配电网设备保护定值可靠性在线校验方法

谢生贵

[摘    要]提出了两种保证配电网设备保护定值可靠性的通用算法：将配电网配置的保护以配电线路为单位，按时序分类为瞬时保护、短延时保护以及长延时保护，分别进行基于供电关系拓扑分析下的在线保护灵敏性和选择性校验，只要相应段满足这两方面的校验，就可证明相应段保护定值是可靠的;对于集中区域的设备，如开闭所、环网柜以及配电柜内的智能开关配置等，按供电上下级关系，使用同一坐标将其保护动作曲线放在一起进行比较，只要各设备的瞬时段、短延时段以及长延时段不发生重合，就可证明这些设备的保護选择性是匹配的，反之证明相应段存在不匹配问题。最后通过实例验证了方法的有效性。

[关键词]配电网设备保护;拓扑分析;在线校验;保护动作曲线;保护定值

[中图分类号]TM727.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–0–04

Realization of Online Verification Method for Reliability of Protection Setting Value of Distribution Network Equipment

Xie Sheng-gui

[Abstract]How to ensure the reliability of the protection setting value of the distribution network equipment，this paper proposes two general algorithms，one is to classify the protection configured for the distribution network into the instantaneous section protection，short-delay protection，and long-delay protection according to the time sequence based on the distribution line，respectively perform online protection sensitivity and selectivity verification based on power supply relationship topology analysis.As long as the corresponding segment meets these two aspects of verification，it can be proved that the corresponding segment protection setting is reliable.Second，for equipment in concentrated areas，such as switching stations，ring mains，and distribution cabinets，intelligent switch configuration protection，according to the relationship between the upper and lower levels of power supply，use the same coordinate to put their protection action curves together for comparison.If the instantaneous，short-delay and long-delay sections do not coincide，it can be proved that the protection selectivity of these devices is matched.On the contrary，it can be proved that the corresponding sections have non-coordination problems.Finally，the effectiveness of the method is verified through an example analysis.

[Keywords]distribution network equipment protection;topology analysis;online verification;protection action curve;protection setting value

电力系统按网络架构分为主干网和配电网。主干网络内设备保护配置的特点表现为两点：①主干网是连接各变电所之间的电力网络，该网络内各电力设备配置的保护均安装在变电所内，均配置在变电所内各有阻抗或无阻抗设备上，例如，线路、变压器、母线、并联电容器/电抗器、电动机等有阻抗设备和分段/母联断路器无阻抗设备上。②线路设备一般较长，存在明显数值的短路阻抗。实现设备保护定值的可靠性，可以全网设备为背景进行拓扑分析，使用短路计算方案对全网设备配置保护分别进行灵敏性、选择性和速动性在线校验，只要相应指标满足要求，即可证明保护定值满足相应性能的可靠性要求，当在线校验不满足相应指标的要求时，即可判断出保护定值可靠性在哪些方面存在问题。

配电线路直接连接城网或农网内各用电设备，供电设备种类繁多，网络架构一般采用手拉手构建多电源或环网供电网络，而实际运行时多采用辐射网络的运行方式，以配电线路为单位构成相对独立的供电小系统。配电网由于电压等级比较低（35 kV或10 kV），供电线路半径一般比较短，一般35 kV线路在15～20km，10 kV线路在10 km左右，所以配电主干或分支线路短路阻抗比较小。配电网保护选择性校验，使用短路计算方法存在无法校验的问题;对于保护灵敏性只要保证变电站出线开关保护在配电网特殊故障点处有灵敏度即可;对于速动性校验，由于配电网设备短路容量相对于主干网设备短路容量小得多，设备短路一般不会造成系统暂态失去稳定性问题，只可能造成设备损坏情况的发生，且配电网设备反应短路故障的保护动作时间一般在0～2s，若对于保护速动性无特别的要求时，可以不考虑保护速动性校验。这样配电网设备保护定值可靠性校验只要保护定值选择性匹配了，就可证明保护定值是可靠的。

