電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)分析

劉鵬輝 焦兵豪 秦躍杰

摘 要：本文著重介紹了電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)所面臨的挑戰(zhàn)、存在的機(jī)遇，對電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)在故障情況下的耦合機(jī)理、配電系統(tǒng)故障特征辨識方法、可適應(yīng)電力電子化配電系統(tǒng)的故障耦合情況的繼電保護(hù)等相關(guān)問題進(jìn)行了分析，闡述了電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵及其實現(xiàn)方案，以期對相關(guān)技術(shù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電力電子變流設(shè)備; 配電系統(tǒng); 故障辨識; 繼電保護(hù)

中圖分類號：TM771? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）8-099-002

配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中承擔(dān)電能分配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是連接輸電系統(tǒng)與電力用戶的重要橋梁。配電系統(tǒng)的可靠性與安全性直接關(guān)系到電力公司的售電效益和電力用戶的用電權(quán)益。因此，必須使用繼電保護(hù)裝置對配電系統(tǒng)進(jìn)行行之有效的保護(hù)。

1.面臨的挑戰(zhàn)分析

近年來廣泛接入的分布式電源與儲能設(shè)備、潮流控制器、消弧線圈自動調(diào)諧裝置、固態(tài)變壓器等，使配電系統(tǒng)逐步呈現(xiàn)電力電子化發(fā)展趨勢[1，2]，現(xiàn)有配電網(wǎng)系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的可靠性面臨極大挑戰(zhàn)[3-5]：

（1）電力電子化背景下，實現(xiàn)不同功能的電力電子設(shè)備大量接入配電系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式以及故障信號呈現(xiàn)出極大的復(fù)雜性[6-8]。

（2）分布式能源與儲能設(shè)備的高度滲透改變了配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]，使配電系統(tǒng)由單端輻射性供電網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p端供電網(wǎng)絡(luò)，故障潮流的大小與方向均具有不確定性。

（3）分布式能源為間歇性能源，其接入方式與控制策略也具有很強(qiáng)的靈活性[10]，使故障情況下的功率輸出呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性和動態(tài)性。

（4）當(dāng)系統(tǒng)受到擾動或發(fā)生故障時，電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)（即“器-網(wǎng)”）的交互作用愈發(fā)強(qiáng)烈、復(fù)雜，系統(tǒng)電氣信號呈現(xiàn)出諸多新特性。

（5）新型的中性點(diǎn)消弧線圈自動調(diào)諧裝置對諧振接地配電系統(tǒng)電容電流的補(bǔ)償速度越來越快，補(bǔ)償策略也更加多樣[11，12]，使原本就復(fù)雜的單相接地故障信號更加難以被保護(hù)裝置識別。

這些都增加了電力電子化配電系統(tǒng)故障特征辨識與保護(hù)的難度。

從我國配電系統(tǒng)電力裝備現(xiàn)狀看，情況同樣不容樂觀。電力公司長期的“重輸（電）輕配（電）”，造成我國配電系統(tǒng)電力裝備較為薄弱。配電網(wǎng)絡(luò)分支眾多，出于經(jīng)濟(jì)方面考慮，配電饋線上所配置的測量與保護(hù)裝置的采樣率與運(yùn)算能力較低，在現(xiàn)有硬件條件下信號辨識難度較大。為避免鐵磁諧振，一般僅在饋線出口處裝設(shè)電壓互感器，導(dǎo)致饋線上的饋線終端單元很難通過構(gòu)成傳統(tǒng)方向元件來確定故障潮流方向，電力電子化配電系統(tǒng)中潮流雙向流動情況下的保護(hù)問題亟待解決。

綜上所述，借助配電系統(tǒng)現(xiàn)有硬件裝置，研究電力電子化背景下配電系統(tǒng)故障特征辨識與保護(hù)方法，具有良好的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實迫切性。

2.存在的機(jī)遇分析

電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)所面臨的不全是挑戰(zhàn)，同時還有很大的機(jī)遇。

一方面隨著各種高級智能傳感與測量感知技術(shù)、信號時頻域分析技術(shù)、人工智能技術(shù)等的快速發(fā)展，各種先進(jìn)的電氣信號特征辨識與檢測技術(shù)被相繼應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與診斷，為解決上述問題提供了技術(shù)啟示。新型的電氣信號處理與人工智能技術(shù)將為電力電子化配電系統(tǒng)故障特征辨識與保護(hù)技術(shù)提供理論支撐。

