分布式電源并網(wǎng)配電接地保護(hù)技術(shù)優(yōu)化

在全球積極推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，小水電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源作為典型的分布式電源（DG），目前在配電網(wǎng)中的占比持續(xù)攀升，與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，DG輸出功率要小很多，一般為 2kW～500MW^[1]， 。這些電源分散接入配電網(wǎng)后，徹底改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性。以往基于放射狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的接地保護(hù)系統(tǒng)，如今難以適應(yīng)新變化，特別是在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，單相接地故障檢測(cè)的可靠性與選擇性明顯下降，已無法滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

1.傳統(tǒng)接地保護(hù)技術(shù)局限性分析

1.1方向判別失效

在含DG的配電網(wǎng)中，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)上下游的電源都會(huì)向故障點(diǎn)注入電流，而傳統(tǒng)的零序功率方向判據(jù)是假定電流僅從電源流向故障點(diǎn)。但實(shí)際的雙向潮流過程中，方向繼電器難以判斷電流真實(shí)方向，容易出現(xiàn)邏輯混亂。尤其是在環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，多個(gè)電源提供的故障電流，讓方向繼電器的故障判斷難上加難，無法準(zhǔn)確識(shí)別故障方向，嚴(yán)重影響保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

1.2靈敏度不足

風(fēng)電等間歇性電源出力容易受風(fēng)速、光照等自然因素影響，不確定性強(qiáng)。當(dāng)電源出力較低，發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的最小故障電流可能無法達(dá)到傳統(tǒng)零序過流保護(hù)的啟動(dòng)值，導(dǎo)致保護(hù)裝置無法檢測(cè)到故障。而高阻接地故障本身電流微弱，再加上DG出力波動(dòng)干擾，保護(hù)裝置更難及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，導(dǎo)致傳統(tǒng)的接地保護(hù)的靈敏度和可靠性大幅降低。

1.3配合特性破壞

傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，多級(jí)保護(hù)通過時(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，即靠近故障點(diǎn)的先保護(hù)，遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的后保護(hù)。但DG接入后，系統(tǒng)阻抗特性改變，多級(jí)保護(hù)間的時(shí)序配合被打亂。

2.保護(hù)技術(shù)優(yōu)化體系構(gòu)建

2.1總體設(shè)計(jì)框架

按照“特征識(shí)別-動(dòng)態(tài)整定-協(xié)同動(dòng)作”三層優(yōu)化保護(hù)技術(shù)架構(gòu)。第一層為特征識(shí)別層，借助廣域測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集配電網(wǎng)電流、電壓、阻抗等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這些參數(shù)能精準(zhǔn)反映配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和故障特征。第二層動(dòng)態(tài)整定層，運(yùn)用自適應(yīng)算法深入分析實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，生成契合當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)定值。該層充分考量分布式電源出力波動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓纫蛩貙?duì)保護(hù)定值的影響，實(shí)現(xiàn)定值動(dòng)態(tài)調(diào)整，保障保護(hù)裝置靈敏度和可靠性。第三層協(xié)同動(dòng)作層，依托通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)保護(hù)裝置信息共享與協(xié)同運(yùn)作。故障發(fā)生時(shí)，各保護(hù)裝置依據(jù)共享信息協(xié)同動(dòng)作，快速、精準(zhǔn)切除故障，從空間和時(shí)間維度優(yōu)化保護(hù)性能，打破傳統(tǒng)就地保護(hù)的局限。

2.2核心技術(shù)創(chuàng)新

2.2.1動(dòng)態(tài)阻抗邊界算法

為應(yīng)對(duì)分布式電源接入后系統(tǒng)阻抗復(fù)雜多變的狀況，可構(gòu)建考慮DG等效阻抗動(dòng)態(tài)變化的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)模型。將DG等效轉(zhuǎn)為可變阻抗，其阻值隨電源出力和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)改變。深入剖析該復(fù)合網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)得出隨時(shí)間變化的零序阻抗邊界條件。在實(shí)際運(yùn)行中，通過在線計(jì)算系統(tǒng)戴維南等效參數(shù)，實(shí)時(shí)修正保護(hù)動(dòng)作區(qū)域，讓保護(hù)裝置能根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前阻抗?fàn)顟B(tài)靈活調(diào)整動(dòng)作范圍，確保在各種運(yùn)行方式下都有良好的保護(hù)靈敏度。

2.2.2多判據(jù)融合決策

為提升故障識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性，整合零序電流幅值、相位差、諧波含量等多方面故障特征，構(gòu)建加權(quán)模糊判別函數(shù)。根據(jù)不同故障特征對(duì)故障判斷的重要程度，賦予相應(yīng)權(quán)重，進(jìn)行綜合判斷。同時(shí)，設(shè)置動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整機(jī)制，當(dāng)某個(gè)單一判據(jù)因外界因素可信度降低時(shí)，自動(dòng)提高其他判據(jù)的決策權(quán)重，通過多判據(jù)協(xié)同判斷，避免單一判據(jù)失效導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2.2.3虛擬阻抗補(bǔ)償技術(shù)

針對(duì)DG接入引起的零序阻抗變化問題，在保護(hù)算法中引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)。通過構(gòu)建阻抗匹配矩陣，模擬DG對(duì)故障回路參數(shù)的影響，并在算法中進(jìn)行等效補(bǔ)償，消除DG接入對(duì)故障回路參數(shù)的干擾，使保護(hù)裝置能像傳統(tǒng)單電源系統(tǒng)一樣進(jìn)行故障判斷和保護(hù)動(dòng)作，增強(qiáng)保護(hù)裝置對(duì)DG接入的適應(yīng)能力。