本文针对配电线路主干、分支上开关配置保护定值选择性在线校验的问题，提出了以配电线路为单位宏观校验配电网设备保护定值选择性方法，一般配电网采用手拉手构建方式，运行时采用灵活的供电方式，所以配电网设备保护定值选择性验证的前提条件是必须采用在线校验的方式进行，实时跟踪每条配电线路运行方式的状态，按照实际供电拓扑关系的变化，从电源到负荷设备给出供电设备之间的拓扑关系，按照电源设备保护定值大于下级分支设备的保护定值，电源设备保护动作时间大于下级分支设备保护动作时间的原则，将各设备配置保护，按时序保护动作曲线作为整体移到同一坐标系下，横坐标为保护动作电流，纵坐标为保护动作时间，通过比较设备保护之间可视化动作曲线动作区域是否存在重叠的方法，判别出哪些设备的哪段保护定值存在不完全配合的问题。

1 配电线路为单位的宏观校验主干线段及分支保护选择性的方法

1.1 配电线路主干及分支拓扑自动识别的算法

在建设配电网框架模型时，可采用配电网GIS系统或配电自动化系统以建设好的模型及图形作为数据源，使用第三方结构模型文件（xlm格式或g格式或SVG格式文件），将其导入本应用软件系统，为的是避免重复构建配电网。在构建时分为两部分：①配电网主干及分支模型的创建;②相对集中区域视为变电所给出该区域详细进线、分段、出线支路的单相接线图。典型的配电网接线如图1所示。

该典型配电线路构建连接4个电源变电站出线开关，形成井字互联城网供电模式，但在实际运行时通过互联分段开关的操作，分別给出4个电源变电站出线开关辐射供电负荷的拓扑连接运行方式，依据识别配电线路小供电网的层次关系的算法，即可获取对应主干分支线各层拓扑关系。

依据配网自动化系统实时读取的配网设备遥信状态，确定实际当前配网设备运行状态，启动以配电线路为单位的网络拓扑分析功能，获取辐射配电线路内设备供电拓扑分析结果作为校验这些设备保护定值的背景。

识别配电网线路小供电网络的方法，依据整体配电网，按照某个配电变电站出线开关为起点进行拓扑查找，直到其他配电变电站出线开关为终点或相对集中配电区域为终点。构成的配电线路小供电网络作为该配电线路为单位分析宏观主干及分支保护选择性分析对象。

识别配电线路小供电网的层次关系的方法，依据配电线路小供电网络，按照某个配电变电站出线开关为起点进行拓扑查找，直到其他配电变电站出线开关为终点作为第一层主干网;在主干网中遇到每个分支作为第二层，将连接主干网设备作为电源设备，在确定是第二层分支网时，将分支节点作为起始节点进行拓扑查找，直到相对集中配电区域为终点作为第二层分支网络对象;在第二层中遇到每个分支作为第三层，将连接第二层网设备作为电源设备，在确定是第三层分支网时，将分支节点作为起始节点进行拓扑查找，直到相对集中配电区域为终点作为第三层分支网络对象;以此类推，按照实际配电线路存在的分支网络深度查找第四层……第n层分支网络。

1.2 保护选择性校验方法

在确定所分析的各层分支网络后，将各层电源设备保护作为本层的拓扑首节点编号（所在层号），将本层按照供电拓扑关系连接的设备保护顺序节点编号（所在层号+顺序号）构成本层设备保护选择性校验的列表，按层分别校验设备保护之间选择性配合关系，只要各层设备保护之间保证选择性配合，就可证明配电线路整体设备保护定值选择性是可靠的;若某层设备保护之间失去选择性配合，即可定位哪个设备的哪段保护存在选择性校验问题，输出校验结果简单明了。

