李 鋼 胡榮遠(yuǎn) 周劭亮 劉 輝 張 瓊 沈宇龍 紀(jì)浩然 殷照華

(1.南京南瑞集團(tuán)公司,210061,南京; 2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,100095,北京∥第一作者,正高級(jí)工程師)

1 供電系統(tǒng)繼電保護(hù)存在的問(wèn)題

城市軌道交通交流中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中,常在兩個(gè)車(chē)站間設(shè)置光纖縱差作為主保護(hù),并按階梯式原則設(shè)置定時(shí)限過(guò)流保護(hù)作為后備保護(hù)。主保護(hù)和后備保護(hù)結(jié)合,構(gòu)成完備的保護(hù)。由于城市軌道交通供電主變電所有最大允許時(shí)限的要求,若按階梯式原則設(shè)置定時(shí)限過(guò)流保護(hù),保護(hù)級(jí)數(shù)太多,難以保證滿(mǎn)足主變電所允許時(shí)限的要求。此外,環(huán)網(wǎng)通常采用雙電源供電,當(dāng)供電從日常工作電源改為備用電源供電時(shí),靠近日常工作電源點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng),遠(yuǎn)離日常工作電源點(diǎn)動(dòng)作時(shí)限較短的階梯式動(dòng)作時(shí)限要顛倒過(guò)來(lái),這并不易實(shí)現(xiàn)。

為此,繼電保護(hù)廠(chǎng)家采取了一些措施,典型的措施是通過(guò)相互發(fā)送無(wú)方向的閉鎖信號(hào),以防止過(guò)電流保護(hù)誤動(dòng)作。相互發(fā)送無(wú)方向信號(hào)時(shí),大多采用電纜傳遞接點(diǎn)方式[1],但該方式需考慮電纜線(xiàn)松脫或斷裂、控制接點(diǎn)開(kāi)合的繼電器故障等問(wèn)題,這些問(wèn)題可能會(huì)造成保護(hù)裝置無(wú)法收到閉鎖信號(hào)。

無(wú)方向閉鎖信號(hào)也可通過(guò)如GOOSE(面向通用對(duì)象的變電站事件)等通信方式予以發(fā)送[2-7]。其信號(hào)發(fā)送判據(jù)為:電流超過(guò)GOOSE無(wú)方向閉鎖式發(fā)信定值時(shí),發(fā)送無(wú)方向閉鎖信號(hào)給相鄰保護(hù);其動(dòng)作判據(jù)為:電流超過(guò)GOOSE無(wú)方向閉鎖式跳閘電流定值時(shí),若未收到母線(xiàn)側(cè)和線(xiàn)路側(cè)其他相鄰保護(hù)發(fā)送的任何GOOSE無(wú)方向閉鎖信號(hào),則GOOSE無(wú)方向閉鎖式電流保護(hù)經(jīng)延時(shí)后跳閘,切除故障。之所以需要閉鎖信號(hào),是為了在發(fā)生下級(jí)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的故障時(shí),防止在下級(jí)保護(hù)動(dòng)作切除之前上級(jí)保護(hù)越級(jí)誤動(dòng)。該方法存在以下兩個(gè)問(wèn)題:一是閉鎖式保護(hù)沒(méi)有收到相鄰保護(hù)閉鎖信號(hào),可能是相鄰保護(hù)程序發(fā)生問(wèn)題,或存在硬件問(wèn)題、交換機(jī)問(wèn)題、連線(xiàn)/網(wǎng)線(xiàn)問(wèn)題等,此時(shí)不能因沒(méi)有收到閉鎖信號(hào)而貿(mào)然采取跳閘措施,以避免越級(jí)跳閘造成誤動(dòng),因此,閉鎖式保護(hù)跳閘的時(shí)限通常設(shè)得較長(zhǎng),進(jìn)而導(dǎo)致不能快速切除故障。輻射狀單電源供電系統(tǒng)也存在此問(wèn)題。二是如果采用多電源系統(tǒng),保護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)。這是由于無(wú)方向閉鎖保護(hù)信號(hào)具有無(wú)方向性的特點(diǎn),這導(dǎo)致其不僅能向上級(jí)保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào),也能向下級(jí)保護(hù)發(fā)送錯(cuò)誤的閉鎖信號(hào),進(jìn)而導(dǎo)致下級(jí)保護(hù)拒動(dòng)。

