配網開閉環(huán)運行方式的故障判定與分析

配網開閉環(huán)運行方式的故障判定與分析

0饋線自動化系統(tǒng)作為配電自動化系統(tǒng)（das）的重要組成部分，ifs-fa）具有隔離錯誤區(qū)域、快速恢復缺陷區(qū)域的功能。對減小停電面積、縮短停電時間、提高供電可靠性具有重要意義[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。分布式饋線自動化系統(tǒng)是一種依靠設備間的相互配合隔離故障及恢復健全區(qū)域供電的方法。按照故障隔離的方式可以分為開關配合型饋線自動化和“面保護”型饋線自動化。開關配合型饋線自動化無需通信,只依靠自動化開關之間的相互配合即可隔離故障并恢復健全區(qū)域供電。其產品主要有:重合器與電壓-時間型分段器配合饋線自動化,重合器與重合器配合饋線自動化,重合器與過流脈沖計數型分段器配合饋線自動化。該類型饋線自動化系統(tǒng)因需依靠自動化開關之間的整定時間差及多次重合閘來隔離故障,故障隔離時間長,系統(tǒng)沖擊大,設備使用壽命低?！懊姹Ｗo”型饋線自動化是一種依靠自動化開關之間的相互通信并經過一定邏輯判斷隔離故障及恢復健全區(qū)域供電的方法。具有故障隔離速度快,對系統(tǒng)沖擊小的優(yōu)點。文獻提出了一種依靠載波通信的饋線自動化方法,但是該方法需要依靠所有開關的狀態(tài)信息進行故障判斷,處理過程復雜。文獻[9-10]給出了基于通信的饋線自動化方法,但是皆未給出詳細的判斷原理、算法和判據,且未考慮分支饋線情況。文獻[14-15]給出了一種基于開關間相互通信的饋線自動化新方法,且對電網開環(huán)及閉環(huán)情況分別進行了描述,并對暫時性故障及開關拒動、保護失靈、通信異常等特殊情況進行了分析。但該方法過多依賴通信,通信異常、開關拒動及保護失靈時將使故障隔離范圍擴大。且上述方法在電網運行方式變化時需要重新整定設備參數。針對上述問題,本文提出一種融合自動化開關相互通信及自動化開關相互配合優(yōu)點的饋線自動化系統(tǒng)。根據自動化開關之間的連接關系,提出了一種開關分組模型。基于開關分組模型,依靠故障電流及有功功率方向,提出一種不依賴電網運行方式的統(tǒng)一故障判定準則。并將判定準則轉化為一系列的邏輯運算,提出了一種開關邏輯值及開關組邏輯值的計算方法,并運用開關組邏輯值計算出各個開關的動作邏輯值。針對暫時性故障引入一種不依賴通信的開關一側失壓重合機制,有效避免了通信異常情況下的故障隔離范圍擴大。1相鄰開關的劃分將由開關及饋線段組成的封閉集合稱為配電區(qū)域。如果一個區(qū)域的所有端點都是開關并且沒有內點或者所有內點都是T接點,則稱該區(qū)域為最小配電區(qū)域。規(guī)定每一個最小配電區(qū)域中的開關之間都是相鄰的。則最小配電區(qū)域的每一個開關都是其他開關的相鄰開關。同一配電區(qū)域中的相鄰開關即是一組。規(guī)定有相同端點的最小配電區(qū)域相鄰,則每個開關至多有兩個相鄰最小配電區(qū)域,故此,每個開關至多有兩個相鄰開關組。流入最小配電區(qū)域的潮流稱之為入度流,其流經的開關稱之為最小配電區(qū)域的入度開關。流出最小配電區(qū)域的潮流稱之為出度潮流,其流經的開關稱之為最小配電區(qū)域的出度開關。最小配電區(qū)域的出度與入度開關數稱之為該最小配電區(qū)域的出度與入度。