配电线路内配置的保护有柱上开关保护、分支跌落保险以及分支智能开关保护，可能配置一次保险及二次保护装置等设备，提取保护的电流、电压定值和保护动作时间作为校验保护定值对象，按照电源到负荷各级供电关系，分析保护定值选择性和动作时间选择性配合关系，在配电网络由于线段阻抗较小（通过实际短路电流的测量对于电缆线路2 km左右无明显变化，但对于架空有所改变，但作为区分上下级保护定值整定短路电流值变化不明显），定值满足选择性配合的情况不多，但时间配合必须满足要求，否则就会存在保护定值选择性出现问题。

在校验保护定值时，需要区分一次保险和二次保护装置，因为一次保险只有动作定值可选择配置保险的大小，其动作时间是产品固有值，而保护装置配置的保护可以对定值及动作时间进行整定计算，即对于一次保险的保护只进行定值配合校验，而保护装置的保护既要满足定值配合要求，还需要有动作时间级差，有选择性的切除故障部位，防止停电范围扩大。

通过配电线路为单位宏观保护选择性校验，能够掌握配电线路主干分支保护定值配合的情况，避免了分支细节保护（相对集中配置保护）影响主干分支保护配合的判断。

软件在实际运行时可以依据当前配网断路器遥信变位情况，快速锁定有变化的配电线路，然后进行该配电线路内保护定值上下级配合的校验，一般校验耗时在几分钟之内，能够做到实时发现保护定值配合存在的问题。而全部校验的选择可以在配电网录入系统时或配电网运行方式变化较大时进行一次。配电线路为单位宏观保护选择性校验流程见图2。

1.3 保护灵敏性校验方法

配电线路主干分支保护灵敏性校验的原则是，对于配电线路分支层次多或配电线路长度较长时，需要将各段线路录入阻抗参数，一般按配电网变电所出线开关的保护灵敏性要求，设置校验配网灵敏度故障点，保证出线开关在整个配电线路发生最小相间故障时具有足够灵敏度，即保护灵敏度校验故障点选取距保护安装处最远配电线路节点处。

2 集中区域设备继电保护选择性校验方法

2.1 算法

配电线路集中区域设备一般归属为终端设备或供电层次更深的中转设备，包括开闭所、环网柜、配电柜等区域小型变电所，其内部包含进线、分段、出线等类型间隔，特点是其设备均属同一电压等级且它们电气连接线路较短，在定值核算时阻抗几乎可以忽略，这些设备运行方式一般不会影响到配电线路主干分支运行方式的变化。为了避免这些设备对配电线路主干分支设备保护选择性宏观掌握的影响，需要将这些设备从配电线路主干分支中脱离出来，而设置专用分析保护选择性工具处理此类区域内保护校验。

①将集中区域小型变电所内设备，按供电关系确定电源设备、分段设备、馈线设备的分类;②获取各设备全套保护时序配置的保护动作坐标曲线（横坐标为保护定值确定的动作电流，考虑保护定值允许存在±3%误差给出曲线波动范围，纵坐标为保护动作时间定值确定的动作时间，由于智能开关固有动作时间小于配合最小时差值，所以不考虑纵轴曲线波动范围）;③按照电源设备、分段设备、馈线设备的顺序，在同一坐标系下分别移动设备保护动作曲线图，其中电流大小决定曲线组左右移动，其中动作时间大小确定曲线组上下移动，绘制出该区域设备保护动作曲线图，分别分析瞬时、短时、长时保护时序段配合关系是否满足保护选择性要求，只要各时序曲线组不重叠说明保护选择性能够相互配合，对于存在时序段重叠部分说明重叠部分的时序保护之间存在选择性不配合的问题，需要调整相应设备保护定值。

2.2 实例计算分析

按配电线路内某个开闭所配置保护类型的3种典型实例，验证算法的正确性。该开闭所母线接线形式为单母线，包括：中压主进线开关（401）、中压联络开关（463）、SSTS进线开关（Q1，Q2）、SSTS出线开关（Q3，Q1BP，Q2BP）和馈线开关（Q3-1）见表1。

