配电线路双向允许式保护新方法

摘要： 配电网允许式保护的应用可以通过实现配电线路多级保护间的选择性来有效减小故障停电区间、提高供电可靠性。但是现有的允许式保护方案主要适用于输电网，对于配电网线路的手拉手结构和时常发生改变的动态网络拓扑等特殊问题，现有单向允许式保护适用效果不佳。本文提出一种基于角色识别的双向允许式配电网分段保护新方法，感受到故障电流的各FTU分别向前后相邻FTU发送跳闸请求询问信号，接收到跳闸请求询问的FTU根据自身是否感受到过流判断是否返回跳闸允许信号，FTU根据是否在规定时间内接收的跳闸允许信号（出口FTU需识别故障功率方向）判断故障区段位置并动作。当通讯中断时，分段保护拒动，变电站内的出线保护可作为后备保护。通过采用光纤通信技术实现相邻保护装置之间的双向信息交流，该方法可有效直接地隔离故障区段，减小故障影响，提高供电可靠性。通过实例分析验证了该算法的选择性与可靠性。

Abstract： The application of the distribution network protection can effectively reduce the fault interval and improve the reliability of power supply by using the selective power distribution of the power distribution line. But the existing protection schemes are mainly applicable to transmission network， for distribution network line hand in hand structure and the dynamic network topology changing frequently and other special problems， the existing one-way permissive protection is not suitable. In this paper， a new method based on character recognition is proposed to segment the distribution network. Each FTU feeling fault current sends out the trip request interrogation signal to adjacent FTUs， the FTUs receiving trip request according to whether they feel the flow determines whether return trip signal， FTU according to whether or not receive the trip signal（export FTU to identify the fault power direction） determine the location of the fault section and action. When the communication is interrupted， the subsection protection is refused， and the outlet protection in the substation can be used as backup protection. By using optical fiber communication technology to achieve two-way communication between adjacent protection devices， the method can effectively isolate the fault section directly， reduce the impact of the fault， and improve the reliability of power supply. The selectivity and reliability of the algorithm are verified by an example.

关键词： 配电线路分段保护；FTU；允许式保护；双向通讯；功率方向识别

Key words： distribution line segment protection；FTU；permissive protection；two-way communication；power direction recognition

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0107-05

0 引言

配电网保护与输电网原理相似，但由于配电网结构的特殊性，配网保护与输电网保护存在较大区别。与输电网不同，配电网线路一般较短、且沿线有大量分布不均匀的负荷和分支线。一般的配电网主保护为变电站内出线断路器保护，多整定为速断保护或带延时的速断保护。如果线路上配置分段保护，则出线保护与分段保护多依靠时间级差配合。为了降低短路故障时短路电流对主变冲击的损伤，出线断路器保护的延时多为0.3s，因此下级的所有保护均需要在0.3s内完成动作，否则出线断路器动作全线失电。传统的断路器电流保护的每级时间级差为0.2～0.3s，也就意味着传统的配电网保护出口保护下级如果超过两级保护则很难按照时间级差完全配合，如果有多级分段或分支线保护则拒动和误动频繁。

针对沿线分布负荷和分支线的特点，为了减少长时停电时间和短时停电次数、实现供电可靠性的提高和用户停电损失的降低，配电网应采用多级保护配合[1-3]。因此常规的配电网电流保护已不能满足多级保护配合的配电网保护发展趋势。

由于配电网自动化技术，尤其是分布式智能控制技术和通讯技术的快速发展[4-6]、成熟及应用，近年来电力系统配电线路的保护领域涌现出一大批新技术，例如差动保护[7-8]、闭锁式保护[1，7-12] 、允许式保护[10-11]等。这些技术从原理上为改善配电网的保护和提高配电网的供电可靠性提供了新的契机。

文献[9-11]提出了一种未考虑由配电网中常见的负荷转供引起网络拓扑结构变化问题的配电网快速保护方法。基于通信通道，该方法可实现配电网保护的选择性与速动性，且能实现完备的后备保护。文献[9-11]虽然分析了方向允许式过电流保护和方向闭锁式过电流保护的动作原理，但所提出的方法均需变电站内出线断路器保护参与允许信号的收发，现场目前很难满足该条件。文献[1]利用纵联比较保护原理，光纤、数传电台等通讯方法，提出配电网全线速切保护。这种采用通信方式的保护系统已经实际投入现场试运行，且取得良好的运行效果。

本文针对时常发生改变的手拉手配电网线路拓扑结构和出线保护不参与线路分段保护的情况，通过分析线路上不同故障位置故障特征，提出一种基于功率方向识别的配电线路双向允许式保护新方法，并给出了故障判据和分段保护流程，最后利用典型故障情况进行了验证。

