基于圖形相似度的分布式能源接入配電網差動保護方案

衛澤喆, 武家輝*, 張華, 楊健

(1.新疆大學電氣工程學院, 烏魯木齊 830047; 2.可再生能源發電與并網控制教育部工程研究中心, 烏魯木齊830047;3.中廣核新能源投資(深圳)有限公司新疆分公司, 烏魯木齊 830011)

隨著國家能源戰略轉型,建設以新能源為主導的新型電力系統,成為電網建設發展的主要方向。傳統配電網其拓撲結構和故障特征將隨著高滲透率分布式電源的接入而變得更加復雜,傳統繼電保護的配置已無法滿足日益復雜的配電網系統,配電網的安全運行將受直接影響。

分布式電源(distributed generation,DG)類型多樣,按照其與配電網并網接口可分為經換流器并網的逆變類(inverter interfaced DG,IIDG)和直接并網的旋轉電機類(motor type DG,MTDG)[1]。IIDG受其控制策略影響,故障時短路電流最大只能達到額定電流的1.2～2倍[2],如果以IIDG為主電源的配電網發生相間故障,主變壓器側的故障電流與DG側測量的故障電流將不在同一數量級[3]。當MTDG接入配電網時,故障時輸出電流可達5～7倍[4]。這些因素使得含分布式電源配電網保護的整定方案變得更加困難,分布式電源的發展受到嚴重制約。

針對上述問題,中外學者進行了多方面探討,主要包括限制DG接入容量、傳統保護方法的改進、利用5G等新型通信技術。文獻[5]以階段式電流整定值為約束,計算了最大允許分布式光伏電源接入容量。文獻[6]依據零序電流與中性點電流pearson相關性構建接地防護方案。文獻[7]利用相鄰開關站電壓幅值誤差構建保護判據,對故障區域進行了判斷并隔離。文獻[8-9]以中性點電壓和負序電流為保護特征量,可以準確識別單相斷線故障。文獻[10]線路差動保護方法基于5G和光纖綜合通道構建,降低了對通道的要求,實現了綜合通道差動保護的同步。文獻[11]提出了一種改進的數據自同步算法,利用電流過零時間和電流斜率極性來估計兩端的啟動延遲差,提出了相應的差動保護方案。

在多電源網絡中,考慮到電流差動保護具有良好的選擇性和速動性[12-13],一些學者在含DG配電網的保護中引入電流差動保護。文獻[14]分析了不同類型分布式電源故障時正序電流的差異,動作量由線路兩端正序電流幅值比構建,制動閾值由相位差構建。文獻[15]通過利用故障分量幅值傳輸,采用正序電流幅值比構造幅值保護判據。文獻[16]分析了當發生故障時,接線方式為T型接線的配電網多端電流間幅值和相位之間的關系,提出包含啟動判據和復合動作判據的保護方案,但上述方法對線路兩端信息的同步的要求較高。文獻[17]利用正、負、零序電流,構建了完整的綜合序電流比保護方案,但它只適用于不太重要的中低壓配電網。因此進一步研究一種對通信要求較低,且不需要添加新保護裝置的保護方案具有重要的理論和實踐意義。

Hausdorff距離算法是一種計算圖形相似度算法。近年來,已經有研究人員將其應用在故障定位、故障選線、變壓器保護等方面[18-21]。現將Hausdorff距離算法與配電網差動保護相結合,闡述Hausdorff距離算法的基本原理,深入研究分布式電源接入配電網發生不同類型故障時Hausdorff距離變化情況,提出一種利用電流波形特征,基于Hausdorff距離算法的差動保護方案。最后在PSCAD/EMTDC軟件上搭建含分布式電源配電網模型進行驗證。

1 Hausdorff距離基本原理

Hausdorff距離用于測量給定歐氏空間中的兩組點A={a1,a2,…}、B={b1,b2,…}之間的距離,并描述作為一個整體之間兩組點的最大不匹配程度,Hausdorff距離與兩組點之間的最大不匹配程度成正比關系,Hausdorff距離越大,兩組點之間的最大不匹配程度就越大。公式定義為

H(A,B)=max[h(A,B),h(B,A)]

(1)

式(1)中:

(2)

(3)

式中:|a-b|為兩組點A和B之間任意兩點間的歐幾里得距離;h(A,B)稱為從點A到點B的單向Hausdorff距離,依此類推,h(B,A)稱為從點集B到點集A的單向Hausdorff距離。計算求解過程包括求解單向距離中h(A,B)、h(B,A)中最小值,然后將單向距離的兩個最小值之間的最大值取為H(A,B),H(A,B)稱為雙向Hausdorff距離。

Hausdorff距離用來計算兩組點之間的歐氏距離,反映其兩組點之間的整體相似性,兩組點之間的細微差別將被忽略,H(A,B)越小,表明兩組點間相似性越大。因此,Hausdorff距離算法可以反映兩組波形之間的差異程度,而在電流差動保護中,使用的電流信息來自線路兩端電流互感器的采集二次電流,考慮采用線路兩端的時間信息和電流幅值特性來構造兩組點,每一個數據點都可以用作圖形的某個特征點來計算兩端電流的Hausdorff距離,然后將其與差動保護相結合,提出一種利用兩端電流波形特征,基于Hausdorff距離算法的差動保護方案。