在城市軌道交通實(shí)際的供電系統(tǒng)中,往往存在著多種多電源情況:為了不影響運(yùn)營(yíng),城市軌道交通線(xiàn)路可能會(huì)采取不停電倒閘的工作方式,即短時(shí)合上環(huán)網(wǎng)中的分段斷路器及聯(lián)絡(luò)斷路器,這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)雙電源同時(shí)供電的情況。

為了節(jié)能環(huán)保,越來(lái)越多的城市軌道交通線(xiàn)路采用了能量回饋裝置和儲(chǔ)能裝置,即當(dāng)列車(chē)剎車(chē)時(shí),列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,并向中壓環(huán)網(wǎng)回饋供電或儲(chǔ)能;當(dāng)列車(chē)起動(dòng)時(shí),該儲(chǔ)能裝置可輸出電能。由于同一條線(xiàn)路上有多列電客車(chē)在運(yùn)行,可視為城市軌道交通系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)地出現(xiàn)了多個(gè)電源。

在分布式發(fā)電和儲(chǔ)能領(lǐng)域中,也存在類(lèi)似的問(wèn)題:風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中呈負(fù)荷特性,在正常工作時(shí)呈電源特性,二者電流方向相反。同樣地,儲(chǔ)能在充電時(shí)呈負(fù)荷特性,在放電時(shí)呈電源特性,二者電流方向相反。所以,新能源發(fā)電和儲(chǔ)能也存在多電源點(diǎn)及電源點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的情況。

區(qū)域供電系統(tǒng)(包括居住區(qū)和工廠(chǎng)等)的環(huán)網(wǎng)供電方式也存在與城市軌道交通中壓供電系統(tǒng)相似的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[8]對(duì)智能變電站簡(jiǎn)易母線(xiàn)保護(hù)進(jìn)行了探討,但該文以母線(xiàn)單元模塊作為最小單元來(lái)組合實(shí)際系統(tǒng),模塊組合不太方便;該文假設(shè)電源潮流方向固定,不適用于原饋出線(xiàn)變?yōu)殡娫唇尤氲那闆r。因此,該類(lèi)論文僅限于母線(xiàn)保護(hù),適用性不夠廣泛。

對(duì)于上述閉鎖式保護(hù)問(wèn)題和多電源問(wèn)題,目前并沒(méi)有系統(tǒng)性的解決方法,這給繼電保護(hù)的功能設(shè)計(jì)和定值設(shè)定帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為解決上述問(wèn)題,本文提出一種適用于多種供電方式的節(jié)點(diǎn)聯(lián)鎖保護(hù)方法。

2 方法概述

該方法以節(jié)點(diǎn)為核心,適用于各種保護(hù)裝置。這里的節(jié)點(diǎn)是指在電網(wǎng)一次系統(tǒng)中電氣直接聯(lián)系的點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包括分段左側(cè)母線(xiàn)、分段右側(cè)母線(xiàn)、無(wú)分段的母線(xiàn)及線(xiàn)路,其中,線(xiàn)路包括一根輸電線(xiàn)或T接線(xiàn)路。將與節(jié)點(diǎn)直接相連的斷路器對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的保護(hù)。直接連接到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)互為相鄰保護(hù)。每個(gè)保護(hù)最多可相連兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。與節(jié)點(diǎn)間有時(shí)斷開(kāi)、有時(shí)閉合的斷路器對(duì)應(yīng)的保護(hù),也屬于該節(jié)點(diǎn)的保護(hù)范疇。

