基于二维节点控制的馈线后备保护原理

摘要：本文从实现复杂配电网的区域性故障快速识别及保护的角度，提出一种基于二维拓朴关系的面向具有特殊保护功能的配电终端（本文姑且称之为“配电网控制节点”）的馈线快速保护新原理的后备保护，提出一种面向二维平面节点控制的馈线后备保护方案，该方案针对故障处理中通信报文丢失的情况下将采用保守措施切除故障，实现馈线快速保护的后备保护，并给出了该后备保护多种动作情况的分析结果。
关键词：节点控制 馈线自动化 后备保护 配电终端
0．引言
　　在多种馈线故障处理模式中，建立在快速通信基础上的系统保护方案具有出色的故障处理能力，在以光纤为主的配网自动化中，这种故障处理方式是今后的发展方向之一[1] [2]。配电网的拓扑结构是相当复杂的，在此基础上又提出了基于二维节点控制的馈线保护[3]。这种方案是面向复杂配电网拓扑结构的一种系统保护方案，它将馈线终端作为通用控制节点，在二维平面上通过控制节点之间的快速通讯与协调工作实现面向区域性故障的快速隔离。
　　这种多点之间构成的特殊保护控制方式本文姑且称之为“群体保护”，“群体保护”的实现依靠快速的通信，当今通信技术发展迅速，实用化程度越来越高，以光纤通信为主导的多种通信方式已经在配网中得到广泛应用，这些都为这种保护方案的实现提供了条件。系统保护能够实现馈线的全线速断和故障隔离，提高了故障处理效果和供电可靠性。然而，一旦通信出现了问题，如果没有完备的后备保护，将造成速断保护拒动，给设备和电力用户都带来极大的危害。本文将从配电网的复杂拓扑结构入手，在二维平面上讨论如何实现基于二维节点控制的馈线后备保护。
　　1．通信可能出现的问题
　　当馈线上发生相间故障或三相故障后，受到故障“扰动”的控制节点将启动，然后通过光纤通信或快速现场总线与邻集节点通信，经过故障信息的综合比较后实现故障隔离功能[3]。然而，一旦出现通信报文的丢失，就无法再按文献[3]的方法判断故障区段并进行故障隔离。
　　控制节点之间的通信出现的问题大致可分为三种情况：
　　1)过流侧未收到无压侧的报文；
　　2)无压侧未收到过流侧的报文；
　　3)过流侧未收到连支节点的轮询返回报文。
　　下面将逐一讨论在每一种情况下如何实现后备保护。
　　2．过流侧未收到无压侧的报文
　　

图1 典型馈线示意图
Fig.1 typical feeder grid construction
　　对于辐射性单侧电源供电情况，故障区段的一侧的开关有故障电流流过，该侧暂称为过流侧；另一侧而言没有故障电流，但因故障导致低电压，该侧暂称为无压侧，所谓过流侧未收到无压侧的报文是指在故障处理的通信中无压侧发往过流侧的报文丢失。参见图1所示的典型馈线系统，该问题又可分为三种具体情况，下面逐个讨论。
　　2.1故障发生在无连支的树支节点之间
　　假设在F1点故障，控制节点启动后立即计算自身的状态，并向邻集节点发讯。节点S1.3收到节点S1.2的过流且功率方向为正的报文，同时自身状态为过流且功率方向为正，但未收到节点S1.4的失压无流报文。这时节点S1.3可以延时50ms后快速召唤节点S1.4的状态，同时向S1.2发令，令S1.2延时跳闸。
　　如果S1.3立刻收到了S1.4的失压无流报文，则S1.3瞬时跳闸，S1.2的状态由过流变为无流因此返回。S1.3再进行一次重合闸，如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.3后加速跳开，然后S1.3向S1.4发令，使其加速跳开。
　　如S1.3询问后仍未收到S1.4的报文，则S1.2经一段延时后跳闸。S1.3测得原来自身有故障电流流过，而现在变成失压无流，知道S1.2已跳开，于是加速跳闸。S1.2再进行一次重合闸，重合成功后S1.3再重合，如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.3后加速跳开，并遥控S1.4加速跳开，完成故障隔离。
　　2.2故障发生在有连支的树支节点之间
　　假设在F2点故障，与2.1类似，这时节点S1.2收到节点S1.1的过流且功率方向为正的报文，同时自身状态为过流且功率方向为正，但未收到节点S1.3的失压无流报文。这时节点S1.2可以延时50ms后快速问一下节点S1.3，同时向S1.1发令，令S1.1延时跳闸。
　　如果S1.2立刻收到了S1.3的失压无流报文，则S1.2瞬时跳闸，S1.1的状态由过流变为无流因此返回。S1.2再进行一次重合闸，如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.2后加速跳开，然后S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态。S1.2首先询问连支节点S1.2.1.1，连支节点S1.2.1.1的状态为失压无流，再询问连支节点S1.2.2.1，该连支节点的状态也为失压无流，则可判断出故障发生在S1.2和S1.3之间的树支上。由节点S1.2发令跳开节点S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1，将故障区域隔离。
　　如S1.2询问后仍未收到S1.3的报文，则S1.1经一段延时后跳闸。S1.2测得原来自身有故障电流流过，而现在变成失压无流，知道S1.1已跳开，于是加速跳闸。S1.1再进行一次重合闸，重合成功后S1.2再重合，如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.2后加速跳开，然后S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态。之后的处理过程与上面相同。
