考慮分布式電源與隨機負荷的主動配電網繼電保護新方法

高玉雅，王佳玉，孫宇笛，康文博

(1.國網陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710077；2. 華北電力大學電力工程系，河北 保定 071000；3. 國家能源集團國能信控互聯技術有限公司，北京 100000；4. 國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

隨著城市電力負荷需求的飛速增長、結構類型的多元化發展以及用戶對電能質量和市場服務要求的提高，配電網由被動控制到主動控制是未來電力系統發展的必然趨勢。主動配電網為實現清潔電源的分布式并網與隨機負荷的接入提供了有效的解決方案[1-3]。考慮到主動配電網的電源側與負荷側分別承載著分布式電源的出力與電動汽車等隨機負荷的接入，這些設備的接入和控制方式的復雜性使得配電網的電源結構、網架結構以及負荷結構發生本質的變化，傳統繼電保護構成模式、功能配置與整定配合方案已面臨著嚴峻挑戰[4-6]。由于繼電保護是配電網的基礎支撐技術，對供電可靠性有著根本性的影響，因此主動配電網中繼電保護存在的問題成為必然面對、不可回避并需要認真解決的問題。

為此，許多專家和學者針對主動配電網對繼電保護提出的新要求開展研究。相關研究可以分為兩個方向。一是在現有保護的基礎上加以改進，文獻[7]在傳統電流保護的基礎上，提出了一種基于故障分量電流相位的方法，通過母線上若干條線路的故障分量電流相位來識別故障方向；文獻[8]在傳統距離保護的基礎上，通過分析配電網的構成情況與故障特性，通過修改保護定值來優化保護性能；文獻[9]在傳統縱聯保護的基礎上，將保護判斷所需電氣量擴展至保護線路外側的等效測量阻抗，提出了適用于主動配電網的縱聯保護。二是提出新的保護原理，文獻[10]設計了包含DG的配電變電站及其饋線的區域保護方案，通過不同位置方向的元件動作情況判斷故障位置；文獻[11]設計了基于多代理技術的配電網繼電保護方案，利用SCADA系統的通信功能和Agent之間的協作能力，可以提升保護的可靠性；文獻[12-13]提出了一種配電網自適應保護方法，利用支路貢獻因子矩陣消除DG對各支路故障電流的影響。然而，目前對于主動配電網保護的相關研究尚有一些不足：一是現有故障分析模型多考慮單一因素，對于分布式電源與多類型隨機負荷接入后的配網故障特性有待深入研究；二是現有保護方案多針對固定場景，對復雜事件的處理能力以及對運行環境變化的適應能力有待提升。

針對這些問題，本文分析主動配電網環境下，分布式電源與隨機負荷的動態特性及其對傳統繼電保護四性的影響，提出一種適用于主動配電網的繼電保護新方法。

1 主動配電網環境對保護的影響

1.1 分布式電源的動態特性及影響

分布式電源主要包含風力發電與光伏發電，其出力特性易受環境因素的影響，具有很強的間歇性、波動性與不確定性。

分布式電源一般通過網側變流器接入主動配電網，考慮采用PQ解耦控制的網側變流器，其故障特性可以表示為

(1)

式中IDGd與IDGq——分布式電源輸出的有功與無功電流；Pref與Qref——網側變流器輸出的有功參考值與無功參考值；Upcc——并網點電壓；Imax——網側變流器輸出電流的上限。

因此，故障狀態下分布式電源的輸出電流可以表示為

(2)

式中θ——并網點電壓相角。

以圖1所示輻射型配電網為例，電源Es通過母線B1-B4向負荷L1-L5供電，當故障F1發生后，由保護3作為主保護動作，保護1與保護2作為保護3的后備保護。

圖1 輻射型配電網

當配電網中含有分布式電源時(見圖2)，母線B2，B3上分別接有DG1，DG2。分布式電源的狀態與運行方式的變化將直接影響保護的整定與配合，保護需要考慮以下因素。

圖2 含分布式電源的輻射型配電網

(1)分布式電源運行方式的變化對繼電保護可靠性的影響。當故障F1發生后，故障電流包含兩部分：一部分由Es提供，另一部分由DG1與DG2提供。考慮到式(1)中Imax可以取2.5～3.0倍DG輸出的額定電流，而Pref與Qref可以取0～1倍的DG額定容量，而其他參數又會隨著分布式電源運行方式的變化而變化，故障期間系統運行方式變化較大，易發生誤動或拒動。

(2)系統潮流方向變化對繼電保護選擇性與速動性的影響。當故障F1發生時，要求保護3先于保護2動作，而對于故障F2，則要求保護2先于保護3動作。分布式電源電流的注入，導致系統的潮流方向時刻變化，距離最近的保護或I段保護未必能夠有效識別故障，從而導致保護失去選擇性或不能及時動作。

