方向元件在馈线自动化中的应用研究

马 亮，明 明，徐湘垒，刘 锋，张鸿魁

（国网上饶供电公司，江西 上饶 334000）

0 引 言

随着我国综合国力的提升和民众生活水平的提高，人们对电力供应的要求越来越高。配电网作为连接用户和电网的桥梁，直接关系到用户的用电体验，是极其重要的角色[1]。配电网的运行环境复杂，涉及众多节点和广阔区域，容易发生故障。因此，要想提高供电可靠性，需要先提升配电网的管理和控制水平，优化其运行效能[2]。

馈线自动化在提高故障隔离和恢复非故障区间供电效率等方面发挥着关键作用，是提高供电可靠性的重要手段。馈线自动化主要分为集中型和就地型。集中型馈线自动化是通过配电自动化主站和馈线终端单元相互配合实现。配电主站通过馈线终端采集的信息判断故障区间和联络转供方案，并将相关遥控信息下发给馈线终端，由终端执行相应操作，达到隔离故障和恢复非故障区间供电的目的。就地型馈线自动化主要包含重合器式和智能分布式2 类。智能分布式馈线自动化通过馈线终端之间的信息交互来实现故障区间判断、故障隔离以及非故障区间供电恢复，但由于其对通信的要求较高，实际应用较少。重合器式馈线自动化则通过馈线终端的时序配合和特定的操作逻辑（如来电延时合闸、失压分闸、正反向闭锁）来实现故障区间判断、故障隔离以及非故障区间供电恢复。由于其运行不受通信环境的影响，应用广泛，切实提高了配电网的运行水平。

1 90°接线方式下故障方向特征分析

1.1 线路正向供电、电源相序为正序时

1.1.1 正方向三相短路

当线路正向供电、电源相序为正序时，正方向三相短路如图1 所示。

图1 三相短路电路

图1 中：Zs为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；ZL为保护安装处至故障发生处的线路阻抗（包括过渡电阻）[3]；分别为系统等效三相电源的A 相、B 相、C 相电动势，其相量为，；保护检测到的电压为。假设ZL=xZS，φk为线路阻抗角，则

1.1.2 正方向两相短路

当线路正向供电、电源相序为正序时，以AB 相为例，正方向两相短路电路如图2 所示。

图2 AB 相短路电路

假设2ZL=xZS，则

同理可得， 当BC 相短路时： 对于B 相来说，U4CA和I4

1.1.3 方向保护的判据

经过计算可求得30°≤α≤60°，一般取α=45°，即正方向保护的判据为-90°≤φ+45°≤90°。经过化简后，正向的判据为-135°≤φ≤45°，反向的判据为45°≤φ≤225°。

1.2 线路正向供电、电源相序为负序时

1.2.1 正方向三相短路

当线路正向供电、电源相序为负序时，正方向三相短路电路如图3 所示。

图3 三相短路电路

1.2.2 正方向两相短路

当线路正向供电、电源相序为负序时，以AB 相为例，正方向两相短路电路如图4 所示。

图4 AB 相短路电路

现场一般会按照正向供电、相序为正来取α，即取α=45°，此时。

当线路实际为正向供电、电源相序为负序时，功率方向保护内角依然按照线路正向供电、电源相序为正序供电来设计，会将正向故障判错，报反向故障。

1.3 线路反向供电、电源相序为正序时

1.3.1 正方向三相短路

当线路反向供电、电源相序为正序时，三相短路电路如图5 所示。

图5 三相短路电路

1.3.2 正方向两相短路

1.3.3 方向保护的判据

现场一般会按照反向供电、相序为正来取α，即取α=45°，此时。

当线路实际为反向供电、电源相序为正序时，功率方向保护内角依然按照线路正向供电、电源相序为正序供电来设计时，会将正向故障判错，报反向故障。

1.4 线路反向供电、电源相序为负序时

1.4.1 正方向三相短路

当线路反向供电、电源相序为负序时，正方向三相短路电路如图6 所示。

图6 三相短路电路

1.4.2 正方向两相短路

（4）共识方面：共识机制从单一向混合方式演进。导致区块链性能降低的重要因素之一是共识算法。PoW、PoS、股份授权证明（DPoS）和拜占庭容错等，各据优势，各有最适用的场景。为提升效率，需在安全性、可靠性、开放性等方面进行取舍，根据场景切换共识机制成了新趋势，并且将从单一的共识机制向多类混合的共识机制演进，运行过程中支持共识机制动态切换，或系统根据当前需要自动选择相符的共识机制。

1.4.3 方向保护的判据

2 优化方向元件的判断方法

当相序为负时，正向的判据和相序为正时反向的判据一样，因此电源相序的正负会影响方向元件的输出。在方向元件判断前，需要先对供电电源相序进行判断和调整。

在线路上电后，检测装置以A 相电压相位为0作为参考，如果B相电压相位为-120°（-180°～0），C 相电压相位为120°（0 ～180°），认为三相相序为正，不再进行处理；如果B 相电压相位为120°（0 ～180°），C 相电压为-120°（180°～0），则认为三相相序为负，装置将输入信号的B 相电压电流与C 相电压电流互换，得到一组正序的电压和电流信号，此时再根据AB 相线电压与C 相电流相位差φc、BC 相线电压与A 相电流相位差φa、CA 相线电压与B 相电流相位差φb进行方向判断[4]。其中，正向判据为-135°≤φ≤45°，反向判据为45°≤φ≤225°。

3 继电保护和方向元件的配合

经典的继电保护是具有阶梯型动作特征的多段式保护，一般至少有3 段。为了配合联络开关转供前后保护级差，将3 段式保护扩展为6 段式。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护按照联络开关转供前的线路拓扑结构配置保护定值和延时，并且设置成只有故障在正向时动作；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段保护按照联络开关转供后的线路拓扑结构配置保护定值和延时，并且设置成只有故障在正向时动作。保护配置如图7 所示。

图7 保护配置示意

转供前保护配置如图8 所示。

图8 转供前保护配置示意

根据图8，联络未转供前，分段开关D11、D12、D13设置成正向跳闸的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护相互配合，具有选择性；分段开关D23、D22、D21设置成正向跳闸的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护相互配合，具有选择性。

线路二转供后的保护配置如图9 所示。

图9 线路二转供后保护配置示意

根据图9，联络开关已转供，分段开关D12、D13设置成反向跳闸的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段保护，和分段开关D23、D22、D21设置成正向跳闸的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护相互配合，电流保护定值逐渐减小，保护延时逐渐增长。

线路一转供后的保护配置如图10 所示。

图10 线路一转供后保护配置示意

根据图10，联络开关已转供，分段开关D11、D12、D13设置成正向跳闸的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护，与分段开关D23、D22、D21设置成反向跳闸的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ段保护相互配合，电流保护定值逐渐减小，保护延时逐渐增加[5]。

4 结 论

通过对现场线路供电方向和供电电源相序的分析，发现方向元件的判断会受供电电源相序的影响。通过对方向元件判断方法的优化，并为继电保护新增反向的判据，可以设置保护只按照正向跳闸，也可以只按照反向跳闸，从而保证联络开关转供后，被转供区域的保护和转供线路保护具有级差配合的可能性，解决了联络开关转供后发生新故障时保护级差失效的问题，提高了“电压时间型+继电保护”馈线自动化模式隔离故障和恢复非故障区间供电的效率，对提高供电可靠性具有重要意义。