考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)

劉顯茁，鄧韋斯，謝恩彥

（1.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623；2.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 215200）

0 引 言

繼電保護系統(tǒng)是具有信息化以及智能化的電力系統(tǒng)穩(wěn)定以及安全運行的重要部分，繼電保護整定方案優(yōu)劣決定了電力系統(tǒng)運行狀態(tài)［1-2］。隨著對可再生能源的快速發(fā)展，分布式發(fā)電機（Distributed Generators，DGs）正在迅速融入配電系統(tǒng)，如果管理得當，可以提高電網(wǎng)效率和可靠性［3］。然而，DG 的存在給配電系統(tǒng)和微電網(wǎng)的保護帶來了新的挑戰(zhàn)［4］。DG 電流的注入會改變配電系統(tǒng)的電流和電壓分布，從而影響保護系統(tǒng)的性能［5］。保護盲目和假跳閘是由于DGs 的存在而導致的保護裝置失配的主要例子［6］。隨著DGs的日益普及，這一問題變得越來越復雜。針對該問題，近年來，國內(nèi)外針對DGs 對配電網(wǎng)保護協(xié)調(diào)的影響進行了廣泛的研究。

文獻［7］提出了DGs 并網(wǎng)的配電網(wǎng)（Distribution Network，DN）自適應保護配置方案；通過算例對所提出的保護配置方案的驗證結果表明，該配置方案可有效提高配電網(wǎng)繼電保護的可靠性。文獻［8］提出了一種基于方向閉鎖原理和拓撲分析的自適應保護方案，算例驗證結果表明，所提保護方案能夠為主動配電網(wǎng)提供一種簡單、經(jīng)濟和可靠的主保護方案。文獻［9］提出了一種自適應最優(yōu)過流保護方法，基于對埃及配電網(wǎng)中一個實際的11 kV 級聯(lián)配電饋線的詳細模擬，驗證了所提方法的有效性。

現(xiàn)有研究主要從基于通信方案的保護［10］、自動選擇設置組［11］、在線監(jiān)測計算繼電器設置［12］和執(zhí)行實時協(xié)調(diào)［13］的角度研究考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護問題?，F(xiàn)有研究在提升配電網(wǎng)自適應保護的準確性方面取得了令人滿意的結果，但考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護的速動性還有待進一步提高［14］。

為進一步提高考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護的速動性，本文提出一種考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護新系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用改進的微遺 傳 算 法（Improved Microgenetic Algorithm，IMGA）［15］實時優(yōu)化和更新保護繼電器的設置。為了驗證所提出的自適應保護新系統(tǒng)的有效性，通過Simulink/MATLAB 平臺對包含多個故障案例的仿真搭建了仿真數(shù)據(jù)庫，并將所提出的自適應保護系統(tǒng)與基于傳統(tǒng)遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)和基于改進前的微遺傳算法（Microgenetic Algorithm，MGA）的自適應保護系統(tǒng)對仿真數(shù)據(jù)庫中故障線路切除效果進行了對比。

1 定向過流繼電器的協(xié)調(diào)運行

配電系統(tǒng)主要采用放射形網(wǎng)絡結構，具有單向功率流。為保護DN 的安全運行，DN 的保護系統(tǒng)廣泛選用使用過電流繼電器的定向過流保護方案，該保護系統(tǒng)和熔斷器、重合器一起安裝在變電站饋線的首端［16-17］。

在繼電器保護系統(tǒng)安全運行時，主要基于選擇性原則相互協(xié)調(diào)［18］，即：

1）為滿足協(xié)調(diào)和選擇性要求，必須遵守協(xié)調(diào)時間間隔（Coordinated Time Interval，CTI）的要求，該協(xié)調(diào)時間對應于配電網(wǎng)中2 個相鄰繼電器之間的最短操作時間間隔。

2）在發(fā)生故障時，離故障位置最近的保護裝置（稱為初級保護）必須盡快運行。

3）如果主保護發(fā)生故障，則位于主保護上游線路上的保護設備（稱為設備后備保護）的動作時間必須定義為協(xié)調(diào)時間間隔加一定的延遲動作時間［19］，即：