城市軌道交通交流中壓供電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中:有三個(gè)電源(電源1、電源2及電源3);A、B、C、E均為車(chē)站;DL1(A1)為斷路器(同時(shí)表示負(fù)責(zé)分合此斷路器的保護(hù)裝置),其中DL后面的1是斷路器的編號(hào),(A1)表示與A站的1號(hào)母線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“A站1母”) 相連,其余斷路器的含義類(lèi)似;LAB1表示A站1母與B站1母直接相連的輸電線(xiàn)路,其余線(xiàn)路的含義類(lèi)似;k1表示在LBC1輸電線(xiàn)路上可能的故障點(diǎn),k2、k3及k4的含義類(lèi)似。

圖1 城市軌道交通交流中壓供電系統(tǒng)圖

由圖1可知:B站1母為1個(gè)節(jié)點(diǎn),包含的相鄰保護(hù)分別為DL1(B1)、DL2(B1)、DL3(B)及DL4(B1);B站2母為另外1個(gè)節(jié)點(diǎn),包含的相鄰保護(hù)分別為DL1(B2)、DL2(B2)及DL3(B)。其余相鄰保護(hù)類(lèi)似。

3 方法判據(jù)

在繼電保護(hù)裝置中設(shè)置節(jié)點(diǎn)聯(lián)鎖保護(hù),包括無(wú)方向閉鎖式保護(hù)、逆向閉鎖式保護(hù)、允許式保護(hù)、無(wú)方向失靈保護(hù)、逆向失靈保護(hù)及聯(lián)跳等方式,每種保護(hù)均包含聯(lián)鎖保護(hù)發(fā)信判據(jù)和動(dòng)作判據(jù)兩個(gè)部分。無(wú)方向閉鎖式保護(hù)、無(wú)方向失靈保護(hù)及聯(lián)跳的發(fā)信判據(jù)和動(dòng)作判據(jù)均為傳統(tǒng)方式,本文不再贅述。

1) 逆向閉鎖式保護(hù)的發(fā)信判據(jù)為:最大相電流或零序電流大于閉鎖式發(fā)信定值時(shí),發(fā)送逆向閉鎖信號(hào)給最大相電流或零序電流逆向指向的母線(xiàn)側(cè)/線(xiàn)路側(cè)。其動(dòng)作判據(jù)為:當(dāng)最大相電流或零序電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值,且未收到電流順向指向的母線(xiàn)側(cè)或線(xiàn)路側(cè)任一相鄰保護(hù)發(fā)送的逆向閉鎖信號(hào)時(shí),在規(guī)定時(shí)延后跳閘。

2) 逆向失靈保護(hù)的發(fā)信判據(jù)為:最大相電流大于無(wú)流門(mén)檻定值時(shí),保護(hù)發(fā)出跳閘命令,經(jīng)過(guò)發(fā)信時(shí)延,發(fā)送逆向啟動(dòng)失靈信號(hào)給最大相電流逆向指向的母線(xiàn)側(cè)/線(xiàn)路側(cè)。其動(dòng)作判據(jù)為:當(dāng)最大相電流大于逆向失靈跳閘電流定值,且收到最大相電流順向指向的母線(xiàn)側(cè)或線(xiàn)路側(cè)任一相鄰保護(hù)發(fā)送的逆向啟動(dòng)失靈信號(hào)時(shí),在規(guī)定時(shí)延后跳閘。