另一方面，在方針政策上，近年來國家尤其注重配電系統(tǒng)的升級改造。國家發(fā)展改革委員會和國家能源局在十三五期間先后發(fā)布了《關(guān)于加快配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)意見》和《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃》，明確表示加大配電系統(tǒng)建設(shè)改造資金投入，十三五期間的投資額不低于2萬億元，重點(diǎn)提升配電網(wǎng)絡(luò)的自動化與智能化水平。國家電網(wǎng)在“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案（2021）中要求加強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和智能控制[13]。南方電網(wǎng)也在其“十四五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)瞄準(zhǔn)智能配用電等技術(shù)方向開展科技攻關(guān)。發(fā)展配電網(wǎng)絡(luò)成為國家實施能源戰(zhàn)略的一個重要方向。上述國家層面的方針政策將為電力電子化配電系統(tǒng)故障辨識與繼電保護(hù)技術(shù)的快速發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)與政策支持。

綜上所述，借助國家大力發(fā)展配電系統(tǒng)的“東風(fēng)”，以及高級信號處理與人工智能技術(shù)的良好發(fā)展勢頭，有必要針對電力電子化配電系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的新特點(diǎn)，充分利用配電自動化現(xiàn)有平臺和硬件裝備，研究與其相適應(yīng)的新型故障特征辨識方法，進(jìn)而研發(fā)出新型的適應(yīng)于電力電子化配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)。相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)將為配電系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保障，也將為配電系統(tǒng)的電力電子化掃清障礙，使配電系統(tǒng)更加智能、可靠、靈動、高效，對提高供電可靠性、促進(jìn)配電網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

3.技術(shù)關(guān)鍵分析

結(jié)合我國配電系統(tǒng)電力電子化實際背景，研發(fā)電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵在于，開展電力電子化配電系統(tǒng)故障機(jī)理研究、故障特征辨識與繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究等工作。具體包括以下內(nèi)容：

（1）揭示多種電力電子變流設(shè)備接入配電系統(tǒng)的“器-網(wǎng)”交互作用;探究故障場景中電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)交互作用的內(nèi)在機(jī)理，以及故障信號的時頻域特征，攻克電力電子化配電系統(tǒng)故障耦合分析難題。具體包括四個方面：建立面向繼電保護(hù)的多種電力電子變流設(shè)備的實用性數(shù)學(xué)分析模型;構(gòu)建計及電力電子器件與配電系統(tǒng)“器-網(wǎng)”交互作用的故障分析模型;分析故障場景下電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)“器-網(wǎng)”交互作用的產(chǎn)生機(jī)理;分析不同故障場景下多種類型變流設(shè)備與配電系統(tǒng)交互作用的故障特性。

（2）建立電力電子變流設(shè)備接入下的配電系統(tǒng)仿真平臺，研發(fā)電力電子化配電系統(tǒng)故障仿真技術(shù)。具體包括以下兩個方面：不同電力電子變流設(shè)備的故障仿真模型構(gòu)建方法;計及多種故障場景下電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)“器-網(wǎng)”交互作用的多時間尺度仿真技術(shù)。

（3）針對配電系統(tǒng)電力電子化所產(chǎn)生的故障信號復(fù)雜性問題，根據(jù)具體故障場景有針對性地探究電氣信號時頻域特征提取與辨識技術(shù)，進(jìn)而研發(fā)電力電子化配電系統(tǒng)保護(hù)方案及關(guān)鍵技術(shù)。具體包括四個方面：電力電子變流設(shè)備高度滲透下配電系統(tǒng)故障信號時頻域特征提取與辨識技術(shù);基于故障信號特征提取與辨識的故障過程反向推演技術(shù);適應(yīng)于我國配電自動化現(xiàn)有平臺和電力裝備現(xiàn)狀的電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù);考慮實際電力電子化配電系統(tǒng)工程應(yīng)用場景的繼電保護(hù)測試技術(shù)。

4.實現(xiàn)方案

（1）配電網(wǎng)故障場景下多種電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)的交互過程研究的實現(xiàn)方案。

首先，從新能源發(fā)電與儲能、柔性電力電子變流設(shè)備、電動汽車與其它新型負(fù)荷的物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理出發(fā)，建立故障動態(tài)分析模型及其簡化模型。然后，根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)分析理論，針對不同類型的故障，在不同時間尺度（包括穩(wěn)態(tài)、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)）上分別建立電流/電壓信號與配電系統(tǒng)的全微分方程與簡化分析方程，借助系統(tǒng)邊界條件求解微分方程，推導(dǎo)出配電系統(tǒng)信號參量的解析式。在此基礎(chǔ)上，采用信號觀測模型，分析信號在穩(wěn)態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)視角下的時頻域特性，揭示故障場景下不同類型變流設(shè)備與配電系統(tǒng)交互作用的故障演化機(jī)理與演化規(guī)律，厘清電力電子化配電系統(tǒng)電氣信號特征與相應(yīng)物理本質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和因果關(guān)系。

