含方向纵联的邻线闭锁式配电网电流保护配置方案

邓 串，湛 顶，蔡 硕

（1.国网湖北省电力有限公司天门市供电公司，湖北 天门；2.国网湖北省电力有限公司石首市供电公司，湖北 石首）

分布式电源加入配电网后，可能会出现短路电流超标、破坏电网三相电压平衡、继电保护装置误动或拒动等一系列问题。在分布式电源容量不断增加的背景下，以往采取的改进整定值方法已经难以满足配电网安全运行的需求。基于此，本文提出了一种含方向纵联的邻线闭锁式配电网电流保护配置方案。

1 邻线闭锁式配电网电流保护配置方案的设计思路

所谓纵联保护，是借助于通信通道采集线路两端的电气量，对比2 个电气量是否存在明显差异，如果有差异则说明此段线路存在故障，利用该方法快速锁定故障位置。本文基于方向纵联保护实现设计的电流保护配置方案，将电气信息传输通道与闭锁逻辑信号相结合，实现配电网的邻线闭锁通信，进一步提升了电流保护效果，具体结构如图1 所示。

图1 配电网电流保护配置方案示意图

假设在图1 母线C 处加入一个分布式电源，在故障发生后，故障所在线路的电流保护被触发，及时闭锁上级线路，避免出现保护误动而扩大故障范围的情况。同时，在分布式电源的上游线路配备双端定时过电流保护，充当方向纵联的后备保护。这样一来，即便是纵联方向保护存在拒动情况，后备保护也能在定时延时后将故障线路切断，从配电网中隔离，从而保障配电网其他部分正常运行。

2 基于双端故障的方向纵联保护原理

以通信通道传送线路两端的方向元件作为信息采集点，将采集到的信息做比较。如果两者的方向信息相反，则说明存在区内故障，两端保护可靠动作；反之，则说明存在区外故障，这时发出闭锁信号，将传送线路闭锁。相比于传统的功率方向纵联保护，本文提出的基于双端故障的方向纵联保护，具有故障识别效率快和定位精度高的优势。例如，基于功率的方向纵联保护中，如果初始负荷的电流参考方向从“电网侧流向分布式电源侧”改变为“分布式电源侧流向电网侧”，会因为初始功率的“+/-”设定发生改变而出现故障位置误判的情况，进而导致闭锁信号错误[1]。基于双端故障的方向纵联保护中，无论初始电流的方向如何变化，判断结果总是“相反- 区内故障”和“相同- 区外故障”。由此可见，基于双端故障的方向纵联保护，能够更加精准的分别故障所处位置是区内还是区外，保证了闭锁信号的正确性，杜绝了误动作。

3 电气信息传输通道的选择

所用基于方向纵联的邻线闭锁式电流保护，都要建立专门的电气信息传输通道，在满足信息采集需求的同时，还能达到屏蔽电磁干扰、加快传输速度、保证通信可靠的效果。本文在设计邻线闭锁式电流保护配置方案时，基于可靠性原则、经济性原则、大容量原则和易维护原则，对比了几种常见的通信方式，对比内容见表1。

表1 常见通信方式性能对比

结合表1 统计内容可知，在5 种常见的通信方式中，光纤通信表现出传输速率快、抗干扰能力强、通信容量大等优势，可以满足电气信息传输需要。在配置光纤通道后，配合纵联保护线路，可以同步采集光纤通道两端的故障信号数据，缩小了通信时间误差，达到了实时检测的效果。

4 重合闸的配置

分布式电源上游纵联保护在检测到线路故障并且顺利跳闸后，要想实现重合闸必须满足2 个前提条件：其一是故障两侧均跳闸；其二是同期运行。在分布式电源并入配电网的实际环境下实现同期运行有一定难度，本文在理论研究中用检无压装置模拟同期运行过程。若并网过程中发生故障，首先让配电网侧的检无压装置重合闸。此时故障点的两端均已跳闸，不存在非同期情况。在检无压装置实现重合闸后，再对分布式电源侧的检同步装置进行重合闸[2]。两次重合闸均完成后，系统故障得以消除，恢复正常运行。当系统遇到永久性故障，配电网侧的检无压装置在重合闸以后，断路器会再次跳闸，这种情况下线路中检测不到电压，重合闸失败，需要维修人员对故障作出处理。检无压与检同步配合的重合闸过程如图2 所示。

图2 检同步与检无压配合的重合闸示意图

检无压继电器的整定值设置是否合理，是决定故障点两侧断路器能否正确动作的关键。本文将整定值设定为系统额定电压的50%，可以在断路器跳闸后作出正确动作。另外，基于经济性考虑，利用断路器的电容式套管从配电网中抽取电压，以满足检无压装置和检同期装置测量线路电压的需要。

