韓 笑, 李姝佳, 王 鋼, 陳 楠

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

0 引言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中的重要節(jié)點,地位舉足輕重,隨著電力負(fù)荷的不斷增長,人們對配電網(wǎng)安全可靠運行的要求不斷提高,配電網(wǎng)也在不斷朝著智能配電網(wǎng)的方向發(fā)展。智能配電網(wǎng)運用了大量的信息化、數(shù)字化、智能化等技術(shù),有效地提高了采樣值的精確度和通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,簡化了系統(tǒng)的二次接線,增強了設(shè)備之間的聯(lián)系性與互操作性,提高了配電網(wǎng)的自動化水平[1-3]。智能配電網(wǎng)中的通信環(huán)節(jié)至關(guān)重要,但在日常運行過程中,終端設(shè)備的異常運行和通信系統(tǒng)的故障,都給配電網(wǎng)的保護和正常運行帶來難題[4-6]。

國內(nèi)外學(xué)者針對主動配電網(wǎng)自適應(yīng)保護原理進行了大量研究,配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確識別,對配電網(wǎng)中繼電保護、穩(wěn)定控制和自愈技術(shù)等起著至關(guān)重要的作用。文獻[6-10]在傳統(tǒng)自適應(yīng)保護方案的基礎(chǔ)上提出了一種節(jié)點開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化追蹤技術(shù),其可以根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),自適應(yīng)改變拓?fù)渚仃?修改系統(tǒng)保護參數(shù)。但由于外界環(huán)境與通信系統(tǒng)的影響,配電終端上傳至主站的量測數(shù)據(jù)可能存在缺失以及畸變等問題,這些在上述方案中均未考慮。隨著主動配電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進,智能終端(STU)在主動配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛,這為配電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的識別與修正提供了有效的數(shù)據(jù)信息,可以利用各STU的量測信息對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行識別[11-12]。文獻[13]提出了一種計及量測數(shù)據(jù)缺失及錯誤的配電網(wǎng)電流保護自適應(yīng)整定方法,解決了基于局域通信的配電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護存在的量測數(shù)據(jù)丟失及錯誤的問題。文獻[14-16]在考慮STU預(yù)存了所在饋線的靜態(tài)拓?fù)渥R別的基礎(chǔ)上,設(shè)計了智能終端間的動態(tài)信息交互和拓?fù)渥R別方案。但以上拓?fù)渥R別方案僅通過開關(guān)量或電氣量進行配電網(wǎng)拓?fù)渥R別,可靠性較差。同時,若量測信息有較大偏差且未對量測數(shù)據(jù)設(shè)置容錯機制,量測誤差會影響拓?fù)渥R別結(jié)果的準(zhǔn)確性[17-18]。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)承載著配電通信業(yè)務(wù),與配電系統(tǒng)的正常運行密切相關(guān),例如繼電保護、穩(wěn)定控制、配電自動化等。文獻[2-3]分別針對智能配電網(wǎng)和智能變電站,分析了信息系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致的后果,以及其對配電網(wǎng)傳統(tǒng)保護方案的影響,并針對失靈保護失效提出了可行的解決方案。但配電網(wǎng)通信系統(tǒng)發(fā)生故障,導(dǎo)致各STU之間無法進行信息交互,進而導(dǎo)致保護失效的情況,上述研究均未考慮。在實際工程應(yīng)用中,為節(jié)約成本,有些開關(guān)處并未配置STU裝置。一些STU裝置的運行狀況是否異常也是未知的,這些問題都對主動配電網(wǎng)拓?fù)渥R別和自適應(yīng)區(qū)域保護產(chǎn)生很大影響。

針對上述問題,本文介紹了一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動識別適用于智能終端的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護方法。首先,該方法利用各STU量測到的電流量與開關(guān)量,各相鄰STU進行信息交互確定各節(jié)點之間的聯(lián)通關(guān)系,并識別異常的STU。然后,設(shè)計自適應(yīng)保護方案與定值,使所提的自適應(yīng)保護可以適應(yīng)于STU異常的情況。該方案解決了目前主動配電網(wǎng)區(qū)域保護方法中的不靈活性等問題,進而提高了電力系統(tǒng)繼電保護的速動性、可靠性,使電力系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

