常成，熊煒，袁旭峰，張麗虹

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽550025）

0 引 言

主動(dòng)配電網(wǎng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的缺陷，具有靈活的拓?fù)潢P(guān)系和較強(qiáng)的分布式電源（Distributed Generation，DG）消納能力，能夠利用自動(dòng)化、信息通信和現(xiàn)代電力電子技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)管理、主動(dòng)控制、主動(dòng)規(guī)劃和主動(dòng)服務(wù)［1-3］。自愈控制是主動(dòng)配電網(wǎng)智能化的重要體現(xiàn)，通過該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)必要的預(yù)防性控制和可靠的故障處理［4-5］。配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自愈控制的重要手段，其主要通過配置在饋線上的終端設(shè)備采集配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳至主／子站，經(jīng)控制中心進(jìn)行分析后將控制指令回傳至終端，終端再根據(jù)接收到的指令操縱相應(yīng)的饋線開關(guān)實(shí)現(xiàn)故障隔離及供電恢復(fù)等功能［6-8］。該種控制方式在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)故障的智能化處理，但其過于依賴通信網(wǎng)絡(luò)，若通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，將會(huì)影響到整套系統(tǒng)的正常工作［9］。智能分布式配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)無需主／子站的參與，僅依靠終端檢測(cè)故障信息和各終端間的交互配合即可完成對(duì)故障的處理［10］。

常規(guī)的饋線終端單元（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）受開關(guān)類型限制，且僅適用于聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置固定不變的場(chǎng)合，故難以適應(yīng)復(fù)雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)［11］。智能配電終端（Distribution Terminal Unit，DTU）是智能分布式配電自動(dòng)化系統(tǒng)的核心設(shè)備，不僅具備FTU的一切功能，而且可配置在所有類型的開關(guān)設(shè)備上，不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，能夠?qū)崟r(shí)采集配電網(wǎng)正常及故障運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部的保護(hù)控制模塊即可完成對(duì)配電網(wǎng)故障的隔離［12］，具有很強(qiáng)的工程適用性。另外，DTU也具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，除對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和故障處理外，通過其內(nèi)部的控制器算法可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)其他對(duì)配電網(wǎng)的控制功能，具有廣闊的發(fā)展前景。主動(dòng)配電網(wǎng)不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，由于高滲透率DG的接入，其顯著具有的雙向潮流流向等特點(diǎn)均會(huì)導(dǎo)致常規(guī)的繼電保護(hù)策略失效，這就對(duì)保護(hù)可靠性和選擇性提出了嚴(yán)格的要求。

針對(duì)以上問題，綜合智能分布式配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)和DTU的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的智能控制終端（Distribution Feeder Terminal，DFT）。該終端采用基于多代理技術(shù)的混合分層控制方式，終端內(nèi)部的保護(hù)控制模塊采用改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)方案，保證了保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性。終端設(shè)備配置在線路開關(guān)上，將傳統(tǒng)的線路保護(hù)轉(zhuǎn)化為線段保護(hù)方式。針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)中負(fù)荷、DG出力和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)，提出了一種將場(chǎng)景分析法與枚舉法相結(jié)合的差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)整定方案，確保了保護(hù)的選擇性和可靠性。該智能控制終端及相應(yīng)的保護(hù)控制技術(shù)對(duì)于提高主動(dòng)配電網(wǎng)的自愈控制能力和供電可靠性具有很好的作用。

1 智能控制終端結(jié)構(gòu)及功能

智能控制終端（DFT）配置在配電網(wǎng)線路兩側(cè)開關(guān)上，其實(shí)際安裝的連接拓?fù)鋱D如圖1所示。

智能終端內(nèi)部采用分層分布式控制方式，如圖2所示，由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)層、故障處理層、其他功能層和通信層四個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)層由數(shù)據(jù)采集和GPS模塊組成，可實(shí)時(shí)同步采集線路正常和故障狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；故障處理層依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息對(duì)線路故障進(jìn)行處理，包括故障隔離、故障定位測(cè)距和故障選相；其他功能層是借助終端可完成無功優(yōu)化、孤島劃分等功能；通信層可完成本終端與其他位置的終端及上級(jí)主／子站間進(jìn)行通信交互。每個(gè)智能控制終端作為1個(gè)Agent，從而形成Multi-Agent系統(tǒng)。