3) 允許式保護(hù)的發(fā)信判據(jù)有兩個(gè):一是當(dāng)最大相電流或零序電流大于順向允許式發(fā)信電流定值時(shí),發(fā)送順向允許信號(hào)給最大相電流或零序電流順向指向的母線(xiàn)側(cè)/線(xiàn)路側(cè);二是當(dāng)電流小于無(wú)流門(mén)檻定值且收到任一相鄰保護(hù)分相無(wú)方向閉鎖信號(hào)時(shí),或當(dāng)在斷路器處于合位、電壓從額定電壓變?yōu)樾∮跓o(wú)壓門(mén)檻定值時(shí),發(fā)送無(wú)方向允許信號(hào)給所有相鄰保護(hù)。允許式保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為:當(dāng)最大相電流或零序電流大于允許式跳閘電流定值,且收到電流順向指向的母線(xiàn)側(cè)或線(xiàn)路側(cè)所有相鄰保護(hù)發(fā)送的允許信號(hào)時(shí),保護(hù)動(dòng)作,切除故障。

4 技術(shù)路線(xiàn)

電流順向指向和電流逆向指向是指將電流與母線(xiàn)參考電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)比較,判斷出電流的流向,將順著電流流向方向稱(chēng)為電流順向指向,將逆著電流流向方向稱(chēng)為電流逆向指向。判別電流指向的目的是讓保護(hù)明確發(fā)送和接收聯(lián)鎖信號(hào)的方向,即明確需要發(fā)送和接收聯(lián)鎖信號(hào)的對(duì)象,使得本文所提方法能夠適應(yīng)短路電流方向不確定的情況。這是本文所提方法的另一個(gè)技術(shù)核心。

本方法規(guī)定保護(hù)電流正方向指向線(xiàn)路側(cè),反方向指向母線(xiàn)側(cè)。對(duì)于分段或母聯(lián)保護(hù),則規(guī)定保護(hù)電流正方向指向1母?jìng)?cè),反方向指向2母?jìng)?cè)。當(dāng)電流判斷為正方向時(shí),電流順向指向線(xiàn)路側(cè),電流逆向指向母線(xiàn)側(cè);反之,當(dāng)電流判斷為反方向時(shí),電流順向指向母線(xiàn)側(cè),電流逆向指向線(xiàn)路側(cè)。

在保護(hù)中分別配置線(xiàn)路側(cè)和母線(xiàn)側(cè)的所有相鄰保護(hù),該操作也可通過(guò)GOOSE的拉線(xiàn)完成。

平時(shí)在分位的斷路器對(duì)應(yīng)的保護(hù),也參與保護(hù)的聯(lián)鎖邏輯,以保證此保護(hù)對(duì)應(yīng)的斷路器合閘后的聯(lián)鎖邏輯正確。如果保護(hù)退出運(yùn)行,則將此保護(hù)置于“檢修位”,此時(shí)該保護(hù)不再參與相鄰保護(hù)連鎖信號(hào)的判斷。

相鄰保護(hù)之間可通過(guò)GOOSE網(wǎng)、局域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)及硬接線(xiàn)傳遞接點(diǎn)信號(hào)等方式傳遞聯(lián)鎖信號(hào);輸電線(xiàn)路兩側(cè)的保護(hù)則可通過(guò)光纖或載波等方式傳遞聯(lián)鎖信號(hào)。

由于允許式保護(hù)、逆向閉鎖式保護(hù)、無(wú)方向閉鎖式保護(hù)的安全性依次遞減,因此,各保護(hù)整定的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)依次加長(zhǎng)。這三種保護(hù)方式應(yīng)相互配合,構(gòu)成完備的保護(hù)方案。

由于逆向失靈保護(hù)的安全性高于無(wú)方向失靈保護(hù),因此逆向失靈保護(hù)整定的動(dòng)作時(shí)限可以短于無(wú)方向失靈保護(hù)整定的動(dòng)作時(shí)限。這兩種保護(hù)方式相互配合,以構(gòu)成完備的失靈保護(hù)方案。

該方法兼顧了速動(dòng)性和選擇性,在不增加額外保護(hù)裝置的情況下,不僅能快速、準(zhǔn)確切除線(xiàn)路故障,還能快速、準(zhǔn)確切除母線(xiàn)故障。