顯然,一最小配電區(qū)域的出度開關,是其相鄰最小配電區(qū)域的入度開關。對于圖1所示配電網,S1、S2為變電站出線開關;A、B、C、D、F、G、H為分段開關;E為聯(lián)絡開關;“-”表示相鄰開關為末梢點。則可以劃分相鄰開關組如表1。建立隊列Qx描述開關x的相鄰關系為其中,groupxi(i=1,2)為開關x的第i個相鄰開關組,描述為式(2)。其中,Nxj(j=1,2,…,n)為開關x第i個相鄰開關組包含的開關。則圖1開關A的相鄰開關組可以表示為2配電網閉環(huán)運行復雜配電網多為開環(huán)運行方式,為確保重要負荷供電,一些饋線采用閉環(huán)運行。隨著分布式電源的廣泛接入,配電網閉環(huán)運行范圍將進一步擴大。配網閉環(huán)與開環(huán)運行保護設備定值不同,在運行方式發(fā)生變化時需重新對保護定值進行整定與修改,工作復雜繁瑣。因此研究一種不受運行方式約束的饋線自動化系統(tǒng)具有現實意義。2.1饋線故障區(qū)間的劃分當發(fā)生兩相、兩相接地、三相短路故障時,故障饋線部分開關將流過故障電流,單相接地故障時系統(tǒng)可缺相運行1~2h,且無法用故障電流判斷,此處暫不考慮。對于開環(huán)運行配電網,故障點上游各個開關將經歷故障電流,而故障點下游各個開關將無故障電流。對于閉環(huán)運行配電網,故障點兩側各個開關皆經歷故障電流。因故障電流為一周期正弦波,其方向隨時間周期變化,同時測量各個開關的電流方向需PMU,非常復雜。故此,用電流方向判斷故障區(qū)間較為困難。引入電壓為參考向量,電流向量與電壓向量之間總有一個夾角,故而,以電流與電壓向量的乘積功率為基準,以有功潮流方向作為故障判定的依據。開關兩側有功潮流大小相等方向相反。每一個開關安裝一自動裝置,相鄰開關組之間可相互通信,故每一自動裝置有A、B兩端,對應第1、第2相鄰開關組。每一開關采用錯相方式采集Uab、Ubc。定義開關安裝AB相PT的為A端,安裝BC相PT的為B端。且有功潮流從A端流向B端為正,反之為負。故若流過某開關的潮流為正,則潮流流出該開關第1相鄰開關組,流入其第2相鄰開關組。反之,若流過某開關的潮流為負,則潮流流出該開關第2相鄰開關組,流入其第1相鄰開關組。因此,開環(huán)與閉環(huán)運行情況下,饋線故障區(qū)間的判斷準則為:若最小配電區(qū)域的有功潮流入度不為0,而出度為0,且流經的電流大于某一整定值,則故障發(fā)生在該最小配電區(qū)域。規(guī)定故障潮流所流經的入度開關邏輯值為1,出度開關邏輯值為0,則由式(1)、式(2)描述故障發(fā)生時開關x的動作情況為其中:||為邏輯或運算符;Ax為開關x的動作邏輯值,邏輯0為不動作,邏輯1為動作分閘;Vgroupxi(i=1,2)為開關x的第i個相鄰開關組的邏輯值,描述為式(4)。其中:&&為邏輯與運算符;VNxj(j=1,2,…,n)為開關x第i個相鄰開關組包含開關的邏輯值;VNx為開關x的邏輯值。開關的邏輯值由流過該開關的故障有功潮流的方向確定。同一開關,其開關邏輯值在第1相鄰開關組與第2相鄰開關組中相反。其中:P為流過開關的有功功率;I為流過開關的電流值;IC為開關的電流整定值。當開關無故障電流流過時,其開關邏輯值需由其相鄰開關的電流值決定:其中:INx為開關x的故障電流邏輯值;INxj(j=1,2,…,n)為開關x的相鄰開關故障電流邏輯值。