基于序分量的智能分布式配電網(wǎng)保護方案

朱英偉，徐峰，吳佳毅，林軍，張艷霞

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310000；3. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室實驗室(天津大學(xué))，天津 300072)

配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要提高供電可靠性必須重點關(guān)注配電網(wǎng)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護采用三段式過流原理：電流I段能保護饋線的一部分；電流II段能夠保護饋線全長；電流III段既作為本饋線的后備保護，又作為下條饋線的后備保護。隨著分布式電源和儲能裝置的接入以及規(guī)模的不斷擴大，配電網(wǎng)的潮流和故障電流方向不再是單一流向，只利用饋線上測量信息進行決策的三段式電流保護無法滿足對繼電保護選擇性的要求[1-3]。研究適應(yīng)新形勢下配電網(wǎng)保護的新原理具有實用價值，一直是重要的研究方向。

目前，一方面，適應(yīng)新形勢下配電網(wǎng)的保護新原理不斷涌現(xiàn)[4-7]；另一方面，無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和采樣技術(shù)等現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展和在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了配電網(wǎng)光纜不足、通信條件差等制約因素，基于通信技術(shù)和多點信息進行綜合比較的智能分布式保護系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越多，給配電網(wǎng)的保護帶來了新模式。文獻[8]提出一種網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)保護方案，能夠根據(jù)系統(tǒng)運行狀況自動調(diào)整過流保護的整定值，適用于配電網(wǎng)的多種運行情況。文獻[9]提出一種利用通信通道輔助方向過電流繼電器和局部差動保護的分層保護方案，將保護分為負(fù)載級、循環(huán)級、循環(huán)饋線級和微電網(wǎng)級4個層級，不同數(shù)據(jù)在各級層間交互應(yīng)用，能夠確保通信故障時保護信號仍可以正確傳輸，但該方案對硬件設(shè)備有較高要求。文獻[10]參考輸電網(wǎng)廣域保護方案，提出一種基于區(qū)域故障信息的分布式保護方法，不足之處是對通信系統(tǒng)的可靠性要求高。文獻[11]借助網(wǎng)絡(luò)化的通信手段，實現(xiàn)了集中式分層化的主保護和后備保護方法。文獻[12]將5G技術(shù)應(yīng)用于智能分布式配電網(wǎng)保護，解決了配電網(wǎng)保護縱聯(lián)化、廣域化問題，提升了配電網(wǎng)保護的性能。文獻[13]分析了配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備配置的差異，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于時序的智能分布式配電網(wǎng)保護方案，利用不同的動作時序整定實現(xiàn)智能分布式配電網(wǎng)的保護，缺點是犧牲了保護的速動性。由此可見，目前的智能分布式配電網(wǎng)保護原理尚未完善，研究智能分布式配電網(wǎng)保護新原理具有重要的理論意義和實用價值。

本文提出一種利用序分量先判定故障母線，后判定故障出線和故障區(qū)間的智能分布式配電網(wǎng)保護方案，借助于通信通道并利用故障發(fā)生后存在的序分量，將負(fù)序分量和正序故障分量相結(jié)合來反映電力系統(tǒng)的各種相間故障。采用MATLAB搭建模型并進行仿真，以驗證保護方案在各種相間故障情況下都能正確保證動作的選擇性和快速性。

1 基于序分量的智能分布式配電網(wǎng)保護

在配電網(wǎng)母線處裝設(shè)電壓互感器和電流互感器，在饋線上裝設(shè)電流互感器，通過通信網(wǎng)將所有測量信息上傳至區(qū)域主站內(nèi)，構(gòu)成智能分布式保護系統(tǒng)?；谛蚍至康闹悄芊植际脚潆娋W(wǎng)保護系統(tǒng)以故障發(fā)生后存在的序分量為基礎(chǔ)，利用母線序電壓、出線序分量功率角和饋線序電流相位來定位故障，包括判定故障母線、選取故障出線和定位故障區(qū)間3個階段。

1.1 利用序電壓判定故障母線

保護通過比較故障發(fā)生后各條母線上存在的負(fù)序電壓或正序電壓故障分量的值，找到最大值對應(yīng)的母線即為故障所在母線，判據(jù)為：

(1)

