有源配電網(wǎng)分布式智能電流保護(hù)方案

有源配電網(wǎng)分布式智能電流保護(hù)方案

王澤民1，張新慧1，蔡艷春2，孫學(xué)峰3，咸日常1

(1.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；

2.中國南方電網(wǎng) 廣州供電局，廣東 廣州 510000；

3.山東省電力公司 淄博供電公司，山東 淄博 255000)

摘要：分布式電源的接入可提高配電網(wǎng)的供電可靠性，但改變了其潮流單向流動的特點(diǎn)，可能導(dǎo)致配電網(wǎng)電流保護(hù)不能正確動作.有源配電網(wǎng)中，故障支路提供的短路電流值較大；分布式電源距離故障點(diǎn)越近，提供的短路電流越大，且與其它分布式電源投退電網(wǎng)無關(guān).據(jù)此提出了一種分布式智能電流保護(hù)方案，經(jīng)故障初步定位將故障點(diǎn)定位在兩個智能體之間的較短區(qū)段，運(yùn)用故障二次定位原理確定故障點(diǎn)，斷開故障點(diǎn)兩側(cè)開關(guān)，隔離故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)段的供電.仿真結(jié)果表明該方案能夠?qū)崿F(xiàn)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位.

關(guān)鍵詞：分布式電源；有源配電網(wǎng)；故障定位；故障隔離；供電恢復(fù)

中圖分類號：TM771 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-11-25

作者簡介：姜吉順，男，jandj8@sina.com

文章編號：1672-6197(2015)05-0049-04

Thedistributedintelligencecurrentprotection

schemeinactivedistributionnetwork

WANGZe-min1,ZHANGXin-hui1,CAIYan-chun2,SUNXue-feng3,XIANRi-chang1

(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.GuangzhouPowerSupplyBureau,ChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510000,China;

3.StateGridZiboPowerSupplyCompany,StateGridShandongElectricPowerCompany,Zibo255000,China)

Abstract:The power supply reliability of distribution network can be improved by the distributed electric resources connected, but the characteristics of power flow is changed, which may lead the current distribution network protection to operate incorrectly. The short circuit current provided by fault branch is larger. The closer to the fault point, the larger the short-circuit current is provided by distributed electric resources, which is independent of other distributed electric resources exit or connection of the grid. The intelligence current protection scheme is based on fault current characteristics. First of all, the fault location is made between the two agents, then the point of failure is determined. The switch of both fault point sides is tripped in order to isolate fault segments and restore power of non-fault segments. The feasibility of the scheme is verified by Matlab/Simulink, the simulation results show that the fault location can be determined accurately by the scheme .

Keywords:distributedelectricresources;activedistributionnetwork;faultlocation;faultisolation;restorepower

傳統(tǒng)配電網(wǎng)是單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)，分布式電源(DistributedElectricResources,DER)大量接入后，成為功率雙向流動的有源配電網(wǎng)[1-2].有源配電網(wǎng)因電源和負(fù)荷具有雙重不確定性，導(dǎo)致以電流保護(hù)為主的傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)無法快速、準(zhǔn)確隔離故障區(qū)段[3-4].

現(xiàn)有IEEEstd.1547規(guī)約為了保護(hù)主網(wǎng)，故障時以切除DER方式保證電流保護(hù)正確動作，該方式限制了DER的發(fā)展，違背了有源配電網(wǎng)提高供電可靠性的初衷[5-6].此外，配電網(wǎng)保護(hù)一般安裝在系統(tǒng)側(cè)，發(fā)生故障時保護(hù)斷開，DER仍向故障點(diǎn)提供短路電流，若配置方向性電流保護(hù)線路均需裝設(shè)保護(hù)裝置，涉及電網(wǎng)改造，投資巨大[7].多智能體系統(tǒng)(Multi-agentSystem,MAS)是由多個智能體(Agent)可根據(jù)系統(tǒng)要求按一定方式組成的協(xié)作機(jī)制[8].MAS根據(jù)自身運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)既定任務(wù)，并且能夠?qū)Χ鄠€測量點(diǎn)的信息做出正確判斷[9-11].目前在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，MAS主要用于系統(tǒng)算法和相關(guān)的運(yùn)用模塊，在繼電保護(hù)中尚未得到廣泛應(yīng)用.

本文提出一種適用于有源配電網(wǎng)的分布式智能電流保護(hù)方案.該方案利用MAS經(jīng)故障定位確定故障點(diǎn)，并將故障區(qū)段隔離，快速恢復(fù)非故障區(qū)段的供電.與現(xiàn)有保護(hù)方案比較，該方案原理簡單，可在不配置方向性元件的情況下，有選擇地將故障區(qū)段完全隔離，保證非故障區(qū)段DER正常工作，有效提高非故障區(qū)段的供電可靠性，且網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膬H是Agent的判斷結(jié)果，可減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，較快地確定故障點(diǎn)位置，有效解決配電網(wǎng)因分布式電源接入所帶來的保護(hù)失效問題.

