0 引言

    智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下，隨著主動配電網(wǎng)技術(shù)推廣應用，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向著多源、網(wǎng)狀、并網(wǎng)方式發(fā)展，其系統(tǒng)由單向固定向著雙向不確定轉(zhuǎn)變；但是，導致當配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時，短路電流能量的流動方向出現(xiàn)多種不確定因素^[1-2]。

    為解決上述問題，國內(nèi)外研究人員提出了多種保護與控制方案。文獻[3-4]從電流的相位角度出發(fā)，提出了基于故障電流相位變化方式的方向電流檢測法，并考慮了光照、風力以及負荷變化等不確定因素，設(shè)計了一套完整的電流相位保護方案。文獻[5-6]利用本地信息，仍沿用傳統(tǒng)保護判據(jù)進行改進，在配電線路兩端設(shè)置電流方向檢測元件，實現(xiàn)了故障的識別與切除。文獻[7-8]利用多信息融合進行綜合判別，通過獲取含新能源電源的電網(wǎng)拓撲的實時信息，計算不同支路故障時的特征與參數(shù)，對保護配置與定值做出針對性的修改。

    但是，多端差動保護原理在我國35 kV及以下中低壓饋電線路中的應用中仍受到較大限制，因此為縮短故障切除時間，提高保護動作可靠性，縮小故障切除區(qū)域，提高配電網(wǎng)繼電保護運行水平，本文提出了一種中低壓饋電線路區(qū)域保護裝置，并進行了硬件電路與保護判據(jù)設(shè)計。仿真實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計裝置能夠滿足現(xiàn)階段配電網(wǎng)對于故障判別、隔離與定位的要求，在速度和精度上相比于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護有了質(zhì)的提升。

1 中低壓饋電線路區(qū)域保護結(jié)構(gòu)設(shè)計

    當前配電網(wǎng)區(qū)域保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為集中控制式和分布決策式兩種形式^[9]，綜合分析配電網(wǎng)對繼電保護的要求，本文中的配電網(wǎng)區(qū)域保護采用分散式和集中式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    集中式的決策中心直接控制線路上的節(jié)點IED，每條配電線路中設(shè)置一個控制本線路中IED之間的通信規(guī)則的主站IED。在主站的統(tǒng)一調(diào)控下通過光纖將線路中IED采集的線路實時運行數(shù)據(jù)在IED之間互相交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享。在多點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，IED設(shè)備根據(jù)廣域信息保護判據(jù)實現(xiàn)配電網(wǎng)中后備保護的功能，利用多點信息實現(xiàn)故障元件的識別與隔離。

2 中低壓饋電線路區(qū)域保護裝置設(shè)計

    為確保裝置具有較好的兼容性，中低壓饋電線路區(qū)域保護裝置主要包括模擬量采集模塊、開入量采集模塊、主控電路模塊、動作輸出模塊和顯示面板5部分^[10]，其中裝置結(jié)構(gòu)及各模塊間的關(guān)系示意圖如圖2所示。

3 中低壓饋電線路區(qū)域裝置保護判據(jù)設(shè)計

3.1 有源配電網(wǎng)自適應保護判據(jù)設(shè)計

3.1.1 基于相電流突變量的保護起動方法

    基于相電流突變量的保護起動主要利用故障后電流發(fā)生突變的特點^[11-12]。由于該保護是作為主保護對速動性要求較高，因此起動部分采用單相電流突變量起動，提高保護靈敏性，降低動作延時。其中單相電流突變量的計算方式如下：

式中，I_set1為預設(shè)的浮動閾值，可根據(jù)線路上負荷的變化而即時調(diào)整，通常不小于0.3倍的最小負荷電流，不大于0.5倍的最大負荷電流。

3.1.2 電流差動保護判據(jù)設(shè)計

    現(xiàn)階段配電網(wǎng)的常見形態(tài)如圖3所示，在配電網(wǎng)兩條母線間存在帶有負荷Load的不可測分支。因此，考慮不可測分支后的區(qū)域電流差動保護判據(jù)如下：

式中，k%為最大轉(zhuǎn)移電流占額定電流的百分比，通常取10%；K_m為可靠系數(shù)；I_N為該段線路額定電流。

    式(4)為制動電流判據(jù)，K_res為制動系數(shù)，考慮TA飽和誤差，存在電機類DG等特點，其值取0.3~0.45。

3.2 配電網(wǎng)故障隔離方法

    隔離區(qū)域根據(jù)分段開關(guān)的位置被劃分為8個獨立的定位區(qū)域，如圖4所示。

    不同類型的區(qū)域存在不同的定位判據(jù)。對于多出口、多IED設(shè)備的區(qū)域，如定位區(qū)1、2、4、6，采用基于多端電流差動的定位判據(jù)。其判據(jù)如下：

4 仿真與測試

4.1 保護仿真模型的建立

    通過MATLAB/Simulink軟件搭建有源配電網(wǎng)模型，具體如圖5所示。

    圖5中電源使用三相接地電源模塊，電壓設(shè)置為10.5 kV，容量為500 MVA；頻率設(shè)置為50 Hz；DG1與DG2均為逆變型DG，不同時工作，容量為5 MVA，逆變器輸出電壓0.38 kV，頻率50 Hz，經(jīng)配變0.4 kV/10 kV升壓并網(wǎng)，短路輸出電流為1.3 p.u.。f₁、f₂為兩個饋線分支三相短路故障點，不同時故障。輸電線路使用三相Π型等值電路，具體參數(shù)如表1所示。

