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摘要：本文主要探讨了配电系统全线速切继电保护方案，将已经成熟的、广泛应用于输电系统的纵联保护原理应用到配电系统中，为配电线路提供全线无时限速动保护功能。
关键词：配电系统；线路；速切继电保护
中图分类号：TM65 文献标识码：A
1 配电系统速切保护原理
增加配电系统速断保护的动作范围，改善配电系统继电保护的性能，主要有两条途径：①仅检测一点的信息，通过复杂的算法和判据来提高保护性能，如自适应保护、无通道保护等；②通过交换多端的信息来提高保护性能。本文所探讨的配电线路全线速切保护原理属于后者。在理论上，纵联保护的原理和技术完全可以应用于配电系统，实现配电网络的快速保护。但受成本、投资和维护等多方面的限制，且考虑到配电系统继电保护在快速性和可靠性的要求不如在高压、超高压系统中严格，所以应根据配网系统的特点，构建适用于配电线路的纵联保护系统。
在输电系统纵联比较式保护中，纵联信息的利用主要有闭锁式和允许式两种方式。从信息交换和利用的角度而言，闭锁式保护交换的是外部故障信息，只要被保护设备任何一侧的保护感受为外部故障。就说明是外部故障，并向对侧保护发出闭锁信号，使各侧保护都不动作；而当被保护设备各侧的保护都感受不到外部故障时，说明发生了内部故障，互不发闭锁信号，各侧(主要指有电源的侧)保护都能快速跳闸。允许式保护传送的是“非本侧区外故障” 的信息，若各侧保护都感受到“非本侧区外故障”，则表明是区内故障，互发允许信号，各侧保护都能快速跳闸；而任何一侧感受到“本侧区外”故障时，就表明是区外故障，不会向其他侧保护发允许信号，各侧保护都小会误动。在配电系统中构建配电线路全线速切保护，既可采用闭锁式，也可采用允许式的保护原理，二者都能够对配电线路保护区内的任意一点故障做到无时限切除。
2 闭锁式速切保护方案
在输电系统中一般采用距离元件或方向元件作为故障判断元件。在配电系统中，一般只配备分段式过流保护，因此可以基于过流元件的动作情况研究如何对保护区内和区外的故障进行判断区分。
图1 典型配电系统结构示意图
一个典型的配电系统结构如图 l 所示 (图中A- G 为器件名称)，用来说明配电线路闭锁式速切保护方案的构成。A、G 表示位于变电站的馈出线断路器，D 为手拉手开关，系统正常运行时，手拉手开关D 断开，此时的配电系统为传统的单电源网络。B、C、E、F 为配电线路的分段开关，它们可能是负荷开关，也可能是断路器。2．1 下面以断路器 A 处的保护为例说明闭锁式速切保护的构成原理(1)设分段开关 B 和 C 为能够切断故障电流的断路器，且配有能够检测电流、电压的馈线终端(FTU)或保护装置。当 AB之间的 Fl 点发生故障时，A 处的过流元件会检测到过电流，而其下游 B 处的过流元件不会动作，能够确定故障位于 AB之间，因此 B不会向 A 处的保护发闭锁信息，A 处的保护在经过必要的确保可靠性的延时后跳开 A，同时联跳 B，将故障隔离；若故障发生在 BC 之间的 F2 点，此时 A、B处的过流元件都会检测到过电流，B 会向其上游的 A 发出闭锁信息，并通过与下游 C 处的保护交换信息，确定故障点位于 BC 之间，跳开开关 B、C隔离故障。(2)如果 B、C 是负荷开关，无法切断故障电流，只能依靠断路器 A切断故障电流，但却可以通过上述的判断逻辑快速完成故障定位和隔离。设故障发生在 BC之间的 F2，A处的保护会瞬时动作跳闸切断故障电流，并通过与 B 处的过流元件交换信息确定故障不在 AB 之间：而 B处的过流元件与下游 C处的过流元件通过信息交互能够确定故障点位于BC 之间，因此在 A 跳开后可以接着跳开 B、C 隔离故障，然后B 和 C 分别与上游和下游开关处的 FTU 通信，合上相应的开关，恢复对非故障区段的电。如果变电站 M退出运行，手拉手开关 D闭合，AC段改由变电站 N 供电。此时各保护之间的配合关系发生了变化，此前的下游开关变为上游开关，通信对象也要相应改变。因此在配电系统中，通信的对象会有多个，通信更加灵活。但一般而言，每个开关处的保护只需与相邻的上游和下游的保护通信就能完成速切保护和故障隔离功能，因此对于特定结构的网络，通信的对象也是确定的。只不过随着供电电源的不同，上下游的关系不同而已。这可以借助主站对网络结构进行辨识并制定通信策略，也可以由各保护装置就地辨识潮流方向，根据供电电源的不同调整通信策略。