1 传统光纤允许式保护方法及其适应性分析

传统的光纤允许式纵联保护主要应用于220kV及以上等级的输电线路中，其基本工作原理为利用距离元件或者功率方向元件判断线路故障的方向，向线路对侧发送允许信号。其动作逻辑为只有当本侧的距离元件或者功率方向元件判别故障电流方向与规定的正方向相同、且接收到来自对端的跳闸允许信号时保护才会向相应断路器发出跳闸动作命令[13]。一般规定从母线指向线路为正方向，本侧功率方向为正时才向对端发送跳闸允许信号，本侧只能接收对侧的跳闸允许信号。

这种单向允许式保护方法只适用于以母线分段的输电线路，机构如图1所示。

所有的保护装置必须配置方向元件，且线路网络拓扑固定，每个保护只能向固定对端发送允许信号。例如当k2发生短路故障时，保护1、保护3、保护4、保护6检测到方向为正的故障电流、分别向对端发送跳闸允许信号，只有保护3和保护4能同时满足检测的方向为正的故障电流并且接收到对端发送的跳闸允许信号，因此只有保护3和保护4能向相应断路器发送跳闸指令。

但典型的配电网分段保护结构如图2所示，由于配电线路一般较短，各分段之间不存在母线，且相互直接均可进行通讯。

文献[10]提出了一种判断故障电流方向的双向允许式过电流保护方法，其原理为判别电流方向，FTU向故障电流流出方向发允许信号，对于故障电流流入方向不发信号。此方法需要各FTU判断电流方向，需要出线断路器与分段开关交换故障信息，且事实上只单向发送运行信号。受制于投资和现场安装空间等因素，并不是每个分段保护装置安装处适合装设PT或其他方向元件。即使每个分段保护装置处均安装了PT和CT，由于现场施工水平的原因很难保证每个PT、CT极性连接全部正确。因此无法保证线路上每个分段保护都能得到正确的功率方向信息，传统的允许式保护并不适用与配电线路分段保护。

2 基于角色识别的双向允许式保护原理

为实现停电转供、提高供电可靠性，实际配电网多为“闭环设计、开环运行”的手拉手结构，如图3所示，整条线路由两端的A、B双电源分别供电。正常运行时，联络开关为断开状态，联络开关两侧的负荷由不同电源各自供电，区域1～区域6为A电源供电范围，区域7～区域9为B电源供电范围。当发生故障或者检修需要停电时，相应的断路器断开，联络开关LB闭合，完成负荷的转供。图3中，QF1、QF10为变电站内出线断路器，传统的出线保护（保护1、保护10）一般采用三段式电流保护，与线路上的分段保护之间没有通讯信道（无法发送跳闸请求询问信号、也无法接收跳闸允许信号），无法参与配电线路的多级分段保护。新建设的配电线路上多配置了分段开关，分段开关QF2～QF9采用断路器，均可配置相应的允许式保护装置。为实现保护装置之间的信息交换，相邻保护之间均铺设有独立的光纤通信通道[14]，每10ms启动握手通信，在感受到过电流时相邻保护装置之间发送跳闸请求和跳闸允许信号，每套保护与相应电气开关直接相邻，传递动作信息。

以图3（A）所示典型配电线路结构为例，分析基于功率方向识别的配电线路双向允许式保护新方法的工作原理。由该系统的静态网络拓扑结构可发现，分段保护装置n（n=3～8）前后均存在相邻的分段保护，由于主供电源的变化，两侧相邻保护均有可能成为电流的流入侧。实际运行中，无法确定联络开关LB的具置，而且如前文所述并不是所有分段保护都能准确获取自身的功率方向，所以线路上的分段保护装置无法确定与主供电源向相对应的正方向。因此要适应于各种情况下的故障，保护装置在感受到过流时要向前后相邻两侧均发送跳闸请求询问信号。由于双向发送跳闸请求询问信号，中间保护n可同时最多接收到前后相邻两个保护发送的跳闸请求询问；出口保护2和出口保护9由于与出线断路器相邻，只能接收到单侧的跳闸请求询问，故需要给予特殊考虑。

