基于圖形相似度的分布式能源接入配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)方案

衛(wèi)澤喆, 武家輝*, 張華, 楊健

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院, 烏魯木齊 830047; 2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心, 烏魯木齊830047;3.中廣核新能源投資(深圳)有限公司新疆分公司, 烏魯木齊 830011)

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型,建設(shè)以新能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng),成為電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的主要方向。傳統(tǒng)配電網(wǎng)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障特征將隨著高滲透率分布式電源的接入而變得更加復(fù)雜,傳統(tǒng)繼電保護(hù)的配置已無(wú)法滿足日益復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng),配電網(wǎng)的安全運(yùn)行將受直接影響。

分布式電源(distributed generation,DG)類型多樣,按照其與配電網(wǎng)并網(wǎng)接口可分為經(jīng)換流器并網(wǎng)的逆變類(inverter interfaced DG,IIDG)和直接并網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)類(motor type DG,MTDG)[1]。IIDG受其控制策略影響,故障時(shí)短路電流最大只能達(dá)到額定電流的1.2～2倍[2],如果以IIDG為主電源的配電網(wǎng)發(fā)生相間故障,主變壓器側(cè)的故障電流與DG側(cè)測(cè)量的故障電流將不在同一數(shù)量級(jí)[3]。當(dāng)MTDG接入配電網(wǎng)時(shí),故障時(shí)輸出電流可達(dá)5～7倍[4]。這些因素使得含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)的整定方案變得更加困難,分布式電源的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。

針對(duì)上述問(wèn)題,中外學(xué)者進(jìn)行了多方面探討,主要包括限制DG接入容量、傳統(tǒng)保護(hù)方法的改進(jìn)、利用5G等新型通信技術(shù)。文獻(xiàn)[5]以階段式電流整定值為約束,計(jì)算了最大允許分布式光伏電源接入容量。文獻(xiàn)[6]依據(jù)零序電流與中性點(diǎn)電流pearson相關(guān)性構(gòu)建接地防護(hù)方案。文獻(xiàn)[7]利用相鄰開關(guān)站電壓幅值誤差構(gòu)建保護(hù)判據(jù),對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行了判斷并隔離。文獻(xiàn)[8-9]以中性點(diǎn)電壓和負(fù)序電流為保護(hù)特征量,可以準(zhǔn)確識(shí)別單相斷線故障。文獻(xiàn)[10]線路差動(dòng)保護(hù)方法基于5G和光纖綜合通道構(gòu)建,降低了對(duì)通道的要求,實(shí)現(xiàn)了綜合通道差動(dòng)保護(hù)的同步。文獻(xiàn)[11]提出了一種改進(jìn)的數(shù)據(jù)自同步算法,利用電流過(guò)零時(shí)間和電流斜率極性來(lái)估計(jì)兩端的啟動(dòng)延遲差,提出了相應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)方案。

在多電源網(wǎng)絡(luò)中,考慮到電流差動(dòng)保護(hù)具有良好的選擇性和速動(dòng)性[12-13],一些學(xué)者在含DG配電網(wǎng)的保護(hù)中引入電流差動(dòng)保護(hù)。文獻(xiàn)[14]分析了不同類型分布式電源故障時(shí)正序電流的差異,動(dòng)作量由線路兩端正序電流幅值比構(gòu)建,制動(dòng)閾值由相位差構(gòu)建。文獻(xiàn)[15]通過(guò)利用故障分量幅值傳輸,采用正序電流幅值比構(gòu)造幅值保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)[16]分析了當(dāng)發(fā)生故障時(shí),接線方式為T型接線的配電網(wǎng)多端電流間幅值和相位之間的關(guān)系,提出包含啟動(dòng)判據(jù)和復(fù)合動(dòng)作判據(jù)的保護(hù)方案,但上述方法對(duì)線路兩端信息的同步的要求較高。文獻(xiàn)[17]利用正、負(fù)、零序電流,構(gòu)建了完整的綜合序電流比保護(hù)方案,但它只適用于不太重要的中低壓配電網(wǎng)。因此進(jìn)一步研究一種對(duì)通信要求較低,且不需要添加新保護(hù)裝置的保護(hù)方案具有重要的理論和實(shí)踐意義。