(2)

若式(1)中任意一項滿足則判別第k條母線為故障母線。負(fù)序電壓判據(jù)原理清晰且不受正常負(fù)荷變化和系統(tǒng)振蕩的影響，能快速判別出不對稱相間故障。正序電壓故障分量判據(jù)適合三相故障，因為這類故障不產(chǎn)生負(fù)序分量，只能根據(jù)正序電壓故障分量的最大值判定故障母線。

1.2 利用序分量功率角選取故障出線

判定故障母線后，求取該母線所帶出線的序分量功率角。依據(jù)序分量功率角不僅能選定故障所在的出線，而且當(dāng)故障發(fā)生在母線上時也能正確判定故障點。

序分量功率角反映的是母線處各出線序分量電壓與序分量電流之間的夾角。以單母線帶多條出線系統(tǒng)(圖1)為例分析故障出線的序分量功率角與非故障出線的區(qū)別。圖1中：S1和S2為2個交流等值系統(tǒng)；T1和T2為變壓器；110kV_a和110kV_b為2條110 kV母線，35kV_a和35kV_b為2條35 kV母線；L1和L2為母線35kV_a上的2條出線；MA、AB、BE、EJ、BG、AC、AD、DH、DI、MK、KL和LO均為35 kV饋線。當(dāng)F1點發(fā)生故障時，故障點產(chǎn)生的負(fù)序電壓在系統(tǒng)中產(chǎn)生負(fù)序電流，因此故障出線上的負(fù)序電流由線路流向母線，而非故障出線上的負(fù)序電流由母線流向線路，如圖1紅色箭頭所示。

圖1 單母線多出線系統(tǒng)Fig.1 Single-bus multiple outgoing-line system

圖2 故障后負(fù)序等效網(wǎng)Fig.2 Negative sequence equivalent network after fault

圖3 故障后負(fù)序相量圖Fig.3 Negative sequence phasor diagram after fault

根據(jù)上面的分析結(jié)果，基于序分量功率角判定故障出線的動作判據(jù)設(shè)定為：

(3)

同一條母線上，所有非故障出線的序分量功率角相同，而故障出線的序分量功率角與非故障出線的不同。所以，如果保護判定某條出線的序分量功率角與其余出線的序分量功率角不同，則判定該出線為故障所在出線；如果保護判定所有出線的序分量功率角相同，則判定為母線故障。

1.3 利用序電流相位定位故障區(qū)段

利用各序分量功率角判定出故障所在出線后，提取該出線上所有饋線的序電流與母線序電流進行相位比較，以確定故障區(qū)段。

圖4 故障出線的負(fù)序等效網(wǎng)Fig.4 Negative sequence equivalent network of fault outgoing-line

因此，先通過下面動作判據(jù)找到故障通路上的所有饋線：

(4)

再通過饋線與節(jié)點的關(guān)系矩陣找到故障通路末端饋線即故障所在區(qū)段。以圖4網(wǎng)絡(luò)為例，用關(guān)系矩陣A來描述節(jié)點和饋線的關(guān)系，矩陣中的每1行對應(yīng)1個節(jié)點、每1列對應(yīng)1條饋線，饋線與節(jié)點相關(guān)聯(lián)的元素取1，其他元素取0，則關(guān)系矩陣

(5)

1.4 智能分布式保護的實現(xiàn)流程

基于序分量的智能分布式配電網(wǎng)保護系統(tǒng)流程如圖5所示。啟動元件動作后，首先基于式(1)找到序電壓最大值對應(yīng)的母線判為故障母線；再根據(jù)式(3)尋找與其他線路序分量功率角不同的那條出線，判其為故障出線，如果所有出線上的序分量功率角相同則判為母線故障；最后利用式(4)確定故障通路上的所有饋線，再結(jié)合饋線與節(jié)點關(guān)系矩陣A確定故障路徑，故障路徑末端饋線即為故障區(qū)段。該保護原理清晰、易于實現(xiàn)。