图2 基于过流元件的闭锁式速切保护动作逻辑图
以 A 处的保护为例，基于过流元件的闭锁式全线速切保护动作逻辑示意图如图 2 所示。A处的保护在判断过流后不能立即参与逻辑的比较，需要有一个延时 t，用来等待可靠收到下游的闭锁信号，以防止保护误动作。对于闭锁式保护而言，通道是否正常工作十分重要。因此要有可靠完善的通道监视手段，一旦发现通道故障，立即闭锁保护。
2．2 下面介绍对闭锁式全线速切保护方案的评价
(1)从保护动作的快速性方面看，闭锁式速切保护为了防止误动作，必须设置一个延时等待下游闭锁信号的可靠到来，该延时的长短主要取决于通道的类型和性能。一般情况下通道的延迟应该控制在50ms 左右。(2)从保护动作的安全性和可靠性方面看，如果发生了区外故障，闭锁信号的丢失有可能造成速切保护的误动作；但是虚假的闭锁信号一般不会造成保护拒动。(3)从实现的方案方面看，基于现有的分段过流保护构建闭锁式速切保护比较易于实现。过流元件可以采用传统过流保护中的任何一段，只需要根据不同要求对动作延时进行重新设定，此外还需要增加通信通道及相应的通道监视措施。基于过流元件的闭锁式速切保护已经在供电公司的 10kV配电线路上试运行，效果良好。
3 允许式速切保护方案
在允许式的速切保护方案中，除了过流元件外，还需要配备低电压、低电流元件来配合区分区内和区外故障。仍以图 l 所示的系统结构为例，此时各开关处的保护除了能够检测过电流，还应配置能够反映电压降低、电流减小的元件。仍以 A处的保护为例。设故障发生在AB 之间的 Fl 点，此时A处的保护会感受到过电流，B处的保护感受到所在点电压降低、同时电流也减小，这样B 会向 A發允许信号，加速其动作切除故障。假设故障发生在 BC之间的 R 点，此时 B 处的保护也会感受到过电流，因此不会加速A 处的保护动作。C 处的保护则会感受到电压下降、同时电流减小，因此 C会加速 B处的保护动作切除故障。此后，可以结合网络拓扑结构和保护的判断结果，完成故障隔离和对非故障区段的恢复供电。由此可以看出，允许信号是一种加速保护动作的信号，该信号允许相关保护无时限动作。
图3 允许式速切保护动作逻辑图
以 A处为例的允许式速切保护动作逻辑如图 3 所示。在允许式速切保护方案中，需要对下游的电压高低进行监视，目的是防止下游馈线空载运行时可能导致速切保护误动作。下面是对允许式全线速切保护方案的评价。(1)从保护动作的快速性方面看，逻辑中没有人为的延时，故障切除的延时主要取决于允许信号的传送时间，动作快速性好。(2)从保护动作的安全性和可靠性方面看，如果发生区内故障但没有及时收到允许信号或根本没有收到允许信号，会造成速切保护缓动甚至拒动，但此时依靠后备保护仍能够切除故障，不会造成很严重的后果；正常运行情况下如果产生虚假的允许信号一般也不会造成速切保护误动作，因此允许式速切保护具有较高的安全性和可靠性。(3)从方案实现方面看，允许式速切保护方案中不仅要具备检测过流的保护元件，还要有能够反映低电压、小电流的保护元件，保护配置稍显复杂。(4)通信通道故障不会对允许式速切保护产生严重影响。如果通道故障，内部故障时速切保护无法动作，可依靠其他保护装置或后备保护切除故障，最多带来一定的故障切除延时。理论分析和运行经验都表明，闭锁式和允许式速切保护各有优缺点。
4速切保护通信通道
通信通道是实现配电线路速切保护功能的关键，无论是闭锁信号，还是允许信号，都需要借助通信系统快速、可靠的传送。与输电系统相比，配电系统的通信手段不够完善，也不可能大规模投资重新建设通信系统，因此只能根据配电系统的特点和现场条件，选择适当的通信方式。
4.1专用或复用光纤信道。在有条件的配电系统中应優先采用专用或复用的光纤通道传送速切保护所需要的信息，这样可以充分保证信息传送的快速性和可靠性。