其中，tCTI是協(xié)調(diào)時間間隔，tp，l和tb，l分別是主繼電器和后備繼電器在線路l中發(fā)生故障時的動作時間。通常，tCTI值在0.2 s～0.5 s 之間。本文所研究保護方法中采用tCTI=0.3 s。繼電器動作時間（top）的計算取決于所使用的保護裝置。在本文所研究保護方法中，重點是反時限方向過流繼電器的整定，其動作時間與流過它的電流成反比。描述反時限方向過電流繼電器特性的關系由式（2）確定［20］：

其中，tset是設定時間，If是故障電流，Ipickup是啟動電流，k1和k2是定義繼電器工作特性的常數(shù)。根據(jù)所使用的繼電器特性和繼電器在保護系統(tǒng)中的位置，tset需滿足：

其中，tset，i，min和tset，i，max分別是繼電器i的設定時間的最小值和最大值。對于具有式（2）特性的反時限繼電器，時間設定范圍為［0.05 1.00］s，步長為0.01 s。啟動電流是定義系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)的閾值。該電流在最小值（通常與系統(tǒng)過載的最大值有關）和最大值（通常是最小短路電流）之間變化［21］：

其中，Iload，max和If，min分別是最大負載電流和最小故障電流，α負荷增長因子。由于過電流繼電器需通過電流互感器（Current Transformer，CT）獲得低幅值電流，因此在電網(wǎng)繼電保護實踐中，電流互感器比（Current Transformer Ration，CTR）是一個需側重考慮的參數(shù)。

繼電器協(xié)調(diào)任務的執(zhí)行并非輕易實現(xiàn)，當配電系統(tǒng)中存在DGs時，配電系統(tǒng)將由被動系統(tǒng)變?yōu)橐粋€主動系統(tǒng)，此時配電網(wǎng)自適應保護中過電流繼電器的協(xié)調(diào)問題已不再是只有單一解的問題，而是變成隨配電網(wǎng)拓撲變化的最佳協(xié)調(diào)優(yōu)化問題［22］。

2 過電流繼電器的協(xié)調(diào)優(yōu)化

為實現(xiàn)考慮分布式發(fā)電的配電網(wǎng)自適應保護過程中過電流繼電器的最佳協(xié)調(diào)，首先需要構建過電流繼電器協(xié)調(diào)優(yōu)化模型［23］。該模型包括一個求最小值的目標函數(shù)（也稱為適應度函數(shù)）和一系列約束。

2.1 過電流繼電器的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

過電流繼電器協(xié)調(diào)優(yōu)化問題的目標是在不違反協(xié)調(diào)標準和繼電器物理限制的情況下找到繼電器的最短操作時間［24］。在數(shù)學上，式（1）～式（4）決定的協(xié)調(diào)問題的原始關系將被表述為一個單目標優(yōu)化問題：

目標函數(shù)：

其中，ti，l和ti+1，l分別是位于線路l上的繼電器i和上游繼電器i+1 的動作時間；ti，min和ti，max分別是繼電器i基于速度原理和靈敏性的動作時間的最小值和最大值；Ipickup，min和Ipickup，max分別是啟動電流的最小值和最大值；RCi（i=1，…，N）是定義選定的第i個反時限過電流繼電器過流特性的常數(shù)k1，i和k2，i組合，N表示反時限過電流繼電器的總數(shù)。這意味著，就搜索空間而言，保護系統(tǒng)鏈中每個繼電器的動作曲線類型可能不同。由式（5）～式（10）可知，問題變量是啟動電流、設定時間和曲線類型。啟動電流通常用作靈敏度變量來建立最佳電流值，以便它可以最佳地滿足準則式（4）的要求。當使用由準則式（4）給出的啟動電流的最小值時，保護是最靈敏的。

因此，過電流繼電器協(xié)調(diào)問題的設計變量是設定時間和繼電器特性曲線［25］，啟動電流被認為是一個常數(shù)。由于選擇的時間-過流特性（k1和k2）和tset被認為是變量，這導致了一個非線性和非凸優(yōu)化問題，從而具有多種繼電器設置的可能性，這導致了很大的搜索空間，為解決該問題，不可能使用線性規(guī)劃等技術。因而，本文選用遺傳算法求解該非線性和非凸優(yōu)化問題。