1 適用于自適應(yīng)保護的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別方法

主動配電網(wǎng)實時拓?fù)溆善潇o態(tài)拓?fù)浜烷_關(guān)線路運行狀態(tài)所決定,各STU實時捕獲開關(guān)量以及電氣量的變化,對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行更新[19-20]。

1.1 主動式配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點

以圖1所示的主動配電網(wǎng)為例,執(zhí)行“合環(huán)設(shè)計,分環(huán)運行”的策略。圖中,S1為主電源,S2為備用電源。配電線路MN、NP、PQ、QR為主要線路,母線M、N、P、Q、R通過分支線路,與負(fù)載LD1、LD2、LD3相接。設(shè)母線處接有分布式電源DG。

圖1 10 kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 10 kV distribution network structure diagram

根據(jù)配電自動化的要求,把每條母線和支路都看成一個節(jié)點,以開關(guān)為單位部署STU。其中電源出線開關(guān)對應(yīng)的智能終端標(biāo)記為ST,其他智能終端標(biāo)記為SA。一個STU負(fù)責(zé)檢測其所在開關(guān)處的電壓、電流以及開關(guān)狀態(tài)。傳統(tǒng)保護方案無法適應(yīng)分布式電源接入造成的影響,保護的靈敏性、速動性和可靠性較低。新型的區(qū)域保護和層次化保護與傳統(tǒng)保護方案不同,以圖1所示的主動配電網(wǎng)為例,其保護方案為給線路MN、NP、PQ、QR配置線路縱聯(lián)差動保護,保護動作時間為0 s,給母線M、N、P、Q、R配置母線差動保護,保護動作時間為0 s。

配電網(wǎng)智能終端異常,或通信系統(tǒng)故障等情況,將導(dǎo)致保護失效,會帶來保護系統(tǒng)故障處置時間延長的風(fēng)險。在圖1中,假設(shè)SA2失效,SA2的相鄰終端SA1、SA3、SA4無法與其進行信息交互,此時線路NP上由QF3和QF4構(gòu)成的縱聯(lián)差動保護失效,母線N上由QF2、QF3和QF10構(gòu)成的母線差動保護也失效。

1.2 考慮智能終端異常的配電網(wǎng)拓?fù)渥R別方法

在配電網(wǎng)分布式拓?fù)渥R別中,各個STU能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的拓?fù)溥M行獨立地識別。每個STU與其相鄰STU之間的通信方式為對等通信,各個STU之間將采集到的開關(guān)量與電氣量信息進行周期性交換。在單個周期內(nèi),每個STU需要完成以下內(nèi)容:一次本地開關(guān)量與電流量信息的量測、一次與每個相鄰STU間的信息交換以及對多個信息進行分析[21]。

在每進行一個周期后,首先,各STU首先根據(jù)本地量測信息對其相鄰STU的狀態(tài)進行一次初判。然后,對STU與每個相鄰STU之間的支路連通性進行一次初判。最后,雙方進行量測信息的交互,各STU綜合本側(cè)量測信息和對側(cè)量測信息,對自身和相鄰STU的狀態(tài)以及二者之間支路的連通性進行最終判斷。這樣既可以提高對配電網(wǎng)拓?fù)浔孀R的準(zhǔn)確性,還可以對各STU的運行狀態(tài)進行判斷。

表1 STU狀態(tài)及連通性初判結(jié)果Tab.1 STU status and initial judgment results of continuous communication

圖2為STU根據(jù)本地的開關(guān)量和電流量對連通性進行初始判斷的規(guī)則設(shè)計,其中,gx,k為開關(guān)(x,k)的狀態(tài);Ix,k為流經(jīng)開關(guān)(x,k)的支路電流;ε為閾值。取略大于正常量測誤差的最小正整數(shù),此處所提規(guī)則均采用電流的絕對值對判據(jù)進行構(gòu)造,不受電流方向影響。因此,這些規(guī)則適用于含分布式電源的有源配電網(wǎng)以及單向潮流的無源配電網(wǎng)。

圖2 STU狀態(tài)及連通性判斷規(guī)則Fig.2 STU state and connectivity judgment rules

首先根據(jù)各智能終端量測到的開關(guān)量進行開關(guān)狀態(tài)的判斷,這是圖2中根節(jié)點的功能。為了應(yīng)對量測誤差,文中提出了相互校驗?zāi)M量的設(shè)計,這樣可以增加連通性判斷的容錯能力。圖2所示規(guī)則說明如下:

