配电自动化系统保护设计初探

摘要:随着我国城乡电网建设(改造)工程的不断深入实施,城镇配电网的管理工作的重要性已日趋突出,在电力网领域中配电自动化(DA)这一新兴技术的发展方兴未艾。文章介绍了配电自动化系统的内涵及其保护设计现状,旨在提高配电网自动化系统的快速性和可靠性,解决其动作不准确、时间长和传输不可靠的一些问题,提出新颖的保护方式。

关键词:配电自动化系统;馈线自动化;保护设计;城镇配电网

中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0047-02

一、配电自动化系统的内涵

配电自动化系统(DAS)是一种可以使配电企业在远方以实时方式进行监视、调配和配电设备的操作自动化系统。

二、配电自动化系统的保护设计现状

配电网的馈线自动化是配电自动化的核心,没有馈线自动化的保护功能,配电自动化只能称为配电数据采集处理系统,目前,电力系统中配电自动化系统的保护类型,主要有三类方式:

(一)重合器型

此方式设计建设简单,但不具备通讯和管理功能,而且需要断路器反复多次重合闸,导致不必要的多次停电。不能解决好配电自动化问题。

(二)远动型

此方案由监控型FTU组成,需要主站与子站之间的通讯才能解决馈线自动化问题,由于其依赖于主站通讯,故确定故障和隔离故障的时间很长,增加了更多不可靠因素。

(三)保护型

此方案由保护型PTU组成,通过FTU之间的闭锁信号配合,能就地实现故障检测隔离和恢复供电,不需要和主站进行通讯,不需要多次重合闸,故可靠性和整体性能非常高。

在保护实现的原理模式上主要有三种,即电流型、电压型、远动型。而常用的有两种方式,即电流型和电压型,它们在不同的方面存在各种问题,没有完全解决保护的“四性”和故障恢复的安全性、可靠性。

三、配电自动化系统的保护实现原理

(一)快速保护的构成

馈线自动化中采用的快速保护利用光纤通道,分为两种:一种是双方向闭锁式方向过电流保护;另一种为双方向允许式过电流保护。它们的共同特点是采用了独立通讯通道完成保护的信号交换。除了原理上的区别外,在使用范围上也有区别,双方向闭锁式方向过电流保护可以用于双电源环网闭环运行和开环运行方式,以及单电源辐射运行方式。双向允许式过电流保护用于双电源环网开环运行方式以及单电源辐射运行方式。

1.双向闭锁式方向过流保护工作原理。系统保护利用故障电流方向判别与故障电流幅值大小原理构成的双向闭锁式快速方向过电流保护。该系统保护利用主――备保护原理构成完整的馈线保护。

在配电网络上,各电气相邻的FTU保护之间采用光纤构成信号交换回路,每套保护只与相邻的保护联系,采用正方向信号默认不发送、反方向信号发送禁止动作信号原理构成。保护配置瞬时速断、过电流和重合闸。

2.双向允许式方向过流保护工作原理。系统保护利用故障电流幅值大小原理构成的双向允许式快速过电流保护。低定值的过电流启动发信号,高值过电流启动跳闸装置。该系统保护利用主――备保护原理构成完整的馈线保护。

在配电网络上,各电气相邻的FTU保护之间采用光纤构成信号交换回路,每套保护只与相邻的保护联系,采用无故障电流信号默认不发送、有故障电流信号发送允许动作信号原理构成。保护配置瞬时速断、过电流和重合闸。

在变电站侧,将配电馈线主保护延时t(0.35或0.55)以配合配电自动化系统保护的动作,作为馈线保护的后备。以在馈线自动化保护动作失败的情况下,作为馈线保护失败的补救措施。

