分布式發電接入主動配電網區域保護算法

沈 鑫 曹 敏

（云南電網有限責任公司電力科學研究院 昆明 650217）

1 引言

大量分布式電源通過配變接入電網后將改變系統中的潮流及故障電流的分布，使傳統的輻射式網絡將變為一種遍布電源和負荷的互聯網絡，同時也會使環狀網絡變得更加復雜。然而，現運行的配電網保護大多采用基于本地電氣量的過流保護或阻抗保護，其難以適應DG高滲透率的配電網的保護需求。

目前針對分布式電源進行研究的文獻大都是只考慮其通過變電站母線接入的形式，對于通過配變接入的情況考慮不足，但通過配變接入的方式也是以后的重要發展方向之一。由于配電網的故障一般不會引起大面積的停電，因此其對繼電保護的動作時間要求低于輸電網。因此，本文綜合考慮以通信技術和網絡技術為代表的新技術在繼電保護中的應用提出一種能夠適應SCDG高滲透率的配電網區域繼電保護算法。

2 主動配電網區域保護的結構及功能

配電網區域保護擬采用集中式結構和分布式結構相結合的形式，即在配電網區域保護系統中，故障的判斷主要由區域決策中心系統執行。當通信網絡中斷時，也可以考慮由配置在各個測量點的Agent單元的本地保護來完成，可滿足不同運行條件下對保護的不同需求。區域保護系統結構框圖如圖1所示。

區域保護系統包括三個層次構成：系統監控中心（System Monitor Center,SMC）、區域保護決策單元（Region Decision Unit,RDU）和本地測量單元（Local Measure Unit,LMU）。

本地測量單元（Agent單元）安裝在本區域內接有SCDG的支路上以及干線的兩端，負責將本處的測量判斷結果傳送至區域保護主機。Agent單元負責采集本地的電流電壓信息，并利用保護相關算法對其進行運算，將得出的測量點故障的方向信息傳送至區域保護主機。

圖1 區域保護系統結構框圖Fig.1 Block diagram of regional protection system

區域決策層指區域保護系統的主機，正常運行時，用于監控本區域內Agent單元的運行狀態；故障發生后，根據Agent單元上傳的故障方向信息形成故障關聯矩陣，然后利用故障關聯矩陣判斷故障元件并做出相應的決策，最后將決策信息下傳至區域內的Agent單元。主機在收到Agent單元的反饋信息后，通知干線上的Agent單元自動重合閘，同時也將判斷和操作信息上傳至頂層的系統監控層。

系統監控層負責實時協調和監控各區域保護系統，各個區域電氣量的實時顯示，故障事件的記錄以及各種保護定值的修改等。

配電網區域保護系統的主要功能包括主保護功能和后備保護功能：主保護功能是依賴通信網的區域保護系統；后備保護功能是不依賴于通信網的本地保護，可為電流保護或者距離保護等。區域保護和本地保護之間互相配合共同完成對SCDG高滲透率配電網的保護。

2.1 Agent單元的結構

Agent單元可視為一個分布合作的解決問題的智能節點，能夠根據測量的電氣量判斷故障方向，也能夠和主機以及SCDG之間進行信息傳遞，結構如圖2所示。

圖2 Agent單元的結構Fig.2 Structure of Agent cell

2.2 Agent單元的動作邏輯

Agent單元對故障方向判斷時可考慮增加故障分量信息，作為Agent單元判斷故障方向的邏輯，其動作邏輯如圖3所示。

圖3 故障方向判定邏輯圖Fig.3 Logical diagram for judging fault direction

3 配電網區域繼電保護算法

3.1 區域繼電保護工作流程

在區域保護中，保護主機利用故障判別算法能夠判斷出故障位置，然后確定下一步要執行的保護策略，流程如圖4所示。

（1）收集各個測量點Agent單元的故障功率方向信息，形成故障關聯矩陣，判斷區域內是否發生故障。

（2）若故障不是發生本區域之內，則保護主機不下達操作命令；若發生在本區域內，則由保護主機在判斷出故障元件后，向直接相關的Agent單元下達操作命令切除故障，同時由配變處的Agent單元檢測并反饋SCDG的接入狀態。

（3）主機根據Agent單元的反饋信息確定SCDG的連接狀態，以決定是否重合閘。若重合成功，則通知Agent單元允許其管理下的SCDG允許并網，否則將相關的Agent單元在關聯矩陣中關閉，刷新形成新的關聯矩陣對應關系。

3.2 配電網區域保護系統算法

保護算法可按以下幾個步驟構建。

（1）區域保護的保護范圍。區域保護系統的保護范圍包括直接保護區域和間接保護區域。直接保護區域（快速主保護區域）包括本區域內接有SCDG的支路以及本區域內的干線；間接保護區域（后備保護區域）可根據需要設定，主干線路上的Agent單元可作為相鄰的線路提供后備保護功能，本文間接保護區域設定為直接保護范圍相鄰的所有被保護對象構成的區域。