(1) 若STU量測到的開關(guān)量與電流量邏輯相符,則本側(cè)開關(guān)連通性的置信度為1。在開關(guān)閉合且支路有電流的情況下,可以預(yù)判對側(cè)開關(guān)也是閉合的。如果開關(guān)斷開并且支路電流量為零,則對側(cè)開關(guān)的狀態(tài)可進行判斷。

(2) 若STU量測到的開關(guān)量為0,但電流量不為0,則按開關(guān)量判斷該開關(guān)為斷開狀態(tài),置信度為0.5。對側(cè)開關(guān)狀態(tài)仍無法判斷,置信度為0。

(3) 如果STU量測到的開關(guān)量為1,但有電流流過,這可能是由于對側(cè)開關(guān)處于斷開狀態(tài),二者之間并沒有邏輯沖突。因此以置信度1判斷本側(cè)開關(guān)閉合,同時判斷對側(cè)開關(guān)斷開,置信度為0.5。

2 考慮智能終端失效的自適應(yīng)保護方案設(shè)計

智能分布式饋線自動化系統(tǒng)中,智能終端設(shè)備檢測故障電流信息并與相鄰終端交換,從而快速實現(xiàn)故障定位、故障隔離與供電恢復(fù)。在信息傳輸過程中,有可能出現(xiàn)智能終端運行異?；蛲ㄐ畔到y(tǒng)故障等情況,將導(dǎo)致保護失效,帶來保護系統(tǒng)故障處置時間延長的風(fēng)險。

2.1 保護方案設(shè)計

針對STU運行狀態(tài)異常的情況,根據(jù)KCL與差動保護原理,設(shè)定自適應(yīng)保護規(guī)則如下:當(dāng)各STU運行狀態(tài)正常時,本側(cè)開關(guān)與相鄰開關(guān)構(gòu)成電流差動保護。當(dāng)檢測到對側(cè)STU故障時,擴大保護范圍,本側(cè)開關(guān)與對側(cè)開關(guān)的鄰近開關(guān)構(gòu)成電流差動保護。自適應(yīng)保護動作判據(jù)為

式中:Id為差動電流;Ires為制動電流;I0為防誤動門檻值;Kres為自適應(yīng)制動系數(shù)。

2.2 與傳統(tǒng)區(qū)域保護方案比較

2.2.1 縱聯(lián)差動保護

在傳統(tǒng)區(qū)域保護中,電流差動保護為主保護,過流保護為后備保護。如圖1所示,當(dāng)k1點發(fā)生故障時,SA2量測失效,此時由QF3和QF4構(gòu)成的電流差動保護以及由QF3構(gòu)成的過流保護均失效,需要由QF1過程的過流保護Ⅲ段動作切除故障,動作時間為2Δts。在本文所提自適應(yīng)保護中,當(dāng)SA2量測失效時,由SA4與SA1和SA3進行信息交互,構(gòu)成自適應(yīng)差動保護,在故障發(fā)生時迅速動作并切除故障,并減小了停電區(qū)域。由此可得,本文所提自適應(yīng)保護方案具有更好的速動性與可靠性。

2.2.2 母線差動保護

在傳統(tǒng)區(qū)域保護中,母線差動保護為主保護,過流保護為后備保護。如圖1所示,當(dāng)點k2發(fā)生故障時,SA4量測失效,此時由QF4、QF5、QF9和QF11構(gòu)成的母線差動保護以及由QF4構(gòu)成的過流保護均失效,需要由QF3的過流保護Ⅲ段動作切除故障,動作時間為2Δts。在本文所提自適應(yīng)保護中,當(dāng)SA4量測失效時,由SA2與SA5、SA6和SA7進行信息交互,構(gòu)成自適應(yīng)差動保護,在故障發(fā)生時迅速動作并切除故障,并減小了停電區(qū)域。由此可得,本文所提自適應(yīng)保護方案具有更好的速動性與可靠性。

3 仿真分析

利用PSCAD仿真軟件,搭建如圖1所示的10 kV主動式配電網(wǎng)模型。設(shè)計開環(huán)運行方式,驗證拓?fù)浔孀R方法的有效性,并設(shè)計STU運行異常的場景,驗證所提自適應(yīng)保護方案的有效性。