（2）電力電子變流設(shè)備接入下的配電系統(tǒng)仿真平臺構(gòu)建與仿真技術(shù)的實現(xiàn)方案。

根據(jù)電力電子變流設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性與控制原理，以及配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，利用PSCAD或MATLAB等仿真軟件構(gòu)建電力電子變流設(shè)備接入下配電系統(tǒng)的仿真平臺。該仿真平臺包括配電系統(tǒng)仿真模型、電子設(shè)備仿真模型、控制系統(tǒng)仿真模型、短路故障仿真模型。借助多時間尺度仿真手段，立足于穩(wěn)態(tài)、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)等不同時間尺度，對多種故障場景下電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)“器-網(wǎng)”交互情況進(jìn)行仿真。

（3）電力電子化配電系統(tǒng)故障特征提取與繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方案。

首先，借鑒國內(nèi)外人工智能技術(shù)、信號特征提取與辨識技術(shù)的優(yōu)秀研究成果，深入探究電力電子化配電系統(tǒng)故障信號時頻域特征提取與辨識技術(shù)。借助prony法等現(xiàn)代譜分析方法、動態(tài)時間距離算法等波形特征辨識方法、S變換等時頻域聯(lián)合分析方法，提取故障信號特征進(jìn)行信號辨識。然后，基于對故障信號特征提取與辨識結(jié)果，對故障過程的反向推演技術(shù)進(jìn)行研究。最后，充分利用配電自動化現(xiàn)有平臺和硬件裝備，研發(fā)出電力電子化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合實際工程應(yīng)用場景，獲取現(xiàn)場實測信號或數(shù)模/動模仿真信號，對繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行廣泛測試，檢驗其可行性與可靠性。

在此，以以下三個關(guān)鍵問題為例，簡要介紹其解決思路。

（1）如何在分析電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)間的“器-網(wǎng)”交互作用模型的基礎(chǔ)上，揭示不同故障場景下電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)交互作用的機(jī)理？

解決思路：首先構(gòu)建多種電力電子器件的等效故障響應(yīng)電路模型，結(jié)合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障邊界條件等，研究多場景下多種電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)之間的耦合特性，分析“器-網(wǎng)”交互作用機(jī)理。另一方面，以不同故障場景作為出發(fā)點(diǎn)，對系統(tǒng)進(jìn)行解耦，分析各電力電子器件的故障響應(yīng)機(jī)制，以及故障耦合機(jī)理。

（2）在電力電子變流設(shè)備高度滲透背景下，如何提取配電系統(tǒng)故障信號的時頻域特征，進(jìn)而完成故障辨識？。

解決思路：在分析“器-網(wǎng)”交互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，找出電力電子化配電系統(tǒng)故障的普遍性特征，以及特殊故障場景下的特殊性特征;挖掘新的電氣特征量，借助現(xiàn)代譜分析方法、時頻相關(guān)性分析方法等新型信號特征提取方法，實現(xiàn)故障辨識。

（3）在我國配電系統(tǒng)電力裝備現(xiàn)狀下，如何實現(xiàn)所述繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，如何進(jìn)行測試？

解決思路：對我國配電網(wǎng)現(xiàn)有硬件配置進(jìn)行統(tǒng)計調(diào)查，合理利用已有硬件資源，最大限度地發(fā)掘軟件資源，彌補(bǔ)硬件的不足，進(jìn)而研發(fā)出可在實際配電系統(tǒng)內(nèi)廣泛推廣的繼電保護(hù)技術(shù)。此外，通過現(xiàn)場實測信號或數(shù)模/動模仿真信號對所述繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行廣泛測試驗證。

5.結(jié)語

配電系統(tǒng)電力電子化背景下，繼電保護(hù)技術(shù)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。當(dāng)前，需要探究電力電子變流設(shè)備與配電系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的“器-網(wǎng)”耦合機(jī)理，提出有針對性的故障特征辨識方法，研發(fā)可適應(yīng)電力電子化配電系統(tǒng)“器-網(wǎng)”耦合特性的繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，保障配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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