一種適用于智能終端異常的配電網自適應保護方法

韓 笑, 李姝佳, 王 鋼, 陳 楠

(南京工程學院 電力工程學院,江蘇 南京 211167)

0 引言

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

國內外學者針對主動配電網自適應保護原理進行了大量研究,配電網拓撲結構的正確識別,對配電網中繼電保護、穩定控制和自愈技術等起著至關重要的作用。文獻[6-10]在傳統自適應保護方案的基礎上提出了一種節點開關拓撲結構變化追蹤技術,其可以根據系統的拓撲結構,自適應改變拓撲矩陣,修改系統保護參數。但由于外界環境與通信系統的影響,配電終端上傳至主站的量測數據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。隨著主動配電網建設的不斷推進,智能終端(STU)在主動配電網中的應用越來越廣泛,這為配電網拓撲關系的識別與修正提供了有效的數據信息,可以利用各STU的量測信息對拓撲結構進行識別[11-12]。文獻[13]提出了一種計及量測數據缺失及錯誤的配電網電流保護自適應整定方法,解決了基于局域通信的配電網自適應電流保護存在的量測數據丟失及錯誤的問題。文獻[14-16]在考慮STU預存了所在饋線的靜態拓撲識別的基礎上,設計了智能終端間的動態信息交互和拓撲識別方案。但以上拓撲識別方案僅通過開關量或電氣量進行配電網拓撲識別,可靠性較差。同時,若量測信息有較大偏差且未對量測數據設置容錯機制,量測誤差會影響拓撲識別結果的準確性[17-18]。配電網通信系統承載著配電通信業務,與配電系統的正常運行密切相關,例如繼電保護、穩定控制、配電自動化等。文獻[2-3]分別針對智能配電網和智能變電站,分析了信息系統故障可能導致的后果,以及其對配電網傳統保護方案的影響,并針對失靈保護失效提出了可行的解決方案。但配電網通信系統發生故障,導致各STU之間無法進行信息交互,進而導致保護失效的情況,上述研究均未考慮。在實際工程應用中,為節約成本,有些開關處并未配置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拓撲識別和自適應區域保護產生很大影響。

針對上述問題,本文介紹了一種基于拓撲結構自動識別適用于智能終端的配電網自適應保護方法。首先,該方法利用各STU量測到的電流量與開關量,各相鄰STU進行信息交互確定各節點之間的聯通關系,并識別異常的STU。然后,設計自適應保護方案與定值,使所提的自適應保護可以適應于STU異常的情況。該方案解決了目前主動配電網區域保護方法中的不靈活性等問題,進而提高了電力系統繼電保護的速動性、可靠性,使電力系統運行更加穩定。

1 適用于自適應保護的網絡結構識別方法

主動配電網實時拓撲由其靜態拓撲和開關線路運行狀態所決定,各STU實時捕獲開關量以及電氣量的變化,對拓撲結構進行更新[19-20]。

1.1 主動式配電網的結構特點

以圖1所示的主動配電網為例,執行“合環設計,分環運行”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,與負載LD1、LD2、LD3相接。設母線處接有分布式電源DG。

圖1 10 kV配電網結構示意圖Fig.1 10 kV distribution network structure diagram

根據配電自動化的要求,把每條母線和支路都看成一個節點,以開關為單位部署STU。其中電源出線開關對應的智能終端標記為ST,其他智能終端標記為SA。一個STU負責檢測其所在開關處的電壓、電流以及開關狀態。傳統保護方案無法適應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。新型的區域保護和層次化保護與傳統保護方案不同,以圖1所示的主動配電網為例,其保護方案為給線路MN、NP、PQ、QR配置線路縱聯差動保護,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。

配電網智能終端異常,或通信系統故障等情況,將導致保護失效,會帶來保護系統故障處置時間延長的風險。在圖1中,假設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構成的縱聯差動保護失效,母線N上由QF2、QF3和QF10構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拓撲識別方法

在配電網分布式拓撲識別中,各個STU能夠對配電網的拓撲進行獨立地識別。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量與電氣量信息進行周期性交換。在單個周期內,每個STU需要完成以下內容:一次本地開關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首先根據本地量測信息對其相鄰STU的狀態進行一次初判。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綜合本側量測信息和對側量測信息,對自身和相鄰STU的狀態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拓撲辨識的準確性,還可以對各STU的運行狀態進行判斷。

表1 STU狀態及連通性初判結果Tab.1 STU status and initial judgment results of continuous communication

圖2為STU根據本地的開關量和電流量對連通性進行初始判斷的規則設計,其中,gx,k為開關(x,k)的狀態;Ix,k為流經開關(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,此處所提規則均采用電流的絕對值對判據進行構造,不受電流方向影響。因此,這些規則適用于含分布式電源的有源配電網以及單向潮流的無源配電網。