1.2 隨機負荷的動態特性及影響

隨機負荷主要以規模化電動汽車隨機接入充電為主。受用戶區域位置和使用習慣等不確定因素的影響，具有很強的時空隨機性。

考慮到電動汽車多以充電模式接入配網，本文主要研究電動汽車充電狀態對繼電保護的影響主要。電動汽車的充電機本質上是一個三相電壓型PWM變流器，通過AC/DC變換將電網的交流電轉換為蓄電池中的直流電，其電流電壓瞬時特性可以表示為

(3)

式中L，R——交流測的電感與電阻；id，iq——變流器d，q軸電流；ω——交流角速度；ed，eq——電網d，q軸電壓；ud，uq——變流器d，q軸電壓；C為直流側電容；udc，idc——直流側的電壓與電流；sd與sq——開關函數。

電動汽車充電的長期特性可以通過統計建模方法描述，隨機負荷充電功率模型可以表示為

(4)

當配電網中含有隨機負荷時(見圖3)，線路末端接有電動汽車BSS。電動汽車隨機負荷的充電模式與用戶習慣將直接影響保護的整定與配合，保護需要考慮以下因素。

圖3 含隨機負荷的輻射型配電網

(1)電動汽車充電的隨機沖擊對保護可靠性的影響。根據式(3)，大規模電動汽車BSS接入電網充電的瞬間，相當于短路狀態，會產生一定的沖擊電流，達到或超過繼電保護的整定值。在這種場景下，保護3的Ⅰ段部分由于沒有延時，難以區分沖擊電流與短路電流，極有可能發生誤動。

(2)電動汽車接入的長期影響對保護靈敏性的影響。用戶充電行為的影響，式(4)中的i值與居民用電高峰期重疊，將導致區域用電負荷峰值的增大。由于保護3的Ⅲ段部分按照起動電流躲過線路最大負荷電流整定，K值變大將導致保護的靈敏性降低，同時與保護選擇性的矛盾加劇，甚至出現無法配合的情況。

2 主動配電網自適應保護方法

2.1 基于靈敏度的電流保護自適應整定

鑒于主動配電網的這些特性，有必要根據系統運行方式和故障類型的變化實時改變繼電保護裝置的動作特性，使保護裝置適應這些變化。考慮含分布式電源與隨機負荷的主動配電網，如圖4所示。

圖4 含分布式電源與隨機負荷的主動配電網

由于分布式電源DG1，DG2的運行方式時刻發生變化，以及電動汽車隨機負荷BSS的接入，自適應電流速斷保護(以下簡稱“自適應保護Ⅰ段”)需要根據系統當前運行方式和故障的實際情況，實時、自動整定計算。以保護1為例，保護范圍需覆蓋B1-B2線路全長，不必反映其他線路故障，其整定方法可以表示為

(5)

系統電源側的綜合阻抗可以按照對稱故障分量法求出。系統等效電動勢可以通過下式實時計算得出：

ES=Um+ImZS

(6)

式中Um，Im——故障發生后，保護安裝處測得的的電壓和電流。

為優先保證靈敏性，自適應限時電流速斷保護(以下簡稱“自適應保護Ⅱ段”)僅需要覆蓋本線路全長。以保護1為例，自適應保護Ⅱ段整定值計算如下：

(7)

(8)

由于Kd≤1且ZS≥ZSmin，自適應保護Ⅱ段的整定值不大于傳統電流保護Ⅱ段整定值，從而使保護的靈敏性得到提高。

由于電動汽車接入的長期影響導致負荷峰值發生變化，自適應過電流保護(以下簡稱“自適應保護Ⅲ段”)需要根據負荷和系統運行方式變化的要求，實時調整定值。以保護1為例，按照當前實時負荷電流整定：

(9)

(10)

該方法無需按照電動汽車隨機負荷接入后線路的最大負荷電流進行整定，避免了電動汽車接入的長期影響，能夠提高保護的靈敏性。

2.2 區域后備電流保護方案的構建

電流保護自適應整定方法優先保證了保護的靈敏性，同時能夠滿足速動性與可靠性。但該方法犧牲了選擇性，尤其是在分布式電源接入導致系統潮流方向不確定的場景下。

為此，本文提出一種區域后備電流保護方案作為補充。該方案以單條饋線為基本單元，通過主動配電網的通信系統集中采集各保護的啟動邏輯量信息，判斷故障實際發生位置，再由區域保護主站向各保護發送跳閘命令。

定義上標Ⅰ，Ⅱ與Ⅲ分別為自適應保護的Ⅰ段、Ⅱ段與Ⅲ段啟動信息，下標A，B，C分別表示上級線路、本級線路與下級線路，動作信號1與0分別表示動作與不動作，其故障判據與保護動作判據分別如下所示。

故障判據1：

(11)

故障判據2：

(12)

故障判據3：

(13)

式中I——保護判據輸入；?——全稱量詞；?——任意量詞。

故障判據1與2用于判斷故障是否發生在本級線路，故障判據3用于判斷故障是否發生在下級線路。

保護動作判據：

(14)

