何華錦，侯 慧，龍吟新,游大海

(1.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

在全球配電網(wǎng)絡(luò)中，分布式發(fā)電(distributed generation, DG)日益發(fā)展，主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理(active network management, ANM)解決方案得到了普遍應(yīng)用，但ANM會(huì)對(duì)故障率水平和故障電流路徑產(chǎn)生重要影響，這給網(wǎng)絡(luò)保護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1]。其中，DG引入了額外的故障電流源，這可能會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的總故障率水平，也可能會(huì)改變特定保護(hù)繼電器觀察到的故障電流的大小和方向[2]，從而導(dǎo)致輸變電工程的造價(jià)顯著上升[3]。ANM解決方案被用于管理DG、能量存儲(chǔ)、負(fù)載、斷路器和開(kāi)關(guān)，以支持電壓控制、功率流管理、需求側(cè)管理、自動(dòng)恢復(fù)和最小化電力系統(tǒng)損失，其也會(huì)影響到故障率水平和故障電流路徑[4]。DG、ANM和未來(lái)可能的孤網(wǎng)運(yùn)行結(jié)合起來(lái)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中故障率水平和故障電流路徑發(fā)生變化，從而干擾了過(guò)電流繼電器(over current relay, OCR)的運(yùn)行。

為此，研究人員提出多種方法應(yīng)對(duì)DG的影響，如使用故障限流器[5]，采用自適應(yīng)保護(hù)方案[6]，將保障分布式電源接入配電系統(tǒng)[7]，采用蓄能技術(shù)彌補(bǔ)自身的不穩(wěn)定性[8]等。NIKOLAIDIS等[9]則提出使用不同的保護(hù)設(shè)置組，一組用于并網(wǎng)DG，一組用于未并網(wǎng)DG。張宇等[10]在分析分布式光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電對(duì)配網(wǎng)電壓影響的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電抑制電壓波動(dòng)策略。YAN等[11]針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行給出了一種簡(jiǎn)單的自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)方案，該方案包含兩個(gè)設(shè)定組，一個(gè)用于并網(wǎng)運(yùn)行，另一個(gè)用于孤網(wǎng)運(yùn)行模式。

但上述研究提出的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)均專注于解決特定的性能保護(hù)問(wèn)題，忽略了可能影響未來(lái)網(wǎng)絡(luò)性能的其他方面，所提技術(shù)方案均有一定的局限性。因此，筆者提出了一種能夠同時(shí)解決上述問(wèn)題的自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)方案，建立最優(yōu)保護(hù)設(shè)置，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)顯著變化(DG連接、并網(wǎng)/孤網(wǎng)狀態(tài)或ANM系統(tǒng)實(shí)施的變化)時(shí)，將該設(shè)置直接應(yīng)用到繼電器。

1 自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)

基于三層架構(gòu)開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)根據(jù)使用的數(shù)據(jù)類型和每個(gè)功能組所需的響應(yīng)時(shí)間分離功能層。其中，主系統(tǒng)包括線路、DG、斷路器(circuit breaker, CB)、電路開(kāi)關(guān)(circuit switch, CS)、變流器(converter, CT)、變壓器(voltage transformer, VT)等；執(zhí)行層包括安裝在網(wǎng)絡(luò)中的智能電子設(shè)備(IED)；協(xié)調(diào)層則負(fù)責(zé)檢測(cè)和協(xié)調(diào)IED；管理層負(fù)責(zé)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并與協(xié)調(diào)層通信，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)與ANM之間的協(xié)作。主系統(tǒng)與執(zhí)行層之間的接口包括用于提供測(cè)量數(shù)據(jù)、跳閘命令或IEC 61850進(jìn)程總線通信[12]的硬連線鏈路；執(zhí)行層、協(xié)調(diào)層、管理層之間的接口以DNP3、Modbus、IEC 60870-5-103和IEC 61850等通信協(xié)議為基礎(chǔ)。

圖1 自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的架構(gòu)

自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)向協(xié)調(diào)層引入增強(qiáng)功能進(jìn)行自我保護(hù)，包括傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)中所沒(méi)有的其他功能，如通信網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證、主次系統(tǒng)的協(xié)調(diào)等。自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)算法如圖2所示，該算法可由協(xié)調(diào)層中的檢測(cè)模塊啟動(dòng)，由檢測(cè)模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化做出反應(yīng)；也可由能量管理系統(tǒng)啟動(dòng)，傳達(dá)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹貥?gòu)、DG的連接和孤網(wǎng)變化。