Hausdorff距離算法是一種計(jì)算圖形相似度算法。近年來(lái),已經(jīng)有研究人員將其應(yīng)用在故障定位、故障選線、變壓器保護(hù)等方面[18-21]。現(xiàn)將Hausdorff距離算法與配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)相結(jié)合,闡述Hausdorff距離算法的基本原理,深入研究分布式電源接入配電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障時(shí)Hausdorff距離變化情況,提出一種利用電流波形特征,基于Hausdorff距離算法的差動(dòng)保護(hù)方案。最后在PSCAD/EMTDC軟件上搭建含分布式電源配電網(wǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 Hausdorff距離基本原理

Hausdorff距離用于測(cè)量給定歐氏空間中的兩組點(diǎn)A={a1,a2,…}、B={b1,b2,…}之間的距離,并描述作為一個(gè)整體之間兩組點(diǎn)的最大不匹配程度,Hausdorff距離與兩組點(diǎn)之間的最大不匹配程度成正比關(guān)系,Hausdorff距離越大,兩組點(diǎn)之間的最大不匹配程度就越大。公式定義為

H(A,B)=max[h(A,B),h(B,A)]

(1)

式(1)中:

(2)

(3)

式中:|a-b|為兩組點(diǎn)A和B之間任意兩點(diǎn)間的歐幾里得距離;h(A,B)稱為從點(diǎn)A到點(diǎn)B的單向Hausdorff距離,依此類推,h(B,A)稱為從點(diǎn)集B到點(diǎn)集A的單向Hausdorff距離。計(jì)算求解過(guò)程包括求解單向距離中h(A,B)、h(B,A)中最小值,然后將單向距離的兩個(gè)最小值之間的最大值取為H(A,B),H(A,B)稱為雙向Hausdorff距離。

Hausdorff距離用來(lái)計(jì)算兩組點(diǎn)之間的歐氏距離,反映其兩組點(diǎn)之間的整體相似性,兩組點(diǎn)之間的細(xì)微差別將被忽略,H(A,B)越小,表明兩組點(diǎn)間相似性越大。因此,Hausdorff距離算法可以反映兩組波形之間的差異程度,而在電流差動(dòng)保護(hù)中,使用的電流信息來(lái)自線路兩端電流互感器的采集二次電流,考慮采用線路兩端的時(shí)間信息和電流幅值特性來(lái)構(gòu)造兩組點(diǎn),每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都可以用作圖形的某個(gè)特征點(diǎn)來(lái)計(jì)算兩端電流的Hausdorff距離,然后將其與差動(dòng)保護(hù)相結(jié)合,提出一種利用兩端電流波形特征,基于Hausdorff距離算法的差動(dòng)保護(hù)方案。

2 基于圖形相似度的自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)方案研究

2.1 含DG配電網(wǎng)故障電流與Hausdorff距離分析

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí),理論上故障電流在波形上會(huì)有較大的差別。以圖1所示的含DG配電網(wǎng)簡(jiǎn)易模型為例說(shuō)明發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的電流波形特征。

圖1 含DG配電網(wǎng)簡(jiǎn)易模型Fig.1 Simple model of distribution network with DG

Hausdorff距離算法本質(zhì)上是對(duì)波形相似度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,所以數(shù)據(jù)窗大小不影響動(dòng)作速度。理論上數(shù)據(jù)窗大小可以任意設(shè)定,不影響計(jì)算。區(qū)別在于當(dāng)數(shù)據(jù)窗過(guò)長(zhǎng)時(shí),采樣點(diǎn)數(shù)多,計(jì)算量大,計(jì)算值輸出平穩(wěn)且受異常數(shù)據(jù)影響小;當(dāng)數(shù)據(jù)窗過(guò)短時(shí),計(jì)算量小,計(jì)算值輸出更能反映波形變化信息。綜合考慮選擇性與速動(dòng)性,選擇5 ms作為數(shù)據(jù)窗。