可以把電流判據(jù)改為阻抗判據(jù),即用無(wú)方向阻抗定值代替電流定值,方向判斷采用方向阻抗。由于電流與阻抗為倒數(shù)關(guān)系,只需將上文的各判據(jù)中的“大于”改為“小于”,判據(jù)仍然適用。

某些區(qū)域供電系統(tǒng)存在子站沒(méi)有斷路器、只有隔離刀閘的情況,該類(lèi)子站發(fā)生故障時(shí),可依靠主站斷路器跳閘,再通過(guò)子站自主操作或主站遙控等方式斷開(kāi)故障區(qū)域的隔離刀閘。該類(lèi)故障下,可以把本文所提方法放入子站智能裝置中,由故障區(qū)域的子站進(jìn)行判斷,在故障電流消失后自主斷開(kāi)隔離刀閘;也可以把子站的跳閘決策發(fā)送給主站,由主站遙控?cái)嚅_(kāi)故障區(qū)域的隔離刀閘。

分布式電源大多通過(guò)逆變器并網(wǎng),逆變器外短路時(shí),逆變器的限流控制策略使得分布式電源不能提供明顯的短路電流。該情況下的電流不像典型的短路電流那么大,但仍有可能超過(guò)傳統(tǒng)的無(wú)方向閉鎖式GOOSE聯(lián)鎖保護(hù)的閉鎖發(fā)信電流定值,進(jìn)而導(dǎo)致線(xiàn)路側(cè)無(wú)方向閉鎖式GOOSE聯(lián)鎖保護(hù)被誤閉鎖,不能跳閘。本文所提方法有效規(guī)避了此問(wèn)題,當(dāng)電流大于閉鎖式發(fā)信電流定值時(shí),發(fā)送逆向閉鎖信號(hào)。由于在分布式電源采用逆變器供電情況下,逆向閉鎖信號(hào)發(fā)送給分布式電源側(cè),而不是發(fā)送給線(xiàn)路側(cè),即不閉鎖線(xiàn)路側(cè)的逆向閉鎖式GOOSE聯(lián)鎖保護(hù),使得此保護(hù)能夠正確動(dòng)作。同理,允許式保護(hù)也能正確動(dòng)作。

5 應(yīng)用舉例

結(jié)合圖1的城市軌道交通交流中壓供電系統(tǒng),對(duì)本文所提方法在多種供電方式下不同故障點(diǎn)的各種保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行詳細(xì)的分析和說(shuō)明。圖1中:電源1和電源2為城市軌道交通的供電電源,可視為區(qū)域供電電源;電源3為城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)的電源,也可視為區(qū)域供電系統(tǒng)及分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)的電源。

假設(shè)兩個(gè)車(chē)站之間線(xiàn)路兩端的光纖縱差保護(hù)沒(méi)有工作或沒(méi)有設(shè)置,電源1、電源2、電源3均正常運(yùn)行,B站1母中k2點(diǎn)發(fā)生故障(此故障為母線(xiàn)故障),分析該情況下各種保護(hù)的動(dòng)作行為:

1) 傳統(tǒng)的無(wú)方向閉鎖式保護(hù)的動(dòng)作情況。該保護(hù)方式下,DL2(B1)保護(hù)故障相電流大于無(wú)方向閉鎖式跳閘電流定值,但由于收到了DL1(C1)、DL1(B1)及DL4(B1)保護(hù)發(fā)送的無(wú)方向閉鎖信號(hào),保護(hù)拒動(dòng)。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護(hù)也拒動(dòng)。

2) 逆向閉鎖式保護(hù)的動(dòng)作情況。在該保護(hù)方式下,DL2(B1)保護(hù)故障相電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值,但未收到DL1(C1)、DL1(B1)、DL4(B1)及DL3(B)發(fā)送的逆向閉鎖信號(hào),該保護(hù)正確跳閘,并通過(guò)B站與C站之間的光纖聯(lián)跳DL1(C1)。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護(hù)也正確跳閘。故障相電流大于逆向閉鎖式跳閘電流定值的其他所有保護(hù)(DL1(A1)、DL2(A1)、DL1(C1)及DL2(C1)),因收到電流順向指向的至少1個(gè)相鄰保護(hù)發(fā)送的逆向閉鎖信號(hào),保護(hù)不會(huì)誤跳閘。