（2）一次設備及Agent單元的表示。

為了能夠正確的判斷故障元件，需要在被保護區域內的每一個斷路器、電流互感器、分段開關和跌落保險處都裝設一個能夠測量方向的Agent單元，其中分段聯絡開關處的Agent單元的測量判斷結果可不參加計算，只作為判斷下游是否存在故障的依據，其分合由保護主機決定。

圖4 配電網區域保護策略流程圖Fig.4 Distribution network regional protection strategy diagram

一次設備及Agent單元按以下格式進行表示。一次設備（ID、設備類型、設備名稱、設備狀態和對應的Agent單元）；Agent單元（ID、類型、狀態和對應的SCDGs）。

ID是區分不同一次設備的標志。設備類型即為一次設備類型，如線路、母線等。設備名稱為具體一次設備的名稱。設備狀態分為兩種：運行和停運。對應的Agent單元為與該設備直接相關的Agent單元。

ID也是區分不同 Agent單元的標志位。Agent單元根據其作用特點分為3類：主干Agent單元，位于主干線路兩側，能夠和相鄰的主干線路上的Agent單元相互配合；普通 Agent單元，位于配電變壓器的跌落保險處；聯絡Agent單元，安裝于母聯斷路器或分段開關處。Agent單元的運行狀態也分為運行和停運兩種。Agent單元對應的SCDG即為接入配變支路的所有SCDGs。

（3）關聯矩陣的形成

關聯矩陣用于描述區域內一次設備和Agent單元的連接關系，分為直接相關、間接相關和不相關。直接相關是指Agent單元與一次設備相連，可直接用于判斷一次設備是否為故障元件；間接相關是指區域內的Agent單元在區域內某支路發生故障或者主干線故障時本區域內的Agent單元與相鄰主干線路上的Agent單元的關系，用于直接相關Agent單元拒動或信息丟失時，判斷相應的一次設備是否為故障元件；不相關是指Agent單元與一次設備不相連，不相關Agent單元的動作情況不能作為一次設備是否為故障元件的判據。在式（1）所示的關聯矩陣中，直接相關Agent單元用“+”表示，間接相關Agent單元用“⊕”表示，不相關Agent單元用“×”表示，則關聯矩陣為M×N維矩陣，M為區域保護系統保護范圍內同類型的一次設備數目，N為區域保護系統保護范圍內的Agent單元數目。關聯矩陣中每一行代表一個一次設備元件，每一列代表一個Agent單元，依次排列于關聯矩陣中，矩陣中的具體元素描述了一次設備與Agent單元的連接關系。

本文以圖5系統為示例闡述關聯矩陣的形成，具體分為4個步驟。

① 確定區域保護系統內的保護對象。保護對象包括L1～L9共9條線路。

② 確定保護范圍內的Agent單元。區域保護系統內包括的Agent單元為A1～A13。

③ 形成原始的區域關聯矩陣。首先遍歷本區域保護范圍內所屬的一次設備，形成原始關聯矩陣。其次遍歷本區域保護系統保護范圍內的Agent單元，形成類似于式（1）的矩陣形式。最后，根據一次設備和Agent單元的關系，建立一次設備和Agent單元在關聯矩陣中的位置索引，一次設備位置索引指示在關聯矩陣中的行位置，而Agent單元位置索引指示在關聯矩陣中的列位置。

④ 對關聯矩陣進行初始化。根據Agent單元和一次設備連接關系的定義確定Agent單元與所有一次設備的連接關系。

按照上述步驟，區域保護系統對應的關聯矩陣如式（2）所示。關聯矩陣形成后，保護主機依據關聯矩陣來判斷具體的故障元件位置。

圖5 示例系統Fig.5 Example system

（4）故障定位

對支路上的Agent單元方向進行定義時，將劃定的保護區域看作為一個廣義的節點，Agent單元中方向狀態按流入節點為正，流出節點為負判斷；和母線相連的Agent單元，按流出母線為正，流入母線為負；聯絡開關處的Agent單元不進行方向狀態判斷，只判斷本地是否流過故障電流分量，用以判斷故障是否存在。

方向元件狀態

Agent單元向保護主機實時傳輸方向元件的判斷結果。保護主機根據方向元件的輸出值對關聯矩陣進行賦值，形成故障關聯矩陣。對關聯矩陣進行賦值時，若方向元件與一次設備直接相關（對應關聯矩陣中的“+”），則將Agent單元的輸出值賦給關聯矩陣的對應元素；若Agent單元與一次設備是間接相關或不相關（對應關聯矩陣中的“⊕”和“×”），則直接將關聯矩陣的對應元素賦值為0。

故障關聯矩陣形成后，保護主機根據Agent單元信息的完整性計算各一次設備的故障方向信息綜合值，然后將計算的值和故障門檻值進行對比即可判斷一次設備是否為故障。一次設備對應的故障方向信息綜合值按式（4）計算

