“邊端融合”架構(gòu)下配電系統(tǒng)全域選擇性保護(hù)的仿真研究

陳建坤，張 璨，許洪華，琚 誠，陳 勇

（國網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京 210000）

0 引言

配電系統(tǒng)傳統(tǒng)的選擇性保護(hù)通常依據(jù)“時間—選擇”性原則，通過上下級斷路器不同的整定電流和延遲時間來實現(xiàn)，存在短路故障判別時間長、故障大電流時容易引起多級斷路器同時跳閘甚至越級跳閘等問題。主要原因是作為配電系統(tǒng)基礎(chǔ)保護(hù)元件的斷路器缺乏高效的故障識別方法，以及同級或相鄰斷路器之間缺乏信息交互的協(xié)作機(jī)制，導(dǎo)致其選擇性保護(hù)僅限于局部區(qū)域[1-6]。

現(xiàn)有常規(guī)故障檢測方法幾乎都是通過故障后穩(wěn)態(tài)量的分析來實現(xiàn)故障檢測[7-12]，無法達(dá)到快速檢測的目的。利用通信技術(shù)和復(fù)雜的智能算法對全域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行分析處理，達(dá)到對短路故障的檢測和定位是一種研究趨勢[13-17]，但是勢必增加監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜度和計算量，導(dǎo)致軟硬件復(fù)雜性和成本增加。隨著“透明電網(wǎng)”概念[18-20]的深入根植，要求將現(xiàn)代信息技術(shù)與配電網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)運(yùn)行各環(huán)節(jié)均可知可控。在當(dāng)前的配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，新一代智能斷路器具備了強(qiáng)大的本地狀態(tài)感知功能并配有藍(lán)牙、WIFI 模塊等本地網(wǎng)絡(luò)通信功能[21]，但其通信方式通常僅限于與中央主控單元進(jìn)行“云—端”、“管—端”模式[22]的多對一單點(diǎn)數(shù)據(jù)交互，對配電線路從供電側(cè)到用戶側(cè)全域的多級斷路器之間的交互協(xié)作及各級之間遠(yuǎn)距離配電電纜的狀態(tài)感知等方面尚不完善。而非接觸式電纜巡檢系統(tǒng)[23-25]的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)巡檢系統(tǒng)由于接觸式安裝方式[26-29]導(dǎo)致的傳感與通信設(shè)備難以大范圍布點(diǎn)的問題，若能將其與智能斷路器結(jié)合，則可以實現(xiàn)二者的功能互補(bǔ)。

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電物聯(lián)網(wǎng)“云、管、邊、端”的技術(shù)層次架構(gòu)逐步完善[30]，通過物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)可以有效實現(xiàn)配電網(wǎng)各級保護(hù)元件之間的信息交換。配電智能終端作為“邊”設(shè)備[31]與日益成熟的智能化開關(guān)等“端”設(shè)備的部分功能呈現(xiàn)重疊的趨勢，“邊端融合”將成為降低物聯(lián)網(wǎng)投入成本，提高終端元件狀態(tài)感知范圍和故障識別效率的有效方法。本文將智能斷路器及非接觸式電纜巡檢系統(tǒng)的核心功能相結(jié)合，形成以斷路器為載體的“邊端”融合智能終端，解決配電線路全域選擇性保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵問題。同時降低物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的復(fù)雜性和投入成本，為促進(jìn)配電物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新的解決方案以供探討。

1 全域選擇性保護(hù)的關(guān)鍵問題

實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)全域選擇性保護(hù)對故障檢測時間和故障切除速度都提出了更高的要求，因此需要解決短路故障狀態(tài)的快速感知和定位以及各級之間遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交互和協(xié)作的難題。

1.1 短路故障的快速感知與定位

為了降低短路故障對配電系統(tǒng)的危害，同時考慮引入?yún)f(xié)作物聯(lián)機(jī)制所需的通信時延，要求對故障的感知必須快速而準(zhǔn)確。因此，需要采用對故障特征敏感的數(shù)學(xué)算法在故障出現(xiàn)的早期有效提取故障特征，并能準(zhǔn)確識別各種類型的短路故障和定位故障位置或區(qū)域。在配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，故障的快速檢測和定位功能需要在“邊”層級通過智能裝置（Intelligent Electronic Device，IED）實現(xiàn)。

在感知到短路故障發(fā)生后，需要使用相應(yīng)分支線路上斷路器來執(zhí)行切斷故障線路的任務(wù)。為避免出現(xiàn)多級同跳或越級跳閘，需要各級斷路器之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互，準(zhǔn)確定位故障區(qū)域或位置，通過設(shè)定的協(xié)作機(jī)制在有效切除故障線路的同時保證非故障線路的供電可靠性。

