適用于配電線路無通道保護(hù)的備用電源自動投入裝置

劉 琨，董新洲，薄志謙

（1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；3.英國ALSTOM電網(wǎng)公司，英國 斯塔福德郡 ST174LX）

0 引言

配電線路無通道保護(hù)能夠與傳統(tǒng)的定時(shí)限過電流保護(hù)相配合，當(dāng)故障線路一端斷路器率先跳閘后，另一端斷路器通過感受到的工頻電氣量變化來實(shí)現(xiàn)相繼速動，提高了保護(hù)的動作速度，縮短了故障的切除時(shí)間?，F(xiàn)有的4種配電線路無通道保護(hù)方案分別適用于不同結(jié)構(gòu)的配電線路[1-4]。文獻(xiàn)[5]在深入分析現(xiàn)有配電線路故障隔離模式的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無通道保護(hù)的配電自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了配備無通道保護(hù)外，還要求在主干線路上的所有開關(guān)都使用斷路器，并在環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜中安裝使用備用電源自動投入裝置（簡稱備自投或BZT）。

備自投裝置的作用是[6]：當(dāng)正常供電電源因供電線路故障或電源本身發(fā)生事故而停電時(shí)，它將負(fù)荷自動、迅速切換至備用電源上，使供電不至于中斷。常用的備用電源自動投入方式主要有[7]2條線路互為備用自動投入、備用變壓器自動投入和線路與母聯(lián)斷路器自動投入。文獻(xiàn)[3-5]使用了2條線路互為備用自動投入的方式。備自投裝置的動作判據(jù)一般為[7]：三相電壓在最長故障切除時(shí)間Tmax之外低于整定值。

根據(jù)無通道保護(hù)隔離故障的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了新型備自投低壓UV（Under Voltage）模塊的啟動判據(jù)和動作時(shí)間，使非故障失電線路區(qū)段的供電恢復(fù)時(shí)間最大限度減小；在投入到永久性故障再次斷開時(shí)，一合一開2次擾動為對側(cè)保護(hù)的過電流加速（AOC）模塊在加速時(shí)間窗內(nèi)提供電流變化量，可以從電源側(cè)加速切除故障。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整套方案的有效性。

1 基于無通道保護(hù)的配電自動化系統(tǒng)

圖1所示為單電源、輻射狀、有分支、配置單斷路器的配電線路自動化系統(tǒng)[4]。正常情況下環(huán)網(wǎng)開關(guān)打開，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈2條輻射狀線路。在單斷路器配置的配電線路中，為保證環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘后能對失電負(fù)荷正常供電，需要從故障線路兩側(cè)進(jìn)行故障隔離。

圖1 單電源單斷路器配電系統(tǒng)Fig.1 Single-source single-breaker distribution system

以斷路器B2為例，需要隔離其前后2條線路L1和L2上的故障。繼電器R2的基本保護(hù)配置為方向過電流OC（Over Current）模塊和方向低電壓DUV（Directional Under Voltage）模塊。當(dāng)故障發(fā)生在L1上時(shí)，R2是負(fù)荷側(cè)繼電器，其DUV模塊動作；當(dāng)故障發(fā)生在L2上時(shí)，R2是電源側(cè)繼電器，其OC模塊動作。上下級保護(hù)之間動作的選擇性通過時(shí)間的階梯型整定來實(shí)現(xiàn)，時(shí)間級差設(shè)置為0.4 s。

當(dāng) L5發(fā)生不對稱故障時(shí)，R4延時(shí) 0.7 s，跳開B4，如圖1所示；R5在加速時(shí)間窗內(nèi)發(fā)現(xiàn)非故障相的電流發(fā)生變化后[2-5]，加速動作，跳開 B5跳閘（＞0.7 s）。備自投檢測到一端失去三相電壓后，延時(shí)動作環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘，從而恢復(fù)了L4上負(fù)荷的供電。系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘成功后，備自投將轉(zhuǎn)換為無通道保護(hù)，用于選擇性地切除L3和L4上的故障。其動作時(shí)間仍然按照時(shí)間階梯型整定實(shí)現(xiàn)。

圖2 不對稱故障發(fā)生在線路L5的最終系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Final system configuration when unsymmetrical fault occurs on L5