式中J——區域保護的輸出信號；J=1與J=0——區域保護主站向執行判據計算處的保護發出或不發出動作信號；J=Δ——區域保護主站向執行判據計算處的保護發出延時信號。

當發出延時信號時，說明此處自適應保護Ⅱ段可能存在與下級線路無法配合的情況，有越級跳閘的風險，此時需要根據延長自適應保護Ⅱ段的啟動時間。E1+E2+E3的計算結果越小，說明故障發生的距離越遠，需要的延時也越長。

以圖4所示配電網為例，故障F1發生在線路B2-B3的末端。此時保護1與保護2的自適應保護Ⅱ段、Ⅲ段均啟動。對于保護1，計算得E1+E2+E3=-2，區域保護主站向保護1發出延時信號。對于保護2，計算得E1+E2+E3=1，區域保護主站向保護2發出動作信號。由于保護1的動作時間被延長，因此保護2先于保護1動作，解決了保護可能失去選擇性的問題。

3 仿真驗證

3.1 仿真算例

本文采用基于IEEE 33節點的改進配電系統，驗證所提方法的正確性與有效性，系統圖及各保護編號如圖5所示。

該系統為多電源輻射系統，共包含33個節點，32條支路，5個聯絡開關支路，分別為7-20，8-14，11-21，17-32與21-28，5個可控DG的安裝位置分別為7，11，15，20，29，電動汽車的充電負荷隨機接入系統各個節點。0號變電站為區域主站，負責接收各保護上傳的邏輯量信息，進行綜合決策并發送動作信號。4個保護基本單元按照饋線劃分，分別為{0-1-2-5-17}、{0-1-21}、{0-1-2-24}與{0-1-2-5-32}。

圖5 改進IEEE 33節點配電系統

3.2 保護方案驗證

在線路L3的80%處設置三相金屬性故障F1。故障發生后，區域內各元件的保護啟動信息上傳至區域保護主站，局部區域的自適應保護整定值及保護啟動信息如表1所示。

表1 各保護整定值及動作情況

由表1可知，保護1的自適應保護Ⅲ段啟動，保護2的自適應保護Ⅱ段、Ⅲ段均啟動，保護3的自適應保護Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段均啟動，保護22不啟動，經計算故障判據與保護動作判據如表2所示。

表2 各保護故障判據與保護動作判據

根據表2，區域保護主站向保護1與保護22不發出動作信號，向保護3發出動作信號，向保護2發送延時信號，由保護3動作切除故障。

對于僅在線路首端配置傳統電流保護的系統，由于電流保護的I段難以覆蓋線路末端，線路末端發生的故障是較為不利的情況之一。通過保護定值的自適應整定，能夠有效避免這種情況，保證保護的速動性。在極端情況下，如區域后備保護的通信條件難以滿足，可自然退化為三段式保護，不影響保護動作結果。

考慮不同的故障位置與故障場景，在線路L6的20%處設置兩相相間金屬性故障F2。局部區域的自適應保護整定值及保護啟動信息如表3所示。

表3 各保護整定值及動作情況

由表3可知，保護5與保護6的自適應保護Ⅱ段、Ⅲ段均啟動，僅依靠本地信息的保護可能會存在難以配合的問題，此時需要區域保護主站提供幫助。經計算，故障判據與保護動作判據如表4所示。

根據表4，區域保護主站向保護7與保護25不發出動作信號，向保護6發出動作信號，向保護5發出延時信號，確保由保護6先于保護5動作并切除故障，保證了保護的選擇性。

表4 各保護故障判據與保護動作判據

對于線路首段發生的故障，常規情況下應由保護6的自適應保護Ⅰ段動作切除故障。即便自適應保護能夠刷新保護定值，由于節點7處分布式電源運行狀態的變化及電動汽車隨機接入的影響，保護6的自適應保護Ⅰ段仍會存在未啟動的情況。在這種情況下，區域后備保護方案能夠提供有效補充，在速動性因客觀條件難以滿足的情況下，保證保護的選擇性與可靠性。

綜上所述，本文所提出的保護方案在不同的故障位置和故障場景下能夠正確判斷故障位置，有效解決了保護選擇性和靈敏性之間的矛盾，同時能夠兼顧速動性與可靠性。

4 結語

本文分析了主動配電網環境下，分布式電源與隨機負荷的動態特性及其對傳統繼電保護四性的影響，在此基礎上，提出了一種適用于主動配電網的繼電保護新方法。

(1)采用區域集中與就地分布相協調的保護模式，不受間歇性分布式電源以及隨機負荷的影響，能夠同時滿足保護的靈敏性與選擇性。

(2)自適應保護定值以優先保證靈敏度的方式計算，簡單并易于整定；區域后備保護采用邏輯量通信，信息同步要求低。

(3)區域后備保護在改進三段式保護的基礎上發展而成，對運行方式及網絡結構復雜多變的主動配電網具有良好的適應性。