2.2.1 第一种典型配置分析

只考虑401、463、Q3-1三个开关保护定值曲线选择性校验情况，见表2。

脱扣曲线如图3所示。

校验结论：三级断路器脱扣曲线基本无交叉，可实现保护配合。

2.2.2 第二种典型配置分析

在第一种典型分析的基础上加入Q1/Q3验证。加入Q1/Q3后的脱扣曲线（Q1BP/Q2BP定值设定与Q3相同）如图4所示。

校验结论：

①Q1/Q2定值设定。长延时电流Ir=630 A，长延时时间Isd=8，瞬动电流Ii=5670 A（短延时电流Isd=6300，Tsd=0.4，大于瞬动定值，相当于短延时保护退出）。②Q3定值设定：长延时电流Ir=500 A，长延时时间Isd=8，瞬动Ii=5670 A（短延时电流Isd=5000，Tsd=0.4，接近瞬动定值，相当于短延时保护退出）。③根据脱扣曲线可看出，主进（401）、联络（463）与塑壳（Q1/Q3/Q3-1）间曲线基本无交叉，可实现保护配合。④Q1，Q3与Q3-1脱扣曲线在瞬动保护区间（5 000～7 000 A）段重叠，三级开关无选择性。

第三种典型配置分析：

对第二种典型情况的Q1、Q3瞬动定值调整后脱扣曲线（Q1BP/Q2BP定值设定与Q3相同）如图5所示。

校验结论：

（1）定值设定。

Q1/Q2：Ir=630 A，Tr=8 s;Ii=5 670A（2倍变压器额定制）;Isd=6300 A，Tsd=0.4（大于瞬动值，相当于短延时保护退出）。

Q3：Ir=500 A，Tr=8s;Ii=4 095 A（接近1.5倍变压器额定制）;Isd=5 000 A，Tsd=0.4（大于瞬动值，相当于短延时保护退出）。

Q3-1：Ir=400 A，Tr=8s;Ii=2 205 A（接近0.5倍Q3瞬动值）;Isd=4000 A，Tsd=0.4（大于瞬动值，相当于短延时保护退出）。

（2）根据脱扣曲线可看出，主进（401）、联络（463）与塑壳（Q1/Q3/Q3-1）间曲线基本无交叉，可实现保护配合。

（3）Q1，Q3脱扣曲线在瞬动保护区间（5 000～6 000 A）段重叠，此时SSTS进出线开关无选择性;Q1/Q3与Q3-1间基本实现选择性。

综合以上3種典型配置分析，表3给出开闭所定值。

3 结论

通过分析配电网架构的特点，得出配电网设备数目远大于主网设备数目，且配电网线段阻抗参数小，现场缺乏必要的阻抗参数等情况。使用短路计算的方法校验保护选择性，不论是计算量，还是现场不具备的条件都限制了该方法的实现，故提出了一套配电网继电保护定值选择性校验方法。

（1）针对配网主干分支开关配置保护在线校验的方法，是按以配电线路为单位分时序段，分别进行基于供电拓扑关系下的设备保护定值选择性校验，该方法能够从宏观上把握配电线路主干分支开关保护定值之间配合关系是否满足选择性要求，表现的特点是：校验结果能够简单清晰描述出配电线路主干分支开关之间保护定值选择性存在的问题，能够快速跟踪配电网运行方式改变。

（2）针对于集中区域，如开闭所、环网柜、配电柜内智能开关等设备配置保护在线校验的方法，是按供电上下级拓扑关系，将各智能开关保护完整时序段动作曲线归并在同一坐标下，通过相应时序段是否存在重叠区，判别保护定值选择性是否存在问题，表现的特点是：校验结果能够直观给出配电区域内设备之间保护定值及动作时间选择性失配的问题。

（3）使用该套方法开发软件系统应用到多个配电网实例工程中得到验证是有效的。

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