如图3（A）所示，当联络开关LB断开，左侧全部负荷均由电源A供电时，对于与出线断路器相邻的出口保护2来说，若区域2发生短路故障保护2应该接收到允许跳闸的信号从而跳闸切除故障；若区域n（n=3～6）位置发生故障，保护2不应接收到跳闸允许信号，应由保护n跳闸切除相应位置的故障；若区域1发生故障，保护2不应动作，应由变电站内出线保护1的断路器切除故障。根据出口保护2只能与保护3通信的实际结构，对比以上三种情况可以发现，只有当保护2感受到过流，同时相邻的保护3未感受到过电流时，保护2才应该接收到跳闸允许信号，控制相应分段保护断路器跳闸切除故障。因此出口保护2的保护过程应该是其感受到过流后向相邻保护装置发出跳闸请求询问信号，当相邻保护装置接收到跳闸请求询问后识别自身是否感受到过电流，如果未感受到过电流则可以回复跳闸允许信号，保护2接收的跳闸允许信号后动作与跳闸切除故障。但是，当出线断路器QF1断开，联络开关LB闭合，区域1～区域6由电源B转供时，如区域1发送短路故障，保护2和保护3同时感受到过电流，保护3不会回复保护2的跳闸请求询问。上述这种情况下，接收不到跳闸允许信号，保护2需要判断故障电流的功率方向，若与相邻电源A主供方向相反，则应立即跳闸，不必等待跳闸允许信号。因此对于与出线断路器相邻的出口保护2和保护9来说，应配有PT，故障后先识别故障功率方向。

根据图3（B）所示，对于保护n（n=3～8）来说，由于主供电源的变化，不同区域发生短路故障时，各保护是否检测到过流以及跳闸位置各有不同。当典型的不同主供方不同位置故障发生时，各保护装置动作情况如表1～4。表1、表2分别分析了图3中联络开关LB断开，电源A、B各供电区域发生故障时，各保护装置感受过电流与否及动作情况。表3分析了联络开关LB闭合，QF10跳开，区域1～9全部由A电源供电时，各区域发生故障时，各保护装置感受过电流与否及动作情况。表4分析了联络开关LB闭合，QF1跳开，区域1～9全部由B电源供电时，各区域发生故障时，各保护装置感受过电流及动作情况。

上述表格中，“+”代表感受到过电流，“-”代表未感受到过电流，“T”代表相应断路器动作于跳闸，“N”代表感受到过流保护启动发送跳闸请求询问、但未接收到跳闸允许信号。由上述不同主供电源不同区域故障时，线路上各保护感受过流及动作情况易看出保护2～保护9的动作条件为发出跳闸请求询问信号后接收到未过流的相邻保护回复的跳闸允许信号。相对于保护2和保护9这类出口保护装置，保护3～保护8的动作不需要判断故障功率方向，定义为线路保护装置。只要配电线路的静态网络拓扑结构固定，线路保护装置的保护策略不受动态网络拓扑结构变化的影响。

当区域1由电源A供电时发生短路或区域9由电源B供电时发送短路，此类电源近区故障无法单独依靠上述保护2～保护9构成的配电网分段保护快速切除。保护1和保护10为变电站出线保护，作为电源近区故障的主保护、作为其他线路区域故障的后备保护。因此变电站内出线保护（保护1和保护10）需要分别按照相邻的出口分段保护装置（保护2、保护9）的安装位置处最大短路电流整定速断电流定值。同时出线保护作为后备保护，需要整定一个延时为？驻t（？驻t=T2-0=T1+t0+t■■）、电流等值与分段保护相同的限时电流速断保护。上式中T1为分段保护装置接收允许信号的时间，t0为分段保护发送跳闸指令时间，t■■为断路器跳闸动作时间。当分段保护装置间的通讯中断、允许保护失效时，变电站内出线保护作后备，由出线保护（保护1、保护10）和分段保护（保护2～保护9）构成完备的馈线快速保护系统。

3 保护判据及实现流程

3.1 保护判据

根据安装位置，将双向允许式保护装置的角色分为两类，与变电站的出线断路器相邻的为出口保护装置，其他的为线路保护装置，两类保护分别给出保护判据。

①对于出口保护装置，若感受到过电流且故障功率方向为正，时间T1内收到相邻保护装置返回的跳闸允许信号，则相应分段保护断路器动作；若感受到过电流且故障电流功率方向为负，则相应分段保护断路器直接动作；

②对于线路保护装置，感受到过电流，且时间T1内接收到任意相邻保护装置返回的跳闸允许信号，相应分段保护断路器动作；

③后备保护，若当t=T2时仍能检测到过电流，则变电站内出线断路器动作。

3.2 算法实现流程

根据第2章分析的原理和3.1节给出的保护判据，基于功率角色的配电线路双向允许式保护装置的工作流程归纳如图4所示。

如图4所示流程主要适用于纯电缆线路或者架空线较少的混合线路，对于架空线路和以架空线为主的混合线路需配置重合闸，若重合闸不成功，其故障处理流程亦如下图4所示。

4 实例分析

4.1 实例一

联络开关LB断开，区域1～6由A电源单独供电，如图5所示。

①如图5中所示，当区域1发生短路故障，仅变电站内出线保护1能感受到过电流，其他保护感受不到过电流，保护装置不启动。区域1短路的最大短路电流可使出线断路器速动保护，最小短路电流可使出线断路器经过一个延时？驻t后跳闸。符合表1中第一行第一列的期望动作。

