基于狀態(tài)評(píng)估的配電網(wǎng)自適應(yīng)繼電保護(hù)配置方案

韓笑， 孫杰， 王凡， 蔣劍濤

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引 言

當(dāng)下傳統(tǒng)階段式電流保護(hù)難以滿足當(dāng)前配網(wǎng)保護(hù)需求[1]，自適應(yīng)保護(hù)的提出為解決該難題提供了思路。其核心思想是根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)、被保護(hù)對(duì)象的狀態(tài)調(diào)整保護(hù)配置方案或定值[2]。電網(wǎng)中設(shè)備狀態(tài)與故障發(fā)生率緊密聯(lián)系。設(shè)備狀態(tài)良好時(shí)故障偶爾發(fā)生，工作可靠性高，此時(shí)保護(hù)判據(jù)應(yīng)相對(duì)嚴(yán)格；對(duì)于狀態(tài)較差設(shè)備，發(fā)生故障的幾率將增加[3]，此時(shí)應(yīng)提高保護(hù)的靈敏性與速動(dòng)性，防止故障影響范圍擴(kuò)大。

國(guó)外研究了反時(shí)限自適應(yīng)電流保護(hù)。針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)方制定不同反時(shí)限曲線，切換保護(hù)定值[4]；將反時(shí)限電流保護(hù)的配合問(wèn)題轉(zhuǎn)化非線性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化算法求解保護(hù)定值[5]。國(guó)內(nèi)研究了階段式電流保護(hù)的優(yōu)化方案。通過(guò)系統(tǒng)故障后的電氣量信息識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)方，求解出保護(hù)背后的等效阻抗[6-7]，但這類方法無(wú)法感知與預(yù)測(cè)故障。通信技術(shù)的發(fā)展與智能變電站的建成[8]推動(dòng)了差動(dòng)保護(hù)在配網(wǎng)中的應(yīng)用[9-10]，但該類方法需要加裝設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較差，暫無(wú)法大量推廣。

基于以上分析，本文將狀態(tài)評(píng)估引入配網(wǎng)保護(hù)整定，建立設(shè)備狀態(tài)評(píng)估體系，提出基于狀態(tài)評(píng)估的配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置方案，以提高配網(wǎng)保護(hù)對(duì)各類故障、多變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了所提方案。

1 配電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估

1.1 狀態(tài)指標(biāo)

配網(wǎng)內(nèi)設(shè)備主要分為架空線、電纜線、斷路器和變壓器四類，其運(yùn)行狀態(tài)與所處環(huán)境及自身狀態(tài)密切相關(guān)。《配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中對(duì)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)項(xiàng)目及其權(quán)重進(jìn)行了規(guī)定。依據(jù)本導(dǎo)則及相關(guān)資料[11]，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了簡(jiǎn)化并重新給予權(quán)重。僅展示架空線相關(guān)指標(biāo)及其權(quán)重，如表1所示。

表1 架空線狀態(tài)指標(biāo)

1.2 狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

根據(jù)上節(jié)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中含有可在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)與不可在線評(píng)估指標(biāo)。無(wú)法在線測(cè)量的指標(biāo)由巡檢人員不定期巡檢直接打分?？稍诰€測(cè)量的指標(biāo)依據(jù)以下模型對(duì)單項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

測(cè)量值越小設(shè)備的狀態(tài)越優(yōu)的，則：

(1)

測(cè)量值越大設(shè)備的狀態(tài)越優(yōu)的，則：

(2)

式中：s為單項(xiàng)狀態(tài)指數(shù)；xmin、xmax為該項(xiàng)目的最小值與最大值；xm為實(shí)測(cè)值。獲得單項(xiàng)值后，通過(guò)加權(quán)計(jì)算獲得狀態(tài)指數(shù)：

(3)

式中：S為狀態(tài)指數(shù)；pi為權(quán)重系數(shù)；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2 基于狀態(tài)評(píng)估的自適應(yīng)保護(hù)配置方案

利用配網(wǎng)內(nèi)IED設(shè)備經(jīng)過(guò)上述評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可獲得各設(shè)備的狀態(tài)指數(shù)，并開(kāi)展保護(hù)配置工作。正常運(yùn)行時(shí)配網(wǎng)中各聯(lián)絡(luò)線斷開(kāi)，可等效為單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。圖1中：QF9、QF10為聯(lián)絡(luò)斷路器。

圖1 配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

2.1 線路階段式過(guò)流保護(hù)自適應(yīng)整定方法

斷路器狀態(tài)良好但線路狀態(tài)不佳的區(qū)段，共設(shè)置兩段電流保護(hù)。過(guò)流Ⅰ段為電流速動(dòng)段，過(guò)流Ⅱ段為過(guò)電流段。

過(guò)流Ⅰ段為主保護(hù)，保護(hù)部分長(zhǎng)度，0 s動(dòng)作。借助電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)IED設(shè)備，獲得當(dāng)前拓?fù)湎碌纳霞?jí)等值阻抗，并動(dòng)態(tài)修正；針對(duì)不同的故障類型，設(shè)置對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩個(gè)動(dòng)作值，由IED判斷故障類型并采取相應(yīng)的保護(hù)判據(jù)。動(dòng)作值為：

(4)

(5)

過(guò)流Ⅱ段為后備保護(hù)以保護(hù)全長(zhǎng)，動(dòng)作時(shí)間0.5 s。動(dòng)作值按線路最大負(fù)荷電流整定：

(6)

2.2 接入配變線路自適應(yīng)保護(hù)整定方法

(7)