圖2 自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)算法

(1)故障電流計(jì)算。根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)配置和DG連接狀態(tài)，模擬了一系列的故障，計(jì)算每個(gè)故障場(chǎng)景下由OCR測(cè)量出的故障電流。利用Python 2.7編寫程序，通過(guò)應(yīng)用程序編程接口訪問(wèn)IPSA Power[13]故障計(jì)算工具，模擬故障并保存由每個(gè)保護(hù)設(shè)備對(duì)每個(gè)仿真故障測(cè)量的故障電流，從而得到故障電流矩陣F。

(1)

式中：n為保護(hù)設(shè)備的數(shù)量；m為仿真故障的數(shù)量。

(2)保護(hù)設(shè)置計(jì)算。根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)配置，計(jì)算新的保護(hù)設(shè)置，以“下游到上游”的方式計(jì)算出所有OCR的設(shè)置?！跋掠沃辽嫌巍钡挠?jì)算方法能夠使OCR保護(hù)系統(tǒng)在每一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)條件或配置下都最小化操作時(shí)間，其在計(jì)算保護(hù)設(shè)置時(shí)與配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(distribution network operator, DNO)常用的方法不同，因?yàn)镈NO通常從上游開(kāi)始計(jì)算保護(hù)設(shè)置，即在高壓處對(duì)保護(hù)進(jìn)行分級(jí)并向下游移動(dòng)，傾向于使用適用于所有不同網(wǎng)絡(luò)配置的一組保護(hù)設(shè)置。

(3)保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)計(jì)算。使用常用的保護(hù)設(shè)置和所提出的新保護(hù)設(shè)置，分別計(jì)算保護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障電流矩陣F的響應(yīng)，得到相應(yīng)的操作時(shí)間矩陣T0和T1。

(2)

(3)

(4)相對(duì)性能的比較與設(shè)定應(yīng)用決策。對(duì)保護(hù)系統(tǒng)(包括常用設(shè)置和新設(shè)置)進(jìn)行分析，以確定是否可以通過(guò)設(shè)置修改來(lái)實(shí)現(xiàn)性能改善。若新的保護(hù)設(shè)置能夠提升性能，則應(yīng)用新設(shè)置；若新設(shè)置不能提升性能，則不采取進(jìn)一步操作。

在Python 2.7中設(shè)計(jì)了一個(gè)算法，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)T0和T1進(jìn)行比較，具體步驟為：①驗(yàn)證每個(gè)OCR的操作時(shí)間是否在保護(hù)策略的規(guī)定范圍之內(nèi)；② 驗(yàn)證保護(hù)設(shè)備之間的分級(jí)裕量是否大于保護(hù)要求中規(guī)定的最小分級(jí)裕量；③ 計(jì)算平均操作時(shí)間。

圖3 某保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)的可能故障位置示例

以某保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)的可能故障位置為例(如圖3所示)進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)步驟①可以驗(yàn)證OCRC對(duì)于故障1和故障2的操作時(shí)間是否短于保護(hù)要求中規(guī)定的限制時(shí)間(在保護(hù)策略中通常使用1 s的操作時(shí)間限制)。若是，則進(jìn)入步驟②進(jìn)行下一步驗(yàn)證。步驟②則是比較OCRC與后備保護(hù)OCRB對(duì)于故障1和故障2的操作時(shí)間差異，驗(yàn)證其是否大于保護(hù)要求中規(guī)定的最小分級(jí)裕量(在保護(hù)策略中分級(jí)裕量通常設(shè)為0.3 s，即最大下限)。

對(duì)于圖3中不同位置(每個(gè)饋線區(qū)段的源端和遠(yuǎn)端)的一系列模擬故障，重復(fù)步驟①和步驟②。由于前兩個(gè)步驟的優(yōu)先級(jí)高于步驟③，因此如果T1沒(méi)有通過(guò)前兩個(gè)驗(yàn)證但T0通過(guò)了，則丟棄新設(shè)置；如果T0沒(méi)有通過(guò)兩個(gè)驗(yàn)證但T1通過(guò)了，則應(yīng)用新設(shè)置，且不執(zhí)行步驟③；如果T0和T1均通過(guò)了前兩個(gè)驗(yàn)證，則執(zhí)行步驟③，即利用式(4)和式(5)計(jì)算T0和T1的平均操作時(shí)間并進(jìn)行比較，若t0-t1>Δt(Δt表示變更過(guò)程中發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn))，則應(yīng)用新設(shè)置。

(4)

(5)

(5)應(yīng)用保護(hù)設(shè)置并驗(yàn)證。自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)算法的最后一步是將新的保護(hù)設(shè)置發(fā)送至OCR。使用IEC 61850通信協(xié)議，分兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)：第一個(gè)階段對(duì)設(shè)置進(jìn)行發(fā)送；第二個(gè)階段讀取設(shè)置，以驗(yàn)證其是否得到正確應(yīng)用。