3.1 縱聯(lián)電流差動保護

3.1.1 STU狀態(tài)及通道辨識驗證

設(shè)置開環(huán)運行的方式為斷開開關(guān)QF6,該運行方式下,各STU對開關(guān)量與電流量進行采集。每個STU根據(jù)本地兩側(cè)的開關(guān)量與電流量信息,對其與鄰接開關(guān)的連通性進行判斷,獲得完整的拓?fù)?。此時,假設(shè)QF3的電流量測偏低,圖1所示配電網(wǎng)中,SA2與其相鄰STU的狀態(tài)信息如表2所示。

表2 SA2與其相鄰STU的狀態(tài)信息Tab.2 Status information of SA2 and its adjacent STUs

3.1.2 自適應(yīng)保護方案有效性驗證

為驗證本文所提自適應(yīng)保護方案的有效性,基于2.2.1節(jié)所述,對配電網(wǎng)發(fā)生短路故障進行仿真。首先,在傳統(tǒng)區(qū)域保護方案中,0.1 s支路NP發(fā)生三相短路故障,SA2量測信息失效,QF1的過流Ⅲ段在1.1 s動作,故障電流以及各保護動作情況如圖3所示。

圖3 線路故障傳統(tǒng)區(qū)域保護方案故障電流及保護動作情況Fig.3 Fault current and protection action of traditional regional protection scheme for line fault

在本文所提自適應(yīng)保護方案中,0.1 s支路NP發(fā)生三相短路故障,SA2量測信息失效,QF2、QF4、QF10在0.1 s動作,故障電流以及各保護動作情況如圖4所示。

圖4 線路故障自適應(yīng)保護方案故障電流及保護動作情況Fig.4 Fault current and protection action of line fault adaptive protection scheme

3.2 母線差動保護

3.2.1 STU狀態(tài)辨識驗證

設(shè)置開環(huán)運行的方式為斷開開關(guān)QF6,該運行方式下,各STU對開關(guān)量與電流量進行采集。每個STU根據(jù)本地兩側(cè)的開關(guān)量與電流量信息,對其與鄰接開關(guān)的連通性進行判斷,獲得完整的拓?fù)?。此時,假設(shè)QF4的電流量測偏低,圖1所示配電網(wǎng)中,SA4與其相鄰STU判定的狀態(tài)信息如表3所示。

表3 SA4與其相鄰STU的狀態(tài)信息Tab.3 Status information of SA4 and its adjacent STUs

3.2.2 自適應(yīng)保護方案有效性驗證

為驗證本文所提自適應(yīng)保護方案的有效性,基于2.2.2節(jié)所述,對配電網(wǎng)發(fā)生短路故障進行仿真。首先,在傳統(tǒng)區(qū)域保護方案中,0.1 s母線P發(fā)生三相短路故障,SA4量測信息失效,QF3的過流Ⅲ段在1.1 s動作,QF9的過流Ⅰ段故障電流以及各保護動作情況如圖5所示。

圖5 環(huán)網(wǎng)柜故障時傳統(tǒng)區(qū)域保護方案故障電流及保護動作情況Fig.5 Fault current and protection action of traditional regional protection scheme when ring main unit fails

在本文所提自適應(yīng)保護方案中,0.1 s母線P發(fā)生三相短路故障,SA4量測信息失效,QF3、QF5、QF9、QF11構(gòu)成母線差動保護,在0.1 s動作,故障電流以及各保護動作情況如圖6所示。

圖6 環(huán)網(wǎng)柜故障時自適應(yīng)保護方案故障電流及保護動作情況Fig.6 Fault current and protection action of adaptive protection scheme in case of ring main unit fault

4 結(jié)語

本文提出了一種適用于STU異常的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護方法,充分利用了STU采集的電氣量與開關(guān)量信息。各STU間進行信息交互,獨立對區(qū)域內(nèi)故障進行識別,實現(xiàn)配電分布式保護。所提算法無需預(yù)存配電網(wǎng)整體的靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即可快速地實現(xiàn)拓?fù)渥R別與更新,還可對運行異常的STU進行判斷。所提保護方案能準(zhǔn)確應(yīng)對STU失效的情況,通過與失效STU相鄰的STU進行配合,自適應(yīng)調(diào)整保護方案并切除故障。研究表明所提方法相對于傳統(tǒng)區(qū)域保護方法更加靈活,能夠適應(yīng)主動配電網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜多變的現(xiàn)狀,提高了保護的速動性與可靠性,對主動配電網(wǎng)的保護效果更好。