基于面保护原理的配电网故障处理

0  引言
　　中压配电网的故障处理一直是个难以解决的技术难题。城市变电所供电距离一般只有3～5 km，由分段开关再分为3～5段，在这样短的线路上采用传统的过流、差动、距离等继电保护来隔离故障是不可能的，更谈不上非故障段的恢复供电。
　　20世纪80年代日本和美国研制开发了“重合器模式”的第一代中压配电网自动故障处理系统。它依赖于重合到故障上以识别故障段，之后加以隔离和恢复供电。在缩小故障停电范围上有一定的进步，但需要变电所出线开关两次断开短路电流，且存在恢复供电不彻底，故障信息不能及时上报配调中心等问题。
　　进入20世纪90年代，随着通信能力和事故处理能力的增强，配电网自动化出现了第二代和第三代。其故障处理模式是：将所有开关故障信息由FTU上调上级站，在上级站依据各开关的信息判定故障点所在段之后，下发命令至相应的FTU，由FTU跳开故障段两侧开关、闭合出线开关和联络开关，实现故障隔离和非故障段恢复供电，一般称为故障集中处理模式，它一则对通信网依赖性大，故障信息上传和动作命令的下发都必须经过通信网；二则依赖于上级站机，要求通信网和上级站要绝对可靠，一旦出错就可能导致故障的扩大；三则故障处理时间长，要几十s。
　　本文介绍的用于配电网故障处理的面保护技术不仅能够将停电时间缩短到2s以内，而且还大大提高了动作的可靠性。
　　1　面保护原理
　　1．1  面保护引入
　　20世纪80年代末，现代通信技术和计算机网络技术发展迅速，反映到继电保护系统中，出现了面保护原理，面保护定义是：除了利用保护装置自身采集的信息外，还要利用系统中其它信息，作出故障判断和动作出口，以保证自身设备或局部系统。
　　相应地，有点保护的定义：只是利用自身信息就作出故障判断和动作出口的继电保护。
　　由以上定义，不难得出如下推论。
　　推论1：面保护的必要条件之一是通信。
　　因为没有通信则不可能获得系统中的其它信息，或者是其他信息的获得必须依赖于通信。
　　推论2：面保护的必要条件之二是保护装置都应有CPU。因为没有CPU就不能综合利用自身信息和其他信息。
　　由以上定义和推论，我们以往所熟知的保护大都属于点保护，比如过流保护、方向保护、距离保护等都属于点保护，微机式的过流保护、方向保护、距离保护也属于点保护。它们虽然有CPU，但它只利用了自身信息并没有利用系统中的其它信息。母线保护也属于点保护，因为它也是只利用了母线（作为一个元件）的信息，没有利用其它信息。
　　推论3：面保护的必要条件之三是并行处理。
　　按推论2，系统中有众多的保护装置，每个保护都有CPU，那就是说系统中有众多的CPU；一旦发生故障，这些CPU将同时启动、综合信息、判断是否出口，即要并行处理，否则，如果按照串行工作，则不可能达到系统对继电保护快速性的要求。
　　由推论3，不难发现第1节中所述故障集中处理模式不属于面保护，因为其中的FTU没有综合信息、判断出口，即保护程序。而是FTU完成遥测和遥控，由上级站机串行收集、综合、判断、下令，所以，实际上是一种远动方式的故障处理。
　　1．2  用于配电网故障处理
　　中压配电网一般都是闭环结构、开环运行。一条出线经出线开关KL1馈出后，经分段开关FD1FD2、…、FDn分段，到联络开关LK；联络开关LK再经若干分段开关，经出线开关DL2到另一段母线，谓闭环结构；联络开关LK断开运行，谓开环运行。
　　记DL1与FD1之间的线为第1段，FDk－1与FDk之间的线为第k段，FDn与LK之间的线为第（n＋1）段；流过FDk的电流为Ik，流过DL1的电流为I0，流过LK的电流In＋1，定理：中压配电网第m段短路的充分必要条件是

