障跳闸策略开展研究。首先采用故障拓扑分析方法对综合跳闸策略和准三相跳闸策略分析得到跳闸策略对故障性质判定影响机理；其次基于影响机理并考虑跨线接地故障特性，提出同杆双回输电线路准两相跳闸策略；最后考虑断路器均衡跳闸提出准两相跳闸策略保留相判定方法并得到准两相跳闸策略流程。通过PSCAD/EMTDC 仿真实验验证准两相跳闸策略的正确性和可行性。

1 跳闸策略对故障性质判定影响机理

同杆双回输电线路故障时通过线路跳闸将故障隔离在一定范围，减少对电网影响。考虑到自适应重合策略同杆双回输电线路跳闸后需要判定故障性质，跳闸策略需考虑故障性质判定的便利性。基于此，以故障拓扑为基础对现有跳闸策略特点进行分析，得到跳闸策略对故障性质判定影响机理。

1.1 拓扑分析方法

将拓扑分析方法应用于故障分析成为故障拓扑分析方法。每一个故障相称为故障节点，故障节点形成故障节点集；每一个健全相称为健全节点，健全节点形成健全节点集。健全节点集对故障节点集具有耦合作用，耦合方式采用链路方式表示。考虑到接地故障中“地”不跳合闸的特性，将“地”作为特殊的故障相。以同杆双回输电线路发生ⅠAⅡAG单-单同名跨线接地故障为例，分析故障拓扑分析方法。如图1 所示为ⅠA-ⅡAG 单-单同名跨线接地故障拓扑示例。

图1 ⅠA-ⅡAG单-单同名跨线接地故障下故障拓扑示例Fig.1 A sample of fault topology of ⅠA-ⅡAG single to single homonymous line-to-line ground faults

在图1 中，ⅠA、ⅡA 为故障相，置于故障节点集内，ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相为健全相，置于健全节点集内。健全节点集对故障节点集具有耦合作用，耦合量采用单位向量表示。健全节点对故障节点耦合量如表1所示。

表1 健全节点对故障节点耦合量Tab.1 Coupling quantity of sound node to faulty node

各故障类型故障相耦合量为健全节点对故障节点耦合向量之和。

1.2 综合跳闸策略和准三相跳闸策略

同杆双回输电线路发生跨线接地故障按照综合跳闸策略和准三相跳闸策略进行跳闸，故障节点集、跳闸节点集、健全节点集以及健全节点集对跳闸节点集的耦合情况如表2所示。

表2 综合跳闸策略和准三相跳闸策略同杆双回输电线路故障时的跳闸与耦合情况Tab.2 Tripping and coupling situation of integrated tripping strategy and quasi three-phase tripping strategy in the event of faults in double circuit transmission lines on the same tower

由表2 可知，线路跳闸后可能出现的问题如下。

1）综合跳闸策略时，每回输电线路健全相小于两相时，将跳开双回输电线路所有相，线路供电连续性不佳，尤其是含有风电、光伏等弱电源的区域电网可能发生大量切机、切负荷事件，严重降低了区域电网安全稳定运行；故障相耦合赋值多变，其赋值大小存在0、1、2 三种可能性，对自适应重合闸故障熄弧判定的准确性影响较大。

2）准三相跳闸策略时双回输电线路中同名相故障将跳开双回输电线路所有相，严重影响区域电网供电安全；因出现耦合平衡现象，健全节点集的耦合赋值均为零，跳闸节点集中的节点将失去耦合源，故障相电气量在故障熄弧前后的特征变化有可能不足以支撑精确的熄弧判定。

基于以上分析，跳闸策略对故障性质判定影响机理可总结为：同杆双回输电线路故障时跳闸策略能够影响跳闸相，从而影响区域电网供电可靠性；跳闸策略决定故障相耦合量大小，从而影响故障性质判定准确性。