4.2 自適應電流差動保護方法分析

    基于圖5，故障點f₁處發(fā)生三相短路故障，令系統(tǒng)電源至A母線及AC母線間的線路長度均為10 km，故障點距離C母線5 km。故障發(fā)生于0.4 s，故障發(fā)生時DG1退出，DG2先投入并在0.7 s后退出，對保護1、2、5以及保護2、3采用自適應電流差動保護方案的結(jié)果進行仿真。差動電流波形如圖6所示。

    由圖6(a)可見，當故障發(fā)生在該保護區(qū)外時，其最大差動電流小于0.2 A，不滿足式(1)、式(2)、式(3)保護起動及動作條件。由圖6(b)可見，當故障發(fā)生在該保護區(qū)內(nèi)時，0.4 s故障發(fā)生的瞬時，差動電流就已超過500 A，即使分布式電源退出，短路電流400 A，滿足自適應電流差動保護所設(shè)定的起動及動作條件，保護將立即動作，跳開4、5所對應的斷路器，故障切除。

    由于保護2、3的區(qū)域內(nèi)存在未檢測饋線分支，無法獲取其瞬時電流量信息，因此采取式(4)負荷預測的方式，取平均負荷電流為50 A，相比于傳統(tǒng)電流保護在這種情況下產(chǎn)生的越級保護或是靈敏度下降問題，自適應電流差動保護方法顯然更加可靠和靈活。

4.3 新型故障隔離方法仿真分析

    搭建一個環(huán)網(wǎng)仿真模型，如圖7所示，具體參數(shù)與4.1節(jié)相同。圖7中存在11個分段開關(guān)，1、5、6、10為斷路器，2、3、4、7、8、9、12為負荷開關(guān)。將11個分段開關(guān)劃分為7個關(guān)注的隔離區(qū)域，當區(qū)內(nèi)故障時，將通過這7個負荷開關(guān)進行深度隔離。隔離區(qū)域與分段開關(guān)的關(guān)系如表2所示。

4.3.1 故障發(fā)生于f₁處

    當故障發(fā)生在f₁處時，7個隔離區(qū)計算所得的電流信息如表3所示。由于饋線分支2為未檢測分支，故根據(jù)其最大負荷0.5 MW估算其最大單相電流為28.86 A，并設(shè)置該區(qū)域差動閾值為40 A(下同)。

    隔離區(qū)7所在的負荷開關(guān)11捕捉到了故障電流，其波形如圖8所示。

4.3.2 故障發(fā)生于f₂處

    當故障發(fā)生在f₂處時，7個隔離區(qū)計算所得的電流信息如表4所示。

    隔離區(qū)6所在的負荷開關(guān)8、9通過不完全差動算法捕捉到了故障電流，其波形如圖9所示。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了一種適用于我國中低壓系統(tǒng)的區(qū)域保護裝置，提出了自適應的多端電流差動保護以及故障隔離方法。該設(shè)計裝置以傳統(tǒng)差動電流保護為基礎(chǔ)，結(jié)合含DG配電網(wǎng)故障電流的特點，解決了傳統(tǒng)三段式電流保護應用于有源配電網(wǎng)時存在的諸多問題，縮小了配電網(wǎng)的故障隔離區(qū)域，能在較短的時間內(nèi)完成非故障區(qū)域的停電恢復，體現(xiàn)了設(shè)計裝置的快速性、高效性、可靠性。

參考文獻

[1] 陸川，楊超，陳新.一種認知智能電網(wǎng)中頻譜接入策略選擇機制[J].電子技術(shù)應用，2017，43(9)：114-118.

[2] 畢曉東.智能電網(wǎng):萬億蛋糕如何分享[J].電子技術(shù)應用，2017，43(2)：10，12.

[3] UKIL A，DECK B，SHAH V H.Current-only directional overcurrent protection for distribution automation challenges and solutions[J].IEEE Transaction on Smart Grid，2012，3(4)：1687-1794.

[4] HALABI N E，GARCIA-GRACIA M，BORROY J，et al.Current phase comparison pilot scheme for distributed generation networks protection[J].Applied Energy，2011，88(12)：4563-4569.

[5] 許偲軒，陸于平.含DG配網(wǎng)電流幅值差異化保護方案[J].電工技術(shù)學報，2015，30(18)：164-170.

[6] 陳曉龍，李永麗，譚會征，等.含逆變型分布式電源的配電網(wǎng)自適應正序電流速斷保護[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39(9)：107-112.

[7] 黃純，劉鵬輝，江亞群，等.基于動態(tài)時間彎曲距離的主動配電網(wǎng)饋線差動保護[J].電工技術(shù)學報，2017，32(6)：240-247.

[8] 白加林，高昌培，王宇恩，等.基于數(shù)據(jù)源共享的廣域智能保護及控制系統(tǒng)研究與應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44(18)：157-162.

[9] 馬靜，張涌新，項曉強，等.基于保護動作信號的配電網(wǎng)區(qū)域保護方案[J].電力自動化設(shè)備，2018，38(3)：34-41.

[10] 王勝利，吳云峰，張晨雨，等.用于鋰電池模擬的高速電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應用，2017，43(12)：125-129.

[11] 李娟，高厚磊，朱國防.考慮逆變類分布式電源特性的有源配電網(wǎng)反時限電流差動保護[J].電工技術(shù)學報，2016，31(17)：74-83.

[12] 牛耕，周龍，裴瑋，等.低壓有源配電網(wǎng)在線故障區(qū)間定位與識別方法[J].中國電機工程學報，2017，37(9)：2525-2539.

作者信息:

代運滔

(貴州電網(wǎng)有限責任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000)