多電源多支線配電網面保護方法

盛文玥（上海電力設計院有限公司，上海200025）

多電源多支線配電網面保護方法

盛文玥
（上海電力設計院有限公司，上海200025）

為了解決傳統饋線保護整定配合困難的問題，借助于高速發展的通信網絡建立起來的面保護技術，提出一種簡單易行的最小子網異或法，終端可根據自身和相鄰設備的故障狀態執行跳閘邏輯，共同實現本區域面保護，并且提供了針對不同的故障形式和電網結構的解決方案。該方案可適用于多電源多支線的復雜配電網。

面保護；饋線保護；最小子網異或法；多電源；多支線

配電網相比較于輸電網，具有線路復雜多變，饋線沿線的分段開關串聯多、分支多，拓撲變化多的特點。為保證供電可靠性，設計出多電源互備，使得整個配電網呈現無確定模式的網狀結構。

但在傳統饋線保護中，根據就地實時監測和整定值完成故障跳閘，靠電流定值和時間配合完成故障定位的工作方式在配電網沿線級聯復雜的情況下，會使得沿線保護配合困難，甚至于無法合理整定。電子和通信技術的發展使配電終端可同時具備線路保護和遠動通信能力，終端之間互換信息，由此發展成區域協調聯動的面保護，可有效解決區域配電網線路保護問題。

1　面保護概念

面保護是根據網絡多臺保護的故障信息，判斷故障段，舍棄了時間和過流值的配合，使判斷更準確、更快速。很多電力專家在這方面進行了建設性的研究。一種方法為相鄰設備對等通信，下游對上游發送閉鎖信號，上游對下游發送跳閘信號，沿饋線級級傳遞，完成手拉手環網的故障隔離，但該方法不能運用于多電源復雜電網；文獻[1]提出了一種統一矩陣算法，用以解決復雜配電網故障定位和隔離，其算法嚴密，定位明確；文獻[2]提出了基于遺傳算法的故障位置判定法，具有一定容錯能力；還有其他如神經算法、蟻群算法等，這些方法計算量大，或涉及復雜數學模型，實現起來較為困難。

本文提出一種基于普通保護邏輯的最小子網異或法，可以準確、快速解決復雜網絡的故障判斷，實現面保護。

2　最小子網異或法

一般區域配電網結構如圖1所示?？紤]任意兩至多節點的區段，即多分支線路如圖2所示。當發生的是單一故障時，如果故障在本區段如圖2（a）所示，那么有且只有一個節點過流，過電流經該節點流至故障點后流回；如果故障在本區段某支路的下游，圖2（b），那么一定有2個節點過流，一入一出再到故障點流回。因此單一故障下對任意區段，當相鄰節點中僅有一個過流時，故障在本區段，當有2個節點過流時，故障不在本段。

圖1　區域配電網Fig.1Regional distribution network

圖2　多分支過流情況Fig.2Multi-line circuit overcurrent condition

若故障在本區段，1個節點過流，因此所有相鄰節點異或的結果必定為1，此時本節點應跳閘；若故障不在本段，2個節點過流，所有相鄰節點異或的結果必定為0。據此筆者提出最小子網異或法，來判斷故障區段、確定節點是否跳閘。

在圖1中，從電源點出線斷路器開始，經串聯、分支等回入另一或多個電源點的區域配電網，在各個開關節點，包括斷路器、分段開關、聯絡開關處，一對一安裝具備保護遠動功能的終端，組成區域通信網。各節點和其相鄰節點形成一個最小子網，例如圖1中節點2的最小子網由1、2、3、4節點組成。

出線斷路器處的終端，具備傳統線路保護的定時限過流跳閘和一次重合閘功能。當由該出線供電的饋線發生故障時，定時限動作使斷路器跳閘，并經一次重合閘排除瞬時性故障，如果再次跳閘則為永久性故障。

在永久故障發生時，由于有一次重合閘過程，短路電流經過的節點會連續兩次檢測到過電流。因此，各終端實時監測本節點電流值，一旦檢測到連續2次過電流，則置本機故障信號為1，否則為0，并通過通信向相鄰終端實時發送其故障信號值，這樣每一節點終端都能得到其最小子網內所有終端當前的故障信號。

當發生永久故障，出線斷路器已二次跳開后，包括斷路器在內的各節點終端執行啟動邏輯和跳閘邏輯，以此隔離故障區段，注意各終端為邏輯執行單元，該邏輯稱為最小子網異或法。

啟動邏輯：當本節點檢測到連續兩次過流時置本機故障信號為1，其他情況都為0，同時接收所有相鄰設備的故障信號值。那么本節點或任意相鄰節點有故障信號置位時啟動跳閘邏輯。節點4啟動邏輯圖見圖3。

圖3　圖1節點4面保護啟動邏輯Fig.3Plane protection starting logic at node 4 of Fig.1

跳閘邏輯：本節點任意一側的所有相鄰節點故障信號相異或的結果為1時跳閘。節點4跳閘邏輯圖見圖4。

圖4　圖1節點4面保護跳閘邏輯Fig.4Plane protection tripping logic at node 4 of Fig.1

例如，圖1中A處發生短路故障，那么在節點7、1、4檢測到2次過流，故障信號為1，其余節點為0。根據啟動邏輯，只要自身或相鄰終端有故障信號為1，則啟動，因此節點7、1、4、2、5、6終端啟動，執行后續跳閘邏輯，其余節點則不作任何動作。

以節點4跳閘邏輯為例，其左上側與節點1、2相鄰，將4、1、2三個節點的過流故障信號相異或，結果為0，說明1、4、2節點相連的區段無故障；其右下側與5、6相鄰，將4、5、6節點故障信號相異或的結果為1，說明4、5、6節點相連的區段有故障；根據跳閘邏輯，只要節點任意一側的異或結果為1，則該節點跳閘，因此最終得出節點4跳閘。