如圖3所示，如果B6因?yàn)楣收匣驒z修退出運(yùn)行，將環(huán)網(wǎng)開關(guān)閉合，保證對L6、L5和 L4上的負(fù)荷繼續(xù)供電，R5和R4上的潮流方向都發(fā)生了變化。以R5為例，L6發(fā)生故障，R5由原來的負(fù)荷側(cè)繼電器變?yōu)殡娫磦?cè)繼電器，其動作模塊由原來的DUV模塊變?yōu)镺C模塊。L5發(fā)生故障時(shí)情況剛好相反。因此，除故障方向檢測元件外，還需要加上潮流方向檢測元件，通過兩者的配合使繼電器進(jìn)入正確的動作模塊[4-5]。

圖3 斷路器B6退出運(yùn)行時(shí)的最終系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Final system configuration when B6is out of service

2 配電自動化系統(tǒng)中備自投功能的實(shí)現(xiàn)

電力系統(tǒng)對備自投裝置的基本要求為[7]：應(yīng)該保證在工作電源斷開后備自投才動作；工作母線上的電壓不論何種原因消失時(shí)，備自投均應(yīng)動作；備自投應(yīng)保證只動作一次；如果備自投投入到永久性短路故障，繼電保護(hù)應(yīng)該將備用電源斷開；當(dāng)工作電源和備用電源同時(shí)失電時(shí)，備自投不應(yīng)該動作；備自投的動作時(shí)間應(yīng)該盡可能短，以便快速恢復(fù)對用戶供電；備用電源投于故障時(shí)，應(yīng)使繼電保護(hù)加速動作。

備自投功能主要由以下兩部分實(shí)現(xiàn)。

a.UV模塊。此模塊用于檢測工作電源是否消失、備用電源是否完好。在2條線路互為備用自動投入的暗備用方式中，此模塊需要同時(shí)檢測每側(cè)線路末端的三相電壓。其啟動判據(jù)與無通道保護(hù)DUV模塊的啟動判據(jù)類似[4]，但是不包含潮流方向和故障方向的判別（備自投在沒有閉合環(huán)網(wǎng)開關(guān)的情況下檢測到的二次側(cè)電流為0）。啟動判據(jù)為：

其中，N為每周期的采樣數(shù)；U（n-2N）為2個(gè)周期前的電壓有效值；U（n）為當(dāng)前的電壓有效值；下標(biāo)s代表 a、b、c三相中的某一相。

該判據(jù)直接反映了故障后每相電壓的跌落幅度。Cs在正常運(yùn)行的情況下接近于0；當(dāng)失去工作電源時(shí)，每相的Cs都將迅速增大。當(dāng)UV模塊啟動后，裝置將持續(xù)檢測工作電源是否恢復(fù)并確認(rèn)備用電源的存在。如果工作電源沒有恢復(fù)，在一定的時(shí)間延遲后，UV模塊將啟動環(huán)網(wǎng)開關(guān)閉合。UV模塊的動作時(shí)間延遲必須考慮整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)的最大動作時(shí)間，以避免在保護(hù)沒有清除故障之前將備用電源投于故障上。

b.保護(hù)模塊和加速跳閘模塊。在備自投閉合環(huán)網(wǎng)開關(guān)成功后，備自投將作為無通道保護(hù)中的一級選擇性地切除發(fā)生在兩側(cè)的故障，其動作時(shí)間可按照圖2所示設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)了與上下級保護(hù)的配合。如果故障發(fā)生在線路L3或者L4，備自投將合閘于故障線路上，加速跳閘模塊需要無時(shí)延跳開環(huán)網(wǎng)開關(guān)，其只在備自投動作環(huán)網(wǎng)開關(guān)閉合后的一段時(shí)間內(nèi)有效。對于有效期之外發(fā)生的故障，保護(hù)模塊將按照圖2所示的整定時(shí)間動作。

3 適用于無通道保護(hù)的備自投新方案

3.1 適用于無通道保護(hù)的UV模塊啟動判據(jù)

傳統(tǒng)的備自投UV模塊啟動判據(jù)如式（1）所示，此模塊需要在檢測到某側(cè)工作電源的三相電壓都減小到一定程度時(shí)才啟動。

文獻(xiàn)[3-5]中提到的負(fù)荷側(cè)繼電器的DUV模塊的啟動判據(jù)為任意單相電壓減小到一定幅度，且潮流方向元件與故障方向元件滿足配合關(guān)系。