2.2 基于改進微遺傳算法的過電流繼電器協(xié)調(diào)優(yōu)化

為解決過電流繼電器的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，本文選用改進的微遺傳算法求解該非線性和非凸優(yōu)化問題［26］。

類似于傳統(tǒng)的GA，MGA 通過模擬生物進化的自然過程來找到問題的最佳解決方案?；贛GA 的問題優(yōu)化過程以代表一組可能解決方案的隨機種群開始，該總群中包含npop個初始個體；通過連續(xù)迭代演變尋找最優(yōu)解決方案。在每一代中，都會形成一個新種群，該種群通過交叉（種群的2 條染色體之間的操作，產(chǎn)生2 個新個體）和突變（染色體的隨機變化以避免同質(zhì)性）的遺傳操作從原始種群中衍生新個體。在每一代中，種群中的所有個體都通過由目標函數(shù)值和先前建立的選擇機制組成的生存標準進行評估，該機制確定哪些個體應該生存并參與下一代遺傳。重復此過程，直到通過種群優(yōu)化找到最優(yōu)解。

實際上，MGA 和GA 的區(qū)別在于種群的大小（MGA：5～20 個個體，GA：30 ～300 個個體）。此外，在MGA 中，重新啟動種群的周期以及使用的變異操作是可選的。在GA 中，只創(chuàng)建了初始種群，它決定了種群多樣性。然而，在MGA 中，當大小為npop的種群變得同質(zhì)時，適應性最好的個體會遷移到大小為npop-1的隨機生成的新種群中。該機制用來彌補由于種群規(guī)模小而導致種群的多樣性降低問題，盡量避免算法收斂到一個局部最優(yōu)。為了進一步彌補由于種群規(guī)模小而導致種群的多樣性降低問題，對MGA 進行改進，將初始種群數(shù)量增加到20～30 個。IMGA 相對于傳統(tǒng)GA 使用小種群顯著減少了計算工作量，從而減少了處理時間，而處理時間是解決保護問題的關鍵參數(shù)；IMGA相對于改進前的MGA進一步彌補了由于種群規(guī)模小而導致種群的多樣性降低問題，可進一步避免算法收斂到一個局部最優(yōu)。

為了保證種群的多樣性，另一種策略是應用不替換的錦標賽選擇。這確保了所有的染色體都可以被選中參加比賽，而不管它們是否適合，這只能在隨機抽取當前種群的雙染色體后進行考慮。為了通過IMGA 解決定向過電流繼電器的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，形成以下算法，算法詳細流程如下：

1）讀取輸入數(shù)據(jù)：故障電流（If）、啟動電流（Ipickup）、電流互感器變比（CRT）、繼電器總數(shù)（N）和所有繼電器對（主保護和后備保護繼電器對）。

2）隨機種群的初始化：隨機種群中包含25 個個體，npop=25。

4）執(zhí)行交叉操作：采用100%的增長因子。考慮到交叉種群中包含25 個個體，初始種群中將增加26個個體，即隨機種群中包含51個個體。

5）計算新個體的目標函數(shù)。

6）執(zhí)行錦標賽操作：這包括從應用于種群的隨機選擇過程中選擇最合適的個體。最終將淘汰26 個個體，輸出種群中包含25個個體。

7）實施精英主義操作：從剩余的個體中保留目標函數(shù)較小的個體。

8）收斂性分析：目標函數(shù)的同質(zhì)性被用作收斂標準：

其中，Om，min和Om，max分別是第m代最終種群的目標函數(shù)的最小值和最大值。如果該比值大于或等于0.95+ε，ε為一可調(diào)參數(shù)，則種群將被重置包含為npop-1 個體。否則，個體數(shù)將保持不變。

