基于二維節點控制的饋線后備保護原理

摘要：本文從實現復雜配電網的區域性故障快速識別及保護的角度，提出一種基于二維拓樸關系的面向具有特殊保護功能的配電終端（本文姑且稱之為“配電網控制節點”）的饋線快速保護新原理的后備保護，提出一種面向二維平面節點控制的饋線后備保護方案，該方案針對故障處理中通信報文丟失的情況下將采用保守措施切除故障，實現饋線快速保護的后備保護，并給出了該后備保護多種動作情況的分析結果。
關鍵詞：節點控制 饋線自動化 后備保護 配電終端
0．引言
　　在多種饋線故障處理模式中，建立在快速通信基礎上的系統保護方案具有出色的故障處理能力，在以光纖為主的配網自動化中，這種故障處理方式是今后的發展方向之一[1] [2]。配電網的拓撲結構是相當復雜的，在此基礎上又提出了基于二維節點控制的饋線保護[3]。這種方案是面向復雜配電網拓撲結構的一種系統保護方案，它將饋線終端作為通用控制節點，在二維平面上通過控制節點之間的快速通訊與協調工作實現面向區域性故障的快速隔離。
　　這種多點之間構成的特殊保護控制方式本文姑且稱之為“群體保護”，“群體保護”的實現依靠快速的通信，當今通信技術發展迅速，實用化程度越來越高，以光纖通信為主導的多種通信方式已經在配網中得到廣泛應用，這些都為這種保護方案的實現提供了條件。系統保護能夠實現饋線的全線速斷和故障隔離，提高了故障處理效果和供電可靠性。然而，一旦通信出現了問題，如果沒有完備的后備保護，將造成速斷保護拒動，給設備和電力用戶都帶來極大的危害。本文將從配電網的復雜拓撲結構入手，在二維平面上討論如何實現基于二維節點控制的饋線后備保護。
　　1．通信可能出現的問題
　　當饋線上發生相間故障或三相故障后，受到故障“擾動”的控制節點將啟動，然后通過光纖通信或快速現場總線與鄰集節點通信，經過故障信息的綜合比較后實現故障隔離功能[3]。然而，一旦出現通信報文的丟失，就無法再按文獻[3]的方法判斷故障區段并進行故障隔離。
　　控制節點之間的通信出現的問題大致可分為三種情況：
　　1)過流側未收到無壓側的報文；
　　2)無壓側未收到過流側的報文；
　　3)過流側未收到連支節點的輪詢返回報文。
　　下面將逐一討論在每一種情況下如何實現后備保護。
　　2．過流側未收到無壓側的報文
　　

圖1 典型饋線示意圖
Fig.1 typical feeder grid construction
　　對于輻射性單側電源供電情況，故障區段的一側的開關有故障電流流過，該側暫稱為過流側；另一側而言沒有故障電流，但因故障導致低電壓，該側暫稱為無壓側，所謂過流側未收到無壓側的報文是指在故障處理的通信中無壓側發往過流側的報文丟失。參見圖1所示的典型饋線系統，該問題又可分為三種具體情況，下面逐個討論。
　　2.1故障發生在無連支的樹支節點之間
　　假設在F1點故障，控制節點啟動后立即計算自身的狀態，并向鄰集節點發訊。節點S1.3收到節點S1.2的過流且功率方向為正的報文，同時自身狀態為過流且功率方向為正，但未收到節點S1.4的失壓無流報文。這時節點S1.3可以延時50ms后快速召喚節點S1.4的狀態，同時向S1.2發令，令S1.2延時跳閘。
　　如果S1.3立刻收到了S1.4的失壓無流報文，則S1.3瞬時跳閘，S1.2的狀態由過流變為無流因此返回。S1.3再進行一次重合閘，如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.3后加速跳開，然后S1.3向S1.4發令，使其加速跳開。
　　如S1.3詢問后仍未收到S1.4的報文，則S1.2經一段延時后跳閘。S1.3測得原來自身有故障電流流過，而現在變成失壓無流，知道S1.2已跳開，于是加速跳閘。S1.2再進行一次重合閘，重合成功后S1.3再重合，如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.3后加速跳開，并遙控S1.4加速跳開，完成故障隔離。
　　2.2故障發生在有連支的樹支節點之間
　　假設在F2點故障，與2.1類似，這時節點S1.2收到節點S1.1的過流且功率方向為正的報文，同時自身狀態為過流且功率方向為正，但未收到節點S1.3的失壓無流報文。這時節點S1.2可以延時50ms后快速問一下節點S1.3，同時向S1.1發令，令S1.1延時跳閘。
　　如果S1.2立刻收到了S1.3的失壓無流報文，則S1.2瞬時跳閘，S1.1的狀態由過流變為無流因此返回。S1.2再進行一次重合閘，如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.2后加速跳開，然后S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態。S1.2首先詢問連支節點S1.2.1.1，連支節點S1.2.1.1的狀態為失壓無流，再詢問連支節點S1.2.2.1，該連支節點的狀態也為失壓無流，則可判斷出故障發生在S1.2和S1.3之間的樹支上。由節點S1.2發令跳開節點S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1，將故障區域隔離。
　　如S1.2詢問后仍未收到S1.3的報文，則S1.1經一段延時后跳閘。S1.2測得原來自身有故障電流流過，而現在變成失壓無流，知道S1.1已跳開，于是加速跳閘。S1.1再進行一次重合閘，重合成功后S1.2再重合，如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.2后加速跳開，然后S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態。之后的處理過程與上面相同。