　　其中Ie—最大负荷电流值。
　　对于第m段短路的中压配电网，m∈［2，n］，必要条件是

　　表明第m＋1，…，n＋1段没有短路。
　　于是，不是第1，…，m－1，m＋1，…，n＋1段短路，但由于满足第m段短路的必要条件，得Im－1＞Ie肯定有短路，则必定是第m段短路。为了避免定值难给，在定理中都采用了差的绝对值。
　　为分段开关FDk的联络开关LK实现面保护，基础是通信。无锡地区城网已实现了配电载波通信DLC。与电力载波PLC不同，配电载波没有阻波器，整个10 kV系统为一总线网络；规约也不再是CDT或POLLING，而是总线型的网络规约。每台装置不仅能与变电所通信，其间也可以通信。FDk的电流由其FTUk采集后发上总线，其它FTU均能收到，于是，每个FTU则可按照（1）判断，如果是第m段短路，则FTUm－1和FTUm发跳闸出口。为了避免短路点对配电载波通信的影响，还可以将（1）实用化处理。

　　2  动模试验及结果分析
　　为了验证原理的正确性，无锡供电局建立了一个10 kV实验室，其一次接线如图1所示。380 V经B1、B2升至10 kV，然后经出线开关DL1和DL2向一个环网供电，环网中5个柱上开关FD1～FD5。对DL1和DL2配置了限时过流保护和重合闸，分段开关配置了两只V接PT和一套带面保护及配电载波通信的FTU，PT对电容器充电作FTU电源，而不用蓄电池；短路的模拟由升流器经连接片给至FTU。
　　还配置了微机网络作配调中心，两台变电所站级机作为中压载波网与配调中心连接的网关，构成一个简单的配电网自动化系统。

　　考虑到配电网中由DL开断短路电流，开关保护当失电后才出口；联络开关和分段开关在程序中一并考虑；DL的过流延时为0．3s，重合闸为0．7s。
　　分别对不同的联络开关位置、不同的故障段进行了模拟短路试验。试验结果证明了保护动作正确。限于篇幅，文中仅列出了FD5作联络开关、故障在FD2与FD3之间的试验录波图，如图2所示。图中id1和id2是DL1和DL2电流，sd1、sd2是DL1和DL2的状态，ik1～ik5是FD1～FD5的电流，sk1～sk5是FD1～FD5的状态，uk1～uk6是第1～6线段上的电压。

　　从录波图可见，约0．03 s时出现短路故障；0．3s时DL1断开、切除短路电流；0．6s时FD2和FD3空切；1 s时DL1重合，第1、2段恢复供电；1．7s时FD5闭合，第4、5段恢复供电。整个过程中，FD1和FD4未动，隔离故障、恢复上下游供电不超过2s。
　　当诸FTU按面保护判断的同时，变电所站机也收到了FTU的信息，判断故障段后主动上报配调中心，由配调中心在地理信息系统平台上标出故障段、推响声音报警，总延时在1s以内。
　　开关变位（包括由合到开，也包括由开到合）后，FTU主动上报变位信息，无须上级机询问，所以，配调的地理信息平台上标出FD2、FD3断开和FD5闭合。
　　因为联络开关也是按面保护设计的，当故障段在第5段时，FD5的面保护也能保证不发合闸命令。但是，由于DL的保护仍是普通保护，当第1段短路时，重合器仍要将DL1闭合到故障点上一次。
　　为了彻底检验原理和装置的正确性，无锡供电局专门作了10 kV现场短路试验，结果正确。
　　3  结论
　　故障处理是配电网自动化的首要任务。远动模式对整个通信系统和上级机的依赖性太大，影响动作的可靠性，恢复供电时间仍然较长。
　　面保护原理克服了传统点保护信息不全的弱点，故障段判据简单明了，并且，所有开关保护同时并行采集信息、综合、判断故障段，因而避免了对整个通信系统和某台机的完全依赖，动作准确、可靠。10 kV实验室试验和现场试验验证了面保护判据的正确性，2s内完成了隔离故障和恢复上下段的供电。