基于智能終端單元的分布式配電網靜態安全分析?

李怡萌 王 茜 王春梅 李皓然

（國網冀北電力有限公司技能培訓中心 保定 071000）

基于智能終端單元的分布式配電網靜態安全分析?

李怡萌 王 茜 王春梅 李皓然

（國網冀北電力有限公司技能培訓中心 保定 071000）

隨著智能配電網的發展，分布式電源（Distributed Generation，DG）的大量接入和滲透率的不斷提高改變了配電網的結構與潮流分布，導致傳統配電網靜態安全出現誤動、拒動、靈敏度降低等問題，給配電網靜態安全帶來了巨大的挑戰。論文通過結合傳統的過電流靜態安全及新型的分布決策式廣域靜態安全提出一種基于智能終端單元（Smart Terminal Unit，STU）的分布決策式靜態安全方法。利用STU實時獲取本地電流大小及方向信息，并將數據處理成邏輯值。經過邏輯計算后，滿足條件的STU獲取相鄰STU的邏輯計算結果。結合本地與相鄰線路兩個站點計算的邏輯值，根據規定的判據，即可判斷出故障區域；再通過對本地設備的控制，就可以準確快速切除故障線路。此種靜態安全方法無需同步采樣，大大降低了對通信通道的要求；同時也解決了DG給傳統配電網靜態安全帶來的問題。最后通過PSCAD仿真驗證了所提出的新型靜態安全方案的合理性與可靠性。

配電網；分布式決策；靜態安全；分布式電源；智能終端單元

1 引言

隨著分布式發電的快速發展，大量的DG接入使配電網變成一個正常運行潮流與故障電流雙向流動的有源網絡，給配電網的靜態安全與控制帶來了新問題。為此，研究者提出了多種新型靜態安全方案。在傳統的電流靜態安全的基礎上增加了方向元件，構成了能夠適應DG接入配電網靜態安全方案。但是選擇性仍是依靠靜態安全之間逐級延時配合實現，因此總體動作速度較慢；采用反時限過電流靜態安全的逐級配合原理，整定配合非常復雜，且總體動作速度較慢。另一類靜態安全方案則是基于通信系統交換實時信息來實現的。近年來，配電網智能終端的智能化水平有很大提升，在采集、處理本地數據信息，獲取相關站點信息功能的基礎上，可以利用靜態安全決策系統確定故障元件，向相關的終端執行單元發出動作信號隔離故障元件，并能支持高級應用軟件。

本文提出一種基于STU的分布決策式靜態安全方法。STU實時獲取本地電流信息并處理成簡單的邏輯值。經過邏輯計算后，滿足條件的STU無需同步采樣，獲取相鄰STU的邏輯計算結果。基于本地與相鄰STU的信息，依據規定的判據，就可以準確快速地確定故障線路并切除。這種靜態安全方案改進了傳統配電網的靜態安全功能，使其能夠適應分布式電源給配電網潮流帶來的影響，同時又僅利用相鄰兩站點間傳輸邏輯信號的通信方式大大降低了對通信通道的要求。

2 含DG的配電網電流特征分析

2.1 配電網故障模型

圖1 含有DG的經典配電網故障模型

圖1 是一個含有分布式電源的經典配電網模型。假設每一段線路的首端都配有電流靜態安全裝置，且規定參考方向為母線流向線路。該模型在正常運行時，每段線路流過的電流為正常的負載電流。沒有接入分布式電源的饋線上流過的正向的負載電流；含有分布式電源的饋線AH上流過的電流方向不定，與分布式電源的容量有關。圖中 f1、f2和 f3是三種典型的故障情況。