圖5 基于序分量的智能分布式配電網(wǎng)保護主流程Fig.5 Main flow of intelligent distributed power distribution network protection based on sequence component

2 仿真結(jié)果及分析

本文搭建了圖6所示系統(tǒng)仿真模型，其中： S3為交流等值系統(tǒng)；三繞組變壓器T1采用Yn/Y/△接線，110 kV側(cè)中性點直接接地；兩繞組變壓器T2和T3均采用Yn/Δ接線，110 kV側(cè)中性點直接接地；110kV_a、110kV_b、110kV_c，35kV_a、35kV_b和10kV_a、10kV_b分別為110 kV母線，35 kV母線和10 kV母線；L1和L2為母線35kV_a上的兩條出線，L3和L4為10 kV母線10kV_a上的兩條出線；所有35 kV饋線長度均為10 km，所有10 kV饋線的長度均為5 km，線路參數(shù)見表1。

圖6 智能分布式保護系統(tǒng)構(gòu)成原理Fig.6 Schematic diagram of intelligent distributed protection system

表1 系統(tǒng)線路參數(shù)Tab.1 System line parameters

2.1 兩相短路

t=0.1 s時刻F1點發(fā)生bc兩相短路，母線上的負(fù)序電壓如圖7所示(標(biāo)幺值)。35kV_a母線和35kV_b母線的負(fù)序電壓的標(biāo)幺值分別為0.592和0.213，10kV_a母線和10kV_b母線的負(fù)序電壓的標(biāo)幺值分別為0.385和0.122。故依據(jù)式(1)判定故障母線為35kV_a母線。

圖7 F1點發(fā)生bc兩相短路時各母線負(fù)序電壓Fig.7 Negative sequence voltage of each bus in case of bc phase short-circuit at point F1

35kV_a母線所有出線的負(fù)序功率角如圖8所示，出線L1的為20°左右，出線L2的為175°，依據(jù)式(3)可選出故障所在的出線為L1。

圖8 F1點發(fā)生bc兩相短路時35kV_a母線所有出線的負(fù)序功率角Fig.8 Negative sequence power angles of all outgoing-lines of 35kV_a bus in case of bc phase short-circuit at point F1

L1上各饋線的負(fù)序電流與母線出線處負(fù)序電流的相位差如圖9所示。依據(jù)式(4)先選出構(gòu)成故障通路的饋線MA、AB、BE，再根據(jù)饋線與節(jié)點關(guān)系矩陣可知，故障路徑為M→A→B→E，因此故障點在饋線BE上，即F1點。

圖9 F1點bc兩相短路時L1出線上各饋線負(fù)序電流與母線出線處負(fù)序電流的相位差Fig.9 Phase differences between negative sequence current of each feeder on line L1 and negative sequence current on bus outgoing-line in case of bc phase short-circuit at point F1

2.2 兩相接地

t=0.1 s時刻F2點發(fā)生bc相短路接地，母線上的負(fù)序分量如圖10所示。35kV_a側(cè)負(fù)序電壓最大，為0.935，35kV_b、10kV_a、10kV_b側(cè)負(fù)序電壓分別為0.372、0.681、0.214，故可判定故障母線為35kV_a母線。35kV_a母線所有出線的負(fù)序功率角如圖11所示，L1、L2出線的負(fù)序功率角均為185°，均不滿足動作判據(jù)，所以判定為35kV_a母線故障。

圖10 F2點發(fā)生bc相短路接地時各母線負(fù)序電壓Fig.10 Negative sequence voltage of each bus in case of bc phase grounding at point F2

圖11 F2點發(fā)生bc相短路接地時35kV_a母線所有出線的負(fù)序功率角Fig.11 Negative sequence power angles of all outgoing-lines of 35kV_a line in case of bc phase grounding at point F2