2 跨线接地故障准两相跳闸策略

根据跳闸策略对故障性质判定影响机理同杆双回输电线路跳闸策略目标为：

1）在大部分故障发生时不应盲目跳开双回输电线路所有相，应尽量保证双回输电线路两端系统的功率联系；

2）跳闸动作后健全节点集对跳闸节点的耦合应避免耦合平衡现象，且耦合赋值应在各种故障下尽量相同。

2.1 准两相跳闸策略

根据上述要求，并且考虑到《重合闸技术导则》中至少有两异名健全相才能够对故障线路重合的要求，得到适用于同杆双回输电线路的准两相跳闸策略：同杆双回输电线路发生跨线接地故障时，当异名健全相数量大于等于两相时，保留两异名健全相，其余健全相和故障相跳闸；当异名健全相数量小于两相时，双回输电线路所有相跳闸。此跳闸策略既保证了同杆双回输电线路故障情况下线路两端系统功率传输，提高区域电网供电可靠性，又能够为故障相提供稳定耦合源。

同杆双回输电线路发生跨线接地故障时采用准两相跳闸策略进行线路跳闸，故障节点集、跳闸节点集、健全节点集以及健全节点集对跳闸节点集的耦合情况如表3所示。

表3 准两相跳闸策略下同杆双回输电线路故障时的跳闸与耦合情况Tab.3 Tripping and coupling situation of double circuit transmission lines on the same tower during faults under quasi two-phase tripping strategy

由表3 可知，同杆双回输电线路发生跨线接地故障时，采用本文所提准两相跳闸策略进行线路跳闸的优点如下。

1）故障时保留了两异名健全相，保证了同杆双回输电线路故障情况下线路两端功率传输的连续性。

2）健全节点集对跳闸节点集的耦合赋值大小均为1，在保证自适应重合闸熄弧判定准确性的同时，统一了耦合效果，有利于熄弧判定整定值的确定。

3）在同杆双回输电线路发生ⅠA-ⅡAG 跨线接地故障时，健全相为ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相，而健全节点集中仅保留两异名相，如何制定合理的保留相和跳闸相判定规则是需要解决的问题。

2.2 准两相跳闸策略跳闸相判定方法

同杆双回输电线路发生跨线接地故障时采用准两相跳闸策略，需要判定保留相和跳闸相。由于保留相与跳闸相互斥，若其中之一确定，则另外一组也就确定（如已知保留相为ⅠA和ⅡB相，则跳闸相为ⅠB、ⅠC、ⅡA 和ⅡC）。所以，跳闸相判定采用保留相判定方法替代。

断路器为输电线路中非常重要的电力设备，主要作用为故障情况下断开触头，将故障隔离在一定区域，减小故障对电网影响。须对断路器跳闸策略进行优化，合理配置断路器跳闸策略，使各相断路器动作概率趋于一致，尽量避免连续跳合闸。基于此，保留相判定需考虑断路器跳闸情况。

同杆双回输电线路发生跨线接地故障时，所有故障相跳闸，健全相是否跳闸需要再次判定。将健全相断路器最近一次和次近一次跳闸数据作为本次跳闸与否的判定依据。保留相判定流程图如图2所示。

图2 跨线接地故障准两相跳闸策略保留相判定流程图Fig.2 Flow chart of reserved phase determination of line-toline faults with quasi two-phase tripping strategy

具体操作方法如下。

1）某线路最近一次作为保留相在跨线接地故障中保留过，则在本次判定中不应该再次被保留；

2）某线路在次近一次作为保留相在跨线接地故障中保留过，则需要判定其余故障线路在最近一次和次近一次保留情况综合判定；

3）线路中不包含最近一次作为保留相在跨线不接地故障中保留过的线路，则保留相为健全相中相序排序的前两相。

2.3 准两相跳闸策略流程

同杆双回输电线路跨线接地故障准两相跳闸策略如图3所示。

图3 跨线接地故障准两相跳闸策略流程图Fig.3 Flow chart of line-to-line grounding faults with quasi twophase tripping strategy

同杆双回输电线路跨线接地故障准两相跳闸策略执行过程如下。

1）继电保护装置检测到线路发生故障，需区分人为操作和故障。若是人为操作，为了操作安全，闭合重合闸装置，操作完成前不再重合；若不是人为操作，则判定为线路发生了故障，需根据各互感器反馈信号，确定故障相、故障接地和跨线情况，确定故障类型，然后进入下一步。