9）遺傳代數(shù)計數(shù)器分析：最大值設定為800 代（Gmax=800）。

如果解決方案不匹配問題的限制條件，則需在目標函數(shù)中添加懲罰項。

采用十進制及對繼電器編碼（見圖1），其中染色體的尺寸等于要協(xié)調(diào)的繼電器數(shù)量的3倍，即：

圖1 十進制編碼

1）染色體的第1 部分（基因等于繼電器數(shù)）代表繼電器特征，特性分類參考國際電工委員會標準IEC 255-03。

2）染色體的第2 部分（基因等于繼電器數(shù)量的2倍）表示設定時間tset，參考國際電工委員會標準IEC 255-03，tset可以從0.05 變化到1。在十進制編碼中，每條染色體的范圍是0～9，因此對于每2 個基因，第1個代表個位，第2個代表十位。

3 考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過持續(xù)監(jiān)測斷路器的狀態(tài)和分布式發(fā)電的有功功率，檢測這些變量的實時變化，然后根據(jù)變量的實時變化重新計算繼電器的新設定值。過電流繼電器的動作時間通過第2 章中構建的過電流繼電器協(xié)調(diào)優(yōu)化模型進行重新配置，系統(tǒng)狀態(tài)和分布式發(fā)電有功功率的監(jiān)測、過電流繼電器的整定電流和主-后備保護的配置將在本章介紹。

3.1 配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)

從根本上說，自適應保護是一種保護策略，它尋求調(diào)整保護設置以適應電力系統(tǒng)可能面臨的所有可能條件，確保執(zhí)行正確的操作［27］。本文所提出的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)采用分散式架構類型，該類型由幾個獨立的控制中心組成，并將繼電器劃分到這幾個獨立控制中心所在扇區(qū)［28］。

分散式架構類型的思想是集中少量的方向過電流繼電器，通過提高每組的數(shù)據(jù)處理能力，從而提高自適應保護系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理［29］。但是，該數(shù)據(jù)處理量可能會因系統(tǒng)中的繼電器總數(shù)而異。理想的情況是繼電器鏈應該在同一個中心，如果主、備用繼電器對在不同的中心，則模擬優(yōu)先級位于主繼電器的中心。數(shù)據(jù)處理后，主繼電器單元將計算出的設置發(fā)送到備用繼電器單元，備用繼電器單元將使用這些數(shù)據(jù)處理備用繼電器設置。

對于運行模式，本文所提出的系統(tǒng)是一種在線型的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，每次配置變化都會實時自動重新計算最優(yōu)值。自適應保護系統(tǒng)的流程如圖2 所示。Fdetect表示功率越限的檢測標志符號，F(xiàn)detect=1 代表功率越限，F(xiàn)detect=0代表功率未越限。

圖2 自適應保護系統(tǒng)流程圖

自適應保護系統(tǒng)通過讀取數(shù)字和模擬通道，即斷路器的狀態(tài)和繼電器所監(jiān)測區(qū)域的電壓和電流信號，來持續(xù)監(jiān)測配電系統(tǒng)。這些變量的變化被理解為配電系統(tǒng)的拓撲變化。在這種情況下，保護系統(tǒng)自動使用IMGA 重新計算被監(jiān)測系統(tǒng)的新的方向過流繼電器設置，并將其發(fā)送給保護繼電器。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測

系統(tǒng)監(jiān)測過程包括讀取配電系統(tǒng)設備的模擬和數(shù)字通道以進行信號策略、保護設定［30］。因此，在本文所設計的自適應保護系統(tǒng)中，數(shù)字繼電器的模擬和數(shù)字通道的輸出信號將作為自適應保護系統(tǒng)的輸入，如圖2 所示，從而繼電器可以在線獲得配電網(wǎng)的電壓和電流信號波形。對斷路器狀態(tài)的數(shù)字信號監(jiān)測，可通過應用以下等式來實現(xiàn)：

其中，QB（k）為配電系統(tǒng)中所有斷路器k時刻狀態(tài)的變化量；B（k）和B（k-1）分別是當前k和前一時刻k-1的斷路器狀態(tài)值。

模擬信號監(jiān)測，即電壓和電流信號監(jiān)測（用于計算線路流過的有功功率P及其變化量△P的變化范圍），可用于判斷配電系統(tǒng)的運行模式（正?；虍惓＃筛鶕?jù)式（13）判斷系統(tǒng)狀態(tài)是否發(fā)生變化：