2.3 三相短路

t=0.1s時刻F3點發(fā)生三相短路，正序故障分量如圖12—圖14所示。由圖12可知，35kV_a、35kV_b、10kV_a和10kV_b母線正序電壓故障分量分別為0.52、0.13、0.86和0.55，由式(1)可判定10kV_a母線為故障母線。圖13給出了10kV_a母線所有出線的正序故障分量功率角：L4出線的約為20°，滿足動作判據(jù)；L3出線的為150°，不滿足動作判據(jù)；所以選出故障所在的出線L4。圖14為L4上各饋線的正序故障分量電流與母線出線處的正序故障分量電流的相位差。依據(jù)式(4)選出構(gòu)成故障通路的饋線NO，再根據(jù)饋線與節(jié)點關(guān)系矩陣可得故障路徑為N→O，因此故障點在饋線NO上即F3點。

圖12 F3點發(fā)生三相短路時各母線正序電壓故障分量Fig.12 Positive sequence voltage fault component of each bus in case of three-phase short-circuit at F3 point

圖13 F3點發(fā)生三相短路時10kV_a母線所有出線的正序故障分量功率角Fig.13 Positive sequence fault component power angles of all outgoing-lines of 10kV_a bus in case of three-phase short-circuit at F3 point

圖14 F3點發(fā)生三相短路時L4出線上各饋線的正序故障分量電流與母線出線處正序故障分量電流的相位差Fig.14 Phase differences between positive sequence fault component current of each feeder on line L4 and positive sequence fault component current on bus outgoing-line in case of three-phase short-circuit at F3 point

2.4 一相斷線

t=0.1s時刻F3點發(fā)生a相斷線，各母線負(fù)序電壓如圖15所示。10kV_a母線標(biāo)幺值最大，接近0.823；35kV_a、35kV_b和10kV_b母線標(biāo)幺值分別為0.401、0.097和0.492。故可判定故障母線為10kV_a母線。圖16為該母線上兩條出線的負(fù)序功率角，L4出線的約為15°，滿足動作判據(jù)；L3出線的為165°，不滿足動作判據(jù)；所以，判L4為故障出線。圖17是L4上各饋線的負(fù)序電流與母線出線處負(fù)序電流之間的相位差，依據(jù)判據(jù)(4)選出故障通路為饋線NO，再根據(jù)饋線與節(jié)點關(guān)系矩陣可得故障路徑為N→O，因此，定位故障點在饋線NO上即F3點。

圖15 10kV_a線路F3點一相斷線時各母線負(fù)序電壓Fig.15 Negative sequence voltage of each bus in case of single-phase disconnection at F3 point of 10kV_a line

圖16 10kV_a線路F3點一相斷線時各出線的負(fù)序功率角Fig.16 Negative sequence power angle of each outgoing-line in case of single-phase disconnection at F3 point of 10kV_a line

圖17 10kV_a線路F3點一相斷線時L4出線上各饋線的負(fù)序電流與母線出線處負(fù)序電流的相位差Fig.17 Phase differences between negative sequence current of each feeder on line L4 and negative sequence current on bus outgoing-line in case of single-phase wire break at F3 point of 10kV_a line

3 結(jié)論

通信網(wǎng)絡(luò)將所有線路上的測量信息上傳至區(qū)域主站內(nèi)，構(gòu)成智能分布式保護系統(tǒng)?；谛蚍至康闹悄芊植际脚潆娋W(wǎng)保護分3個階段實現(xiàn)：第1階段利用負(fù)序電壓或正序電壓故障分量的最大值判定故障母線；第2階段依靠負(fù)序功率角或正序故障分量功率角選取故障出線或故障母線；第3階段根據(jù)各饋線負(fù)序電流或正序電流故障分量與母線出線處的相位差來定位故障區(qū)段。每個階段均利用序分量構(gòu)成保護動作判據(jù)，負(fù)序判據(jù)反應(yīng)相間故障，正序故障分量判據(jù)主要用來反應(yīng)無短時不對稱狀態(tài)的三相故障。各個階段的序分量采用“或門”輸出的判別方式，可以保證各種相間短路的選擇性。

本文保護邏輯清晰、易于實現(xiàn)，但是為了定位故障所在區(qū)段需預(yù)先構(gòu)建饋線與節(jié)點的關(guān)系矩陣，增加了工作量。下一步有待研究更好的故障所在區(qū)段定位方法。