圖1 安裝連接拓?fù)鋱DFig.1 Installation connection topology

圖2 智能控制終端結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Intelligent control terminal structure diagram

配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，智能終端能對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制；配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，智能終端能對(duì)電網(wǎng)故障進(jìn)行快速處理，保證了主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。

2 智能控制終端保護(hù)控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 終端的保護(hù)控制

傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)、距離保護(hù)均受到系統(tǒng)運(yùn)行方式和接線形式的影響，不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高滲透率DG接入和自動(dòng)化水平高的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)?？v聯(lián)保護(hù)可對(duì)被保護(hù)線路范圍內(nèi)的一切區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，且不受系統(tǒng)過負(fù)荷、系統(tǒng)振蕩和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響［13-14］，故本文選擇縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)方式。

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)直接比較線路兩側(cè)的電氣量信息，這對(duì)數(shù)據(jù)信息的完備性要求較高。智能控制終端內(nèi)部具有數(shù)據(jù)采集模塊，可以實(shí)時(shí)采集本端線路的運(yùn)行信息，并將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，可供終端內(nèi)部的模塊隨時(shí)調(diào)用，保證了信息的完備性和不可丟失性。終端內(nèi)部的GPS模塊保證了兩端信息采集的同步性。

2.2 改進(jìn)的縱差保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)受過渡電阻和重負(fù)荷影響顯著［15-16］。由保護(hù)判據(jù)公式和動(dòng)作特性曲線可知制動(dòng)系數(shù)Kres是影響差動(dòng)保護(hù)性能的關(guān)鍵因素，保護(hù)動(dòng)作區(qū)域的大小會(huì)隨著Kres的變化而變化。

當(dāng)發(fā)生區(qū)外短路時(shí)，由線路兩側(cè)保護(hù)通過的短路電流的特點(diǎn)可將判據(jù)公式整理為：

當(dāng)Kres∈（0，1］時(shí)，區(qū)外故障時(shí)的制動(dòng)特性角的范圍θ∈［45°，90°］。而由制動(dòng)特性曲線可知當(dāng)0≤Kres≤1時(shí)，區(qū)外故障的非動(dòng)作區(qū)較大，可靠性較高。

令相角特性函數(shù)：

Kres∈［0，1］，n∈（0，1］時(shí)的相角特性函數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可知相角特性函數(shù)的取值范圍為：f（Kres，n）∈［-1，0］故相角 α的取值范圍是 α?（0°，90°），所以，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)的相角應(yīng)滿足在區(qū)間內(nèi)部。

圖3 相角特性函數(shù)曲線Fig.3 Phase characteristic function curve

為提高縱差保護(hù)的靈敏性和可靠性，在保護(hù)判據(jù)中引入調(diào)整因子以使制動(dòng)系數(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，改進(jìn)后的保護(hù)判據(jù)為：

式中 Q（B）為調(diào)整因子，其中 B＝f（I1，I2）；K1為差動(dòng)保護(hù)整定的制動(dòng)系數(shù)；K2為某一比例常數(shù)，本文取 K1＝0.5，K2＝0.3。

Q（B）的取值根據(jù)差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)特性和相角特性來確定。令差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)特性系數(shù)B1＝Id，差動(dòng)保護(hù)相角特性系數(shù)B2＝α，則調(diào)整因子可根據(jù)式（5）進(jìn)行修改：

2.3 涌流與短路電流鑒別

高壓側(cè)變壓器空載合閘瞬間產(chǎn)生勵(lì)磁涌流和低壓側(cè)并聯(lián)電容器投切瞬間產(chǎn)生沖擊涌流均是一種正常的工作狀態(tài)。涌流的產(chǎn)生使智能終端采集到的電流與短路故障電流相當(dāng)，極易引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。涌流電流諧波含量遠(yuǎn)高于故障電流［18］，在智能終端保護(hù)控制模塊內(nèi)部加裝FFT模塊對(duì)涌流和故障電流進(jìn)行鑒別，若鑒定為涌流情況，終端則不應(yīng)采取保護(hù)控制措施，其工作流程如圖4所示。