3.關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化

3.1拓?fù)渥詣?dòng)適應(yīng)識(shí)別

研發(fā)基于圖論分析的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)辨識(shí)算法，通過采集配電網(wǎng)中斷路器隔離開關(guān)等開關(guān)量狀態(tài)信息來重構(gòu)系統(tǒng)連接關(guān)系。通過運(yùn)用圖論中節(jié)點(diǎn)和邊的概念，將配電網(wǎng)元件和線路抽象為圖的節(jié)點(diǎn)和邊，依據(jù)開關(guān)量狀態(tài)變化實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一保護(hù)定值映射數(shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的保護(hù)定值，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)，自動(dòng)匹配加載合適的保護(hù)定值，實(shí)現(xiàn)保護(hù)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。

3.2通信協(xié)同機(jī)制

通過設(shè)計(jì)分層遞進(jìn)式通信架構(gòu)來滿足保護(hù)裝置間信息傳輸需求。底層設(shè)備采用GOOSE快速報(bào)文傳遞狀態(tài)信息，其傳輸速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，確保保護(hù)裝置能及時(shí)獲取相鄰設(shè)備狀態(tài)。區(qū)域?qū)永肐EC61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值協(xié)同優(yōu)化，該協(xié)議互操作性和開放性良好，支持不同廠家設(shè)備信息共享交互，為保障通信異常時(shí)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，設(shè)置自主降級(jí)策略，通信故障時(shí)，保護(hù)裝置自動(dòng)切換到本地獨(dú)立運(yùn)行模式，依據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)和算法進(jìn)行故障判斷與保護(hù)動(dòng)作，維持配電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

3.3裝置硬件優(yōu)化

有學(xué)者指出TMS320F2812芯片為核心的高速多通道同步數(shù)據(jù)采集DSP系統(tǒng)，設(shè)計(jì)DG并網(wǎng)情況下的配電網(wǎng)單相接地保護(hù)裝置是有效果的[2]。因此，采用具備多CPU架構(gòu)的新型保護(hù)裝置，設(shè)置獨(dú)立運(yùn)算單元分別處理常規(guī)保護(hù)邏輯和自適應(yīng)算法也是一種關(guān)鍵技術(shù)。常規(guī)保護(hù)邏輯運(yùn)算單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)保護(hù)功能，保障裝置基本性能；自適應(yīng)算法運(yùn)算單元專注處理動(dòng)態(tài)、多判據(jù)融合等復(fù)雜算法，提升裝置處理能力和響應(yīng)速度。同時(shí)，采用光耦隔離與電磁屏蔽技術(shù)，增強(qiáng)裝置在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力，確保裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

4.技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

4.1提升動(dòng)作可靠性

實(shí)際運(yùn)行表明，優(yōu)化方案在高DG滲透率場(chǎng)景下表現(xiàn)優(yōu)異。當(dāng)DG滲透率達(dá) 40% 時(shí)，接地故障識(shí)別準(zhǔn)確率大幅提升，能精準(zhǔn)定位和判斷故障類型，動(dòng)作時(shí)間顯著縮短，可快速切除故障，降低故障對(duì)配電網(wǎng)的影響。對(duì)于風(fēng)速突變等引起的故障電流波動(dòng)，該方案適應(yīng)性良好，能及時(shí)調(diào)整保護(hù)定值和判斷邏輯，確保保護(hù)裝置在復(fù)雜工況下準(zhǔn)確開展動(dòng)作，提高配電網(wǎng)接地保護(hù)可靠性。

4.2增強(qiáng)系統(tǒng)兼容性

本文提出的虛擬阻抗補(bǔ)償技術(shù)兼容性強(qiáng)，能適配消弧線圈接地、小電阻接地等多種接地方式，也能滿足光伏、儲(chǔ)能等各類DG接入需求。無論配電網(wǎng)采用何種接地方式，接入何種類型DG，該技術(shù)都能通過調(diào)整虛擬阻抗參數(shù)和保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)故障檢測(cè)與保護(hù)，為不同配電網(wǎng)和分布式電源接入提供通用解決方案。

4.3降低改造成本

相較于傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)改造方案，本方案主要通過軟件算法升級(jí)保護(hù)性能，最大限度保留現(xiàn)有硬件設(shè)施。無需大規(guī)模更換保護(hù)裝置和改造配電網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)，只需對(duì)現(xiàn)有保護(hù)裝置軟件進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，即可滿足DG并網(wǎng)后的保護(hù)要求，經(jīng)濟(jì)推廣價(jià)值顯著，能以較低成本提升配電網(wǎng)接地保護(hù)水平，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

5.結(jié)束語

本文提出的自適應(yīng)接地保護(hù)優(yōu)化技術(shù)，一定程度上能有效解決DG并網(wǎng)引發(fā)的保護(hù)適配性問題，大幅提升配電網(wǎng)故障處理能力，為新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。后續(xù)研究還需聚焦保護(hù)控制與源網(wǎng)協(xié)調(diào)深度融合，探索接地保護(hù)系統(tǒng)與分DG控制策略協(xié)同優(yōu)化方法，利用人工智能算法分析挖掘配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障提前預(yù)警和快速自愈，推動(dòng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)向更高智能化水平邁進(jìn)，更好地適應(yīng)未來高新能源滲透率配電網(wǎng)發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏云峰。分布式發(fā)電系統(tǒng)接地保護(hù)與無功補(bǔ)償技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.

[2]夏云峰。分布式發(fā)電系統(tǒng)接地保護(hù)與無功補(bǔ)償技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.作者單位：內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電分公司