1.2 全域數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離交互與協(xié)作

為了準(zhǔn)確定位故障發(fā)生的位置，作為終端單元的斷路器需要將感知的本地信息和執(zhí)行結(jié)果與各級終端單元共享。而隨著配電網(wǎng)容量增大以及設(shè)備和負(fù)載的增加，以往多對一的單點(diǎn)通信方式難以承擔(dān)遠(yuǎn)距離且海量的全域數(shù)據(jù)交互。因此從計算資源的角度考慮，諸如故障判斷及定位等感知數(shù)據(jù)的分析處理功能勢必下沉到邊緣側(cè)實現(xiàn)。而邊緣側(cè)實現(xiàn)決策輸出需要對各級終端感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并協(xié)調(diào)各級執(zhí)行控制主體的行為。但以往采用單點(diǎn)通信的本地化網(wǎng)絡(luò)方式難以完成上述目的，需要尋求一種新的本地化通信方式：既能滿足各級多點(diǎn)協(xié)作的要求，又能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離可靠通信。

2 全域選擇性保護(hù)的實現(xiàn)

根據(jù)第1 節(jié)對全域選擇性保護(hù)關(guān)鍵問題的分析，本文構(gòu)建了以配電網(wǎng)各級斷路器作為載體的低壓配電網(wǎng)協(xié)作物聯(lián)網(wǎng)模型，如圖1 所示。

圖1 低壓配電網(wǎng)協(xié)作物聯(lián)網(wǎng)模型Fig.1 Model of cooperative IoT for low voltage distribution network

圖1 中，IED0—IED3 為將非接觸電纜巡檢系統(tǒng)通信和處理單元與斷路器智能控制器結(jié)合構(gòu)成的“邊端融合”智能終端，在低壓配電柜進(jìn)線側(cè)智能終端IED0 上加入小波能量譜算法進(jìn)行邊緣計算，完成對配電線路短路故障的快速檢測和區(qū)域定位，并通過沿配電電纜布置的巡檢系統(tǒng)通信單元實現(xiàn)配電網(wǎng)全域多點(diǎn)協(xié)作功能。配電線路1 為單節(jié)點(diǎn)線路，配電線路2 為雙節(jié)點(diǎn)線路，BRK0—BRK3 為斷路器，D為電機(jī)負(fù)載，負(fù)載Load1—Load3 的容量分別為（50+J2.5）kVA，（100+J2.5）kVA 和（50+J2.5）kVA。各級饋線長度都在500 m 以內(nèi)，饋線的正序阻抗為（0.497+j0.086）Ω/km，零序阻抗為（2.387+j0.447）Ω/km。Z1～Z3 為線路上的仿真故障點(diǎn)。

2.1 短路故障快速檢測與定位的實現(xiàn)

為了解決短路故障的快速感知及定位，本文基于小波變換對信號突變特征提取上的優(yōu)勢，采用小波能量譜算法[24]研究同時實現(xiàn)短路故障檢測與定位的可行性。

2.1.1 小波能量譜算法原理

小波能量譜變換是在二進(jìn)小波變換的基礎(chǔ)上將信號的細(xì)節(jié)能量以平方倍放大，增強(qiáng)對微弱信號突變特征的識別。本文采用三次B 樣條函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)作為小波母函數(shù)，根據(jù)Mallat 算法遞推得到離散信號f（x）的小波能量譜變換公式為[32]：

式中：i為小波分解的尺度；k為信號序列數(shù)；hk和gk分別為小波母函數(shù)對應(yīng)低通與帶通的濾波器脈沖響應(yīng)系數(shù)；s2i f(x)為第i尺度下小波分解光滑分量，i為0 時表示原始信號f(x)；w2i f(x)為第i尺度下小波分解細(xì)節(jié)分量；E2i f(x)為第i尺度下該信號的細(xì)節(jié)能量；為第i-1 尺度下小波分解光滑分量。

小波能量譜分解尺度越高故障信號的奇異性越明顯，且計算越復(fù)雜。因此本文考慮選擇第4 尺度下的小波能量譜變換對短路故障電流波形進(jìn)行分析。后續(xù)分析中，E4 表示檢測點(diǎn)處的電流在第4尺度變換后得到的細(xì)節(jié)能量值，E4max表示不同狀態(tài)下檢測到的E4 的最大值。