符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)繼電器可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可變保護(hù)設(shè)置的應(yīng)用：第一種方法以保護(hù)設(shè)定組的使用為基礎(chǔ)，通?？梢远x4個(gè)或更多的保護(hù)設(shè)置組，且自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)可以選擇與特定計(jì)算保護(hù)設(shè)置的匹配度最高的組；第二種方法不采用預(yù)定義的保護(hù)設(shè)置組，每個(gè)特定的保護(hù)設(shè)置(如始動(dòng)電流、時(shí)間倍數(shù)等)都可以進(jìn)行修改，自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)可以單獨(dú)編寫計(jì)算出的保護(hù)設(shè)置。第一種方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了應(yīng)用錯(cuò)誤的保護(hù)設(shè)置(可能會(huì)造成誤跳閘或故障期間保護(hù)系統(tǒng)無(wú)動(dòng)作)的風(fēng)險(xiǎn)，而第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是靈活性更高。

2 測(cè)試用例網(wǎng)絡(luò)模型

測(cè)試用例網(wǎng)絡(luò)采用我國(guó)通用配電網(wǎng)中規(guī)定的“OHA網(wǎng)絡(luò)”，即11kV架空農(nóng)村配電網(wǎng)，由3個(gè)主饋線和若干個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的分支(Spur)所組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D4所示。其中，33/11 kV變壓器的額定容量均為12 MVA，在11 kV側(cè)，單位電抗標(biāo)幺值為0.085，三角星形繞組配置，完全接地連接。饋線A、B和C的長(zhǎng)度分別為8.5 km、3.5 km和2.2 km。饋線A的額定電流為400 A，總負(fù)荷為7.62 MVA，饋線B和C的額定電流均為250 A，總負(fù)荷均為4.76 MVA。

圖4 配電網(wǎng)測(cè)試用例

保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在準(zhǔn)確地代表當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)，并遵循配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的保護(hù)策略。圖4中每個(gè)饋線由源端的多次斷路器/重合器(automatic reclose，AR)以及位于饋線沿線約50%的桿式自動(dòng)重合器(rod mounted automatic reclose, PMAR)保護(hù)；支線通過(guò)支線分段斷路器而非熔斷器連接到主饋線，當(dāng)前和未來(lái)配電網(wǎng)的趨勢(shì)是使用分段斷路器代替熔斷器。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

所提自適應(yīng)保護(hù)解決方案在硬件在環(huán)(hardware in loop, HIL)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)施，以驗(yàn)證其有效性,并與傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。HIL仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。使用實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器(real time digital simulator, RTDS)實(shí)時(shí)模擬正常條件和故障條件下的主要系統(tǒng)行為[14]。使用從放大器對(duì)模擬CT的輸出電流進(jìn)行放大并注入OCR，這些OCR在出現(xiàn)故障時(shí)使用IEC 61850發(fā)送跳閘信號(hào)。將RTDS接收到的跳閘信號(hào)作為模擬輸入，關(guān)閉模擬回路。采用安裝在變電站計(jì)算機(jī)上的DNP3主機(jī)與RTDS進(jìn)行通信，以定期采集CBS、PMAR、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等的狀態(tài)信息。之后，安裝在變電站計(jì)算機(jī)中的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)軟件使用該數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視，并檢測(cè)啟動(dòng)自適應(yīng)算法的變化。

圖5 HIL實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

(1)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。為證明所提自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一些場(chǎng)景，具體如表1所示。其中，向自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)納入以下可能需要面對(duì)的情況：①33 kV故障時(shí)的視在功率水平和33/11 kV配電站處正在服務(wù)的變壓器數(shù)量。通常兩臺(tái)變壓器均處于運(yùn)行狀態(tài)，但在某些情況下其中一臺(tái)可能會(huì)斷開(kāi)連接。②如果DG機(jī)組正在運(yùn)行，可能會(huì)允許11 kV網(wǎng)絡(luò)的孤網(wǎng)運(yùn)行。③根據(jù)需要對(duì)常開(kāi)點(diǎn)(normal point, NOP)進(jìn)行位移，實(shí)現(xiàn)11kV配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。④DG機(jī)組的連接或斷開(kāi)連接。

表1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

(2)故障模擬。為了驗(yàn)證自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)，針對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，在12個(gè)不同的故障位置對(duì)一系列預(yù)定義故障進(jìn)行模擬，具體如圖6所示。每個(gè)位置模擬的故障包括：①故障電阻范圍為0～10 Ω(0 Ω，1 Ω，2 Ω等)的11相的相間故障；②故障電阻范圍為0～100 Ω(0 Ω，10 Ω，20 Ω等)的11相接地故障。所有故障均進(jìn)行了兩次模擬，分別測(cè)試傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)。

