基于网络式保护原理的配电网自愈控制技术

1、现有配电自动化系统存在的技术难题

　　1)配网上传统电流保护存在的难题。

　　(1)特点：多开关串联使用时，定值配合困难，线路上断路器不当断路器使用。(2)问题：变电站出线断路器跳闸→停电时间长，停电范围扩大;独立单元保护，只根据本地电流决定保护响应，不关心相邻开关的保护动作情况。

　　2)线路上的故障处理采取集中控制处理模式。(1)特点：故障处理依赖主站、依赖通道。(2)问题：处理时间长、系统可靠性低。(3)最终现状：大多数没有投入运行。

　　3)传统的分段器/重合器方案：不利用信道交换信息，动作效率不高。

　　2、网络式保护：保护快速性和选择性的完美统一

　　1)各开关检测结果的有关信息通过网络通信共享，实现各保护之间的协调和配合。

　　2)配电线路发生故障时，离故障点最近的断路器速断跳闸，把故障影响限制在最小范围。

　　3、分布式智能的特点

　　1)综合电压分段器、电流分段器、重合器等优点，同时检测并利用电流、电压信号。

　　2)通道完好时，利用通道交互信息，灵活进行故障处理。

　　3)通道异常时，依靠各个开关的整定功能，仍可实现自动的故障隔离和负荷转供。

　　4、网络式保护——概述

　　网络式保护采用对等式的通信网络，发生故障时，线路上的开关控制器之间互相通信，收集相邻开关的故障信息，分析定位得出故障的具体位置，进而控制距离故障点最近的开关跳闸。

　　对等式网络保护采用了一种全新的保护配合思路，能尽可能地缩小故障影响的用户范围，并避免了传统保护中电流和时间级差配合实现困难的问题。

　　根据当前配电网的运行方式，对等式网络保护算法分为对等式网络保护的开环模式和对等式网络保护的闭环模式两种。网络式保护可根据开关类型不同，整定不同的功能。因此，网络式保护具有很好的适用性。

　　5、开环模式下网络式保护原理

　　系统开环运行时，网络拓扑为树状结构，故障电流流经的线路为从电源到故障点的一条路径。故障区段必定位于从电源到末梢方向的最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间。对于对等式网络保护的开环模式，主要的判据来源是开关本身及其相邻开关的故障状态，即：故障末端的开关除自身感受过流，其相邻的开关只有一个开关(上游开关)会经历故障电流。

　　动作相量J=(SOF LOF ROF)，对于保护区域内每一个处于闭合状态的开关，开关满足下列条件，判定为故障末端，应跳闸隔离故障。普通开关：自身感受到故障电流;相邻开关中有且只有一个感受到故障电流;=(1，1，0)或J=(1，0，1)。

　　故障区段自动隔离及自动转供：

　　1)“联锁失电延时分闸闭锁”功能：当普通开关失电、同时收到相邻开关故障跳闸信息，本开关联锁分闸并闭锁，自动隔离故障区段。

　　2)“检闭锁单侧失压延时合闸”功能：联络开关检测到任何一侧失压后，与相邻开关通信，若相邻开关因故障而跳闸，说明故障区段紧邻联络开关，则联络开关维持分闸状态并闭锁;若相邻开关没有故障跳闸信息，则说明故障不在紧邻联络开关的区段，连络开关自动延时合闸，从而实现自动转移供电。

　　6、闭环模式下网络式保护原理

　　合环运行下的供电网络，以一个开关及其相邻开关为研究对象，根据与基尔霍夫电流定律类似的原理，在一个节点(或区域)，其流入和流出的电流相等。在某一开关和与其相邻的开关所组成的区域中，当有一个大电流从某一个开关流入该区域时，则必有一个大电流流出该区域，如果未有大电流从另一个开关流出，则必定有故障点在该区域内。

　　动作相量J=(SOF IOFOOF)，对于保护区域内的每一个处于闭合状态的开关，满足下列条件，判定为故障末端，应跳闸隔离故障。普通开关：1)自身感受到故障电流;2)有故障电流流入本区域，而没有故障电流流出本区域;J=(1，1，0)。

　　7、网络式保护容错方案

　　考虑到配电系统的通信网络容易受到外力破坏，而导致通信异常。本方案针对上述情况，设计了一整套容错方案，当系统中任何节点或装置对外的通信通道丧失或异常后，自动启动容错方案，通过容错方案的一些列功能的自动启动执行，确保故障区段最终能够被有效隔离，联络开关自动转移供电。

　　容错方案将使用到以下一些列功能：“得电重合”功能;“重合成功短时闭锁保护”功能;“合到故障后快速跳闸”功能;“失电延时分闸不闭锁”功能;“联锁失电延时分闸(闭锁)”功能;“残压脉冲分闸闭锁”功能;“单侧失压延时合闸”功能。

　　8、网络式保护功能的特点

　　网络式采用对等式的通信网络，令终端之间互相通信，发生故障时，终端之间通过故障信息共享来收集相邻终端的信息，分析定位得出故障的具体位置，进而控制距离故障点最近的开关速断跳闸。网络式保护具有以下特点：