其中，q和x分別定義為流過配電線路的功率變化率的允許極限，Pnorm表示△P所流過線路的額定輸送功率。若出現(xiàn)違反約束的情況，則通過所設計的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)分析系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化情況，并重新計算保護設置。在配電網(wǎng)發(fā)生故障時，△P將超出邊界，所設計自適應保護系統(tǒng)會將其解釋為拓撲的變化。為防止這種情況發(fā)生，模擬信號監(jiān)測模塊僅在△P超出限制且繼電器未檢測到故障時發(fā)送變化檢測信號，即檢測標志Fdetect等于0，如圖2所示。

3.3 新設置計算

除了檢測拓撲變化外，還需要對繼電器設置做出適當?shù)恼{(diào)整，以確保保護系統(tǒng)能夠適應這種新的系統(tǒng)運行場景。在檢測到拓撲變化后，本文所設計配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)執(zhí)行5 個基本計算步驟：啟動電流計算、新的主-備繼電器對（主保護繼電器和后備保護繼電器對）配置、短路電流計算、IMGA 的執(zhí)行和發(fā)送繼電器新設置。具體執(zhí)行過程如下：

1）啟動電流計算。

啟動電流使用的負載增長因子為1.5，即系統(tǒng)在50%過載以下運行的場景不被認為是故障。獲得啟動電流的最簡單方法之一是計算從模擬繼電器通道獲得的電流的均方根值，如下所示：

其中，iRMS是DN 給定部分的電流均方根值，ia是一包含S個樣本的電流信號中樣本a的值。僅考慮不等式的最小值α=1.5，通過電流均方根值，啟動電流可以通過式（4）計算。需要注意的是，要獲得這個電流，來自配電系統(tǒng)的電流信號必須經(jīng)過低通濾波器、模數(shù)轉換等預處理。電流信號以960 Hz 的采樣率進行數(shù)字化。

2）主繼電器和后備繼電器對的配置。

該過程涉及節(jié)點級別概念的定義：①直接連接到變電站的節(jié)點級別設置為0；②一條節(jié)點直接連接到另一個b級節(jié)點的節(jié)點定義為b+1級節(jié)點。根據(jù)節(jié)點的層級連接在數(shù)據(jù)庫中定義了主繼電器和后備繼電器對。所設計的自適應保護系統(tǒng)檢查與節(jié)點相連的斷路器的狀態(tài)，如果上一級斷路器斷開，則下一級繼電器將被禁用，從而生成新的主-背繼電器對數(shù)據(jù)庫。

3）短路電流的計算。

短路電流是通過戴維南等效定理分析計算的，由于發(fā)生故障的DN 可能是不平衡系統(tǒng)，故使用對稱分量方法不太適合。在該階段，使用Simulink/MATLAB 軟件計算短路電流。在Simulink/MATLAB中，對相電流和接地電流進行仿真模擬，并保存在三相和單相2個矩陣中。

4）改進的微遺傳算法的執(zhí)行。

IMGA將根據(jù)第2.2節(jié)的算法流程執(zhí)行。

5）發(fā)送繼電器的新設置。

本文所設計自適應保護系統(tǒng)將新設置發(fā)送到保護繼電器。由于數(shù)字繼電器可在線配置，隨著智能電網(wǎng)和SCADA 系統(tǒng)技術的越來越成熟，發(fā)送繼電器新設置的任務將變得越來越簡單。

4 仿真研究和分析

本文測試和驗證所設計考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)（IMGA-P）的流程如圖3 所示。其主要思想是通過改變故障的類型和位置以及DG 的數(shù)量生成一個包含多個案例的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫用于將所設計配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)的性能與基于GA 的自適應保護系統(tǒng)的性能（GA-P）和基于改進前的微遺傳算法的自適應保護系統(tǒng)（MGA-P）的性能進行對比，驗證所設計IMGA-P的有效性。

圖3 自適應保護系統(tǒng)性能測試和對比流程

4.1 測試系統(tǒng)