備自投裝置安裝于環(huán)網(wǎng)開關(guān)處，位于每條線路的末端，如果不存在高壓大容量感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷（此負(fù)荷在外部故障或者斷電后的殘壓衰減較慢，充電效應(yīng)比較明顯），備自投所反映的故障相電壓跌落幅度與負(fù)荷側(cè)繼電器所反映的故障相電壓跌落幅度是相近的。根據(jù)整定原則[7]，備自投UV模塊的電壓整定值較之于低壓保護(hù)往往設(shè)定得更加嚴(yán)格，需低于額定電壓的1/3。因此，如果將備自投UV模塊啟動判據(jù)由三相失壓變?yōu)槿我鈫蜗嗍?，在線路上發(fā)生不對稱故障時(shí)，UV模塊將提前啟動且保證在負(fù)荷側(cè)繼電器動作之后才閉合環(huán)網(wǎng)開關(guān)，使得非故障線路段的失電負(fù)荷能更早恢復(fù)供電。

以圖1所示系統(tǒng)為例，如果不對稱故障發(fā)生在L5，備自投三相失壓的條件只有在故障發(fā)生后0.7 s、R4動作跳開B4后才能滿足，備自投再經(jīng)過一定的時(shí)間延遲后才能使環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘。如果將三相失壓改為任意單相失壓，備自投與R4同時(shí)啟動，只需要保證備自投的動作時(shí)間比繼電器R4的負(fù)荷側(cè)保護(hù)動作時(shí)間0.7 s大一個(gè)時(shí)間階梯即可，從而實(shí)現(xiàn)了線路L4上的負(fù)荷盡早恢復(fù)供電。

3.2 適用于無通道保護(hù)的UV模塊動作時(shí)間

如圖1所示，在2條饋線中保護(hù)的最大動作時(shí)間是2.3 s。從基本要求來看，備自投在UV模塊啟動后至少需要一個(gè)比2.3 s更長的時(shí)間延遲之后才使環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘。

當(dāng)不對稱故障發(fā)生在L1時(shí)，R2的DUV模塊首先在0.1 s動作，使B2跳閘，R1的AOC模塊能根據(jù)加速時(shí)間窗內(nèi)非故障相電流的變化量加速動作，跳開B1；當(dāng)不對稱故障發(fā)生在L2時(shí)，R3的DUV模塊首先在0.5 s動作，使B3跳閘，R2的AOC模塊能根據(jù)加速時(shí)間窗內(nèi)非故障相電流的變化量加速動作，跳開B2。因此，將備自投UV模塊的動作時(shí)間修改為比前一級保護(hù)的DUV模塊動作時(shí)間高一個(gè)時(shí)間階梯即可，分別為0.9 s和1.1 s，如圖4所示。

圖4 UV模塊動作時(shí)間Fig.4 Operation time of UV module

但是當(dāng)故障發(fā)生在L3或者L4時(shí)，備自投合閘于永久性故障，加速跳閘模塊會無選擇性瞬時(shí)斷開環(huán)網(wǎng)開關(guān)。如果按照前面的方法整定備自投UV模塊的動作時(shí)間，以故障發(fā)生在L3為例，在R3的OC模塊于1.5 s動作之前，備自投就已經(jīng)在0.9 s動作，使環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘于永久性故障，加速跳閘模塊會再次瞬時(shí)斷開環(huán)網(wǎng)開關(guān)。

備自投合閘于永久性故障不可避免，因?yàn)閮H從末端的三相電壓判斷，備自投無法識別故障究竟發(fā)生在線路的哪一段?；疽笾兄赋鰬?yīng)該保證在工作電源斷開后備自投才動作，因此故障發(fā)生在L3時(shí)，要求備自投的動作時(shí)間大于1.5 s。但是如果線路L3上的故障是永久性的，即使在B3跳閘后，備自投仍會有一個(gè)動作環(huán)網(wǎng)開關(guān)“合閘—跳閘”的過程。

根據(jù)無通道保護(hù)的設(shè)置原則，R3的AOC模塊會在不對稱故障發(fā)生后設(shè)置一個(gè)以0.9 s為中心、寬度為50 ms的時(shí)間窗，用于檢測非故障相電流的變化量，從而實(shí)現(xiàn)加速跳閘的目的。利用這一點(diǎn)，備自投通過在0.9 s動作，使環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘并迅速跳閘，在時(shí)間窗內(nèi)引起2次三相電流擾動，從而為R3的加速動作提供可能性。理論分析可得到如下結(jié)論[8]：非故障相電流擾動大小主要與2條線路末端電壓的矢量差有關(guān)，矢量差越大電流變化量越明顯；故障相電流擾動的大小主要取決于系統(tǒng)阻抗、線路阻抗和故障電阻之間的大小關(guān)系。進(jìn)一步理論分析可知[9-14]，以上過程將會增加故障相間或者故障相對地的短路電流（單條線路變?yōu)?條線路并聯(lián)）。如果用戶或現(xiàn)場無法接受這一現(xiàn)象，設(shè)置一個(gè)高于1.5 s的UV模塊動作時(shí)間是有必要的。