1有源配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及故障電流分布特征

1.1　有源配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

有源配電網(wǎng)保留了傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，只在DER并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和變電站出線處配置協(xié)同Agent. 協(xié)同Agent可采集、分析本地局部的電流信息，并將分析后得出的結(jié)論經(jīng)以太網(wǎng)與相鄰Agent對等交換信息，判斷出故障點(diǎn)位置.根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分支數(shù)量(DER線路也視作一條支路)，把節(jié)點(diǎn)分為二分支節(jié)點(diǎn)和多分支節(jié)點(diǎn)(分支數(shù)≥3).定義與同一節(jié)點(diǎn)相連的三條支路中距故障點(diǎn)最近的支路稱為故障支路.二分支節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)側(cè)裝設(shè)保護(hù)開關(guān)，多分支節(jié)點(diǎn)各側(cè)均配備保護(hù)開關(guān).有源配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　有源配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖1中所有協(xié)同Agent經(jīng)以太網(wǎng)構(gòu)成MAS.MAS與保護(hù)裝置協(xié)作完成電流保護(hù)：MAS確定故障點(diǎn)位置，保護(hù)裝置收到MAS發(fā)出的命令，斷開故障點(diǎn)兩側(cè)的開關(guān)，隔離故障區(qū)段[12-13].假設(shè)k1點(diǎn)發(fā)生故障，其協(xié)作過程如圖2所示.

圖2　MAS與保護(hù)間的協(xié)作過程

1.2　故障電流分布特征

分布式電源(DER)的接入改變了有源配電網(wǎng)短路電流的分布特征.

假設(shè)圖1中k1點(diǎn)發(fā)生三相短路，節(jié)點(diǎn)B處DER1支路流過的短路電流IDER1為

(1)

式中： EDER1—分布式電源DER1的等效電勢;

XDER1—DER1支路的等效阻抗;

l—節(jié)點(diǎn)B到k1點(diǎn)的距離;

Xl—線路的單位長度等效阻抗.

將式(1)等式兩側(cè)對l求導(dǎo)可得

(2)

根據(jù)導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)意義可知故障點(diǎn)距DER1越近，IDER1值越大.

當(dāng)其它DER投退電網(wǎng)時(如DER2退出電網(wǎng))，并不影響式(1)中的各參數(shù)量，即IDER1數(shù)值上與其它DER投退電網(wǎng)無關(guān).因此故障點(diǎn)相鄰側(cè)DER提供的短路電流，與其它DER投退電網(wǎng)無關(guān).

(3)

假設(shè)系統(tǒng)側(cè)、BC支路、DER1支路等效阻抗角分別為α、β、γ(α，β，γ取值為0~π/2).根據(jù)余弦定理可得

(4)

式(4)滿足不等式

(5)

故式(3)同時滿足IBC>IAB和IBC>IDER1，即與同一節(jié)點(diǎn)相連的三條支路，故障支路電流最大.

由以上分析可得有源配電網(wǎng)故障電流分布有如下3個特征：

(1)遞減性：故障點(diǎn)與其相鄰的DER距離越短，DER提供的短路電流值越大.

(2)無關(guān)性：與故障點(diǎn)相鄰的DER提供的短路電流，與其它DER投退電網(wǎng)無關(guān).

(3)最大性：在含有DER的三分支支路中，故障支路電流值最大.

2分布式智能電流保護(hù)方案

根據(jù)有源配電網(wǎng)故障電流的3個分布特征，提出分布式智能電流保護(hù)方案.方案分為：故障初步定位和故障二次定位兩步.故障初步定位將故障定位在兩個相鄰協(xié)同Agent之間的較短故障區(qū)段；故障二次定位將故障點(diǎn)定位在較短故障區(qū)段的兩個相鄰節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)段.相關(guān)Agent向保護(hù)發(fā)出命令，斷開故障點(diǎn)兩側(cè)開關(guān)，隔離故障區(qū)段，并快速恢復(fù)非故障區(qū)段的供電.