2.1.2 短路故障的快速檢測與定位

對于圖1 中只含1 個節(jié)點(diǎn)的配電線路1，由于正常運(yùn)行狀態(tài)下和故障狀態(tài)下E4max存在明顯差異性，可以將各種正常運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的E4max中的最大值設(shè)為下限，以各種故障狀態(tài)對應(yīng)的E4max中的最小值為上限，在二者之間選擇合適的數(shù)值作為短路故障檢測的閾值以XD表示，將E4max與XD進(jìn)行比較即可完成短路故障的快速檢測[33]。對于含有多個節(jié)點(diǎn)的多級配電線路，還需要對短路故障區(qū)域進(jìn)行定位。因此，需要研究故障電流小波能量譜波形特征與故障區(qū)域之間的關(guān)系。以E4max1表示電流信號經(jīng)過小波變換后得到的小波能量譜波形的第一個峰值，并且將故障點(diǎn)與檢測點(diǎn)之間的距離設(shè)為d（單位為m，下文同）。

為反映E4max1與d之間關(guān)系，引入折算值E4′max1和E4″max1。E4′max1=Ke/E4max1，Ke=105為放大倍數(shù)[33]；E4″max1=KrKb，Kb為實際故障初始相角θc=150°（θc的單位為°，下文同）時的E4′max1表示的基準(zhǔn)值，Kr為折算系數(shù)。圖2 為θc不同時E4′max1，E4″max1與d的關(guān)系。

圖2 θc不同時E4′max1，E4″max1與d的關(guān)系Fig.2 Relationship between E4′max1，E4″max1 and d under different θc

由圖2（a）可知，當(dāng)實際故障初始相角θc不同時，在IED0 檢測到的E4′max1與d存在不同的關(guān)系曲線，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過折算值E4″max1來消除θc的影響，折算系數(shù)Kr用Kb與其它故障相角下（θc≠150°）E4′max1的比值表示，計算公式為：

為消除θc隨機(jī)變化對Kr取值的影響，利用最小二乘法對θc與Kr的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：

將不同θc情況下故障位置關(guān)系統(tǒng)一為1 條曲線，如圖2（b）所示。用同樣的方法對圖2（b）中E4″max1與d的關(guān)系進(jìn)行分段擬合，擬合結(jié)果為：

對于兩相和三相短路故障，也可以得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，理論上可以利用IED0 檢測到的故障電流小波能量譜波形的E4″max1近似地反映故障點(diǎn)到檢測點(diǎn)的距離d，進(jìn)而確定故障點(diǎn)所在區(qū)域。

對于如圖1 所示的配電線路2，由于只含2 個節(jié)點(diǎn)，可利用式（4）計算出當(dāng)負(fù)載支路2 所在的節(jié)點(diǎn)發(fā)生θc=150 °情況下單相、兩相和三相短路時的E4″max1值（由于本文中該節(jié)點(diǎn)與檢測點(diǎn)IED0 的距離為50 m，因此選擇式（4）中0≤d≤100 的區(qū)間計算相應(yīng)的E4″max1），進(jìn)而確定故障區(qū)域識別閾值以Tl表示。在實際運(yùn)行中，可根據(jù)實時獲取的E4″max1值與Tl的大小關(guān)系，判定短路故障所在的區(qū)域。由本節(jié)分析可知，若要利用E4″max1對故障區(qū)域進(jìn)行定位，需要確定故障類型和實際故障初始相角θc，進(jìn)而需要研究如何利用電流及其小波能量譜值來確定θc和故障類型。

2.1.3 故障初始相角θc的確定

計算θc必須先檢測電流過0 值的時刻和電流E4 值達(dá)到XD的時刻這2 個參數(shù)。為此本文在PSCAD 中搭建了過0 點(diǎn)檢測模塊和θc計算模塊。若將故障電流的E4 值達(dá)到XD的時刻假設(shè)為故障發(fā)生時刻，此刻故障初始相角值θ為：

式中：KN為從電流過0 點(diǎn)開始到故障電流的E4 值達(dá)到XD時仿真模型循環(huán)運(yùn)行的次數(shù)；ST為PSCAD中的仿真時間間隔，本文設(shè)定為1 us。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，θ的值與實際的θc值之間的差值在6°～10°之間。因此，本文取所有誤差值的算術(shù)平均值7.1°作為補(bǔ)償值，可以得到θc計算公式為：

本文所用的故障特征值為小波能量譜值，由于故障發(fā)生在電流負(fù)半波的小波能量譜波形特征與發(fā)生在正半波時的一致，因此計算θc時僅需考慮電流半個周期的情況即可。