過(guò)流Ⅱ段的動(dòng)作值與式(6)相同。

2.3 斷路器狀態(tài)較差線路的保護(hù)整定方法

斷路器狀態(tài)較差線路，可能由于斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)，影響其他正常線路供電。由于城市配電網(wǎng)供電半徑進(jìn)一步減小，線路首末兩端發(fā)生故障時(shí)短路電流相差不大，可使用上級(jí)線路的保護(hù)來(lái)保護(hù)兩段線路。通過(guò)IED識(shí)別狀態(tài)指數(shù)未達(dá)標(biāo)的斷路器，將其閉鎖保持閉合，并自適應(yīng)調(diào)整上級(jí)線路的保護(hù)定值。

以圖1為例，QF4狀態(tài)指數(shù)低，將其閉鎖，并由上級(jí)QF1保護(hù)l1及l(fā)2。線路過(guò)流Ⅰ段能保護(hù)線路l1全長(zhǎng)及l(fā)2部分范圍，確保該范圍內(nèi)可迅速切除故障。保護(hù)定值為：

(8)

過(guò)流Ⅱ段的動(dòng)作整定值與式(6)相同。為了保證其保護(hù)范圍包含兩條線路。式(6)中ILoad.max應(yīng)為l1和l2兩條線路最大負(fù)荷電流中的較大值，該值由IED進(jìn)行判定。

配網(wǎng)中部分線路較短，過(guò)流Ⅰ段無(wú)保護(hù)區(qū)，切除故障時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)也可采用本節(jié)方案。通過(guò)上級(jí)線路保護(hù)本段部分長(zhǎng)度，式(8)中α可依據(jù)系統(tǒng)中斷路器、線路的狀態(tài)合理選取。

3 算例分析

利用IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)對(duì)本文所提保護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)各節(jié)點(diǎn)IED設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，配合巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，可獲得各設(shè)備狀態(tài)指數(shù)，如表2所示。

圖2 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 配網(wǎng)內(nèi)設(shè)備狀態(tài)指數(shù)

3.1 保護(hù)整定示例

線路Line5_6的狀態(tài)指數(shù)為73，在節(jié)點(diǎn)5配置本文2.1節(jié)方案。由式(4)、式(5)可得，保護(hù)P5的過(guò)流Ⅰ段定值為2.92 kA及2.53 kA，前者對(duì)應(yīng)對(duì)稱故障，后者對(duì)應(yīng)不對(duì)稱故障，動(dòng)作時(shí)間為0 s。該線路最大載流量為510 A，由式(6)可得過(guò)流Ⅱ段定值為0.68 kA，動(dòng)作時(shí)間為0.5 s。

節(jié)點(diǎn)23、24之間的線路上接有兩臺(tái)配變，在節(jié)點(diǎn)23配置本文2.2節(jié)方案。通過(guò)IED檢測(cè)到配變DT23_1的容量更大，為800 kVA。由式(7)可得保護(hù)P23的過(guò)流Ⅰ段定值為0.94 kA與0.81 kA，動(dòng)作時(shí)間為0 s。該線路的最大載流量為350 A，由式(6)可得過(guò)流Ⅱ段定值為0.47 kA。動(dòng)作時(shí)間為0.5 s。

斷路器QF29狀態(tài)指數(shù)較低，采用本文2.3節(jié)方案，閉鎖斷路器QF29，由斷路器QF28保護(hù)兩段線路。設(shè)置過(guò)流Ⅰ段可保護(hù)線路Line29_30的50%范圍，由式(8)可得保護(hù)P28的過(guò)流Ⅰ段定值為1.04 kA及0.90 kA，動(dòng)作時(shí)間0 s。兩條線路最大載流量較大值為300 A，由式(6)可得過(guò)流Ⅱ段定值為0.4 kA，動(dòng)作時(shí)間0. 5 s。

3.2 對(duì)比分析

在線路的不同位置模擬故障，計(jì)算傳統(tǒng)方案及本文方案的平均動(dòng)作時(shí)間，如圖3所示。傳統(tǒng)方案定值較高，許多線路無(wú)速動(dòng)區(qū)，需依靠延時(shí)段切除故障，平均動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于故障電流更小的不對(duì)稱短路則更長(zhǎng)。本文方案可根據(jù)故障類型調(diào)整保護(hù)定值，因此，對(duì)于不同故障有相同的平均動(dòng)作時(shí)間，且保護(hù)定值可實(shí)時(shí)修正，故障切除時(shí)間明顯縮短。

圖3 不同保護(hù)方案的平均動(dòng)作時(shí)間

分別計(jì)算本文方案與傳統(tǒng)方案過(guò)流Ⅰ段的保護(hù)范圍，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。傳統(tǒng)方案平均最小保護(hù)范圍為10.5%，且多點(diǎn)保護(hù)無(wú)保護(hù)區(qū)。本文方案平均最小保護(hù)范圍為54.5%，只有部分過(guò)流Ⅰ段無(wú)保護(hù)區(qū)，對(duì)于此類無(wú)保護(hù)區(qū)的線路可采取本文2.3節(jié)方案。因此本文保護(hù)過(guò)流Ⅰ段更為靈敏。

圖4 傳統(tǒng)方案與本文方案下各線路保護(hù)范圍

同時(shí)，由于本文保護(hù)方案在各點(diǎn)配置的保護(hù)可通過(guò)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)，依據(jù)設(shè)備的狀態(tài)及線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。相較于離線就地整定、定值不變的傳統(tǒng)保護(hù)方案，保護(hù)的適應(yīng)性更強(qiáng)，降低了保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的幾率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將配電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估與繼電保護(hù)相結(jié)合，克服了以往保護(hù)難以適應(yīng)多變配網(wǎng)的缺點(diǎn)，提出了基于狀態(tài)評(píng)估的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)配置方案，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)方案及保護(hù)定值的自適應(yīng)整定。經(jīng)算例驗(yàn)證，本文所提方案保護(hù)的性能得到提升。