(二)保护设计评价

双向通讯保护方案的优点在于实现了保护的“四性”,即快速性、灵敏性、选择性、可靠性。电路简单,无须进行复杂的数据通讯,仅用有光电平的检测方式。

1.快速性。在故障发生的10～20毫秒时间内,己完成了故障功率的方向的信息交换。各FTU独立工作,故障分析及时,切除故障动作迅速,动作时间≤25ms。

2.灵敏性。由于采用了闭锁原理,可以降低保护定值,不必按阶梯保护原理整定,提高灵敏度。

3.选择性。经过信号的交换,完成了故障范围的判断,只切除故障段的两侧断路器,实现有选择地切除故障。

4.可靠性。可靠性分为:(1)闭锁式保护;(2)允许式保护。闭锁式比允许式优越,但结构复杂;允许式有死区和误动的可能。

四、配电自动化系统的保护重构设计

(一)系统重构配置原则

当系统故障切除后,恢复馈电线路的送电工作,就是系统重构。为了提高系统的可靠性和安全性,避免过分依赖通讯系统的可靠性,提出了二级系统重构原理。

该快速馈线自动化系统的重构有两道防线:

1.由DTU组成的远方自动分析系统,该DTU重构系统作为主重构,其作用是:(1)快速地进行线路和变电站的负荷分析;(2)较快地自动下达系统恢复的遥控命令送入重构器执行。弥补FTU自动重构的速度问题。

2.由FTU内的重构器本身完成的慢速恢复系统,作为系统后备重构,当系统通信失去时,由FTU的重构器完成系统的重构工作,恢复系统的送电。

在重构时,电源来电并且断路器储能完成后,每个FTU再延时TCG秒时间,避免重构器与线路故障段FTU设备重合闸抢动,计算如下(可固定为3～7秒):

TCG=TCH+TSY+t

其中:TCG为重构时间,TCH为系统重合闸时间,TSY为系统的失压保护动作时间。

按照此原理,在通讯正常的情况下,快速地重构工作由DTU来完成,FTU内部的重构器自动放弃执行返回。在通讯失去的情况下,由FTU内的重构器完成系统的重构工作,可保证系统在通讯系统完全失去作用的情况下,仍然能够按顺序恢复系统的供电。

(二)系统重构器原理

系统重构器设计原理:

故障隔离原则:故障发生后且出现两侧失电时,延时失压脱扣跳闸;

系统恢复原则:单侧电源来电延时进行合闸,两侧电源来电禁止合闸。

系统配置的重构器电路分为两部分,一部分为隔离跳闸电路,另一部分为恢复合闸电路。分别完成重构工作的相应任务。

系统在通讯正常时的重构,由DTU的主重构来完成分析判断并执行,在通讯失败时由系统的备用重构器完成重构。备用的自动重构器的动作分析如下:对于系统的瞬时故障,保护完成跳闸后,由跳闸的FTU重合闸装置延时TCH秒进行重合。重合完成后,相邻重构器中的时间继电器迅速返回。对于系统的永久故障,重合失败,闭锁本FTU的重构器,由人工远方或就地恢复。另一侧电源的配电断路器,失去双电源并且检测到相邻断路器故障跳闸的方向信号,FTU延时TSY秒脱扣跳闸。有单电源的FTU延时TCG秒后,开始重构,按顺序一直延伸到故障跳闸的断路器,由于保护动作闭锁,保护跳闸的断路器经检修后,由人工远方或就地恢复。

对于馈线保护失灵越级跳闸的情况,变电站保护完成跳闸和重合工作,由于保护的越级动作原因可能是故障点的FTU断路器拒绝动作,重构时原理与永久故障相同。

利用来电电源进行操作,减小FTU的电池容量,又可以鉴别系统电源以防止系统的电源并列。这样的合闸顺序,给需合闸的断路器总是有交流电源作为合闸电源。

(三)保护通道设计

目前最好的通讯手段是光纤,它有耐腐蚀、抗干扰和可靠性高的特点,对于自动化系统最为适合,又可以进行通道分开。在系统中可以通过光纤自愈环方式,实现系统的相互备用。由于光纤比其他的通讯手段有无法比拟的优越性,因此保护通道采用光纤通讯方式。保护对通讯的要求在1毫秒内响应,控制系统要求在0.5秒内工作就可以了。保护通讯与控制系统通讯相对独立,采用两个独立的通讯通道,避免出现通道的干扰和争用,产生延时,确保保护信号的交换。

参考文献

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