當(dāng)線路發(fā)生不同區(qū)域故障時(shí),線路兩端的A相電流波形與Hausdorff距離值變化情況如圖2所示。

H為Hausdorff距離;I為母線兩端電流;t為時(shí)間圖2 不同故障下Hausdorff距離變化情況Fig.2 Variation of Hausdorff distance under different faults

2.2 基于Hausdorff距離的差動(dòng)保護(hù)原理

H>Hset

(4)

式(4)中:H為一個(gè)數(shù)據(jù)窗5 ms內(nèi)實(shí)時(shí)的Hausdorff距離值;Hset為固定門檻值,綜合考慮如圖2所示的區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)高阻故障時(shí)Hausdorff距離值,Hset取0.05。當(dāng)式(4)滿足時(shí),差動(dòng)保護(hù)方案可靠啟動(dòng)。

借鑒向量和差比率制動(dòng)判據(jù)[22],提出以下差動(dòng)保護(hù)判據(jù):

(5)

式(5)中:

(6)

圖3 保護(hù)動(dòng)作原理與流程圖Fig.3 Protection action principle and flow chart

Iact>IOP

(7)

令

(8)

式中:Iact為動(dòng)作電流,當(dāng)動(dòng)作電流大于啟動(dòng)門檻值時(shí),保護(hù)動(dòng)作。

與傳統(tǒng)的比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)相比,制動(dòng)系數(shù)典型取值范圍在0.5～0.8,一般為固定值,這種取值不能平衡速動(dòng)性與可靠性。本文提出的差動(dòng)保護(hù)方案可以根據(jù)Hausdorff距離值而改變制動(dòng)系數(shù)K,從而改變保護(hù)動(dòng)作范圍,在最大范圍內(nèi)保護(hù)線路安全。

2.3 保護(hù)方案

基于Hausdorff距離的差動(dòng)保護(hù)方案的保護(hù)動(dòng)作原理和流程圖如圖3所示。首先通過(guò)智能電子設(shè)備(intelligent electronic device,IED)記錄電流互感器(current transformer,CT)采集到的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù),然后進(jìn)行同步與歸一化處理,利用處理后線路兩端電流計(jì)算Hausdorff距離,當(dāng)滿足啟動(dòng)判據(jù)H>Hset時(shí),實(shí)時(shí)構(gòu)建制動(dòng)系數(shù)K,并根據(jù)比率差動(dòng)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行區(qū)內(nèi)故障判別。

3 仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出方案的有效性,基于仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了如所圖4所示的配電網(wǎng)模型,利用MATLAB軟件進(jìn)行保護(hù)方案的驗(yàn)證。

圖4 含分布式電源的配電網(wǎng)模型Fig.4 Distribution network model with distributed generation

其中節(jié)點(diǎn)模型采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)模型IEEE33,中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地,電感值為0.3 H,消弧線圈補(bǔ)償度為10%,為小電流接地系統(tǒng)。在節(jié)點(diǎn)0接入三相電源,容量為100 MW,分布式電源在節(jié)點(diǎn)17、21、24處接入,分為IIDG和MTDG兩種類型,其中DG2是光伏發(fā)電系統(tǒng),為IIDG類型,容量為0.25 MW,控制策略采用PQ控制,DG1和DG3分別為風(fēng)電場(chǎng)和燃?xì)廨啓C(jī),為MTDG類型,容量分別為0.65 MW和0.4 MW。在下文的仿真分析過(guò)程中,均以A相為例進(jìn)行故障電流分析,故障時(shí)刻均設(shè)在1.1 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.5 s。