2.1.4 故障類型的確定

故障電流的各序分量可以反映短路故障的類型。各序分量求解公式為：

式中：I0，I+，I-分別為電流的零序分量、正序分量和負(fù)序分量；Ia，Ib，Ic分別為三相電流有效值；j 為虛數(shù)。

由式（7）可知，零序電流分量只出現(xiàn)在單相接地短路故障中；負(fù)序分量出現(xiàn)在非對稱短路故障中；正序分量在各種短路故障類型中都會出現(xiàn)。本文在PSCAD 中搭建了基于三相電流的序分量電流求解模塊，當(dāng)檢測到電流的零序分量時，即判定系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障；當(dāng)檢測到電流的負(fù)序分量且沒有零序分量時，即判定系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障；當(dāng)檢測到故障，但僅檢測到電流的正序分量時，即判定系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障。完整的短路故障快速檢測與定位程序流程如圖3 所示。

圖3 短路故障快速檢測與定位程序流程圖Fig.3 Flow chart of fast detection and location of short circuit fault

2.2 遠(yuǎn)距離多點(diǎn)通信的實現(xiàn)

當(dāng)通信距離較長時，通常需要增設(shè)中繼模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致成本的增加。非接觸式電纜巡檢系統(tǒng)根據(jù)工程實際應(yīng)用[34]，沿配電線路每500 m 內(nèi)安裝各個巡檢單元以消除線纜電壓損耗的影響，若將其與智能斷路器結(jié)合，由于目前常用無線通信模塊的通信距離一般都大于500 m，則可以節(jié)省增設(shè)通信中繼模塊的額外投入。以無線串口模塊AS62-T20 為例，其工作功率為100 kW，工作電流小，通信距離最大可達(dá)3 000 m，適合長期掛網(wǎng)運(yùn)行。

在圖1 的模型中，只需將進(jìn)線側(cè)IED0 設(shè)計為“邊”層級智能終端進(jìn)行短路故障檢測和定位的邊緣計算，并將分析和處理結(jié)果通過巡檢系統(tǒng)通信單元向各級斷路器發(fā)送，其余各級和相鄰級的斷路器只需將執(zhí)行結(jié)果通過巡檢系統(tǒng)通信單元進(jìn)行信息交互，即可方便地實現(xiàn)“端”層級元件進(jìn)行狀態(tài)感知和簡單的數(shù)據(jù)交互，而“邊”層級智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜計算的配電物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式，其多點(diǎn)協(xié)作物聯(lián)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 多點(diǎn)協(xié)作物聯(lián)架構(gòu)Fig.4 Architecture of coordinated multi-point IoT

圖4 中，T 為進(jìn)線變壓器，IED0—IED5 為各層級采用的智能終端，QF1—QF 6 為各層級線路上的斷路器。在全域選擇性保護(hù)策略中，若線路正常運(yùn)行，各級斷路器感知單元實時監(jiān)測各級線路狀態(tài)，通信單元按預(yù)設(shè)的時間定期啟動進(jìn)行線路狀態(tài)和斷路器本體狀態(tài)信息的交互；當(dāng)發(fā)生短路故障時，立刻啟動所有通信單元，并由IED0 完成故障識別與定位，同時將信息發(fā)送給各級IED，各級的IED 接收并確認(rèn)短路發(fā)生位置后與本級斷路器位置進(jìn)行比較判別。若故障不是發(fā)生在本級線路，則本級斷路器閉鎖不會跳閘；若確認(rèn)為本級故障則執(zhí)行本級斷路器跳閘；當(dāng)故障位置的斷路器執(zhí)行失敗時，將執(zhí)行結(jié)果與上級IED 進(jìn)行信息交互，則上級斷路器解鎖并跳閘執(zhí)行后備保護(hù)。通過全域IED 的信息交互即可實現(xiàn)全域的選擇性保護(hù)。

3 仿真驗證

將圖1 所搭建的模型中各級斷路器設(shè)置為相同動作參數(shù)，以便在仿真時用來確認(rèn)多級同跳或越級跳閘是否存在。通過在饋線部分的Z1，Z2，Z3 處設(shè)置短路模擬故障，對本文所提的早期檢測與定位及全域選擇性保護(hù)方法的有效性進(jìn)行仿真驗證。