圖2 STU狀態及連通性判斷規則Fig.2 STU state and connectivity judgment rules

首先根據各智能終端量測到的開關量進行開關狀態的判斷,這是圖2中根節點的功能。為了應對量測誤差,文中提出了相互校驗模擬量的設計,這樣可以增加連通性判斷的容錯能力。圖2所示規則說明如下:

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

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

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

2 考慮智能終端失效的自適應保護方案設計

智能分布式饋線自動化系統中,智能終端設備檢測故障電流信息并與相鄰終端交換,從而快速實現故障定位、故障隔離與供電恢復。在信息傳輸過程中,有可能出現智能終端運行異常或通信系統故障等情況,將導致保護失效,帶來保護系統故障處置時間延長的風險。

2.1 保護方案設計

針對STU運行狀態異常的情況,根據KCL與差動保護原理,設定自適應保護規則如下:當各STU運行狀態正常時,本側開關與相鄰開關構成電流差動保護。當檢測到對側STU故障時,擴大保護范圍,本側開關與對側開關的鄰近開關構成電流差動保護。自適應保護動作判據為

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

2.2 與傳統區域保護方案比較

2.2.1 縱聯差動保護

在傳統區域保護中,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k1點發生故障時,SA2量測失效,此時由QF3和QF4構成的電流差動保護以及由QF3構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。在本文所提自適應保護中,當SA2量測失效時,由SA4與SA1和SA3進行信息交互,構成自適應差動保護,在故障發生時迅速動作并切除故障,并減小了停電區域。由此可得,本文所提自適應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

在傳統區域保護中,母線差動保護為主保護,過流保護為后備保護。如圖1所示,當點k2發生故障時,SA4量測失效,此時由QF4、QF5、QF9和QF11構成的母線差動保護以及由QF4構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。在本文所提自適應保護中,當SA4量測失效時,由SA2與SA5、SA6和SA7進行信息交互,構成自適應差動保護,在故障發生時迅速動作并切除故障,并減小了停電區域。由此可得,本文所提自適應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主動式配電網模型。設計開環運行方式,驗證拓撲辨識方法的有效性,并設計STU運行異常的場景,驗證所提自適應保護方案的有效性。

3.1 縱聯電流差動保護

3.1.1 STU狀態及通道辨識驗證

設置開環運行的方式為斷開開關QF6,該運行方式下,各STU對開關量與電流量進行采集。每個STU根據本地兩側的開關量與電流量信息,對其與鄰接開關的連通性進行判斷,獲得完整的拓撲。此時,假設QF3的電流量測偏低,圖1所示配電網中,SA2與其相鄰STU的狀態信息如表2所示。

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

3.1.2 自適應保護方案有效性驗證

為驗證本文所提自適應保護方案的有效性,基于2.2.1節所述,對配電網發生短路故障進行仿真。首先,在傳統區域保護方案中,0.1 s支路NP發生三相短路故障,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 線路故障傳統區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

在本文所提自適應保護方案中,0.1 s支路NP發生三相短路故障,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狀態辨識驗證

設置開環運行的方式為斷開開關QF6,該運行方式下,各STU對開關量與電流量進行采集。每個STU根據本地兩側的開關量與電流量信息,對其與鄰接開關的連通性進行判斷,獲得完整的拓撲。此時,假設QF4的電流量測偏低,圖1所示配電網中,SA4與其相鄰STU判定的狀態信息如表3所示。

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

3.2.2 自適應保護方案有效性驗證

為驗證本文所提自適應保護方案的有效性,基于2.2.2節所述,對配電網發生短路故障進行仿真。首先,在傳統區域保護方案中,0.1 s母線P發生三相短路故障,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 環網柜故障時傳統區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

在本文所提自適應保護方案中,0.1 s母線P發生三相短路故障,SA4量測信息失效,QF3、QF5、QF9、QF11構成母線差動保護,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 環網柜故障時自適應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 結語

本文提出了一種適用于STU異常的配電網自適應保護方法,充分利用了STU采集的電氣量與開關量信息。各STU間進行信息交互,獨立對區域內故障進行識別,實現配電分布式保護。所提算法無需預存配電網整體的靜態拓撲結構,即可快速地實現拓撲識別與更新,還可對運行異常的STU進行判斷。所提保護方案能準確應對STU失效的情況,通過與失效STU相鄰的STU進行配合,自適應調整保護方案并切除故障。研究表明所提方法相對于傳統區域保護方法更加靈活,能夠適應主動配電網拓撲復雜多變的現狀,提高了保護的速動性與可靠性,對主動配電網的保護效果更好。