3.1 不同故障區(qū)段

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方案的選擇性,以線路4-5兩端保護(hù)動(dòng)作為例,模擬線路3-4(區(qū)外),4-5(區(qū)內(nèi))發(fā)生不同類型故障時(shí)線路4-5保護(hù)動(dòng)作情況與Hausdorff距離的變化情況。傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)K取值為0.5。如圖5(a)所示,黑色實(shí)線與紅色實(shí)線分別為傳統(tǒng)保護(hù)方案與新型保護(hù)方案,線路4-5(區(qū)內(nèi))在1.1 s發(fā)生三相接地故障,在發(fā)生故障后的下一個(gè)數(shù)據(jù)窗Hausdorff距離迅速升高,越過(guò)門檻值Hset,保護(hù)方案可靠啟動(dòng),動(dòng)作電流Iact大于門檻值Iop,跳閘信號(hào)發(fā)出,保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作。兩種保護(hù)方案均可以動(dòng)作,但文中所提保護(hù)的結(jié)果大于傳統(tǒng)保護(hù),具有更好的靈敏度。如圖5(b)和圖5(c)所示,線路3-4(區(qū)外)1.1 s發(fā)生三相故障和BC兩相接地故障時(shí),Hausdorff距離始終小于門檻值,動(dòng)作電流Iact也始終小于門檻值Iop,兩種保護(hù)方案均可靠閉鎖。

圖5 不同位置故障時(shí)線路4-5動(dòng)作電流與Hausdorff距離變化情況Fig.5 Change of line 4-5 operating current and Hausdorff distance in case of fault at different positions

當(dāng)其他線路(區(qū)外)故障時(shí),仿真結(jié)果與上述4-5線路發(fā)生故障類似,不滿足啟動(dòng)判據(jù),動(dòng)作電流Iact始終小于門檻值Iop,保護(hù)始終閉鎖,在此不再贅述。

3.2 不同DG類型

該保護(hù)方案基于線路兩端電流相似度構(gòu)建差動(dòng)保護(hù)方案,為了研究不同類型DG接入配電網(wǎng)對(duì)線路兩端電流Hausdorff距離的影響,驗(yàn)證不同類型DG接入時(shí)保護(hù)的可靠性與靈敏性,通過(guò)線路18-19、23-24、25-26模擬MTDG、IIDG、無(wú)DG 3種情況接入配電網(wǎng),線路中發(fā)生三相接地故障時(shí)各區(qū)段保護(hù)動(dòng)作結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?無(wú)論是哪種類型DG接入配電網(wǎng),兩種保護(hù)均可在三相接地故障時(shí)動(dòng)作,但是本文所提的方案在故障后第一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi),式(4)得到滿足,保護(hù)可靠啟動(dòng),式(7)成立,保護(hù)動(dòng)作,傳統(tǒng)保護(hù)則在第二個(gè)數(shù)據(jù)窗時(shí)才滿足動(dòng)作條件。因此,本文所提的差動(dòng)保護(hù)方案在不同類型接入配電網(wǎng)時(shí)發(fā)生三相故障均可準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障,而且具有更好的速動(dòng)性。

表1 線路發(fā)生三相接地故障Table 1 Three phase grounding fault of the line

配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地,補(bǔ)償度為過(guò)補(bǔ)償時(shí),系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng)。在單相接地故障的情況下,故障點(diǎn)接地電流為補(bǔ)償后的殘余感性電流,該值較小,因此可以允許帶故障運(yùn)行1～2 h[23]。

表2給出線路發(fā)生A相接地故障后0.005 s和0.010 s時(shí)的仿真結(jié)果。由于電流數(shù)值較小,傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)不能準(zhǔn)確動(dòng)作。本文所提的保護(hù)方案雖然在兩端電流波形的差異性較小,但Hausdorff距離與動(dòng)作電流仍然在第一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)大于門檻值,故障區(qū)內(nèi)保護(hù)可以準(zhǔn)確動(dòng)作。隨著過(guò)渡電阻阻值的增加,故障區(qū)段的Hausdorff距離也將減小,達(dá)到動(dòng)作電流超過(guò)門檻值的時(shí)間也將增加。如果過(guò)渡電阻進(jìn)一步增大,這時(shí)就需要專門的高阻故障選線方案進(jìn)行判別。

由上述分析可以得出,本文所提的保護(hù)方案在不同類型的DG接入配電網(wǎng)時(shí)均可適用,并在不同故障類型下具有良好的性能。

表2 線路發(fā)生A相接地故障Table 2 Phase a grounding fault occurs in the line

仿真結(jié)果表明,傳統(tǒng)保護(hù)方案在發(fā)生單相故障時(shí)不能準(zhǔn)確識(shí)別故障,而本文所提的保護(hù)方案在DG的接入容量發(fā)生改變時(shí),線路兩端電流的相似度和動(dòng)作電流均無(wú)明顯差異,保護(hù)動(dòng)作范圍不受DG接入容量的影響,可以在不同容量、不同類型故障下準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障。