2）基于故障类型，对异名健全相数量进行判定，初步确定保留相。具体方法为：若异名健全相数量小于两相，则跳开双回输电线线路所有相并闭锁重合闸装置；若异名健全相数量等于两相，则将两异名健全相作为保留相；若异名健全相大于两相，进入下一步。

3）异名健全相数量大于两相时，根据准两相跳闸策略，需保留两异名健全相作为保留相。判定方法采用赋值计算法，按照赋值计算结果大小进行排序，选取计算值较大的两异名相作为保留相；当大于0 的计算值不足两相时，按相序顺序从计算结果为零的健全相中选取一相或者两相作为保留相。

4）保留相判定结束后，故障相和剩余健全相全部跳闸。跳闸成功，跨线接地故障准两相跳闸阶段完成；跳闸失败，则跳开双回输电线路所有相并闭锁重合闸装置，等待检修。

3 仿真分析

为了验证本文提出的自适应重合闸策略的正确性，以同杆双回输电线路发生ⅠA-ⅡBCG 跨线接地故障为例，参照新疆哈密地区某220 kV 同杆双回输电线路，以PSCAD/EMTDC 为研究平台，构建仿真模型，验证所提出自适应重合闸策略的正确性。算例线路所处局部电网的地理结线图如图4 所示。单位长度送出线路参数如表4所示。

表4 单位长度送出线路参数Tab.4 Parameters per unit length of the outgoing line

图4 仿真算例地理结线图Fig.4 Geographical wiring diagram of the simulation example

3.1 跨线接地故障线路跳闸仿真分析

同杆双回输电线路发生ⅠA-ⅡBCG 单-双不同名跨线接地故障时，线路保留情况如算例1、2 和3所示。

算例1：在最近一次操作中ⅠA 和ⅡC 相保留过，ⅠC 和ⅡA 相在次近一次操作中保留过，ⅡB和ⅠB相未保留过；

算例2：在最近一次操作中ⅡA 和ⅠB 相保留过，ⅠA 和ⅡC 相在次近一次操作中保留过，ⅠC和ⅡB相未保留过；

算例3：在最近一次操作中ⅠC 和ⅡA 相保留过，ⅡB 和ⅠB 相在次近一次操作中保留过，ⅠA和ⅡC相未保留过。

故障相为ⅠA、ⅡB 和ⅡC 相，健全相为ⅠB、ⅠC 和ⅡA 相。准两相跳闸策略按照保留相判定方法，在健全相中保留两异名相，以综合跳闸策略和准三相跳闸策略进行对照，跳闸健全相、跳闸相和保留相如表5所示。

表5 ⅠA-ⅡBCG跨线接地故障时3种跳闸策略的跳闸相和保留相列表Tab.5 List of tripping phases and reserved phases for three tripping strategies in case of line-line grounding fault

从表5可以得出如下结论。

1）综合跳闸策略线路跳闸后，非跳闸相为两异名相，能够为故障相提供稳定耦合源；双回输电线路在故障情况下有功率传输。但是，3 个算例中跳闸健全相和非跳闸相完全相同，表明综合跳闸策略不具备断路器均衡跳闸功能。

2）准三相跳闸策略跳闸后，同杆双回输电线路转变为单回输电线路，降功率、长时间运行。但是其非跳闸相耦合平衡，为故障相提供的耦合源为零，故障性质判定较困难。对非跳闸相的选择不考虑断路器均衡跳闸，可能发生线路故障时断路器连续跳闸现象，降低电力系统供电可靠性。

3）准两相跳闸策略跳闸后，故障相为ⅠA、ⅡB和ⅡC，跳闸健全相和非跳闸相因线路在最近一次和次近一次保留情况不尽相同。非跳闸相为两异名相，能够为故障相提供稳定耦合源，且故障情况下双回输电线路两端依然有功率传输，保障区域电网安全稳定运行；考虑断路器均衡跳闸，降低线路断路器连续跳闸概率，有助于区域电网提升供电可靠性。