2.2 故障分析

下面分別詳細地分析該模型在發生不同故障時，各段線路首端的電流變化情況。

1）當不含有分布式電源的饋線支路AB上發生短路故障 f1時，故障線路AB首端流過正向的故障電流，且故障電流由系統和分布式電源共同提供，因此此時的故障電流會比沒有分布式電源接入時的故障電流大，相當于提高了靜態安全的靈敏度；故障線路的下游線路BC、BD上沒有電流流過；而另一條含有分布式電源的饋線AH上流過的電流都是反向的故障電流，故障電流由分布式電源提供，因此故障電流的大小與分布式電源的容量及故障類型有關。此時饋線AH上的故障電流如果大于靜態安全的整定值，線路上的靜態安全裝置會誤動，擴大停電范圍。可以在饋線上的靜態安全裝置上加裝方向元件以判斷是否為區外故障，防止靜態安全的誤動作。

2）當分布式電源上游線路AE上發生短路故障 f2時，另一條饋線上的線路AB、BC、BD不受影響，仍然流過正常的負載電流，方向為正。故障線路AE上流過正向的故障電流，電流大小不受分布式電源的影響；故障線路的下游線路EH上流過反向的故障電流，故障電流由分布式電源提供，電流大小與分布式電源的容量有關。為了防止線路EH上流過的故障電流大于靜態安全整定值而導致誤動，需要在線路EH上裝設方向元件。

3）當分布式電源下游線路FG上發生短路故障 f3時，另一條沒有分布式電源接入的饋線上流過正常的負載電流，方向為正；故障線路上游線路AF上流過的是正向的故障電流，故障電流由系統提供；故障線路FG首端流過的是正向的故障電流，由系統和分布式電源共同提供。此時故障電流相對于沒有分布式電源接入前增大，相當于提高了靜態安全的靈敏度；而故障線路的下游線路GH上沒有電流流過。

通過對故障前后電流大小及方向的分析可以發現，故障前線路上流過為正常運行的負載電流，電流方向與分布式電源的位置及容量有關。而故障發生后，故障線路上流過的一定是正向的故障電流；非故障線路上流過的可能是正常的負載電流，正向的故障電流，反向的故障電流，或者沒有電流。所以靜態安全裝置僅通過本段線路上的電流大小及方向信息無法判斷故障是否發生在本段。但是通過進一步分析可以發現故障線路如果存在上游線路，則其上游線路流過的一定也是正向的故障電流，而故障線路的下游線路一定不會流過正向的故障電流。因此，只要結合本段線路及相鄰線路上的電流信息就可以確定故障線路。

3 基于STU的分布決策式配電網靜態安全

3.1 分布決策式靜態安全原理

對含有分布式電源配電網在不同故障情況下電流的分析可知，每段線路上流過電流的大小及方向會不同程度受到分布式電源的容量和接入位置影響，但相鄰線路上的電流之間卻存在著必然的聯系。因此得到以下的靜態安全原理。

1）若某段線路首端沒有流過正向的故障電流，則故障一定不發生在該段線路，且不需訪問相鄰下游線路。

2）若某段線路首端流過正向的故障電流，若其相鄰下游線路沒有流過正向電流，則故障一定發生在本段線路上，斷路器跳閘斷開故障線路。

3）若某段線路首端流過正向的故障電流，若其下游線路流過正向電故障電流，則故障一定不發生在本段線路上，本段線路閉鎖。當本段線路不再流過正向的故障電流時，解除閉鎖。

3.2 基于STU的分布決策式配電網靜態安全方案

圖2 典型智能配電網模型

圖2 為含有分布式電源的典型配電網模型，每段線路的首端裝有過流靜態安全元件及方向元件，實時測量線路上的電流大小及方向。每段線路的首端還裝有斷路器，保證收到跳閘信號時可以快速切斷故障線路。每套靜態安全配有相應的STU，并且將這個配電網區域內的站點設計在同一個光纖以太網內。每個STU實時監測并處理本段線路電流大小及方向的信息。滿足訪問條件時，以以太網為通信通道獲取相鄰STU的數據，實時數據傳輸延時可以控制在10ms以內，控制響應時間小于100ms，完全滿足配電網靜態安全對動作速度的要求。