圖4 智能控制終端勵(lì)磁涌流鑒別流程Fig.4 Identification flow of inrush current of intelligent control terminal

2.4 基于窮舉法與場(chǎng)景分析法相結(jié)合的差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)整定策略

主動(dòng)配電網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流方向多變，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)整定困難，而差動(dòng)保護(hù)整定值又與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?fù)荷、DG出力有很大的關(guān)系，這就需要保護(hù)整定值應(yīng)能根據(jù)配電網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

主動(dòng)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常根據(jù)需要而發(fā)生變化，這對(duì)差動(dòng)保護(hù)整定值的選取會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對(duì)這一影響因素，提出基于窮舉法的自適應(yīng)保護(hù)整定方案，窮舉所有類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所列舉的結(jié)構(gòu)須滿足開環(huán)運(yùn)行、潮流分布正常等條件。然后在負(fù)荷和DG出力不變的前提下分別對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整定值計(jì)算，找到令整定值最大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該值即為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懙恼?quán)重系數(shù)。對(duì)于負(fù)荷和DG出力的變化情況，提出基于場(chǎng)景分析法的自適應(yīng)差動(dòng)保護(hù)方案。其基本思路是將某地區(qū)的負(fù)荷及DG出力情況進(jìn)行聚類分析而劃分為幾種典型場(chǎng)景。由于粒子群算法（PSO）具有很好的全局尋優(yōu)能力，能夠有效克服K-means由于初始質(zhì)心選取不當(dāng)而導(dǎo)致的局部最優(yōu)問題［19］，故本文的聚類分析采用PSO-K-means算法。然后在上述選取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下利用控制變量法分別求得各種場(chǎng)景下的負(fù)荷影響整定權(quán)重系數(shù)和DG出力影響整定權(quán)重系數(shù)。最后，利用 GM（1，1）灰度模型［20］對(duì)下一年的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用基于時(shí)間序列的ARMA模型［21］對(duì)下一年的DG出力進(jìn)行預(yù)測(cè)。同理可對(duì)預(yù)測(cè)后結(jié)果按照上述方法確定各場(chǎng)景下各影響因素的整定權(quán)重系數(shù)，以此可達(dá)到對(duì)配電網(wǎng)各段線路差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)整定的目的?；诟F舉和場(chǎng)景分析法的自適應(yīng)整定方案流程如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)整定方案流程Fig.5 Flow chart of adaptive setting scheme

3 仿真驗(yàn)證

為便于研究，本文選取的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖6所示，斷路器、聯(lián)絡(luò)開關(guān)和分段開關(guān)上均配置有智能控制終端（DFT）。

將過渡電阻值分別設(shè)置為10Ω和100Ω，當(dāng)B1和B2間在0.2 s時(shí)發(fā)生區(qū)內(nèi)三相短路故障，對(duì)采用傳統(tǒng)縱差保護(hù)和改進(jìn)后的方案以及選用兩種不同過渡電阻的情況進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 差動(dòng)保護(hù)兩種方案對(duì)比Tab.1 Comparison of two schemes for differential protection

由表1可知，使用改進(jìn)后的縱差保護(hù)方案一方面可以有效提高保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，另一方面可以顯著克服過渡電阻對(duì)保護(hù)的影響。改進(jìn)后的方案充分保證了繼電保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性。

選取中國貴州省某地區(qū)2011年～2015年各月的負(fù)荷及光伏電站出力情況作為研究對(duì)象，對(duì)五年內(nèi)各月的負(fù)荷最大值、最小值及光伏出力的最大值、最小值進(jìn)行PSO-K-means聚類分析，聚類處理后可劃分為四種場(chǎng)景，第一場(chǎng)景為5月、9月、10月、11月；第二場(chǎng)景為3月、4月；第三場(chǎng)景為6月、7月、8月；第四場(chǎng)景為12月、1月、2月。2015年各場(chǎng)景的負(fù)荷和DG出力如表2所示。然后由2.4節(jié)提出的差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)整定方法分別計(jì)算出各個(gè)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒇?fù)荷和DG出力三種影響因素的整定權(quán)重系數(shù)。