選用已被科學界廣泛用于DN研究的IEEE 34節(jié)點測試系統(tǒng)［31］，該系統(tǒng)是一個電壓等級為24.9 kV 的一次配電系統(tǒng)，如圖4 所示。在所用IEEE 34 節(jié)點測試系統(tǒng)中，在節(jié)點840 和848 處插入2 個200 kVA的DGs，在節(jié)點800、832、834、836 和842 處插入繼電器，不考慮調(diào)壓器的存在。所采用電流互感器的變比如表1 所示。DGs 被建模為同步電機，DG1 和DG2的規(guī)格相同，額定容量為200 kVA、額定電壓為13.8 kV，它們通過星-三角連接的210 kVA 變壓器連接到系統(tǒng)。

表1 電流互感器變比

圖4 IEEE 34節(jié)點測試系統(tǒng)

繼電器的分配通常是在DN 設計過程中完成的，在IEEE 34 節(jié)點系統(tǒng)首端的變電站中插入一個繼電器（R800）。考慮插入繼電器R842和R836以保護DGs。

4.1.1 負載和故障電流計算

負載和故障電流的計算考慮了研究中設想的所有操作場景。短路研究考慮了安裝過電流繼電器的饋線段三相和單相故障的仿真模擬（近距離故障），如表2 所示。所計算的負載和故障電流將作為GA、MGA和IMGA的輸入。

4.1.2 繼電器建模

數(shù)字繼電器的建模步驟是按照數(shù)字繼電器的經(jīng)典架構來實現(xiàn)的，例如使用2 階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為180 Hz；將模擬信號轉換為采樣頻率為960 Hz（每個周期16 個樣本）的數(shù)字格式；使用修正余弦法估計電壓和電流相量；使用反時限過電流繼電器仿真器模塊，它有輸入電壓和電流值，輸出的是斷路器的跳閘信號。數(shù)字繼電器在Simulink/MATLAB環(huán)境中使用軟件本身的框圖進行建模，定向過電流繼電器的仿真器和相量估計塊使用Simulink/MATLAB的函數(shù)進行開發(fā)。

為構建故障仿真數(shù)據(jù)庫，本文評估了1980 個案例，所構建的故障仿真數(shù)據(jù)庫如表2 所示。為驗證所設計的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)，將其對配電網(wǎng)的自適應保護性能與GA-P 和MGA-P 進行對比分析。為此，將圖2 中的改進微遺傳算法模塊替換為遺傳算法模塊或微遺傳算法模塊。

4.2 實驗及結果分析

并網(wǎng)DGs 數(shù)量的不同將會導致DN 中保護設置的變化，而這些變化需要通過自適應保護手段迅速準確的完成。為驗證所設計自適應保護系統(tǒng)的有效性，基于DGs 并網(wǎng)數(shù)量的不同構建了3 種場景：場景1（DG1 和DG2 并網(wǎng)）、場景2（只有DG2 并網(wǎng)）和場景3（DG1和DG2均不并網(wǎng)）。

4.2.1 場景1（DG1和DG2均并網(wǎng)）

在該場景中，2 個DG 并網(wǎng)接入IEEE 34 節(jié)點配電網(wǎng)。DG1 和DG2 在DN 系統(tǒng)發(fā)生故障發(fā)生時不會斷開，通過自適應保護策略，確保DG1 和DG2 安全可靠地與系統(tǒng)保持連接。選擇一個施加在F4上的發(fā)生在A 相、B 相和大地之間的兩相接地短路故障進行分析，持續(xù)時間為1 s，故障電阻為10 Ω。3 種系統(tǒng)均不會發(fā)生繼電器誤操作，3 個系統(tǒng)均可以根據(jù)選擇性和速動性的要求，有選擇性地將故障線路切除。IMGA-P 對故障線路切除時間為0.027 s，GA-P 對故障線路切除時間為0.05 s，MGA-P 對故障線路切除時間為0.03 s。很顯然，本文所設計自適應保護系統(tǒng)比其他2個系統(tǒng)能夠更快速地清除故障。