圖3為靜態安全方案的具體流程圖。在此靜態安全方案中，每個STU需實時完成三個功能：

功能一：判斷本段線路是否過電流。每段線路電流的整定值按照定時限過電流靜態安全（第III段過電流靜態安全）即躲過最大負荷電流的方法來整定。當實際電流大于整定值，則記A的值為“1”，否則將 A記作“0”（A的值表征本地線路上的電流是否為故障電流）。

功能二：判斷本段線路首端的電流方向。規定參考方向為母線指向線路的方向。若電流方向與參考方向相同，即正方向，則記B的值為“1”；否則將B記作“0”（B的值表征本地線路首端的電流方向）。

功能三：邏輯運算。將A和B進行邏輯“與”計算（即A∩B）結果記作C。

圖3 靜態安全方案流程圖

C值是STU實現本文靜態安全原理的重要信息。若計算結果C值為“1”，則說明本段線路上流過正向的故障電流，則證明故障應該發生在本段線路及其之后的線路上。若C值為“0”則可能有以下三種情況：

1）0∩1：說明本段線路流過正向的負載電流，沒有故障發生在本段線路上。

2）1∩0：本段線路上流過反方向的故障電流，證明故障發生在本段線路之前，并且由本段線路下游的DG提供的反向故障電流。

3）0∩0：本段線路上的沒有電流或者反方向的正常負載電流，則故障可能發生在上游線路，或者下游的DG容量很大，線路上流過反向的負載電流。

綜上所述，C=0時，滿足原理1），說明本段線路沒有流過正向的故障電流，不需訪問相鄰線路。C=1時，本段線路流過正向故障電流，需要獲取下一段相鄰線路的STU的C值，因此，C值為“1”是STU訪問下段線路STU的C值的啟動條件。若下一段線路C值為“0”，則滿足原理2），確定故障發生在本段線路上，本地STU給斷路器發跳閘信號。若訪問到下一段線路的C值是“1”，則滿足原理3），排除故障發生在本段線路上的可能，本地STU給斷路器發閉鎖信號，維持本段線路正常運行。當下游的STU確定出故障并隔離后，本地STU計算得到C值為“0”，此時解除閉鎖。

3.3 靜態安全方案補充說明

1）處于饋線末端線路上的STU邏輯計算得到C值為“1”，則說明故障一定發生在本段線路上，立刻給本段斷路器發出跳閘信號，切除故障線路。

2）當某一段線路下一級為分支線路時，且該段線路又滿足啟動訪問條件，則該段線路的STU需要訪問下一級所有分支的C值，并將下級所有的C值進行邏輯“或”計算后的結果作為判定條件，即C1∪C2∪…∪Cn。

3）電流方向對于實現本文所提出的靜態安全功能有決定性作用，因此方向元件在此靜態安全方案中十分重要。傳統90°接線功率方向元件是最常用的測量方向的元件，但由于需要安裝電壓互感器獲取電壓信息，所以難以在配電網大規模使用。

4 仿真分析

4.1 含DG配電網典型算例

利用PSCAD仿真軟件搭建如圖2所示的仿真模型。系統基準容量為100MVA，基準電壓為10.5kV。其中，線路AB、AE、EF為架空線路，線路參數為 r1=0.270Ω/km ，x1=0.347Ω/km ，BC、BD、FG、GH是地下電纜，參數為 r2=0.259Ω/km，x1=0.093Ω/km。節點F和節點H處接有容量為1MVA的DG。在每段線路配備本文所提靜態安全方案。通過分析電流的大小及方向，利用本文所提供的靜態安全方案判斷故障位置。

4.2 線路AB末端發生故障

當線路AB末端發生三相短路故障 f1時，相應的仿真結果及邏輯值如表1所示。

通過仿真結果可知，STU1的C=1，說明線路AB流過正方向的故障電流。此時STU1啟動訪問下級STU的C值。由于線路AB下級時分支線路，因此將STU2和STU3的邏輯值C進行邏輯“或”計算，即0∪0=0。所以STU1確定故障發生在本段，對本段斷路器發跳閘命令，切除故障。當DG的容量很大時，即使流過線路AF的反向電流大于整定值，但此時線路AF上的C=1∩0=0。也快速排除本段線路故障的可能，解決了傳統電流靜態安全誤動的問題。