根據(jù)圖3 的程序流程，在PSCAD 軟件中利用Fortran 語言設(shè)計并編寫了小波能量譜算法以及短路故障檢測、定位和保護(hù)所需的各功能程序。仿真驗證時，首先在單節(jié)點(diǎn)配電線路1 的Z1 處設(shè)置θc分別為27°，73°，141°的單相、兩相和三相短路故障，短路故障檢測閾值XD設(shè)置為1 000，所有斷路器均正常工作。仿真結(jié)果表明只有BRK1 動作，斷路器正常工作時單節(jié)點(diǎn)線路仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 斷路器正常工作時單節(jié)點(diǎn)線路仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of single node line under normal operation of circuit breaker

表1 中，t1表示從短路故障發(fā)生到斷路器BRK1斷開的時間間隔，表示在斷路器BRK1 斷開時刻，故障電流達(dá)到負(fù)載額定電流的倍數(shù)。驗證結(jié)果表明該方法可以實現(xiàn)短路故障的早期檢測并且不會出現(xiàn)越級跳閘。

然后分別在雙節(jié)點(diǎn)配電線路2 的Z2（d=50 m）和Z3（d=500 m）處設(shè)置單相短路故障，根據(jù)仿真模型線路參數(shù)將短路故障檢測閾值XD設(shè)置為10 000，定位閾值Tl設(shè)置為0.123 6，所有斷路器正常工作時雙節(jié)點(diǎn)線路單相短路故障仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 斷路器正常工作時雙節(jié)點(diǎn)線路單相短路故障仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of single phase short circuit fault on double-node line under normal operation of circuit breaker

隨后，在同樣條件下設(shè)置Z3 處發(fā)生三相短路故障，并在保護(hù)程序中禁止向斷路器BRK3 輸出跳閘信號以模擬BRK3 執(zhí)行失敗的情況。同時，在各級IED 的程序中進(jìn)行解鎖判斷時均延遲1 ms，用來模擬通信速率為9 600 bps 下信息交互延遲現(xiàn)象。BRK3 執(zhí)行失效時雙節(jié)點(diǎn)線路三相短路故障仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 BRK3執(zhí)行失效時雙節(jié)點(diǎn)線路三相短路故障仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of three-phase short circuit fault on double-node line in case of BRK3 execution failure

對比表2 和表3 的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)配電系統(tǒng)斷路器均正常運(yùn)行時，短路故障可以在早期被檢測和定位，且實現(xiàn)正常的選擇性保護(hù)；當(dāng)故障位置所在的斷路器出現(xiàn)保護(hù)執(zhí)行失效時，其上級斷路器可以快速實現(xiàn)后備保護(hù)。進(jìn)而說明在圖1 和圖3 所示的協(xié)作物聯(lián)運(yùn)行架構(gòu)下，可以有效實現(xiàn)配電網(wǎng)全域的選擇性保護(hù)。

4 結(jié)語

本文將小波能量譜算法引入配電系統(tǒng)故障保護(hù)中，在實現(xiàn)短路故障快速檢測的同時，完成故障區(qū)域的準(zhǔn)確定位，降低了算法的復(fù)雜性和計算工作量，可以通過配電網(wǎng)進(jìn)線側(cè)的斷路器智能終端完成故障檢測和定位算法的邊緣計算，實現(xiàn)“邊端融合”的架構(gòu)。無需額外的中繼措施即可利用多點(diǎn)短距離交互通信實現(xiàn)配電系統(tǒng)全域的遠(yuǎn)距離通信，讓各級斷路器準(zhǔn)確獲知短路故障所在區(qū)域并可將斷路器執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行信息交換，通過物聯(lián)協(xié)作的模式解決了多級同跳和越級跳閘的問題，并通過PSCAD 仿真驗證了所提出的“邊端融合”架構(gòu)下的全域選擇性保護(hù)的有效性。而在實際應(yīng)用中只需利用現(xiàn)有智能斷路器和配電電纜巡檢單元，即可實現(xiàn)了配電物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的全域選擇性保護(hù)，避免了重復(fù)投入，為探討配電物聯(lián)網(wǎng)的整體設(shè)計和建設(shè)提供新的思路。

現(xiàn)有配電物聯(lián)網(wǎng)各層級執(zhí)行主體和智能終端相結(jié)合，既能發(fā)揮“邊端融合”的技術(shù)優(yōu)勢，又可以提供性價比極高的整體解決方案。隨著斷路器自診斷技術(shù)和電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)的不斷發(fā)展，基于狀態(tài)感知與信息交互的配電網(wǎng)協(xié)作物聯(lián)模型將更加豐富和完善，其行為模型和決策輸出也將更加的靈活和智能。