　　1)选择性：控制故障点最近的断路器速断跳闸，隔离故障;

　　2)快速性：不依赖主站/子站，缩短了故障处理时间，50-60ms保护出口;100ms隔离故障;

　　3)自动隔离和转供：在开环系统中完成故障区域隔离后，能够根据自愈逻辑完成非故障区域的供电恢复;闭环系统中准确隔离故障区段，故障处理结束，网络结构发生变化时，能够自动完成网络结构的拓扑;

　　4)自动容错：某一个(或多个)通道故障时，网络式保护根据容错方案完成故障的定位、隔离和转供;

　　5)灵活—混合组网：针对不同开关类型可整定不同功能，支持断路器和负荷开关混合组网的线路模式。

　　9、就地智能功能—无通道情况下的特殊应用

　　分布智能方案为了普遍适用性，对于配网系统中某些区域不具备光纤等高速通信通道的场合，可以采用不依赖通信通道的分布式智能就地控制，以“电压-电流-时限(V-I-T)”型算法为基础，多路开关上的智能终端通过相互配合，实现区段故障定位、隔离和非故障区域的供电恢复。它是网络式保护容错方案的特例。该方案有以下先进之处：

　　1)利用了电压和电流两个信号作为故障段的判据，充分考虑了故障后线路失压和过流次序和规律，制订全面的网络重构方案。该方案的参数配置不受线路分段数目和联络开关位置的影响。

　　2)当利用负荷开关组网时，线路上各个开关按预先整定的功能相互配合自动隔离故障、自动进行故障后网络重构;当利用断路器组网时，能够发挥断路器的开断和重合能力，迅速切断并隔离故障，恢复非故障线路供电。

　　3)采用“残压检测”功能使故障点负荷侧的开关提前分闸闭锁，避免另一侧电源向故障线路转供电时受到短路冲击和不必要的停电。

　　10、智能终端—就地自动控制智能功能

　　就地自动控制功能如下：失电延时分闸;得电延时合闸;单侧失压延时合闸;合到故障分闸闭锁/合到故障启动保护;短时闭锁失压分闸/短时闭锁保护;残压脉冲闭锁;双侧电压禁止合闸;过流脉冲计数M次分闸闭锁，应用于分支线路负荷开关;遥控/手动分闸闭锁得电合;逻辑自动复归;联络开关自动判断。

　　11、网络式保护实用化应用应考虑的各方面因素

　　为保证项目完成后具有普遍推广意义，项目研究过程中考虑的因素如下。

　　1)适应配网的各种网络模式：多电源开环运行;多电源闭环(含分布式电源);全断路器;断路器、负荷开关混合组网。

　　2)不同区域的差别：有高速通行通道的系统;无高速通道或无通道的系统适用性(GPRS等);分支故障精确定位。

　　3)系统的容错性：通道异常情况下的系统可用性(光纤和光设备故障)。

　　12、分布式电源、微网及储能装置接入对配网保护的影响

　　1)通过研究各类分布式电源的运行机制、故障特性，得出如下结论：在配电网络中接入多个分布式电源，对正常保护运行的影响主要体现在对故障电流大小和方向的改变，而故障电流大小决定了保护的启动及动作时间。

　　2)将目前的分布式电源按故障电流输出能力进行划分，可分为两类：一类为故障电流输出能力很小(最大仅为其额定值的1.2~1.5倍)，一般值为主环额定电流10%以内，代表产品为光伏类逆变电源;另一类为故障电流输出接近其额定容量电流的20倍，故障电流很大，代表为同步发电机类小型水电站等。

　　3)具有网络式保护功能的配电终端，可以解决带有分布式电源的配电网络保护动作配合问题。对于短路电流较小的电源系统(称为1类电源)，其对主环保护启动电流的影响可以忽略，通过改变并网开关的保护动作时间即可与主环保护进行配合。对于短路电流很大的电源系统(称为2类电源)可将其作为一个主电源，与主环线路组成闭环运行方式，按照网络式保护闭环动作原理动作。

　　13、配网故障自愈处理过程的三个阶段

　　1)故障发生瞬间，故障的开断和清除。网络式保护在40毫秒内保护出口，100ms完成故障切除。

　　2)故障处理的第二阶段：故障区段的隔离和是非故障区域的恢复供电。智能终端速断保护跳闸的同时将跳闸信息发送给相邻开关，故障点后的开关短时间内(最短100ms，累计200ms)跳闸。处于分闸状态的联络开关收到该故障隔离信息，则启动合闸功能，以恢复非故障区域供电(最短2s)。

　　3)故障处理的第三个阶段是故障点的定位和排除故障。一系列在线安装和运行智能短路、接地二合一的故障检测、指示的自组网故障指示器，能够自动组成一个信息网络、自动路由，无线通信将故障信息通过中继器上传至智能终端，配合实现分支线路的精确故障定位。