2 基于圖形相似度的自適應差動保護方案研究

2.1 含DG配電網故障電流與Hausdorff距離分析

當線路發生區內、區外故障時,理論上故障電流在波形上會有較大的差別。以圖1所示的含DG配電網簡易模型為例說明發生區內外故障時的電流波形特征。

圖1 含DG配電網簡易模型Fig.1 Simple model of distribution network with DG

Hausdorff距離算法本質上是對波形相似度進行實時計算,所以數據窗大小不影響動作速度。理論上數據窗大小可以任意設定,不影響計算。區別在于當數據窗過長時,采樣點數多,計算量大,計算值輸出平穩且受異常數據影響小;當數據窗過短時,計算量小,計算值輸出更能反映波形變化信息。綜合考慮選擇性與速動性,選擇5 ms作為數據窗。

當線路發生不同區域故障時,線路兩端的A相電流波形與Hausdorff距離值變化情況如圖2所示。

H為Hausdorff距離;I為母線兩端電流;t為時間圖2 不同故障下Hausdorff距離變化情況Fig.2 Variation of Hausdorff distance under different faults

2.2 基于Hausdorff距離的差動保護原理

H>Hset

(4)

式(4)中:H為一個數據窗5 ms內實時的Hausdorff距離值;Hset為固定門檻值,綜合考慮如圖2所示的區外故障與區內高阻故障時Hausdorff距離值,Hset取0.05。當式(4)滿足時,差動保護方案可靠啟動。

借鑒向量和差比率制動判據[22],提出以下差動保護判據:

(5)

式(5)中:

(6)

圖3 保護動作原理與流程圖Fig.3 Protection action principle and flow chart

Iact>IOP

(7)

令

(8)

式中:Iact為動作電流,當動作電流大于啟動門檻值時,保護動作。

與傳統的比率制動式差動保護相比,制動系數典型取值范圍在0.5～0.8,一般為固定值,這種取值不能平衡速動性與可靠性。本文提出的差動保護方案可以根據Hausdorff距離值而改變制動系數K,從而改變保護動作范圍,在最大范圍內保護線路安全。

2.3 保護方案

基于Hausdorff距離的差動保護方案的保護動作原理和流程圖如圖3所示。首先通過智能電子設備(intelligent electronic device,IED)記錄電流互感器(current transformer,CT)采集到的實時電流數據,然后進行同步與歸一化處理,利用處理后線路兩端電流計算Hausdorff距離,當滿足啟動判據H>Hset時,實時構建制動系數K,并根據比率差動保護判據進行區內故障判別。

3 仿真與驗證

為了驗證所提出方案的有效性,基于仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了如所圖4所示的配電網模型,利用MATLAB軟件進行保護方案的驗證。

圖4 含分布式電源的配電網模型Fig.4 Distribution network model with distributed generation

其中節點模型采用標準節點模型IEEE33,中性點經消弧線圈接地,電感值為0.3 H,消弧線圈補償度為10%,為小電流接地系統。在節點0接入三相電源,容量為100 MW,分布式電源在節點17、21、24處接入,分為IIDG和MTDG兩種類型,其中DG2是光伏發電系統,為IIDG類型,容量為0.25 MW,控制策略采用PQ控制,DG1和DG3分別為風電場和燃氣輪機,為MTDG類型,容量分別為0.65 MW和0.4 MW。在下文的仿真分析過程中,均以A相為例進行故障電流分析,故障時刻均設在1.1 s,故障持續時間為0.5 s。

3.1 不同故障區段

為了進一步驗證本文所提方案的選擇性,以線路4-5兩端保護動作為例,模擬線路3-4(區外),4-5(區內)發生不同類型故障時線路4-5保護動作情況與Hausdorff距離的變化情況。傳統電流差動保護制動系數K取值為0.5。如圖5(a)所示,黑色實線與紅色實線分別為傳統保護方案與新型保護方案,線路4-5(區內)在1.1 s發生三相接地故障,在發生故障后的下一個數據窗Hausdorff距離迅速升高,越過門檻值Hset,保護方案可靠啟動,動作電流Iact大于門檻值Iop,跳閘信號發出,保護準確動作。兩種保護方案均可以動作,但文中所提保護的結果大于傳統保護,具有更好的靈敏度。如圖5(b)和圖5(c)所示,線路3-4(區外)1.1 s發生三相故障和BC兩相接地故障時,Hausdorff距離始終小于門檻值,動作電流Iact也始終小于門檻值Iop,兩種保護方案均可靠閉鎖。

圖5 不同位置故障時線路4-5動作電流與Hausdorff距離變化情況Fig.5 Change of line 4-5 operating current and Hausdorff distance in case of fault at different positions