表1 f1點故障時電流大小、方向及邏輯值

4.3 線路AE末端發生故障

當AE末端發生三相短路故障 f2時，相應的仿真結果及邏輯值如表2所示。

表2 f2點故障時電流大小、方向及邏輯值

通過仿真結果可知，STU4的C=1。STU4啟動訪問下一級STU5的C=0，所以STU4快速判斷出故障發生在本段，對本段斷路器發跳閘命令，切除故障線路。當DG容量很大時，線路EF、FG、GH上的STU可以通過邏輯計算排除故障發生在本段線路的可能。

4.4 線路FG末端發生故障

當FG末端發生三相短路故障時，相應的仿真結果如表3所示。

表3 f3點故障時電流大小、方向及邏輯值

通過仿真結果可知，STU4、STU5、STU6的C 值都是1，都啟動訪問各自下一級的邏輯值C。STU4、STU5下一級的C=1，所以故障不發生在本段線路，STU5、STU6分別閉鎖本段斷路器。而同時STU6訪問到STU7的C值是0，STU6快速判斷出故障發生在本段，STU6發跳閘信號，切除故障線路。

根據以上仿真結果表明，在各種故障情況下，根據本文所提出的靜態安全方案，都能準確判斷故障出區段并快速切除故障。而且解決了因DG給潮流及故障電流帶來影響而導致靜態安全裝置發生錯誤動作的問題。

5 結語

本文通過將傳統的過電流靜態安全與新型的分布決策式靜態安全相結合提出一種基于STU的分布決策式新型靜態安全方法。該方法不僅可以適應含有多個DG、滲透率較高的配電網的靜態安全動作要求，也解決了時限配合延長動作時間，整定值配合困難的問題；同時克服了同步采樣、實時傳送大量數據，對通信的要求較高等問題，只需傳遞單一量的邏輯值，大大降低了對通信通道的要求，準確快速地確定并切除故障線路。最后通過仿真驗證了所提出的新型靜態安全方案的合理性與可靠性。

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Static Security Analysis of Distributed Distribution Network Based on Intelligent Terminal Unit

LI YimengWANG Qian WANG ChunmeiLI Haoran
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

With the development of intelligent distribution network，distributed power supply（distributed generation，DG）a large number of access and permeability increasing changed the structure and the trend of the distribution network，leading to the traditional distribution network static security appear misoperation and misoperation，reduce the sensitivity and other issues，has brought great challenges to the distribution network security.In this paper，a distributed decision-making static security method based on smart terminal unit（STU）is proposed by combining traditional static safety and new distributed decision oriented wide area static security.STU is used to obtain the local current magnitude and direction information in real time，and the data are processed into logical values.After logical calculation，the conditional STU obtains the logical computation result of adjacent STU.According to the logical values calculated by the two stations of the local and adjacent lines，the fault area can be judged according to the prescribed criterion；and then the fault line can be accurately and quickly removed by the control of the local equipment.This kind of static security method does not need synchronous sampling，greatly reduces the requirements for communication channels.At the same time，it also solves the problems that DG brings to the traditional distribution network static security.Finally，the rationality and reliability of the new static security scheme are verified by PSCAD simulation.

distribution network，distributed decision-making，static security，distributed power supply，intelligent terminal unit

TN77

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.011

Class Number TN77

2017年4月10日，

2017年5月21日

國家自然科學基金項目（編號：51607042）資助。

李怡萌，女，碩士，助教，研究方向：電力系統故障診斷，電力電子控制技術。王茜，女，碩士，助教，研究方向：電力系統分析與控制。王春梅，女，碩士，助教，研究方向：電力電子與電力傳動。李皓然，男，碩士，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。