2.1　故障初步定位

2.1.1　定位原理

根據(jù)有源配電網(wǎng)故障電流的最大性特征，確定故障初步定位原理：比較協(xié)同Agent測得的電流值，確定最大電流故障支路所屬的三分支節(jié)點(diǎn)，根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的故障支路位置，確定較短故障區(qū)段.具體判斷方法如下：

(1)若故障支路是節(jié)點(diǎn)上游支路，則故障點(diǎn)位于該節(jié)點(diǎn)處Agent的上游區(qū)段；

(2)若故障支路是節(jié)點(diǎn)下游支路，則故障點(diǎn)位于該節(jié)點(diǎn)處Agent的下游區(qū)段；

(3)若故障支路是DER支路，則故障點(diǎn)位于DER支路.

2.1.2　故障區(qū)段判定

較短故障區(qū)段是根據(jù)最大電流故障支路的位置確定的，然而最大電流故障支路可能有一條，也可能有兩條，因此故障初步定位應(yīng)分以下兩種情況進(jìn)行討論.

1)最大電流故障支路只有一條

如果最大電流故障支路只有一條，根據(jù)該故障支路節(jié)點(diǎn)處Agent上下游是否存在其它Agent，可分為以下三種情況討論.

(1)最大電流故障支路節(jié)點(diǎn)處的Agent僅下游存在其它協(xié)同Agent

假設(shè)圖1中Agent0檢測到最大故障電流值.若Agent0下游AB支路是故障支路，即k2點(diǎn)發(fā)生故障，則Agent0的下游與Agen1上游之間的AB區(qū)段判定為較短故障區(qū)段；若Agent0下游AG支路是故障支路，則Agent0的下游與Agen4上游之間的AH區(qū)段判定為較短故障區(qū)段；若Agent0上游變電站出線是故障支路，則只需斷開出線斷路器，無需進(jìn)行故障二次定位.較短故障區(qū)段的判定結(jié)果見表1.

表1　較短故障區(qū)段判定表( Agent0測得最大電流)

(2)最大電流故障支路節(jié)點(diǎn)處的Agent上、下游皆有其它協(xié)同Agent

假設(shè)圖1中Agent2檢測到最大故障電流值.若Agent2上游CD支路是故障支路，即k1點(diǎn)發(fā)生故障，則Agent1下游與Agen2上游之間的BD區(qū)段判定為較短故障區(qū)段；若DER2支路為故障支路，則斷開并網(wǎng)斷路器即可隔離故障，無需進(jìn)行故障二次定位；若Agent2下游DE支路是故障支路，即k3點(diǎn)發(fā)生故障，則Agent2的下游與Agen3上游之間的DF區(qū)段判定為較短故障區(qū)段.較短故障區(qū)段的判定結(jié)果見表2.

表2　較短故障區(qū)段判定表( Agent2測得最大電流)

(3)最大電流故障支路節(jié)點(diǎn)處的Agent僅上游存在其它協(xié)同Agent

假設(shè)圖1中Agent3檢測到最大故障電流值.若Agent3上游EF支路是故障支路，即k3點(diǎn)發(fā)生故障，則Agent2下游與Agen3上游之間的DF區(qū)段判定為較短故障區(qū)段；若DER3支路為故障支路，則斷開并網(wǎng)斷路器即可隔離故障，無需進(jìn)行故障二次定位；若Agent3下游支路是故障支路，即k4點(diǎn)發(fā)生故障，則故障發(fā)生在Agent3的下游區(qū)段.較短故障區(qū)段的判定結(jié)果見表3.

表3　較短故障區(qū)段判定表( Agent3測得最大電流)

2)最大電流故障支路有兩條

如果最大電流故障支路有兩條，那么檢測到最大故障電流的兩個Agent之間的區(qū)段即為較短故障區(qū)段.假設(shè)圖1中k1點(diǎn)發(fā)生三相短路，協(xié)同Agent1、Agent2均檢測到最大故障電流值，則可判斷故障點(diǎn)位于Agent1下游與Agent2上游之間的區(qū)段，即BD區(qū)段判定為較短故障區(qū)段.

2.2　故障二次定位

2.2.1定位原理

經(jīng)故障初步定位確定較短故障區(qū)段后，為進(jìn)一步確定故障點(diǎn)位置，需要進(jìn)行故障二次定位.

根據(jù)有源配電網(wǎng)故障電流的遞減性和無關(guān)性特征，確定故障二次定位原理.具體步驟分為兩步：離線計算環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié).

(1)離線計算環(huán)節(jié)：有源配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，根據(jù)疊加原理，經(jīng)離線計算得每個節(jié)點(diǎn)處發(fā)生不同故障類型時，其相鄰分布式電源(DER)單獨(dú)作用下所提供的故障電流值.

(2)比較環(huán)節(jié)：有源配電網(wǎng)發(fā)生故障時，將較短故障區(qū)段兩側(cè)DER提供的故障電流值與離線值進(jìn)行比較，如果故障電流值介于某相鄰節(jié)點(diǎn)的離線計算值之間，則確定故障點(diǎn)位于該相鄰節(jié)點(diǎn)之間的區(qū)段.