3) 允許式保護(hù)的動(dòng)作情況。在該保護(hù)方式下,DL2(B1)保護(hù)故障相電流大于允許式跳閘電流的定值,收到了DL1(C1)、DL1(B1)、DL4(B1)及DL3(B)發(fā)送的允許信號(hào),該保護(hù)正確跳閘,并通過(guò)B站與C站間的光纖聯(lián)跳C站的DL1(C1)。同理,DL1(B1)及DL4(B1)保護(hù)也正確跳閘。故障相電流大于允許式跳閘電流定值的其他所有保護(hù)(DL1(A1)、DL2(A1)、DL1(C1)及DL2(C1)),因沒(méi)有收到電流順向指向的至少1個(gè)相鄰保護(hù)發(fā)送的允許信號(hào),保護(hù)不會(huì)誤跳閘。

單電源及雙電源下的保護(hù)動(dòng)作行為類(lèi)似,本文不再贅述。

由此可見(jiàn),傳統(tǒng)的無(wú)方向閉鎖式保護(hù)方法在多電源情況下會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象。

線(xiàn)路LBC1中k1點(diǎn)發(fā)生線(xiàn)路故障、E站1母中k3點(diǎn)發(fā)生饋出母線(xiàn)故障、B站2母中k4點(diǎn)在分段DL3(B)合閘狀態(tài)發(fā)生母線(xiàn)故障等,聯(lián)鎖保護(hù)的動(dòng)作行為與上文所述k2點(diǎn)的動(dòng)作行為類(lèi)似,本文不再贅述。

6 結(jié)語(yǔ)

本文用節(jié)點(diǎn)來(lái)統(tǒng)一各種保護(hù)之間的關(guān)系,以此來(lái)界定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相鄰保護(hù),進(jìn)而建立統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)聯(lián)鎖保護(hù)方法。該方法規(guī)定了各種保護(hù)的正方向指向,通過(guò)正反方向的判定來(lái)確定電流順向和逆向指向。在此基礎(chǔ)上提出允許式保護(hù)和逆向閉鎖式保護(hù),這兩種保護(hù)方式克服了傳統(tǒng)的無(wú)方向閉鎖式保護(hù)在多電源系統(tǒng)可能出現(xiàn)的拒動(dòng)問(wèn)題。允許式保護(hù)不存在閉鎖式保護(hù)需要等待閉鎖信號(hào)的問(wèn)題,所以在收到故障電流順向指向的其相連節(jié)點(diǎn)所有相鄰保護(hù)主動(dòng)發(fā)送的允許信號(hào)時(shí),可以快速跳閘,所以允許式保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限可以設(shè)置小于閉鎖式保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限。

采用該方法后,只需要對(duì)本站保護(hù),以及本站進(jìn)出線(xiàn)對(duì)端的保護(hù)相互進(jìn)行聯(lián)鎖,不需要其他站保護(hù)參與聯(lián)鎖即可實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)的聯(lián)鎖保護(hù),其實(shí)施和維護(hù)的難度較低。如果線(xiàn)路之間光纖縱差保護(hù)沒(méi)有工作或沒(méi)有配置,也能夠?qū)Ω鞣N供電方式下的故障提供完備的保護(hù)。

該方法適用于單電源、雙電源及多電源等各種供電方式,也適用于電源點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化及多個(gè)供電方向的供電系統(tǒng)。該方法適用于各種保護(hù)裝置,適用于輻射狀供電系統(tǒng)和環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng),適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)及其能量回饋系統(tǒng)、分布式發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)、區(qū)域供電系統(tǒng)等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合。