其值為末梢節(jié)點流過的電流為0,其處理方式與開關無故障電流情況相同。在一個最小配電區(qū)域中,開關的邏輯值只要有一個為0,其Vgroup組值即為0,表示該最小配電區(qū)域無故障;當開關邏輯值全為1時,其Vgroup組值為1,表示故障發(fā)生在該最小配電區(qū)域內;只要有一個Vgroup組值為1,則開關的動作邏輯值A即為1,表示該開關需動作分閘。2.2開關未經歷故障電流的行為如圖1所示配電網,當系統(tǒng)開環(huán)運行時,若開關BD區(qū)間發(fā)生故障時,開關S1、A、B經歷故障電流,開關C、D未經歷故障電流。根據表1及式(1)~式(7)有如下分析。開關S1流過故障電流,且有功功率方向為從開關流向區(qū)域S1A,故VNS1=1,其相鄰開關A經歷故障電流,有功功率方向為流出區(qū)域S1A故VNS11=0,由式(4)VgroupS11={1&&0}=0,故此AS1=0,開關S1不動作。開關A流過故障電流,且有功功率方向為從區(qū)域S1A流出,流入區(qū)域ABC。故對于其第一相鄰組,開關A的邏輯值VNA為0,開關S1的邏輯值VNA1為1,則其第一相鄰開關組VgroupA1的值為0;對于其第二相鄰開關組,開關A的邏輯值VNA為1,開關B的有功功率方向為流出區(qū)域ABC,故此其邏輯值VNA1為0,開關C未經歷故障電流,其開關邏輯值由開關ABC共同決定,根據式(7),開關A、B的故障電流邏輯值皆為1,開關C的故障電流邏輯值為0,由式(6)開關C的邏輯值為1。故此第二開關組邏輯值VgroupA2為0。綜上所述,由式(3)可知開關A的動作邏輯為0,開關A不動作。開關B流過故障電流,且有功功率方向為從區(qū)域ABC流出,流入區(qū)域BD。故對于其第一相鄰組,開關B的邏輯值為0,開關A的邏輯值VNA為1,開關C未經歷故障電流,其開關邏輯值由開關ABC共同決定,由式(6)、式(7),開關C的邏輯值為1,故其第一相鄰開關組邏輯值VgroupB1為0;對于第二相鄰開關組,開關B的邏輯值為1,開關D未經歷故障電流,其開關邏輯值由BD共同決定。根據式(7)開關B的故障電流邏輯值為1,開關D的故障電流邏輯值為0,由式(6)開關D的開關邏輯值VNB為1,故開關B第二相鄰開關組邏輯值VgroupB2為1,綜上所述,由式(3),可知開關B的動作邏輯值為1,開關B動作分閘。開關C未經歷故障電流,對于第一相鄰開關組ABC,開關A的邏輯值為1,開關B的邏輯值為0,開關C的邏輯值為1,其第一相鄰開關組邏輯值VgroupC1為0;對于第二相鄰開關組,其相鄰開關為末梢節(jié)點,未經歷故障電流,其開關邏輯值由相鄰開關C共同決定,由式(6)、式(7),開關C與末梢節(jié)點的故障電流邏輯值為0,開關邏輯值皆為0。故其第二相鄰開關組邏輯值VgroupC2為0,由式(3),可知開關C的動作邏輯值為0,開關C不動作。開關D未經歷故障電流,對于第一相鄰開關組,開關B的邏輯值為1,開關D的邏輯值為1,其第一相鄰開關組邏輯值VgroupD1為1;對于第二相鄰開關組,開關E為聯(lián)絡開關,未經歷故障電流,根據式(6)、式(7),開關DE的故障電流邏輯值為0,開關邏輯值皆為0,故其第二相鄰開關組邏輯值VgroupD2為0,由式(3),可知開關D的動作邏輯值為1,開關D動作分閘。