3.3 線路兩端數(shù)據(jù)不同步

差動(dòng)電流保護(hù)對(duì)涉及的兩側(cè)電氣量的采樣時(shí)間有很高的要求,但是在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中難免會(huì)造成數(shù)據(jù)的不同步,影響保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作。因此,仿真分析某一端電流數(shù)據(jù)延遲造成兩端時(shí)間不同步對(duì)保護(hù)的影響情況。

圖側(cè)延遲2 ms動(dòng)作電流與Hausdorff距離變化情況Fig.6 Change of action current and Hausdorff distance at side with delay of 2 ms

3.4 不同過(guò)渡電阻

為了驗(yàn)證區(qū)內(nèi)經(jīng)過(guò)不同過(guò)渡電阻發(fā)生故障時(shí),所提保護(hù)方案是否可靠動(dòng)作,在22-23線路中模擬三相經(jīng)過(guò)不同大小過(guò)渡電阻接地故障時(shí),傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)與本文所提的保護(hù)方案的動(dòng)作電流Iact如圖7所示,傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)K取值為0.5。點(diǎn)劃線與實(shí)線分別為傳統(tǒng)保護(hù)方案與新型保護(hù)方案,劃線為門檻值。

圖7 經(jīng)不同過(guò)渡電阻發(fā)生三相接地故障時(shí)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of three-phase grounding fault through different transition resistance

可以得出,在傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)中,動(dòng)作電流隨著過(guò)渡電阻的增加而減小至小于門檻值,保護(hù)無(wú)法正確動(dòng)作。而本文所提出的差動(dòng)保護(hù)方案在過(guò)渡電阻不超過(guò)20 Ω的情況下,動(dòng)作電流Iact均超過(guò)門檻值,保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作,本文所提的保護(hù)方案具有良好的抗過(guò)渡電阻能力。

4 結(jié)論

為應(yīng)對(duì)分布能源接入配電網(wǎng)給傳統(tǒng)保護(hù)帶來(lái)的影響,提出了一種基于Hausdorff距離的配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)方案。所提方案利用線路兩端電流求取Hausdorff距離,當(dāng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí),利用距離值構(gòu)建新的比率差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)系數(shù),借鑒傳統(tǒng)比率差動(dòng)保護(hù)判別線路區(qū)內(nèi)外故障。通過(guò)本文理論分析、仿真驗(yàn)證,可得出以下結(jié)論。

(1)本文提出的方法動(dòng)作性能良好,不受DG接入類型、故障位置、故障類型的影響,均可以準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障。

(2)本文所提方法具有較強(qiáng)的耐過(guò)渡電阻能力,在過(guò)渡電阻不超過(guò)20 Ω的范圍能均可準(zhǔn)確動(dòng)作。此外,此方案具有較好的抗同步誤差能力,線路兩端電流在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)同步誤差時(shí),所提方法可以保證在區(qū)內(nèi)故障時(shí)正確動(dòng)作,區(qū)外故障時(shí)保護(hù)可靠閉鎖,此外5 G等新型技術(shù)的普及,較好地解決了同步問(wèn)題。

(3)本文所提方法僅僅利用線路兩端電流幅值,不需要兩端電壓信息,判據(jù)構(gòu)建簡(jiǎn)單,對(duì)通信要求不高,同時(shí)兼容了低成本與高可靠性。但是在配電網(wǎng)諧振系統(tǒng)中,發(fā)生單相故障時(shí)消弧線圈對(duì)電容電流的深度補(bǔ)償作用后,殘余故障電感電流數(shù)值較小,相似度差異不夠明顯。因此,后續(xù)將進(jìn)一步研究在諧振配電網(wǎng)系統(tǒng)中,發(fā)生單相故障時(shí)的故障定位與故障選線,進(jìn)一步完善分布式能源接入配電網(wǎng)時(shí)的保護(hù)方案。