0 引言

    智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下，隨著主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)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(dǎo)致當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，短路電流能量的流動(dòng)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(hù)與控制方案。文獻(xiàn)[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(cè)法，并考慮了光照、風(fēng)力以及負(fù)荷變化等不確定因素，設(shè)計(jì)了一套完整的電流相位保護(hù)方案。文獻(xiàn)[5-6]利用本地信息，仍沿用傳統(tǒng)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，在配電線路兩端設(shè)置電流方向檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)了故障的識(shí)別與切除。文獻(xiàn)[7-8]利用多信息融合進(jìn)行綜合判別，通過獲取含新能源電源的電網(wǎng)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)信息，計(jì)算不同支路故障時(shí)的特征與參數(shù)，對(duì)保護(hù)配置與定值做出針對(duì)性的修改。

    但是，多端差動(dòng)保護(hù)原理在我國35 kV及以下中低壓饋電線路中的應(yīng)用中仍受到較大限制，因此為縮短故障切除時(shí)間，提高保護(hù)動(dòng)作可靠性，縮小故障切除區(qū)域，提高配電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行水平，本文提出了一種中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置，并進(jìn)行了硬件電路與保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)裝置能夠滿足現(xiàn)階段配電網(wǎng)對(duì)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(hù)有了質(zhì)的提升。

1 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    當(dāng)前配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)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(duì)繼電保護(hù)的要求，本文中的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)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(diǎn)IED，每條配電線路中設(shè)置一個(gè)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)在IED之間互相交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。在多點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，IED設(shè)備根據(jù)廣域信息保護(hù)判據(jù)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中后備保護(hù)的功能，利用多點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)故障元件的識(shí)別與隔離。

2 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

    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(hù)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(dòng)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(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

3.1 有源配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

3.1.1 基于相電流突變量的保護(hù)起動(dòng)方法

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

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

3.1.2 電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

    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(fù)荷Load的不可測(cè)分支。因此，考慮不可測(cè)分支后的區(qū)域電流差動(dòng)保護(hù)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(dòng)電流判據(jù)，K_res為制動(dòng)系數(shù)，考慮TA飽和誤差，存在電機(jī)類DG等特點(diǎn)，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(gè)獨(dú)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(duì)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(dòng)的定位判據(jù)。其判據(jù)如下：

4 仿真與測(cè)試

4.1 保護(hù)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(shí)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(gè)饋線分支三相短路故障點(diǎn)，不同時(shí)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(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)方法分析

    基于圖5，故障點(diǎn)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(diǎn)距離C母線5 km。故障發(fā)生于0.4 s，故障發(fā)生時(shí)DG1退出，DG2先投入并在0.7 s后退出，對(duì)保護(hù)1、2、5以及保護(hù)2、3采用自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)方案的結(jié)果進(jìn)行仿真。差動(dòng)電流波形如圖6所示。

    由圖6(a)可見，當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)外時(shí)，其最大差動(dòng)電流小于0.2 A，不滿足式(1)、式(2)、式(3)保護(hù)起動(dòng)及動(dòng)作條件。由圖6(b)可見，當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)內(nèi)時(shí)，0.4 s故障發(fā)生的瞬時(shí)，差動(dòng)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(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)所設(shè)定的起動(dòng)及動(dòng)作條件，保護(hù)將立即動(dòng)作，跳開4、5所對(duì)應(yīng)的斷路器，故障切除。

    由于保護(hù)2、3的區(qū)域內(nèi)存在未檢測(cè)饋線分支，無法獲取其瞬時(shí)電流量信息，因此采取式(4)負(fù)荷預(yù)測(cè)的方式，取平均負(fù)荷電流為50 A，相比于傳統(tǒng)電流保護(hù)在這種情況下產(chǎn)生的越級(jí)保護(hù)或是靈敏度下降問題，自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)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(gè)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(gè)分段開關(guān)，1、5、6、10為斷路器，2、3、4、7、8、9、12為負(fù)荷開關(guān)。將11個(gè)分段開關(guān)劃分為7個(gè)關(guān)注的隔離區(qū)域，當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，將通過這7個(gè)負(fù)荷開關(guān)進(jìn)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(dāng)故障發(fā)生在f₁處時(shí)，7個(gè)隔離區(qū)計(jì)算所得的電流信息如表3所示。由于饋線分支2為未檢測(cè)分支，故根據(jù)其最大負(fù)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(dòng)閾值為40 A(下同)。

    隔離區(qū)7所在的負(fù)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(dāng)故障發(fā)生在f₂處時(shí)，7個(gè)隔離區(qū)計(jì)算所得的電流信息如表4所示。

    隔離區(qū)6所在的負(fù)荷開關(guān)8、9通過不完全差動(dòng)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(jì)了一種適用于我國中低壓系統(tǒng)的區(qū)域保護(hù)裝置，提出了自適應(yīng)的多端電流差動(dòng)保護(hù)以及故障隔離方法。該設(shè)計(jì)裝置以傳統(tǒng)差動(dòng)電流保護(hù)為基礎(chǔ)，結(jié)合含DG配電網(wǎng)故障電流的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)應(yīng)用于有源配電網(wǎng)時(shí)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(shí)間內(nèi)完成非故障區(qū)域的停電恢復(fù)，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)裝置的快速性、高效性、可靠性。

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作者信息:

代運(yùn)滔

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000)