4 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 測試系統(tǒng)說明

基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，在英國ALSTOM電網(wǎng)公司構(gòu)建了基于無通道保護(hù)的配電自動化測試模型，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)為10 kV單電源輻射狀系統(tǒng)，中性點(diǎn)經(jīng)10 Ω小電阻接地。系統(tǒng)的線路參數(shù)為：正、負(fù)序阻抗均為0.17+j0.38 Ω/km，正、負(fù)序電納均為3.03 μS/km；零序阻抗為0.32+j1.32 Ω/km；零序電納為1.38 μS/km；電流互感器變比為1 kA/1 A，電壓互感器變比為 10 kV/100 V；保護(hù)配置和時(shí)間整定值設(shè)置參考圖4；斷路器的跳閘固有時(shí)間設(shè)為40 ms，備自投合閘固有時(shí)間設(shè)為30 ms。

4.2 線路L2發(fā)生A相接地故障

圖5 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of test system

圖6 線路L2發(fā)生A相接地故障Fig.6 A-phase grounding fault on L2

相關(guān)繼電器的響應(yīng)如圖6所示。R3為負(fù)荷側(cè)繼電器，故障發(fā)生后其DUV模塊啟動，計(jì)時(shí)0.5 s后動作，跳開 B3，如圖 6（a）所示；R2是電源側(cè)繼電器，故障發(fā)生后其AOC模塊啟動，在以啟動后0.56 s為中心、50 ms為半徑的時(shí)間窗內(nèi)檢測到非故障相電流的變化，因此加速動作，跳開B2，跳閘時(shí)間稍落后于B3，加速效果明顯，如圖6（b）所示；備自投檢測到A相電壓跌落后即啟動，與R3的啟動同步，計(jì)時(shí)0.9 s后動作環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘，如圖6（c）所示，L3上負(fù)荷的停電時(shí)間大幅縮短，系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)與圖2類似。

4.3 線路L3發(fā)生A相接地故障

圖7 線路L3發(fā)生A相接地故障Fig.7 A-phase grounding fault on L3

相關(guān)繼電器的響應(yīng)如圖7所示。備自投檢測到A相電壓跌落后即啟動，計(jì)時(shí)0.9 s后使環(huán)網(wǎng)開關(guān)合閘，環(huán)網(wǎng)開關(guān)由于合閘到永久性故障上而瞬時(shí)跳開，如圖7（a）所示；R3是電源側(cè)繼電器，故障發(fā)生后其AOC模塊啟動，在以啟動后0.96 s為中心、50 ms為半徑的時(shí)間窗內(nèi)檢測到非故障相電流的變化（環(huán)網(wǎng)開關(guān)“一合一開”產(chǎn)生2次擾動），因此加速動作跳開B3，動作時(shí)間上相對原計(jì)劃的1.5 s大幅縮短，如圖7（b）所示。

4.4 小結(jié)

本文還模擬了不同位置、不同類型的不對稱性短路故障，結(jié)果表明：無通道保護(hù)能快速、有選擇地隔離故障，備自投能快速恢復(fù)無故障區(qū)段負(fù)荷的供電。對稱故障時(shí)不存在非故障相，電源側(cè)繼電器的AOC模塊將失效；負(fù)荷側(cè)電壓電流均為0，DUV模塊也將失效；文獻(xiàn)[15]對這種情況下的故障隔離與自愈進(jìn)行了詳細(xì)闡述。針對瞬時(shí)性故障，文獻(xiàn)[16]提出了一種適用于配電線路無通道保護(hù)的重合閘方案。

5 結(jié)語

根據(jù)配電線路無通道保護(hù)的特點(diǎn)，通過修改傳統(tǒng)備用電源自動投入裝置的UV模塊啟動判據(jù)和動作延遲時(shí)間，不僅能最大限度地縮短非故障區(qū)段負(fù)荷的停電時(shí)間，而且能充分加快電源側(cè)斷路器的跳閘時(shí)間，提高了該自動化系統(tǒng)的故障隔離性能和自愈性能，增強(qiáng)了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。