圖6 HIL仿真的故障位置

3.2 仿真結(jié)果

對(duì)于所有的2 112個(gè)模擬相位故障，傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)操作時(shí)間如圖7所示。從最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間開(kāi)始，根據(jù)跳閘時(shí)間對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行排序。對(duì)于前456個(gè)故障，自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的操作時(shí)間短于傳統(tǒng)的反時(shí)限過(guò)電流(IDMT)保護(hù)系統(tǒng)，其中操作時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1 s的故障數(shù)量在模擬故障總數(shù)量中的占比從傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的7.15%降低到自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的1.81%。

圖7 相間故障過(guò)程中的實(shí)測(cè)操作時(shí)間

對(duì)于2 112個(gè)模擬相接地故障，傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的操作時(shí)間如圖8所示。同樣從最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間開(kāi)始，按照跳閘時(shí)間進(jìn)行排序。從仿真結(jié)果可知，在一些情況下，對(duì)于相間故障和相接地故障來(lái)說(shuō)，自適應(yīng)保護(hù)均稍微慢一些?？傊?，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)具有更好的選擇性和靈敏度，且自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)與DG接口保護(hù)的協(xié)作也得到了改善。

圖8 相接地故障過(guò)程中的實(shí)測(cè)操作時(shí)間

(1) 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)從一個(gè)場(chǎng)景切換到另一個(gè)場(chǎng)景時(shí)，自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)會(huì)計(jì)算新場(chǎng)景的保護(hù)設(shè)置，并將其應(yīng)用到OCR。針對(duì)表1中的場(chǎng)景1和場(chǎng)景3自動(dòng)計(jì)算出的保護(hù)設(shè)置分別如表2和表3所示。場(chǎng)景1與場(chǎng)景3之間的區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)配置的變化，即NOP從S3移動(dòng)至S4。當(dāng)饋線A和饋線B發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘜?duì)故障電流大小和路徑均有影響。因此，表3中AR-A、PMAR-A、AR-B和PMAR-B的新保護(hù)設(shè)置與表2中的保護(hù)設(shè)置是不同的。

表2 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景1的保護(hù)設(shè)置

表3 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景3的保護(hù)設(shè)置

若不采用自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)，即使用固定保護(hù)設(shè)置的情況下，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的操作速度和正確選擇性都會(huì)受到影響。例如，PMAR-B和S4之間的0 Ω相間故障會(huì)在PMAR-A和PMAR-B處均產(chǎn)生操作，從而導(dǎo)致PMAR-A和PMAR-B之間連接的所有負(fù)載出現(xiàn)非必要的斷開(kāi)。如果利用自適應(yīng)系統(tǒng)，則可以解決PMAR-A和PMAR-B之間失去協(xié)調(diào)的問(wèn)題，如圖9所示。當(dāng)全面考慮所有的模擬故障時(shí)，誤跳閘事件從4.72%降低至1.61%，這表示系統(tǒng)安全性得到提升。

圖9 場(chǎng)景3中故障6的自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)響應(yīng)過(guò)程

(2) DG的影響。DG的存在增加了故障率水平，改變了故障電流的大小和路徑，因此可能造成誤跳閘，影響OCR之間的協(xié)調(diào)。以表1中的場(chǎng)景5(DG1、DG2、DG3和DG4連接到網(wǎng)絡(luò))為例，饋線B出現(xiàn)故障，造成AR-A和AR-B同時(shí)跳閘。這是DG1和DG2對(duì)故障5的故障電流影響所造成的，當(dāng)DNO采用DTL而非IDMT過(guò)流保護(hù)時(shí)，這種情況具有典型性。為解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于相對(duì)較高的故障電流，過(guò)流保護(hù)軟件計(jì)算出的保護(hù)設(shè)置以IDMT過(guò)流保護(hù)為基礎(chǔ)，并加上DTL過(guò)流保護(hù)。在每個(gè)饋線上進(jìn)行保護(hù)的DTL始動(dòng)電流，高于受保護(hù)饋線上的DG對(duì)位于相鄰饋線上的總故障電流的影響。

4 結(jié)論

(1)DG和ANM的快速運(yùn)用，以及網(wǎng)絡(luò)孤網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)保護(hù)提出了重大挑戰(zhàn)。因此，筆者提出了一種自適應(yīng)保護(hù)方案，以有效解決這些問(wèn)題，并通過(guò)商用硬件和通信方案在實(shí)際配電網(wǎng)真實(shí)模型中演示了所提方案的實(shí)施過(guò)程。

(2)所提自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)方案與其他方案的不同之處在于算法的不同，與傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)置和設(shè)置組的解決方案相比，所提方案的靈活性更好，且能夠全面覆蓋可能會(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)行為的所有事件。