5 动作时间的设定

使用邻线闭锁式电流保护时，各级闭锁信号从发送端传输到接收端会花费一定时间，并且随着双端距离的延长，传输时间相应增加。本文在设计邻线闭锁式电流保护配置方案时，将闭锁信号的接收等待时间（即动作时间）设定为10 ms。在保护动作指令发出后，前端的继电保护装置完成跳闸，启动元件和其他各级保护应当即时复位。考虑到有些复位速度较慢的元件能够始终维持闭锁状态，需要经过10 ms 的延时后再发送闭锁信号，从而保证所有保护装置能够同时完成复位[3]。需要注意的是，在分布式电源的上游和下游，由于保护动作原理不同，因此设定的动作时间也有差异。

对于分布式电源上游的纵联保护，根据信息比较结果判断为“区内故障”后，可以直接发送闭锁信号给邻线；判断为“区外故障”后，直接闭锁两端。所有动作均为即时动作，动作时间通常不超过10 ms；对于分布式电源下游的纵联保护，各段电流需要根据整定时间灵活设定延时。例如，分布式电源的I 段电流动作时间为5 ms，即延时5 ms 后跳闸。而Ⅱ段电流需要接收到I 段闭锁信号后再延时10 ms 跳闸。因此，分布式电源下游速断保护的动作时间通常会达到15 ms。

6 含方向纵联的邻线闭锁式电流保护配置方案

本文设计的含方向纵联的邻线闭锁式电流保护配置方案，对分布式电源接入配电网后的继电保护进行了改进。分布式电源上游安装了基于电流相角方向元件的纵联保护，同时接入邻线闭锁信号避免发生误动或拒动；以双端的定时过流保护作为后备保护。在分布式电源下游，安装了基于邻线闭锁式的电流保护。这里以上游纵联保护为例，接线方式如图3 所示。

图3 分布式电源上游方向纵联保护接线图

邻线闭锁式电流保护配置的实现流程如下：采集两端电流值后，启动方向元件，比较两侧方向是否一致。如果两端同向，则判断为“区外故障”；如果两端反向，则判断为“区内故障”。对于区外故障，实行两侧闭锁保护；对于区内故障，首先闭锁上线线路，在延时10 ms 后接收到闭锁信号，完成闭锁[4]。

7 线闭锁式电流保护配置方案的仿真验证

为了验证含方向纵联的邻线闭锁式电流保护配置方案的应用效果，本文选择Matlab 仿真软件中的Simulink 工具构建了配电网模型，并模拟分布式电源接入配电网的情况，验证保护动作能否顺利实现。这里以分布式电源上游保护动作为例进行仿真验证，具体方法如下：

利用Simulink 工具构建2 台按制器的仿真模型，假设方向元件的输出信号为逻辑值“-1/1/0”，相应的相角差Δu 的判别范围为“（θ＜Δu＜π-θ）/（θ-π）＜Δu＜-θ/（Δu=0）”，表示了“反方向/正方向/保持”3 种方向结果。这里闭锁角θ取30°，则判断依据Δu 的判别范围为“（30°＜Δu＜150°）/（-150°＜Δu＜-30°）/（Δu=0°）”。在采集保护1 和保护2 的方向逻辑信号电平“-1/1/0”后相加。如果两者反向，则纵联保护的逻辑信号为“0”，为低电平，此时断路器跳闸；如果两者同向，则纵联保护的逻辑型号为“2”，为高电平，此时断路器合闸[5]。保护1 和保护2 的方向元件判别情况见表2。

表2 保护1、保护2 方向元件判别情况

在仿真实验中，设定分布式电源容量为10 MW，在0.1 s 时发生永久故障，重合闸动作时间为0.5 s，仿真时长为1 s。根据上述设定条件，得到保护1 和保护2 的仿真结果，如图4 所示。

图4 保护1、2 故障电流波形图

由图4 可知，保护1 和保护2 均能在瞬时故障产生后，准确识别故障并且快速将故障所在线路从配电网中切除，达到了电流保护效果。同时在故障切除后立即启动重合闸，不影响配电网的正常运行，该方案的可行性得到了验证。

8 结论

在分布式电源并入配电网的过程中，如何实现配网运行的实时监测和故障的科学处理，是电力公司考虑的关键问题。含方向纵联的邻线闭锁式电流保护配置方案，基于电流相角突变式方向判别原理，对各类保护装置的按制逻辑信号进行了方向判断，进而确定故障属于区内故障还是区外故障。根据判断结果，准确锁定故障位置后使两端跳闸，成功将故障线路隔离在配电网之外，保证了配电网的可靠和安全运行。