4.2.2 場景2（只有DG2并網(wǎng)）

在該場景中，DG1 被斷開，因此DG 并網(wǎng)功率只有200 kVA。選擇一個施加在F1 上的發(fā)生在A 相、C相之間的兩相短路故障進行分析，持續(xù)時間為1 s，故障電阻為5 Ω。3 個保護系統(tǒng)的繼電器均能工作正常，IMGA-P 對故障線路切除時間為0.45 s，GA-P 和MGA-P 對故障線路切除時間均為0.59 s。很顯然，本文所設計自適應保護系統(tǒng)比其他2 個系統(tǒng)能夠更快速地清除故障。

4.2.3 場景3（DG1和DG2均不并網(wǎng)）

在該場景中，2 個DG 均與IEEE 34 節(jié)點系統(tǒng)斷開連接。選擇一個施加在F2 上的B 相接地故障進行分析，持續(xù)時間為1 s，故障電阻為10 Ω。在該場景下，3個保護系統(tǒng)的繼電器均能工作正常，IMGA-P 對故障線路切除時間為0.44 s，GA-P 對故障線路切除時間為0.787 s，MGA-P 對故障線路切除時間為0.56 s。IMGA-P 對故障線路切除時間明顯快于GA-P 和MGA-P。

4.2.4 統(tǒng)計分析

為定量分析和驗證本文所設計配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)的有效性，對場景1、場景2 和場景3 中3 種保護系統(tǒng)的性能進行匯總和對比。對比結果如圖5 的box 圖：中心標記橫線顯示中位數(shù)，box 的底部橫線和頂部橫線分別表示輸出結果的下四分位數(shù)和上四分位數(shù)，頂部橫線和底部橫線分別表示上邊緣和下邊緣，異常值使用“+”符號單獨繪制。

圖5 統(tǒng)計分析結果

1）IMGA-P 平均對故障線路切除時間為0.295 s。75%（上四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器平均對故障線路切除時間小于0.523 s，25%（下四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器平均對故障線路切除時間小于0.069 s。

2）GA-P 平均對故障線路切除時間為0.311 s。75%（上四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器對故障線路切除時間小于0.576 s；25%（下四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器對故障線路切除時間小于0.0725 s。

3）MGA-P 平均對故障線路切除時間為0.346 s。75%（上四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器對故障線路切除時間小于0.603 s，25%（下四分位數(shù)）的故障情況下，繼電器對故障線路切除時間小于0.0725 s。

以上對比結果表明，3 種配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)在所有評估的場景中都表現(xiàn)出了良好的性能，因為它們在所有情況下都能快速有選擇性地切除故障線路。然而，IMGA-P 能夠比GA-P 和MGA-P 更加快速地切除配電網(wǎng)故障線路。

5 結束語

本文提出了一種考慮分布式發(fā)電并網(wǎng)的配電網(wǎng)自適應保護新系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于改進微遺傳算法進行保護繼電器設置的自適應更新，旨在確保電力系統(tǒng)安全可靠運行，并實現(xiàn)系統(tǒng)最佳保護。該系統(tǒng)通過持續(xù)監(jiān)測斷路器的狀態(tài)和分布式發(fā)電的有功功率，檢測這些變量的實時變化，然后根據(jù)變量的實時變化重新計算繼電器的新設定值。為了驗證本文所設計的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)，根據(jù)IEEE 34節(jié)點測試系統(tǒng)中DGs 的并網(wǎng)情況構建了3 種實驗場景，并通過本文所設計配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)與基于傳統(tǒng)遺傳算法的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)和基于改進前的微遺傳算法的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)對3 種場景中故障線路的切除效果進行了對比。對比結果表明，本文所構建配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)能夠比基于GA 的自適應保護系統(tǒng)和基于改進前的微遺傳算法的自適應保護系統(tǒng)可更加快速有效地切除配電網(wǎng)故障線路。新的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)可以充分利用容易獲得的輸入信息產(chǎn)生快速和令人滿意的保護效果，從而保證配電系統(tǒng)的持續(xù)安全和高效率運行，且提高了系統(tǒng)的可操作性。本文構建的配電網(wǎng)自適應保護系統(tǒng)將在維護配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運行方面具有廣泛的應用前景。