　　2.3故障发生在连支节点之间
　　假设在F3点故障，处理过程与2.2类似，不同之处在于S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态时的处理。
　　S1.2首先询问连支节点S1.2.1.1，连支节点S1.2.1.1的状态为过流且功率方向为正，这时S1.2可判断出故障发生在第一条连支上。然后树支节点S1.2知道该连支节点的下一个节点S1.2.1.2是常开节点，故判断故障发生在第一条连支的第1、2节点之间，于是发跳闸令，跳开S1.2.1.1，将故障隔离，S1.2节点自身重合。
　　3．无压侧未收到过流侧的报文
　　该情况是指过流侧发往无压侧的报文丢失。仍如图1所示，该情况也可分为三种工况分析，详述如下：
　　3.1故障发生在无连支的树支节点之间
　　假设在F1点故障，节点S1.3收到节点S1.2的过流且功率方向为正的报文和节点S1.4的失压无流报文，同时自身状态为过流且功率方向为正，所以判断出故障发生在S1.3和S1.4之间。于是S1.3瞬时跳闸，并进行一次重合闸，如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.3后加速跳开，并给S1.4发令，使其加速跳开。但S1.4未收到S1.3的遥控报文，无法跳开。
　　这时配电子站将参与故障处理。子站收集所有节点的故障信息，并进行综合比较，判断出故障发生在S1.3和S1.4之间，于是遥控S1.4跳开，如S1.4拒动则将常开节点S1.5闭锁，防止其误合到故障上。
　　3.2故障发生在有连支的树支节点之间
　　假设在F2点故障，与3.1类似，节点S1.2瞬时跳开，并进行一次重合闸。如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则S1.2后加速跳开。然后S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态。轮询后得知S1.2.1.1和S1.2.2.1均为失压无流，于是判断出故障发生在S1.2和S1.3之间的树支上，然后给S1.3发令，使其加速跳开。但S1.3未收到S1.2的遥控报文，无法跳开。
　　这时子站收集所有节点的故障信息，经过综合比较后判断出故障发生在S1.2和S1.3之间的树支上。于是遥控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳开，如S1.3拒动则遥控S1.4跳开，完成故障隔离。
　　3.3故障发生在连支节点之间
　　假设在F3点故障，这时的处理过程与主保护中故障发生在连支节点之间相同[1],过流侧S1.2发往无压侧S1.3的故障信息报文丢失对故障隔离没有任何影响。
　　4．过流侧轮询连支节点，未收到连支节点的返回报文
　　过流侧未收到连支节点的轮询返回报文可能由两种原因造成：
　　1)连支节点未收到过流侧的轮询报文(过流侧发往连支节点的轮询报文丢失)；
　　2)连支节点收到了轮询报文但过流侧未收到连支节点的返回报文(连支节点发往过流侧的返回报文丢失)。
　　不管何种原因造成，这种情况都可分为以下两种小情况进行讨论。
　　4.1 故障发生在有连支的树支节点之间
　　假设在F2点故障，节点S1.2收到节点S1.1的过流且功率方向为正的报文和节点S1.3的失压无流报文，同时自身状态为过流且功率方向为正，所以S1.2可以判断出故障发生在S1.2和S1.3之间。于是S1.2瞬时跳闸，并进行一次重合闸。如为瞬时性故障则重合成功，如为永久性故障则后加速跳开。然后S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态，但出现一些连支节点的返回报文丢失。
　　正常返回的报文中一定是所有节点的状态均为失压无流，于是S1.2可判断出故障发生在S1.2和S1.3之间的树支上，于是遥控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳开，完成故障隔离。
　　4.2故障发生在连支上
　　前面的处理过程与4.1类似，也是S1.2依次轮询S1.2和S1.3之间所有连支的第一个节点的状态，但出现一些连支节点的返回报文丢失。不同之处是：正常返回的报文可能出现两种情况：
　　1)其中有一个节点的状态为过流且功率方向为正；
　　2)所有节点的状态均为失压无流。
　　如正常返回的报文中其中有一个节点的状态为过流且功率方向为正，则S1.2可判断出故障发生在此节点所在的连支上，然后S1.2再依次轮询该连支的各节点，判断出故障区 域后，跳开该区域两侧的开关，同时自身重合。
　　如正常返回的报文中所有节点均为失压无流，则S1.2按故障发生在S1.2和S1.3之间的树支上来处理，遥控S1.3、S1.2.1.1、S1.2.2.1跳开，完成故障隔离。
　　5．结论
　　本文在文献[3]的基础上讨论了建立在控制节点之间快速通信基础上的馈线保护的后备保护方案。考虑到保护功能的完整性及通信系统不可靠的可能性，当故障处理过程中发生报文丢失时，有必要采取保守的措施确保故障切除。理想的快速馈线保护方案应该既具有能够快速动作的主保护功能，又具有在通信出现问题后的后备保护功能。本文针对不同情况详细讨论了报文丢失后的后备措施，在主保护不能正确动作的情况下，利用该原理构成的后备保护能够很好地完成故障隔离的功能，并达到快速切除故障、缩小停电范围的目的。