继电保护与配电自动化协同故障隔离技术

2021-04-14云南电网有限责任公司电力科学研究院王洪林山东科汇电力自动化股份有限公司董春林

电力设备管理 2021年3期

云南电网有限责任公司电力科学研究院王洪林李维山东科汇电力自动化股份有限公司董春林

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1 继电保护原理与配电自动化可行性

1.1 继电保护原理

继电保护具有重要的安全意义，其能在电路本身发生故障问题时迅速进行对应动作，达到保护基础区域的目标。通常情况下故障电流的差异性较为显著，因此可采用三段保护的措施，针对电流本身的固定数值及上下配合方式进行操作，有效达到保护选择目标及效率需求。在线路建设距离相对较短的城市配电范围中，继电保护可在故障发生时通过保护延时的方式进行基础配合，有效解决故障切断问题，进一步强化安全性能[1]。

在线路类型为110kV/10kV 状态下，如装置容量为50MVA，整体短路电压百分比处于15.5%，内部感抗为0.31Ω，10 kV 线路本身阻抗达到Z=0.17+j0.33Ω/km。通过将电压本身的系数设置为1.1，并忽视绕组电阻状态以及后续系统阻抗影响，便能得出发生短路情况下的最大电流变化趋势（图1）。通过分析图中变化趋势，可认为短路的电流幅值与故障本身的距离成反比状态。在出口区域发生故障时短路电流将会迅速下降，当远距离区域发生故障时整体变化相对较为平滑。因此在线路距离短的条件下应利用二级保护措施，通过时间级差信息进行配合，达到良好的继电保护目标。此外，如果线路长度大于1km 便需应用中间断路器，确保能达到预定效果。在与配电自动化协同的技术方案中，分支电路的开关与用户开关、变电出口短路器需通过合作的方式降低故障出口越级可能性，实现选择性关闭的效果，削弱故障带来的损害。

图1 变化趋势

图2 架空混合线路

1.2 配电自动化可行性

常规配电自动化方案主要分为三个类型：就地控制、集中控制、分布控制。分布式策略主要通过馈线装置间的信息交换方式实现快速定位问题区域、自动隔离、恢复原状态等功能；集中控制与就地控制两种方案的应用时间都处于分钟级状态，相对于分布式策略存在效率劣势。通过采用分布配电自动化可使故障隔离操作在瞬间完成，有效增强系统本身的运行稳定性，降低问题带来的损害[2]，因此常规配电自动化主要采用分布控制的方式运行。在这种模式中，分段开关需结合断路器应用，针对故障区域进行直接切除，实现损害控制的效果。同时还可有效提高供电修复的效率，缩减后续经济损失规模。在分布式操作类型中自动化分为两种实现方式，即协同与代理。协同策略通过对数个智能终端进行规划，使其能达到配合的效果，在故障发生时快速完成定位操作并进行隔离、恢复等环节；而代理方式则需利用单个智能化终端进行操作，整体应用效率较高，但安全性较差。一旦智能化终端出现问题，便会导致自动化流程无法执行，严重损害应用效果。

例如，图2为一种架空混合线路，在这一线路中QF1、QF2属于出口短路装置，Q1、Q4、Q5、Q8、Q9为主线路分段区域开关装置，Q2、Q6具有分支线路开关的作用。Q3、Q7能发挥用户分界开关功能，QL 可管控联络开关状态。当F 区域发生故障问题状态下，终端FTU6可利用附近馈线信息交换渠道获得FTU1、FTU2、FTU3的基础信息，进而达到监测故障电流的目标。如FTU4没有发现故障问题，便能判明发生区域处在Q4与Q5的范围内。此时，代理终端装置将会操作Q4、Q5进行分闸，直到确认断开完成后才会显示成功隔离的提示内容。

2 继电保护与配电自动化协同故障隔离方案

开关配置。在继电保护与配电自动化进行协同工作的状态下，应针对出口区域的断路器应用双重保护的策略。在这一流程中，首层保护应针对近端故障现象进行操作，基础时间限制需保持在0S，而二层保护需与配电变压装置进行共同操作，操作时间限制保持在0.5S，并通过FTU 进行配置操作。主线路需加装二级快速断开保护装置，首段时间限制在0.3S，其次动作时间在0S，超出范围均设置为0S动作，同样采用FTU 进行配置。分支开关应加装电流Ⅱ保护措施，并与出口区域的Ⅱ保护进行协同操作。通过配置重合闸的方式，达到无电压无电流的分闸效果。针对用户分界开关的时间配置应为0.1S，并定时限制电流进行速断保障[3]。

隔离措施。当电路发生故障时，应根据线路本身的差异进行深入研究。例如主线路故障情况下，如区域处于近端状态则Ⅰ段保护将会快速进入操作状态，并使整体故障区域得到控制，有效合闸。如合闸操作没有正确完成则会通过加速跳闸的方式隔离目标区域位置。当出口短路装置的远端区域发生故障问题时则分为两种主要情况：一为上游开关与断路器下一开关的范围故障，在这种情况下需通过开关配置的方式将电流进行快速切断，以实现保护系统的目标；第二种情况可将保护区域的线路开关设置为0S，使永久性故障发生的过程中能使故障点立即跳闸，进而使联络开关能判断问题区域，启动自动化处理流程。这一流程可通过终端装置分析区域故障问题并快速确定点位，遥控进行跳闸，实现故障隔离的目标[4]。

3 实例分析结果

以图2分析，通过采用对应的开关配置方法，使出口区域的短路装置能达到双重保护效果。首段设置时间为0S，当保护近端小于一千米的区域发生故障情况下，二重保护能以0.5S 的速度快速控制故障区域，达到隔离目标。在位置故障具有差异的状态下，则需按照对应的点位进行处理操作，基础点位如图3ac 所示。当K1点位故障的情况下，Q3区域将会延长约0.1s 的时间进行操作，使瞬间故障能够得到有效控制。如合闸出现问题开关将会直接跳开，有效切除故障区域，如图3a 所示。如分界开关的下游区域出现问题，也不会影响主线路的状态，具有良好的安全性。当K2点故障的情况下，Q4与Q5点位将会立即进入反应状态，如图3b 所示。这时代理装置QL 将会通过自动拓扑的方法获得Q8点位的故障情报，进而操作Q4进行自动化合闸。这种方式可有效完成故障隔离，为后续发展提供良好的帮助。联络开关QL 合闸，能恢复下游区域的供电状态，如图3c 所示。