3.2 3种跳闸策略故障相耦合电气量对比

前文分析了同杆双回输电线路发生跨线接地故障时，综合跳闸策略、准两相跳闸策略以及准三相跳闸策略特点，而对于各种故障类型故障相耦合电压幅值大小分析不能够准确体现。由于准三相跳闸策略在各故障类型，故障相获得耦合电气量很小，所以，准三相跳闸策略不作为主要分析对象。如图5 所示为跨线接地故障采用综合跳闸策略和准两相跳闸策略电压仿真波形。

图5 跨线接地故障采用综合跳闸策略和准两相跳闸策略时故障相电压Fig.5 Fault phase voltage when using comprehensive tripping strategy and quasi two-phase tripping strategy for line-to-line grounding faults

由图5 可知：同杆双回输电线路采用综合跳闸策略在发生ⅠAⅡAG 单-单同名跨线接地故障时，故障相耦合电压幅值最大，主要原因为非跳闸相ⅠB、ⅠC、ⅡB 和ⅡC 相的耦合赋值较大；发生ⅠABⅡBCG 双-双同名跨线接地故障时，故障相耦合电压幅值几乎为0，主要原因为双回输电线路所有相跳闸，故障相失去耦合源；发生ⅠAⅡBG 单-单不同名、ⅠAⅡBCG单-双不同名和ⅠAⅡABCG单-三同名跨线接地故障时，故障相耦合电压幅值基本相等，主要原因为这3 种故障保留相为耦合电压幅值相等，故障相获得耦合电压也就基本相等；同杆双回输电线路采用准两相跳闸策略在发生各种跨线接地故障时，故障相耦合电压幅值基本相等，主要原因为准两相跳闸策略保留相为两异名健全相，能够为故障相提供相同幅值的耦合源。

通过以上分析可以看出：相比于综合跳闸策略，准两相跳闸策略能够为故障相提供幅值相同的耦合源，有助于得到统一的故障相耦合电路，便于故障熄弧判据的制定。

3.3 3种跳闸策略性能对比

表6 所示为3 种跳闸策略性能对比。故障情况下同杆双回输电线路供电连续性（简称供电连续性）、故障相能够获得耦合电气量（简称耦合电气量幅值）、考虑断路器均衡跳闸（简两相跳闸策略电压波形称均衡跳闸）和对故障耦合电气量幅值统一（简称耦合统一性）作为综合跳闸策略、准三相跳闸和准两相跳闸策略对故障相耦合特性考核指标，以验证各跳闸策略性能。

表6 3种跳闸策略性能对比Tab.6 Performance comparison of three tripping strategies

表6 可以看出综合跳闸策略、准三相跳闸策略以及准两相跳闸策略在同杆双回输电线路发生跨线接地故障，供电连续性、耦合电压幅值、均衡跳闸以及耦合统一性这4 个方面的性能分析。由分析结果可以看出，准两相跳闸策略相比于综合跳闸策略和准三相跳闸策略，故障情况下输电线路供电可靠性更高，对故障相耦合源更加稳定，降低因断路器连续跳闸引发的系统故障率。综上所述，相比于综合跳策略和准三相跳闸策略，准两相跳闸策略更加适合同杆双回输电线路跨线接地故障线路跳闸，为自适应重合熄弧判据制定奠定了坚实基础。

4 结语

本文针对同杆双回输电线路跨线故障采用现有跳闸策略可能导致双回输电线路所有相跳闸，严重影响区域电网供电可靠性问题，提出了同杆双回输电线路跨线接地故障准两相跳闸策略具体如下。

1）提出采用同杆双回输电线路跨线故障拓扑分析方法，从理论分析的角度得到跳闸策略对跨线故障性质判定影响机理。

2）基于故障性质判定影响机理提出准两相跳闸策略，为故障性质判定奠定基础。

3）考虑断路器维护和检修周期平衡增加断路器使用寿命，提出基于交叉赋值计算方法的准两相跳闸策略保留相判定方法。

4）结合准两相跳闸策略和准三相运行优势提出改进准三相运行方式。该方式首先采用准两相跳闸策略为故障性质判定奠定基础，若为瞬时性故障则线路合闸，若为永久性故障则准三相运行，解决了准三相运行不判定故障性质，降低区域电网供电可靠性问题。