　　2.3故障發生在連支節點之間
　　假設在F3點故障，處理過程與2.2類似，不同之處在于S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態時的處理。
　　S1.2首先詢問連支節點S1.2.1.1，連支節點S1.2.1.1的狀態為過流且功率方向為正，這時S1.2可判斷出故障發生在第一條連支上。然后樹支節點S1.2知道該連支節點的下一個節點S1.2.1.2是常開節點，故判斷故障發生在第一條連支的第1、2節點之間，于是發跳閘令，跳開S1.2.1.1，將故障隔離，S1.2節點自身重合。
　　3．無壓側未收到過流側的報文
　　該情況是指過流側發往無壓側的報文丟失。仍如圖1所示，該情況也可分為三種工況分析，詳述如下：
　　3.1故障發生在無連支的樹支節點之間
　　假設在F1點故障，節點S1.3收到節點S1.2的過流且功率方向為正的報文和節點S1.4的失壓無流報文，同時自身狀態為過流且功率方向為正，所以判斷出故障發生在S1.3和S1.4之間。于是S1.3瞬時跳閘，并進行一次重合閘，如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.3后加速跳開，并給S1.4發令，使其加速跳開。但S1.4未收到S1.3的遙控報文，無法跳開。
　　這時配電子站將參與故障處理。子站收集所有節點的故障信息，并進行綜合比較，判斷出故障發生在S1.3和S1.4之間，于是遙控S1.4跳開，如S1.4拒動則將常開節點S1.5閉鎖，防止其誤合到故障上。
　　3.2故障發生在有連支的樹支節點之間
　　假設在F2點故障，與3.1類似，節點S1.2瞬時跳開，并進行一次重合閘。如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則S1.2后加速跳開。然后S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態。輪詢后得知S1.2.1.1和S1.2.2.1均為失壓無流，于是判斷出故障發生在S1.2和S1.3之間的樹支上，然后給S1.3發令，使其加速跳開。但S1.3未收到S1.2的遙控報文，無法跳開。
　　這時子站收集所有節點的故障信息，經過綜合比較后判斷出故障發生在S1.2和S1.3之間的樹支上。于是遙控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳開，如S1.3拒動則遙控S1.4跳開，完成故障隔離。
　　3.3故障發生在連支節點之間
　　假設在F3點故障，這時的處理過程與主保護中故障發生在連支節點之間相同[1],過流側S1.2發往無壓側S1.3的故障信息報文丟失對故障隔離沒有任何影響。
　　4．過流側輪詢連支節點，未收到連支節點的返回報文
　　過流側未收到連支節點的輪詢返回報文可能由兩種原因造成：
　　1)連支節點未收到過流側的輪詢報文(過流側發往連支節點的輪詢報文丟失)；
　　2)連支節點收到了輪詢報文但過流側未收到連支節點的返回報文(連支節點發往過流側的返回報文丟失)。
　　不管何種原因造成，這種情況都可分為以下兩種小情況進行討論。
　　4.1 故障發生在有連支的樹支節點之間
　　假設在F2點故障，節點S1.2收到節點S1.1的過流且功率方向為正的報文和節點S1.3的失壓無流報文，同時自身狀態為過流且功率方向為正，所以S1.2可以判斷出故障發生在S1.2和S1.3之間。于是S1.2瞬時跳閘，并進行一次重合閘。如為瞬時性故障則重合成功，如為永久性故障則后加速跳開。然后S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態，但出現一些連支節點的返回報文丟失。
　　正常返回的報文中一定是所有節點的狀態均為失壓無流，于是S1.2可判斷出故障發生在S1.2和S1.3之間的樹支上，于是遙控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳開，完成故障隔離。
　　4.2故障發生在連支上
　　前面的處理過程與4.1類似，也是S1.2依次輪詢S1.2和S1.3之間所有連支的第一個節點的狀態，但出現一些連支節點的返回報文丟失。不同之處是：正常返回的報文可能出現兩種情況：
　　1)其中有一個節點的狀態為過流且功率方向為正；
　　2)所有節點的狀態均為失壓無流。
　　如正常返回的報文中其中有一個節點的狀態為過流且功率方向為正，則S1.2可判斷出故障發生在此節點所在的連支上，然后S1.2再依次輪詢該連支的各節點，判斷出故障區 域后，跳開該區域兩側的開關，同時自身重合。
　　如正常返回的報文中所有節點均為失壓無流，則S1.2按故障發生在S1.2和S1.3之間的樹支上來處理，遙控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳開，完成故障隔離。
　　5．結論
　　本文在文獻[3]的基礎上討論了建立在控制節點之間快速通信基礎上的饋線保護的后備保護方案。考慮到保護功能的完整性及通信系統不可靠的可能性，當故障處理過程中發生報文丟失時，有必要采取保守的措施確保故障切除。理想的快速饋線保護方案應該既具有能夠快速動作的主保護功能，又具有在通信出現問題后的后備保護功能。本文針對不同情況詳細討論了報文丟失后的后備措施，在主保護不能正確動作的情況下，利用該原理構成的后備保護能夠很好地完成故障隔離的功能，并達到快速切除故障、縮小停電范圍的目的。