總結各節點邏輯過程見表1，最終4、5、6節點跳開，正確隔離故障。

表1　各節點跳閘邏輯過程及結果Tab.1Logic process and result of the tripping of each node

圖5　圖1 A點故障保護動作時序圖Fig.5Sequential drawing of the fault protection at node A of Fig.1

3　邏輯驗證

文獻[1]提出的矩陣法是一種被廣泛采用、判斷明確的故障定位方法。它先根據局部配電網的拓撲連接形成網絡描述矩陣D。假設網絡有N個節點，則可構成N×N方陣，若節點i和節點j相鄰，則方陣D的元素dij、dji為1，否則兩元素都為0。再根據各節點過流情況形成故障信息矩陣G，還是由N個節點構成N×N方陣，故障發生時，如果第i個節點檢測到過流，那么矩陣G對角線上元素gii置為0，未檢測到過流則置為1，G陣非對角線上元素都置為0。將矩陣D和G相乘后得到矩陣P′，其對稱元素異或為1時，即時，節點i和節點j之間的區段可能存在故障，表示異或。

再對矩陣P′進行規格化處理得到故障矩陣P，即P=g（P′）=g（D×G），其目的是從P′可能存在故障的區段中去除無故障段，最終得到的故障矩陣P反應了確切的故障區段，若矩陣P的對稱元素相異或為1，即，則節點i和節點j之間的區段有故障。

用矩陣法對圖1中A點故障進行判斷。網絡描述矩陣D見式（1），故障信息矩陣G見式（2）、矩陣P′見式（3），故障判斷矩陣P見式（4）。

形成P的規格化處理過程為：若dmj，dnj，…，dkj為1，gmm，gnn，…，gkk至少有2個0，則將P′的第j行和第j列全部置為0后形成P?？捎猛ㄋ椎恼Z言描述為，在一個多分支的區段，選擇其中無過流信號的節點，若相鄰節點有至少2個過流信號，則將此節點相連的所有區段排除。

因此矩陣法可總結為，2節點相鄰，且過流信號狀態相反，相連區段的所有節點中少于2個節點過流，則2節點間的區段為故障段。這個判據與本文提出的面保護跳閘邏輯完全一致。

4　拓撲變動考慮

在真實配電網絡中，根據周邊用電和網架改造需求，經常局部增減分支，增加環網分段等，用最小子網異或法僅需要將變動的相鄰關系告知個別終端，涉及面極小，可操作性強。

對于那種不改變網絡拓撲即相鄰關系，僅改變聯絡開關位置的運行模式變動，因該保護邏輯與節點自身分、合狀態無關，只關心相鄰設備的故障狀態，因此無需任何變動，本方法自適應運行模式變化。

5　適用性考慮

以開環運行的復雜配電網發生過流故障為例，提出了最小子網異或法。適用于接地系統、單側電源供電的開環運行方式。在實際的運用中，針對其他故障形式和電網運行模式，采用不同的判據對故障信號進行置位后，可使本方法依然適用。

單相接地故障占據10 kV架空線路大部分的故障情況，對不接地系統過流特征不明顯，可以采用首半波判定法，在檢測到電壓突然跌落后，對事件發生時暫態電壓、電流首半波進行相位分析，相位相同的判定為零流故障，置故障信號，其他情況不置。

分布式微電源的接入，常采用并列運行模式；另外環狀、輻射狀系統在較短的時間內也可能處于并列運行狀態，故障發生時，故障段下游的終端也會檢測到過流，可以通過功率方向來置位故障信號。選擇主要供電電源方向為正，當過電流方向與之相同時，置故障信號，其他不置。圖5電網故障信號為表2。

圖6　并列運行電網故障情況Fig.6Faults in the parallel operation power grid

表2　并列運行故障信號判定Tab.2Judgment of the parallel operation fault signal

通過故障信號判定及置位的變化，使最小子網異或法可實現其他故障形式和運行方式的面保護。

6　結論

當配電網設計為電纜環網或輻射網開環運行，采用接地系統、小電阻接地系統的情況下，基于過電流判定的故障信號正確率高，絕大多數的故障能通過最小子網異或法實現準確、快速的面保護，邏輯嚴密而且簡捷，易于實現。本方法僅需要相鄰設備的故障信號，不依賴于整個區域所有設備的正常通信，最終共同形成對整片區域的面保護。

當系統為不接地或經消弧線圈的小電流接地系統時，基于常規零序電流檢測的故障信號判定容易出現漏判，在采用本方法時應選擇有針對性的故障檢測手段，如首半波法、信號注入法等，以提高故障信號的正確率。

特別是本方案自適應運行模式變化，對拓撲變化僅需要改變個別設備相鄰關系，因此在配電網具有相當實用性。

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（編輯董小兵）

The Plane Protection Method for Multi-Power Multi-Branch Distribution Network

SHENG Wenyue
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200025，China）

In order to overcome difficulties in the setting of the conventional feeder protection，by means of the plane protection technology built due to the rapid development of communications network，this paper proposes a simple method of minimal subnet XOR.With this method，the terminal can execute the logic tripping according to the fault state of the equipment itself and neighboring equipment to achieve the plane protection in the region.And the paper also provides solutions for different failure modes and grid structures.This scheme is applicable to the multi-power distribution network of the multi-line circuit.

plane protection；feeder protection；smallest subnet XOR method；multi-power；multi-line circuit

1674-3814（2015）06-0064-05

TM76

A

2015-01-18。

盛文玥（1977—），女，本科，工程師，從事輸變電工程電氣設計工作。