當其他線路(區外)故障時,仿真結果與上述4-5線路發生故障類似,不滿足啟動判據,動作電流Iact始終小于門檻值Iop,保護始終閉鎖,在此不再贅述。

3.2 不同DG類型

該保護方案基于線路兩端電流相似度構建差動保護方案,為了研究不同類型DG接入配電網對線路兩端電流Hausdorff距離的影響,驗證不同類型DG接入時保護的可靠性與靈敏性,通過線路18-19、23-24、25-26模擬MTDG、IIDG、無DG 3種情況接入配電網,線路中發生三相接地故障時各區段保護動作結果如表1所示。可以看出,無論是哪種類型DG接入配電網,兩種保護均可在三相接地故障時動作,但是本文所提的方案在故障后第一個數據窗內,式(4)得到滿足,保護可靠啟動,式(7)成立,保護動作,傳統保護則在第二個數據窗時才滿足動作條件。因此,本文所提的差動保護方案在不同類型接入配電網時發生三相故障均可準確識別區內故障,而且具有更好的速動性。

表1 線路發生三相接地故障Table 1 Three phase grounding fault of the line

配電網系統中性點經消弧線圈接地,補償度為過補償時,系統為小電流接地系統。在單相接地故障的情況下,故障點接地電流為補償后的殘余感性電流,該值較小,因此可以允許帶故障運行1～2 h[23]。

表2給出線路發生A相接地故障后0.005 s和0.010 s時的仿真結果。由于電流數值較小,傳統差動保護不能準確動作。本文所提的保護方案雖然在兩端電流波形的差異性較小,但Hausdorff距離與動作電流仍然在第一個數據窗內大于門檻值,故障區內保護可以準確動作。隨著過渡電阻阻值的增加,故障區段的Hausdorff距離也將減小,達到動作電流超過門檻值的時間也將增加。如果過渡電阻進一步增大,這時就需要專門的高阻故障選線方案進行判別。

由上述分析可以得出,本文所提的保護方案在不同類型的DG接入配電網時均可適用,并在不同故障類型下具有良好的性能。

表2 線路發生A相接地故障Table 2 Phase a grounding fault occurs in the line

仿真結果表明,傳統保護方案在發生單相故障時不能準確識別故障,而本文所提的保護方案在DG的接入容量發生改變時,線路兩端電流的相似度和動作電流均無明顯差異,保護動作范圍不受DG接入容量的影響,可以在不同容量、不同類型故障下準確識別區內故障。

3.3 線路兩端數據不同步

差動電流保護對涉及的兩側電氣量的采樣時間有很高的要求,但是在數據采集、數據傳輸過程中難免會造成數據的不同步,影響保護的準確動作。因此,仿真分析某一端電流數據延遲造成兩端時間不同步對保護的影響情況。

圖側延遲2 ms動作電流與Hausdorff距離變化情況Fig.6 Change of action current and Hausdorff distance at side with delay of 2 ms

3.4 不同過渡電阻

為了驗證區內經過不同過渡電阻發生故障時,所提保護方案是否可靠動作,在22-23線路中模擬三相經過不同大小過渡電阻接地故障時,傳統電流差動保護與本文所提的保護方案的動作電流Iact如圖7所示,傳統電流差動保護制動系數K取值為0.5。點劃線與實線分別為傳統保護方案與新型保護方案,劃線為門檻值。

圖7 經不同過渡電阻發生三相接地故障時仿真結果Fig.7 Simulation results of three-phase grounding fault through different transition resistance

可以得出,在傳統差動保護中,動作電流隨著過渡電阻的增加而減小至小于門檻值,保護無法正確動作。而本文所提出的差動保護方案在過渡電阻不超過20 Ω的情況下,動作電流Iact均超過門檻值,保護準確動作,本文所提的保護方案具有良好的抗過渡電阻能力。

4 結論

為應對分布能源接入配電網給傳統保護帶來的影響,提出了一種基于Hausdorff距離的配電網差動保護方案。所提方案利用線路兩端電流求取Hausdorff距離,當超過設定閾值時,利用距離值構建新的比率差動保護的制動系數,借鑒傳統比率差動保護判別線路區內外故障。通過本文理論分析、仿真驗證,可得出以下結論。

(1)本文提出的方法動作性能良好,不受DG接入類型、故障位置、故障類型的影響,均可以準確識別區內故障。

(2)本文所提方法具有較強的耐過渡電阻能力,在過渡電阻不超過20 Ω的范圍能均可準確動作。此外,此方案具有較好的抗同步誤差能力,線路兩端電流在一定范圍內出現同步誤差時,所提方法可以保證在區內故障時正確動作,區外故障時保護可靠閉鎖,此外5 G等新型技術的普及,較好地解決了同步問題。

(3)本文所提方法僅僅利用線路兩端電流幅值,不需要兩端電壓信息,判據構建簡單,對通信要求不高,同時兼容了低成本與高可靠性。但是在配電網諧振系統中,發生單相故障時消弧線圈對電容電流的深度補償作用后,殘余故障電感電流數值較小,相似度差異不夠明顯。因此,后續將進一步研究在諧振配電網系統中,發生單相故障時的故障定位與故障選線,進一步完善分布式能源接入配電網時的保護方案。