4.2 导引线。如果通信距离较短(一般为几百米)，例如短的并网线或发电厂内部的短线路，可以考虑采用导引线传送信息。这种方式成本非常低，系统构成也较简单，可以直接将下游保护的动作信息以开关状态的形式传送给上游保护，信息传送的快速性能够得到充分保证。但导引线易受干扰，因此为了增加通信的可靠性，可以考虑采用屏蔽效果较好的导线，同时辅以滤波器、避雷器等抗干扰措施。
4.3 电力线载波。在已经装设载波通信的配电系统中可以采用复用载波通道的方式传送相关信息，实现方式与输电系统中的载波通信类似。
4.4 数传电台。在不具备完善通信设施的变电站中可以考虑采用无线数传电台的方式进行通信。该方法的优点是工程量很小，可以在很短的时间内建立通信系统，且施工无需停电。但前提是通信视野必须开阔，无高大建筑或山体阻挡，对通信环境要求也较高，强大的电磁干扰或临近无线通信干扰都会使数传电台工作不可靠。
4.5 移动通信。移动通信近几年来发展迅速，所提供的业务类型也比较丰富，因此借助移动通信网络完成通信任务也是可用途径之一。但由于移动通信属于公共通信的特点，因此用于电力系统中快速性和可靠性都是比较大的问题，且移动通信也面临着干扰、信号等无线通信所共有的不利问题。但是从另一个方面看，配电线路保护的位置相对固定，通信途径也就相对固定，以利用这个特点，从技术层面上简化连接建立的过程，达到减小通信延时的目的。
上述几种通信通道均可应用于配电线路全线速切保护系统中，可以根据现场通信条件和投资灵活选择。随着配网自动化系统的发展。光纤通信在配网系统中被越来越广泛的采用，在 FTU处配置光端机．通过单模光纤与主站通信。目前，常用的光端机一般都配备了至少 6 路独立的 RS2232 接口、多路 RS2485 接口甚至以太网接口，因此有丰富的冗余接口供保护装置使用。故光纤通信是首选。
结论：随着配电系统的改造，配电线路供电半径逐渐缩小，但短路容量却在不断增加，不仅给传统过电流保护带来整定、配合方面的问题，而且配电线路故障切除时间过长也会给电网的安全稳定运行带来很大的影响，这些影响已经不容忽视。
参考文献
[1] 丛伟，潘贞存，郑罡，段昊，施啸寒.配电线路全线速切继电保护技术. 电力自动化设备，2009 年 4 期 .
关键词：配电系统；线路；速切继电保护
中图分类号：TM65 文献标识码：A
1 配电系统速切保护原理
增加配电系统速断保护的动作范围，改善配电系统继电保护的性能，主要有两条途径：①仅检测一点的信息，通过复杂的算法和判据来提高保护性能，如自适应保护、无通道保护等；②通过交换多端的信息来提高保护性能。本文所探讨的配电线路全线速切保护原理属于后者。在理论上，纵联保护的原理和技术完全可以应用于配电系统，实现配电网络的快速保护。但受成本、投资和维护等多方面的限制，且考虑到配电系统继电保护在快速性和可靠性的要求不如在高压、超高压系统中严格，所以应根据配网系统的特点，构建适用于配电线路的纵联保护系统。
在输电系统纵联比较式保护中，纵联信息的利用主要有闭锁式和允许式两种方式。从信息交换和利用的角度而言，闭锁式保护交换的是外部故障信息，只要被保护设备任何一侧的保护感受为外部故障。就说明是外部故障，并向对侧保护发出闭锁信号，使各侧保护都不动作；而当被保护设备各侧的保护都感受不到外部故障时，说明发生了内部故障，互不发闭锁信号，各侧(主要指有电源的侧)保护都能快速跳闸。允许式保护传送的是“非本侧区外故障” 的信息，若各侧保护都感受到“非本侧区外故障”，则表明是区内故障，互发允许信号，各侧保护都能快速跳闸；而任何一侧感受到“本侧区外”故障时，就表明是区外故障，不会向其他侧保护发允许信号，各侧保护都小会误动。在配电系统中构建配电线路全线速切保护，既可采用闭锁式，也可采用允许式的保护原理，二者都能够对配电线路保护区内的任意一点故障做到无时限切除。
2 闭锁式速切保护方案
在输电系统中一般采用距离元件或方向元件作为故障判断元件。在配电系统中，一般只配备分段式过流保护，因此可以基于过流元件的动作情况研究如何对保护区内和区外的故障进行判断区分。
图1 典型配电系统结构示意图
一个典型的配电系统结构如图 l 所示 (图中A- G 为器件名称)，用来说明配电线路闭锁式速切保护方案的构成。A、G 表示位于变电站的馈出线断路器，D 为手拉手开关，系统正常运行时，手拉手开关D 断开，此时的配电系统为传统的单电源网络。B、C、E、F 为配电线路的分段开关，它们可能是负荷开关，也可能是断路器。2．1 下面以断路器 A 处的保护为例说明闭锁式速切保护的构成原理(1)设分段开关 B 和 C 为能够切断故障电流的断路器，且配有能够检测电流、电压的馈线终端(FTU)或保护装置。当 AB之间的 Fl 点发生故障时，A 处的过流元件会检测到过电流，而其下游 B 处的过流元件不会动作，能够确定故障位于 AB之间，因此 B不会向 A 处的保护发闭锁信息，A 处的保护在经过必要的确保可靠性的延时后跳开 A，同时联跳 B，将故障隔离；若故障发生在 BC 之间的 F2 点，此时 A、B处的过流元件都会检测到过电流，B 会向其上游的 A 发出闭锁信息，并通过与下游 C 处的保护交换信息，确定故障点位于 BC 之间，跳开开关 B、C隔离故障。(2)如果 B、C 是负荷开关，无法切断故障电流，只能依靠断路器 A切断故障电流，但却可以通过上述的判断逻辑快速完成故障定位和隔离。设故障发生在 BC之间的 F2，A处的保护会瞬时动作跳闸切断故障电流，并通过与 B 处的过流元件交换信息确定故障不在 AB 之间：而 B处的过流元件与下游 C处的过流元件通过信息交互能够确定故障点位于BC 之间，因此在 A 跳开后可以接着跳开 B、C 隔离故障，然后B 和 C 分别与上游和下游开关处的 FTU 通信，合上相应的开关，恢复对非故障区段的电。如果变电站 M退出运行，手拉手开关 D闭合，AC段改由变电站 N 供电。此时各保护之间的配合关系发生了变化，此前的下游开关变为上游开关，通信对象也要相应改变。因此在配电系统中，通信的对象会有多个，通信更加灵活。但一般而言，每个开关处的保护只需与相邻的上游和下游的保护通信就能完成速切保护和故障隔离功能，因此对于特定结构的网络，通信的对象也是确定的。只不过随着供电电源的不同，上下游的关系不同而已。这可以借助主站对网络结构进行辨识并制定通信策略，也可以由各保护装置就地辨识潮流方向，根据供电电源的不同调整通信策略。
图2 基于过流元件的闭锁式速切保护动作逻辑图
以 A 处的保护为例，基于过流元件的闭锁式全线速切保护动作逻辑示意图如图 2 所示。A处的保护在判断过流后不能立即参与逻辑的比较，需要有一个延时 t，用来等待可靠收到下游的闭锁信号，以防止保护误动作。对于闭锁式保护而言，通道是否正常工作十分重要。因此要有可靠完善的通道监视手段，一旦发现通道故障，立即闭锁保护。
2．2 下面介绍对闭锁式全线速切保护方案的评价
(1)从保护动作的快速性方面看，闭锁式速切保护为了防止误动作，必须设置一个延时等待下游闭锁信号的可靠到来，该延时的长短主要取决于通道的类型和性能。一般情况下通道的延迟应该控制在50ms 左右。(2)从保护动作的安全性和可靠性方面看，如果发生了区外故障，闭锁信号的丢失有可能造成速切保护的误动作；但是虚假的闭锁信号一般不会造成保护拒动。(3)从实现的方案方面看，基于现有的分段过流保护构建闭锁式速切保护比较易于实现。过流元件可以采用传统过流保护中的任何一段，只需要根据不同要求对动作延时进行重新设定，此外还需要增加通信通道及相应的通道监视措施。基于过流元件的闭锁式速切保护已经在供电公司的 10kV配电线路上试运行，效果良好。
3 允许式速切保护方案
在允许式的速切保护方案中，除了过流元件外，还需要配备低电压、低电流元件来配合区分区内和区外故障。仍以图 l 所示的系统结构为例，此时各开关处的保护除了能够检测过电流，还应配置能够反映电压降低、电流减小的元件。仍以 A处的保护为例。设故障发生在AB 之间的 Fl 点，此时A处的保护会感受到过电流，B处的保护感受到所在点电压降低、同时电流也减小，这样B 会向 A發允许信号，加速其动作切除故障。假设故障发生在 BC之间的 R 点，此时 B 处的保护也会感受到过电流，因此不会加速A 处的保护动作。C 处的保护则会感受到电压下降、同时电流减小，因此 C会加速 B处的保护动作切除故障。此后，可以结合网络拓扑结构和保护的判断结果，完成故障隔离和对非故障区段的恢复供电。由此可以看出，允许信号是一种加速保护动作的信号，该信号允许相关保护无时限动作。
图3 允许式速切保护动作逻辑图
以 A处为例的允许式速切保护动作逻辑如图 3 所示。在允许式速切保护方案中，需要对下游的电压高低进行监视，目的是防止下游馈线空载运行时可能导致速切保护误动作。下面是对允许式全线速切保护方案的评价。(1)从保护动作的快速性方面看，逻辑中没有人为的延时，故障切除的延时主要取决于允许信号的传送时间，动作快速性好。(2)从保护动作的安全性和可靠性方面看，如果发生区内故障但没有及时收到允许信号或根本没有收到允许信号，会造成速切保护缓动甚至拒动，但此时依靠后备保护仍能够切除故障，不会造成很严重的后果；正常运行情况下如果产生虚假的允许信号一般也不会造成速切保护误动作，因此允许式速切保护具有较高的安全性和可靠性。(3)从方案实现方面看，允许式速切保护方案中不仅要具备检测过流的保护元件，还要有能够反映低电压、小电流的保护元件，保护配置稍显复杂。(4)通信通道故障不会对允许式速切保护产生严重影响。如果通道故障，内部故障时速切保护无法动作，可依靠其他保护装置或后备保护切除故障，最多带来一定的故障切除延时。理论分析和运行经验都表明，闭锁式和允许式速切保护各有优缺点。
4速切保护通信通道
通信通道是实现配电线路速切保护功能的关键，无论是闭锁信号，还是允许信号，都需要借助通信系统快速、可靠的传送。与输电系统相比，配电系统的通信手段不够完善，也不可能大规模投资重新建设通信系统，因此只能根据配电系统的特点和现场条件，选择适当的通信方式。
4.1专用或复用光纤信道。在有条件的配电系统中应優先采用专用或复用的光纤通道传送速切保护所需要的信息，这样可以充分保证信息传送的快速性和可靠性。
4.2 导引线。如果通信距离较短(一般为几百米)，例如短的并网线或发电厂内部的短线路，可以考虑采用导引线传送信息。这种方式成本非常低，系统构成也较简单，可以直接将下游保护的动作信息以开关状态的形式传送给上游保护，信息传送的快速性能够得到充分保证。但导引线易受干扰，因此为了增加通信的可靠性，可以考虑采用屏蔽效果较好的导线，同时辅以滤波器、避雷器等抗干扰措施。
4.3 电力线载波。在已经装设载波通信的配电系统中可以采用复用载波通道的方式传送相关信息，实现方式与输电系统中的载波通信类似。
4.4 数传电台。在不具备完善通信设施的变电站中可以考虑采用无线数传电台的方式进行通信。该方法的优点是工程量很小，可以在很短的时间内建立通信系统，且施工无需停电。但前提是通信视野必须开阔，无高大建筑或山体阻挡，对通信环境要求也较高，强大的电磁干扰或临近无线通信干扰都会使数传电台工作不可靠。
4.5 移动通信。移动通信近几年来发展迅速，所提供的业务类型也比较丰富，因此借助移动通信网络完成通信任务也是可用途径之一。但由于移动通信属于公共通信的特点，因此用于电力系统中快速性和可靠性都是比较大的问题，且移动通信也面临着干扰、信号等无线通信所共有的不利问题。但是从另一个方面看，配电线路保护的位置相对固定，通信途径也就相对固定，以利用这个特点，从技术层面上简化连接建立的过程，达到减小通信延时的目的。
上述几种通信通道均可应用于配电线路全线速切保护系统中，可以根据现场通信条件和投资灵活选择。随着配网自动化系统的发展。光纤通信在配网系统中被越来越广泛的采用，在 FTU处配置光端机．通过单模光纤与主站通信。目前，常用的光端机一般都配备了至少 6 路独立的 RS2232 接口、多路 RS2485 接口甚至以太网接口，因此有丰富的冗余接口供保护装置使用。故光纤通信是首选。
结论：随着配电系统的改造，配电线路供电半径逐渐缩小，但短路容量却在不断增加，不仅给传统过电流保护带来整定、配合方面的问题，而且配电线路故障切除时间过长也会给电网的安全稳定运行带来很大的影响，这些影响已经不容忽视。
参考文献
[1] 丛伟，潘贞存，郑罡，段昊，施啸寒.配电线路全线速切继电保护技术. 电力自动化设备，2009 年 4 期 .