其他開關由于未經歷故障電流,根據式(6)、式(7)其故障電流邏輯值皆為0,開關邏輯值皆為0,故相鄰開關組值亦皆為0,顯然,開關動作邏輯值亦皆為0,開關不動作。至此,整個故障隔離處理完畢,開關B、D分閘,故障被隔離在該區(qū)間,聯(lián)絡開關E延時時間到后啟動合閘功能,恢復對健全區(qū)段DE的供電。2.3開關動作邏輯值當系統(tǒng)閉環(huán)運行時,對于圖1所示配電網,若開關BD區(qū)間發(fā)生故障,開關S1、A、B、D、E、F、G、H、S2皆經歷故障電流,開關C未經歷故障電流。其故障有功潮流流向如圖2所示。開關S1、A、C的分析與開環(huán)運行時完全相同,不再贅述。開關B經歷故障電流,對其第一相鄰開關組ABC,開關A的邏輯值為1,開關B的邏輯值為0,開關C的邏輯值為1,第一相鄰組的邏輯值VgroupB1為0;對于第二相鄰開關組BD,開關B的邏輯值VNB為1,開關D流過故障電流,且有功功率方向為流入區(qū)間BD,故其開關邏輯值VNB1為1,故其第二相鄰開關組邏輯值VgroupB2為1,由式(3),可知開關B的動作邏輯值為1,開關B動作分閘。開關D經歷故障電流,對其第一相鄰開關組BD,開關B的邏輯值為1,開關D的邏輯值為1,其第一相鄰組的邏輯值VgroupD1為1;對于第二相鄰開關組DE,因開關D的有功功率方向為流出區(qū)間DE,故其開關邏輯值為0,開關E流過故障電流,且有功功率方向為流入區(qū)間DE,故其開關邏輯值為1,故第二相鄰開關組邏輯值VgroupD2為0,由式(3),可知開關D的動作邏輯值為1,開關D動作分閘。開關E、F、G、H、S2的分析與開環(huán)時開關S1、A的分析相似,開關皆不動作,不再贅述。2.4開關根據開關選取分閘若系統(tǒng)為暫時性故障,當故障隔離后,暫時性故障消除,為確保正常區(qū)域供電,需增加開關一側失壓重合閘功能。為確保開關重合閘功能的成功,變電站出口斷路器應配置延時電流速度保護功能。若開關重合后再次檢測到故障電流,則說明故障為永久性故障,開關將閉鎖在分閘狀態(tài)。對于圖1所示配電網,當BD區(qū)域發(fā)生暫時性故障時,由2.2節(jié)分析,開關BD將分閘,隔離故障,如圖3(a)所示。當開關BD分閘后,若故障消除,此時開關B檢測到其一側失壓,啟動一側失壓重合閘功能,如圖3(b)所示。開關B合閘后,區(qū)域BD正常供電,此時開關D檢測到其一側失壓,啟動一側失壓重合閘功能,如圖3(c)所示,至此整個健全區(qū)域恢復供電。3區(qū)域br與hg同時發(fā)生故障的邏輯處理方法如圖4為某一地區(qū)配電網,出線為相同變電站母線饋線閉環(huán)運行,不同變電站饋線之間開環(huán)運行,#1、#2為母線,S1~S4為變電站出口斷路器,A~O為分段開關,I為聯(lián)絡開關。根據第1節(jié),可以劃分相鄰開關組如表2。若區(qū)域BD與HG同時發(fā)生故障,則開關S1、A、B、C、H將經歷故障電流,開關D、E、F、O、G未經歷故障電流,由式(1)~式(7)生成各開關組邏輯值與開關動作邏輯值如表3。由表3可知,當區(qū)域BD與HG同時發(fā)生故障時,開關B、D、H、G的動作邏輯值為1,開關動作分閘,切除故障。其他開關的動作邏輯值皆為0,開關不動作。若是暫時性故障,當故障切除后,因開關B、H一側失壓,將啟動一側失壓重合閘功能,當B、H合閘成功后,開關D、G檢測到一側失壓,將啟動一側失壓重合閘功能,若故障消除,則合閘成功