對(duì)于第一種場(chǎng)景，在Ploadmax＝400 kW，PDGmax＝120 kW這一組合的情形下，分別對(duì)窮舉出的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各終端的整定值進(jìn)行計(jì)算，選取出整定值最大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將該整定值作為該場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懻?quán)重系數(shù)。然后，在選取的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的條件下，令Pload固定，分別計(jì)算PDGmax和PDGmin兩種情形下的差動(dòng)保護(hù)整定值，選取整定值最大的一項(xiàng)作為該場(chǎng)景下DG影響整定權(quán)重系數(shù)。令PDG固定。分別計(jì)算Ploadmax和Ploadmin兩種情形下的差動(dòng)保護(hù)整定值，選取整定值最大的一項(xiàng)作為該場(chǎng)景下負(fù)荷影響整定權(quán)重系數(shù)。三種影響因素的權(quán)重系數(shù)如表3所示。同理可對(duì)其他三種場(chǎng)景進(jìn)行影響因素的整定權(quán)重計(jì)算。

表2 2015年各場(chǎng)景的負(fù)荷和DG出力情況Tab.2 Load and DG output conditions of each scene in 2015

利用GM（1，1）灰度預(yù)測(cè)和ARMA預(yù)測(cè)算法對(duì)2016年的負(fù)荷和DG出力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表4所示。然后利用同樣的方法對(duì)預(yù)測(cè)后的各場(chǎng)景負(fù)荷、DG出力和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊憴?quán)重系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

由仿真結(jié)果可知，利用基于窮舉法與場(chǎng)景分析法相結(jié)合的自適應(yīng)保護(hù)策略可得到本年度及下一年度分場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)荷和DG出力三種影響因素的整定權(quán)重系數(shù)，可有效對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)各段線路的保護(hù)整定值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，保證了繼電保護(hù)的選擇性和可靠性。

圖6 主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.6 Active distribution network system

表3 2015年第一種場(chǎng)景各終端影響因素整定權(quán)重系數(shù)Tab.3 Weight factor of influencing factor on differential protection setting of the first scene in 2015

表4 2016年各場(chǎng)景的負(fù)荷和DG出力情況Tab.4 Load and DG output conditions of each scene in 2016

表5 2016年第一種場(chǎng)景各終端影響因素整定權(quán)重系數(shù)Tab.5 Weight factor of influencing factor on differential protection setting of the first scene in 2016

4 結(jié)束語

針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于智能分布式配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的智能控制終端，該終端系統(tǒng)將線路保護(hù)轉(zhuǎn)化為線段保護(hù)，可分段進(jìn)行線路的保護(hù)控制。針對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)特點(diǎn)和傳統(tǒng)縱差保護(hù)的缺陷，提出了一種改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)方案，該方案可有效解決過渡電阻對(duì)保護(hù)的影響，保證了配電網(wǎng)保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性。作為正常工作狀態(tài)的涌流現(xiàn)象易與短路電流相混淆，利用其諧波的特點(diǎn)，引入FFT環(huán)節(jié)可對(duì)兩種情況進(jìn)行區(qū)分，避免了保護(hù)的誤動(dòng)作。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?fù)荷和DG出力對(duì)保護(hù)的影響，提出了將窮舉法與場(chǎng)景分析法相結(jié)合的保護(hù)自適應(yīng)整定方案，通過對(duì)DG和負(fù)荷情況的粒子群聚類分析可劃分為四種場(chǎng)景，利用控制變量法對(duì)各場(chǎng)景下負(fù)荷、DG出力和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)整定值影響的權(quán)重系數(shù)極值進(jìn)行求取。然后對(duì)下一年的DG和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，同理可得到三種影響因素的整定權(quán)重系數(shù)，以此達(dá)到對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)自適應(yīng)整定的目的。