2.2.2故障點(diǎn)定位過程

根據(jù)故障二次定位原理，確定故障二次定位過程如圖3所示.

圖3　故障二次定位過程

圖1中k3點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時，經(jīng)故障初步定位，判定DF區(qū)段為較短故障區(qū)段，為確定故障點(diǎn)位置運(yùn)用故障二次定位原理.

根據(jù)故障點(diǎn)距DER2、DER3的距離，繪制DER2、DER3提供的故障電流離線值如圖4所示，曲線1、2分別是DER2、DER3提供的故障電流離線計算值.故障時測得DER2、DER3提供的故障電流值對應(yīng)于點(diǎn)M處和點(diǎn)N處，M、N位于DE區(qū)段，因此確定故障點(diǎn)位于DE區(qū)段.圖1中其它故障點(diǎn)的確定方法與此類似.

圖4　故障點(diǎn)位置確定

由正序等效定則知，不同類型短路電流值只相差一個系數(shù)，因此其他短路類型的判斷方法與三相短路情況類似，在此不再贅述.

2.3　故障隔離與供電恢復(fù)

經(jīng)分布式智能故障定位確定故障點(diǎn)位置后，需隔離故障區(qū)段并恢復(fù)非故障區(qū)段的供電.

若故障點(diǎn)兩側(cè)開關(guān)為斷路器，則MAS直接向斷路器發(fā)出跳閘命令，隔離故障點(diǎn)，相鄰非故障區(qū)段的供電不受影響；若故障點(diǎn)兩側(cè)開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)，則MAS向負(fù)荷開關(guān)相鄰的斷路器發(fā)出跳閘命令，然后斷開負(fù)荷開關(guān)，隔離故障區(qū)段.由于斷開了與負(fù)荷開關(guān)相鄰的斷路器，引起了相鄰非故障區(qū)段的停電，因此需在繼電保護(hù)的配合下再合上該斷路器以恢復(fù)非故障區(qū)段的供電.

2.4　方案流程及特點(diǎn)

有源配電網(wǎng)分布式智能電流保護(hù)方案，由故障定位、故障隔離和恢復(fù)供電構(gòu)成，方案流程如圖5所示，其中檢測到最大故障電流值的Agent記作Agmax；Agmax上游Agent記作Agup；Agmax下游Agent記作Agdown.

圖5　分布式智能電流保護(hù)方案流程

有源配電網(wǎng)分布式智能電流保護(hù)方案，原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)僅采集電流信息且分布式處理，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖茿gent的判斷結(jié)果，可大大減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，與集中式電流保護(hù)方案相比，具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn).

(2)MAS與保護(hù)裝置協(xié)作完成故障隔離，可有效解決配電網(wǎng)因分布式電源接入所帶來的保護(hù)問題.

(3)不需要采集電壓信息，因此不涉及時間同步問題，在通信方面易于實(shí)現(xiàn).

3仿真驗(yàn)證

借助仿真軟件MATLAB，根據(jù)圖1建立有源配電網(wǎng)仿真模型，驗(yàn)證分布式智能電流保護(hù)方案的可行性.

仿真參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)電源電壓取110kV，經(jīng)變壓器接到10kV配電網(wǎng)；DER1的容量值為1.5MVA；DER2、DER3與DER4的容量均為1.2MVA；各區(qū)段長度相等，阻抗值均為0.8+j1.6Ω；短路點(diǎn)位于相關(guān)區(qū)段的中點(diǎn)位置.

(1)只有DER1接入配電網(wǎng)，在k1點(diǎn)發(fā)生三相短路.

B節(jié)點(diǎn)各支路電流波形如圖6所示.其中曲線1是BC支路的電流，曲線2是AB支路的電流，曲線3是DER1支路的電流.通過比較三條曲線可得BC故障支路電流最大，因此同一節(jié)點(diǎn)的三條支路中，故障支路電流最大.

圖6　B節(jié)點(diǎn)分支支路電流

(2)只有DER2和DER3接入配電網(wǎng)，在k3點(diǎn)發(fā)生三相短路.

此時DER2提供的短路電流IDER2如圖7曲線1所示；斷開DER3的并網(wǎng)斷路器，測得DER2提供的短路電流I'DER2如圖7曲線2所示.比較曲線1和曲線2重合可得IDER2=I'DER2，因此故障點(diǎn)相鄰側(cè)DER提供的短路電流大小，與其它DER投退電網(wǎng)無關(guān).

圖7　DER2提供的短路電流

將DER3的并網(wