考慮分布式電源與隨機(jī)負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)新方法

高玉雅，王佳玉，孫宇笛，康文博

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710077；2. 華北電力大學(xué)電力工程系，河北 保定 071000；3. 國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)能信控互聯(lián)技術(shù)有限公司，北京 100000；4. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

隨著城市電力負(fù)荷需求的飛速增長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)類型的多元化發(fā)展以及用戶對(duì)電能質(zhì)量和市場(chǎng)服務(wù)要求的提高，配電網(wǎng)由被動(dòng)控制到主動(dòng)控制是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。主動(dòng)配電網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)清潔電源的分布式并網(wǎng)與隨機(jī)負(fù)荷的接入提供了有效的解決方案[1-3]?？紤]到主動(dòng)配電網(wǎng)的電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)分別承載著分布式電源的出力與電動(dòng)汽車等隨機(jī)負(fù)荷的接入，這些設(shè)備的接入和控制方式的復(fù)雜性使得配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生本質(zhì)的變化，傳統(tǒng)繼電保護(hù)構(gòu)成模式、功能配置與整定配合方案已面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4-6]。由于繼電保護(hù)是配電網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，對(duì)供電可靠性有著根本性的影響，因此主動(dòng)配電網(wǎng)中繼電保護(hù)存在的問(wèn)題成為必然面對(duì)、不可回避并需要認(rèn)真解決的問(wèn)題。

為此，許多專家和學(xué)者針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)提出的新要求開(kāi)展研究。相關(guān)研究可以分為兩個(gè)方向。一是在現(xiàn)有保護(hù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，文獻(xiàn)[7]在傳統(tǒng)電流保護(hù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于故障分量電流相位的方法，通過(guò)母線上若干條線路的故障分量電流相位來(lái)識(shí)別故障方向；文獻(xiàn)[8]在傳統(tǒng)距離保護(hù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析配電網(wǎng)的構(gòu)成情況與故障特性，通過(guò)修改保護(hù)定值來(lái)優(yōu)化保護(hù)性能；文獻(xiàn)[9]在傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)的基礎(chǔ)上，將保護(hù)判斷所需電氣量擴(kuò)展至保護(hù)線路外側(cè)的等效測(cè)量阻抗，提出了適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的縱聯(lián)保護(hù)。二是提出新的保護(hù)原理，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了包含DG的配電變電站及其饋線的區(qū)域保護(hù)方案，通過(guò)不同位置方向的元件動(dòng)作情況判斷故障位置；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了基于多代理技術(shù)的配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案，利用SCADA系統(tǒng)的通信功能和Agent之間的協(xié)作能力，可以提升保護(hù)的可靠性；文獻(xiàn)[12-13]提出了一種配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法，利用支路貢獻(xiàn)因子矩陣消除DG對(duì)各支路故障電流的影響。然而，目前對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)的相關(guān)研究尚有一些不足：一是現(xiàn)有故障分析模型多考慮單一因素，對(duì)于分布式電源與多類型隨機(jī)負(fù)荷接入后的配網(wǎng)故障特性有待深入研究；二是現(xiàn)有保護(hù)方案多針對(duì)固定場(chǎng)景，對(duì)復(fù)雜事件的處理能力以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境變化的適應(yīng)能力有待提升。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文分析主動(dòng)配電網(wǎng)環(huán)境下，分布式電源與隨機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)四性的影響，提出一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)新方法。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)環(huán)境對(duì)保護(hù)的影響

1.1 分布式電源的動(dòng)態(tài)特性及影響

分布式電源主要包含風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電，其出力特性易受環(huán)境因素的影響，具有很強(qiáng)的間歇性、波動(dòng)性與不確定性。

分布式電源一般通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器接入主動(dòng)配電網(wǎng)，考慮采用PQ解耦控制的網(wǎng)側(cè)變流器，其故障特性可以表示為

(1)

式中IDGd與IDGq——分布式電源輸出的有功與無(wú)功電流；Pref與Qref——網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功參考值與無(wú)功參考值；Upcc——并網(wǎng)點(diǎn)電壓；Imax——網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流的上限。

因此，故障狀態(tài)下分布式電源的輸出電流可以表示為

(2)

式中θ——并網(wǎng)點(diǎn)電壓相角。

以圖1所示輻射型配電網(wǎng)為例，電源Es通過(guò)母線B1-B4向負(fù)荷L1-L5供電，當(dāng)故障F1發(fā)生后，由保護(hù)3作為主保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)1與保護(hù)2作為保護(hù)3的后備保護(hù)。

圖1 輻射型配電網(wǎng)

當(dāng)配電網(wǎng)中含有分布式電源時(shí)(見(jiàn)圖2)，母線B2，B3上分別接有DG1，DG2。分布式電源的狀態(tài)與運(yùn)行方式的變化將直接影響保護(hù)的整定與配合，保護(hù)需要考慮以下因素。

圖2 含分布式電源的輻射型配電網(wǎng)

(1)分布式電源運(yùn)行方式的變化對(duì)繼電保護(hù)可靠性的影響。當(dāng)故障F1發(fā)生后，故障電流包含兩部分：一部分由Es提供，另一部分由DG1與DG2提供。考慮到式(1)中Imax可以取2.5～3.0倍DG輸出的額定電流，而Pref與Qref可以取0～1倍的DG額定容量，而其他參數(shù)又會(huì)隨著分布式電源運(yùn)行方式的變化而變化，故障期間系統(tǒng)運(yùn)行方式變化較大，易發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。

(2)系統(tǒng)潮流方向變化對(duì)繼電保護(hù)選擇性與速動(dòng)性的影響。當(dāng)故障F1發(fā)生時(shí)，要求保護(hù)3先于保護(hù)2動(dòng)作，而對(duì)于故障F2，則要求保護(hù)2先于保護(hù)3動(dòng)作。分布式電源電流的注入，導(dǎo)致系統(tǒng)的潮流方向時(shí)刻變化，距離最近的保護(hù)或I段保護(hù)未必能夠有效識(shí)別故障，從而導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性或不能及時(shí)動(dòng)作。

1.2 隨機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性及影響

隨機(jī)負(fù)荷主要以規(guī)模化電動(dòng)汽車隨機(jī)接入充電為主。受用戶區(qū)域位置和使用習(xí)慣等不確定因素的影響，具有很強(qiáng)的時(shí)空隨機(jī)性。

考慮到電動(dòng)汽車多以充電模式接入配網(wǎng)，本文主要研究電動(dòng)汽車充電狀態(tài)對(duì)繼電保護(hù)的影響主要。電動(dòng)汽車的充電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)三相電壓型PWM變流器，通過(guò)AC/DC變換將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為蓄電池中的直流電，其電流電壓瞬時(shí)特性可以表示為

(3)

式中L，R——交流測(cè)的電感與電阻；id，iq——變流器d，q軸電流；ω——交流角速度；ed，eq——電網(wǎng)d，q軸電壓；ud，uq——變流器d，q軸電壓；C為直流側(cè)電容；udc，idc——直流側(cè)的電壓與電流；sd與sq——開(kāi)關(guān)函數(shù)。

電動(dòng)汽車充電的長(zhǎng)期特性可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)建模方法描述，隨機(jī)負(fù)荷充電功率模型可以表示為

(4)

當(dāng)配電網(wǎng)中含有隨機(jī)負(fù)荷時(shí)(見(jiàn)圖3)，線路末端接有電動(dòng)汽車BSS。電動(dòng)汽車隨機(jī)負(fù)荷的充電模式與用戶習(xí)慣將直接影響保護(hù)的整定與配合，保護(hù)需要考慮以下因素。

圖3 含隨機(jī)負(fù)荷的輻射型配電網(wǎng)

(1)電動(dòng)汽車充電的隨機(jī)沖擊對(duì)保護(hù)可靠性的影響。根據(jù)式(3)，大規(guī)模電動(dòng)汽車BSS接入電網(wǎng)充電的瞬間，相當(dāng)于短路狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電流，達(dá)到或超過(guò)繼電保護(hù)的整定值。在這種場(chǎng)景下，保護(hù)3的Ⅰ段部分由于沒(méi)有延時(shí)，難以區(qū)分沖擊電流與短路電流，極有可能發(fā)生誤動(dòng)。

(2)電動(dòng)汽車接入的長(zhǎng)期影響對(duì)保護(hù)靈敏性的影響。用戶充電行為的影響，式(4)中的i值與居民用電高峰期重疊，將導(dǎo)致區(qū)域用電負(fù)荷峰值的增大。由于保護(hù)3的Ⅲ段部分按照起動(dòng)電流躲過(guò)線路最大負(fù)荷電流整定，K值變大將導(dǎo)致保護(hù)的靈敏性降低，同時(shí)與保護(hù)選擇性的矛盾加劇，甚至出現(xiàn)無(wú)法配合的情況。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法

2.1 基于靈敏度的電流保護(hù)自適應(yīng)整定

鑒于主動(dòng)配電網(wǎng)的這些特性，有必要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障類型的變化實(shí)時(shí)改變繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，使保護(hù)裝置適應(yīng)這些變化?？紤]含分布式電源與隨機(jī)負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 含分布式電源與隨機(jī)負(fù)荷的主動(dòng)配電網(wǎng)

由于分布式電源DG1，DG2的運(yùn)行方式時(shí)刻發(fā)生變化，以及電動(dòng)汽車隨機(jī)負(fù)荷BSS的接入，自適應(yīng)電流速斷保護(hù)(以下簡(jiǎn)稱“自適應(yīng)保護(hù)Ⅰ段”)需要根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行方式和故障的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)、自動(dòng)整定計(jì)算。以保護(hù)1為例，保護(hù)范圍需覆蓋B1-B2線路全長(zhǎng)，不必反映其他線路故障，其整定方法可以表示為

(5)

系統(tǒng)電源側(cè)的綜合阻抗可以按照對(duì)稱故障分量法求出。系統(tǒng)等效電動(dòng)勢(shì)可以通過(guò)下式實(shí)時(shí)計(jì)算得出：

ES=Um+ImZS

(6)

式中Um，Im——故障發(fā)生后，保護(hù)安裝處測(cè)得的的電壓和電流。

為優(yōu)先保證靈敏性，自適應(yīng)限時(shí)電流速斷保護(hù)(以下簡(jiǎn)稱“自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段”)僅需要覆蓋本線路全長(zhǎng)。以保護(hù)1為例，自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段整定值計(jì)算如下：

(7)

(8)

由于Kd≤1且ZS≥ZSmin，自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段的整定值不大于傳統(tǒng)電流保護(hù)Ⅱ段整定值，從而使保護(hù)的靈敏性得到提高。

由于電動(dòng)汽車接入的長(zhǎng)期影響導(dǎo)致負(fù)荷峰值發(fā)生變化，自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)(以下簡(jiǎn)稱“自適應(yīng)保護(hù)Ⅲ段”)需要根據(jù)負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的要求，實(shí)時(shí)調(diào)整定值。以保護(hù)1為例，按照當(dāng)前實(shí)時(shí)負(fù)荷電流整定：

(9)

(10)

該方法無(wú)需按照電動(dòng)汽車隨機(jī)負(fù)荷接入后線路的最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定，避免了電動(dòng)汽車接入的長(zhǎng)期影響，能夠提高保護(hù)的靈敏性。

2.2 區(qū)域后備電流保護(hù)方案的構(gòu)建

電流保護(hù)自適應(yīng)整定方法優(yōu)先保證了保護(hù)的靈敏性，同時(shí)能夠滿足速動(dòng)性與可靠性。但該方法犧牲了選擇性，尤其是在分布式電源接入導(dǎo)致系統(tǒng)潮流方向不確定的場(chǎng)景下。

為此，本文提出一種區(qū)域后備電流保護(hù)方案作為補(bǔ)充。該方案以單條饋線為基本單元，通過(guò)主動(dòng)配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)集中采集各保護(hù)的啟動(dòng)邏輯量信息，判斷故障實(shí)際發(fā)生位置，再由區(qū)域保護(hù)主站向各保護(hù)發(fā)送跳閘命令。

定義上標(biāo)Ⅰ，Ⅱ與Ⅲ分別為自適應(yīng)保護(hù)的Ⅰ段、Ⅱ段與Ⅲ段啟動(dòng)信息，下標(biāo)A，B，C分別表示上級(jí)線路、本級(jí)線路與下級(jí)線路，動(dòng)作信號(hào)1與0分別表示動(dòng)作與不動(dòng)作，其故障判據(jù)與保護(hù)動(dòng)作判據(jù)分別如下所示。

故障判據(jù)1：

(11)

故障判據(jù)2：

(12)

故障判據(jù)3：

(13)

式中I——保護(hù)判據(jù)輸入；?——全稱量詞；?——任意量詞。

故障判據(jù)1與2用于判斷故障是否發(fā)生在本級(jí)線路，故障判據(jù)3用于判斷故障是否發(fā)生在下級(jí)線路。

保護(hù)動(dòng)作判據(jù)：

(14)

式中J——區(qū)域保護(hù)的輸出信號(hào)；J=1與J=0——區(qū)域保護(hù)主站向執(zhí)行判據(jù)計(jì)算處的保護(hù)發(fā)出或不發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；J=Δ——區(qū)域保護(hù)主站向執(zhí)行判據(jù)計(jì)算處的保護(hù)發(fā)出延時(shí)信號(hào)。

當(dāng)發(fā)出延時(shí)信號(hào)時(shí)，說(shuō)明此處自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段可能存在與下級(jí)線路無(wú)法配合的情況，有越級(jí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)需要根據(jù)延長(zhǎng)自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段的啟動(dòng)時(shí)間。E1+E2+E3的計(jì)算結(jié)果越小，說(shuō)明故障發(fā)生的距離越遠(yuǎn)，需要的延時(shí)也越長(zhǎng)。

以圖4所示配電網(wǎng)為例，故障F1發(fā)生在線路B2-B3的末端。此時(shí)保護(hù)1與保護(hù)2的自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段、Ⅲ段均啟動(dòng)。對(duì)于保護(hù)1，計(jì)算得E1+E2+E3=-2，區(qū)域保護(hù)主站向保護(hù)1發(fā)出延時(shí)信號(hào)。對(duì)于保護(hù)2，計(jì)算得E1+E2+E3=1，區(qū)域保護(hù)主站向保護(hù)2發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。由于保護(hù)1的動(dòng)作時(shí)間被延長(zhǎng)，因此保護(hù)2先于保護(hù)1動(dòng)作，解決了保護(hù)可能失去選擇性的問(wèn)題。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真算例

本文采用基于IEEE 33節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)配電系統(tǒng)，驗(yàn)證所提方法的正確性與有效性，系統(tǒng)圖及各保護(hù)編號(hào)如圖5所示。

該系統(tǒng)為多電源輻射系統(tǒng)，共包含33個(gè)節(jié)點(diǎn)，32條支路，5個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)支路，分別為7-20，8-14，11-21，17-32與21-28，5個(gè)可控DG的安裝位置分別為7，11，15，20，29，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷隨機(jī)接入系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)。0號(hào)變電站為區(qū)域主站，負(fù)責(zé)接收各保護(hù)上傳的邏輯量信息，進(jìn)行綜合決策并發(fā)送動(dòng)作信號(hào)。4個(gè)保護(hù)基本單元按照饋線劃分，分別為{0-1-2-5-17}、{0-1-21}、{0-1-2-24}與{0-1-2-5-32}。

圖5 改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

3.2 保護(hù)方案驗(yàn)證

在線路L3的80%處設(shè)置三相金屬性故障F1。故障發(fā)生后，區(qū)域內(nèi)各元件的保護(hù)啟動(dòng)信息上傳至區(qū)域保護(hù)主站，局部區(qū)域的自適應(yīng)保護(hù)整定值及保護(hù)啟動(dòng)信息如表1所示。

表1 各保護(hù)整定值及動(dòng)作情況

由表1可知，保護(hù)1的自適應(yīng)保護(hù)Ⅲ段啟動(dòng)，保護(hù)2的自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段、Ⅲ段均啟動(dòng)，保護(hù)3的自適應(yīng)保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段均啟動(dòng)，保護(hù)22不啟動(dòng)，經(jīng)計(jì)算故障判據(jù)與保護(hù)動(dòng)作判據(jù)如表2所示。

表2 各保護(hù)故障判據(jù)與保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

根據(jù)表2，區(qū)域保護(hù)主站向保護(hù)1與保護(hù)22不發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，向保護(hù)3發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，向保護(hù)2發(fā)送延時(shí)信號(hào)，由保護(hù)3動(dòng)作切除故障。

對(duì)于僅在線路首端配置傳統(tǒng)電流保護(hù)的系統(tǒng)，由于電流保護(hù)的I段難以覆蓋線路末端，線路末端發(fā)生的故障是較為不利的情況之一。通過(guò)保護(hù)定值的自適應(yīng)整定，能夠有效避免這種情況，保證保護(hù)的速動(dòng)性。在極端情況下，如區(qū)域后備保護(hù)的通信條件難以滿足，可自然退化為三段式保護(hù)，不影響保護(hù)動(dòng)作結(jié)果。

考慮不同的故障位置與故障場(chǎng)景，在線路L6的20%處設(shè)置兩相相間金屬性故障F2。局部區(qū)域的自適應(yīng)保護(hù)整定值及保護(hù)啟動(dòng)信息如表3所示。

表3 各保護(hù)整定值及動(dòng)作情況

由表3可知，保護(hù)5與保護(hù)6的自適應(yīng)保護(hù)Ⅱ段、Ⅲ段均啟動(dòng)，僅依靠本地信息的保護(hù)可能會(huì)存在難以配合的問(wèn)題，此時(shí)需要區(qū)域保護(hù)主站提供幫助。經(jīng)計(jì)算，故障判據(jù)與保護(hù)動(dòng)作判據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4，區(qū)域保護(hù)主站向保護(hù)7與保護(hù)25不發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，向保護(hù)6發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，向保護(hù)5發(fā)出延時(shí)信號(hào)，確保由保護(hù)6先于保護(hù)5動(dòng)作并切除故障，保證了保護(hù)的選擇性。

表4 各保護(hù)故障判據(jù)與保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

對(duì)于線路首段發(fā)生的故障，常規(guī)情況下應(yīng)由保護(hù)6的自適應(yīng)保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作切除故障。即便自適應(yīng)保護(hù)能夠刷新保護(hù)定值，由于節(jié)點(diǎn)7處分布式電源運(yùn)行狀態(tài)的變化及電動(dòng)汽車隨機(jī)接入的影響，保護(hù)6的自適應(yīng)保護(hù)Ⅰ段仍會(huì)存在未啟動(dòng)的情況。在這種情況下，區(qū)域后備保護(hù)方案能夠提供有效補(bǔ)充，在速動(dòng)性因客觀條件難以滿足的情況下，保證保護(hù)的選擇性與可靠性。

綜上所述，本文所提出的保護(hù)方案在不同的故障位置和故障場(chǎng)景下能夠正確判斷故障位置，有效解決了保護(hù)選擇性和靈敏性之間的矛盾，同時(shí)能夠兼顧速動(dòng)性與可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了主動(dòng)配電網(wǎng)環(huán)境下，分布式電源與隨機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)四性的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)新方法。

(1)采用區(qū)域集中與就地分布相協(xié)調(diào)的保護(hù)模式，不受間歇性分布式電源以及隨機(jī)負(fù)荷的影響，能夠同時(shí)滿足保護(hù)的靈敏性與選擇性。

(2)自適應(yīng)保護(hù)定值以優(yōu)先保證靈敏度的方式計(jì)算，簡(jiǎn)單并易于整定；區(qū)域后備保護(hù)采用邏輯量通信，信息同步要求低。

(3)區(qū)域后備保護(hù)在改進(jìn)三段式保護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，對(duì)運(yùn)行方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的主動(dòng)配電網(wǎng)具有良好的適應(yīng)性。