②当区域3发生短路故障，出线保护1、出口保护2和线路保护3同时感受到过电流，其他保护感受不到过电流。如图6所示。

1）出口保护2感受到过电流，向相邻保护（保护3）发送跳闸请求询问信号；线路保护3感受到过电流，向前后相邻保护（保护2和保护4）发送跳闸请求询问信号。

2）保护3接收到保护2的跳闸请求询问，判断自身感受到过流，不做答复；保护2和保护4接收到保护3的跳闸请求询问，保护2判断自身感受到过流，不做答复，保护4未感受到过电流，向保护3返回跳闸允许信号。

3）保护3接收到保护4返回的跳闸允许信号，相应分段保护断路器动作，切除故障。过电流消失，出线保护1和出口保护2保护复归。

4.2 实例二

当部分线路发生故障，部分负荷需要转供时，如图7所示系统，区域2故障隔离，QF3断开，联络开关LB闭合，电源B为区域3和区域4供电。

若k2处发生短路故障，出线保护7（CB7）、出口保护6（FTU6）、线路保护5（FTU5）、线路保护8（FTU8）、线路保护4均感受到过电流。

①出口保护6感受到过电流，向相邻保护6发送跳闸请求询问信号；线路保护5感受到过电流，向前后相邻保护6和保护8发送跳闸请求询问信号；线路保护8感受到过电流，向前后相邻保护4和保护5发送跳闸请求询问信号；线路保护4感受到过电流，向前后相邻保护3和保护8发送跳闸请求询问信号。

②出口保护6接收到保护5发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；线路保护5接收到保护6和保护8发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；线路保护8接收到保护4和保护5发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；线路保护4接收到保护8发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；线路保护3接收到保护4发送的跳闸请求询问，判断自身未感受到过电流，向保护4返回跳闸允许信号；

③保护4接收到保护3返回的跳闸允许信号，相应分段保护断路器动作跳闸，切除故障。过电流消失，其他保护复归。

4.3 实例三

母线A故障或检修、所带全部负荷转供，如图8所示区域1、2、3、4由B电源转供。此时出线断路器QF1断开、联络开关LB闭合。

若k1处发生短路故障，①保护2、保护3、保护4、保护8、保护5、保护6均感受到过流，分别想前后相邻保护发送跳闸请求询问信号；出口保护2识别功率方向，短路电流功率方向与出口保护2的定义正方向相反。②保护2直接向相应分段断路器发送跳闸命令，切除故障。过电流消失，其他保护复归。

5 结论

本文根据配电网保护的特点和日益提高的供电可靠性要求，提出一种基于角色识别的双向运行式保护新方法，该方法不需要变电站内出线保护装置收发跳闸允许信号、不需要所有分段保护都测量功率方向。且根据确定的静态配电线路网络拓扑结构制定保护判据，不需要主站参与识别配电线路的静态网络拓扑结构变化，仅各相邻分段保护间互相交换信息，可完成快速判断、切除短路故障。有效地解决了配电网的快速故障隔离和系统重构问题。

参考文献：

[1]丛伟， 潘贞存， 郑罡，等.配电线路继电保护系统中全线速切技术的应用[J].电力自动化设备，2009， 29（4）：91-95.

[2]王艳松.电力工程[M].山东：中国石油大学出版社，2012.

[3]尹克宁.电力工程[M].北京：中国电力出版社， 2008.

[4]徐丙垠，薛永端，李天友，等.智能配电网广域测控系统及其保护控制应用技术[J].电力系统自动化， 2012，36（18）：2-9.

[5]蒋建国，夏娜.基于MAS的分布式智能控制初探[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2005（9）： 1085-1088.

[6]顾伟军，彭亦功.智能控制技术及其应用[J].自动化仪表，2006（S1）：101-104.

[7]贺家李，李永丽，董新洲，等.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社，2010.

[8]张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2009.

[9]周念成，贾延海，赵渊.一种新的配电网快速保护方案[J].电网技术，2005，29（23）：68-73.

[10]肖永，邹庆，周念成.配电线路快速保护原理及分析[J].重庆大学学报（自然科学版），2004（11）： 30-33.

[11]王建辉.电网配电线路快速保护工作原理探讨[J].科技与企业，2011（9）：125-126.

[12]俞小勇，周杨，高立克.一种角色自识别的配电线路双向闭锁式保护方法[J].电气应用，2015（22）：25-30.

[13]罗琦，宋述勇.允许式纵联保护分析[J].山西电力，2008（03）：22-26.

[14]唐爱红，程时杰.配电网自动化通信系统的分析与研究[J]. 高电压技术，2005，31（5）：73-75.