式中，G(i)為第i個一次設備所對應的故障方向信息綜合值；n為本區域保護系統范圍內與第 i個一次設備直接相關的Agent單元數目；Aij為故障關聯矩陣第i行第j列元素值。

當一次設備元件的故障方向綜合信息值滿足式（5）時，則可判斷為該一次設備元件發生故障。

式中，M為一次設備。

FM(i)一次設備M的故障門檻值。

當所有Agent單元均有輸出信息的時候，故障門檻值的設定取決于與該一次設備直接相關的Agent單元數量，但停運的Agent單元不包括在內。如對于（1）干線 L9的故障門檻值為4，而支路的門檻值則為1。

區域保護系統的保護主機在確定故障元件后，根據關聯矩陣表示的一次設備與Agent單元的連接關系以及Agent單元的描述文件，通知各Agent單元所屬的SCDGs跳閘，完成對故障元件的隔離。在保護主機收到Agent單元的反饋信息后，再通知自動重合閘裝置重合。

（5）關聯矩陣的變化

關聯矩陣的形式并不是固定不變的，它能夠隨本區域結構的變化而變化。當配電網由于倒閘操作或其他原因使得其網絡拓撲結構發生變化時，關聯矩陣也必須與之相適應才能對故障進行正確的判斷。配電網拓撲結構的變化既可能由一次設備退出運行引起，也可能由一次設備的增加引起。對于不同的情況，可以采取不同的措施使關聯矩陣與配電網的網絡拓撲結構相適應。

① 一次設備的減少。當配電網中某條支路退出運行時，與其直接相關的Agent單元也要退出運行。如（1）所示配電系統，當線路 L5因檢修退出運行時，A5也需要退出運行。確定退出運行的一次設備和Agent單元后，通過對初始關聯矩陣進行修改即可得到與本區域配電網拓撲結構相適應的臨時關聯矩陣，其修改原則為：將退出運行的一次設備對應的行從關聯矩陣中刪除，退出運行的Agent單元對應的列從關聯矩陣中刪除。同時更新一次設備和Agent單元在關聯矩陣中的位置索引。

② 一次設備的增加。如區域內增加新的帶有SCDG的支路，則也需增加與其對應的Agent單元。初始關聯矩陣進行修改的原則為：在初始關聯矩陣中增加新投入支路對應的行Mi；在初始關聯矩陣中增加與之對應的列Nj，然后對關聯矩陣的第Mi行和第Nj列元素進行初始化。最后更新支路和Agent單元在關聯矩陣中的位置索引。

4 算例分析

以（1）所示的配電網為例，假設 L1～L6所有的支路上均接有 SCDG，且聯絡開關 A13閉合。若線路L7發生故障，當各Agent單元都有輸出信息時，區域保護系統的故障關聯矩陣如式（6）所示。

由式（6）的關聯矩陣可知各干線的故障方向信息綜合值為

由Agent單元和各元件的拓撲連接關系可知其應設定的故障門檻值為

由故障信息綜合值和故障門檻值之間的對比可以判斷出線路 L7為故障元件。保護主機通知 A7和A8將故障元件切除，同時通知 A5和 A6，讓其支路上的SCDGs斷開和配電網的連接。保護主機在收到A5和A6的反饋信息后，通知A7處的自動重合閘。重合成功，則通知A5和A6允許其支路上的SCDGs并網；重合失敗，則通知 A5、A6、A7和 A8退出運行，并將其狀態歸0，同時更新一次關聯矩陣。

若L7發生永久故障，且A7和A8成功將故障切除。若此時L9再發生故障，則故障關聯矩陣為

由式（9）的關聯矩陣可知各干線的故障方向信息綜合值為

對比式（8）可知線路L9故障。

保護主機通知A11和A12將故障元件切除，同時通知A1、A2、A3和 A4，讓其支路上的SCDGs斷開和配電網的連接。保護主機在收到 A1、A2、A3和A4的反饋信息后，通知 A12處的自動重合閘重合。若發生的為瞬時性故障，在重合成功后，通知A1、A2、A3和 A4允許其支路上的SCDGs并網；若發生的是永久性故障，則通知本區域內的所有Agent單元退出運行，并將其狀態設定為0，同時更新一次關聯矩陣。

5 結論

本文針對主動電網提出了區域繼電保護算法，保護主機利用 Agent單元的信息形成故障關聯矩陣，然后根據故障關聯矩陣計算保護區域內各元件的故障綜合信息值，接著將計算得的綜合信息值和設定的各元件的故障門檻值對比即可確定故障元件，最后由保護主機通知相應的Agent單元動作將故障切除。該算法不僅能夠提供主保護功能，還能為相鄰元件提供后備保護功能、通過具體的算例分析表明，該算法不僅原理簡單、計算量較小，而且性能良好，可克服傳統繼電保護的一些不足，能夠較好適應SCDG的接入給配電網保護帶來的問題。

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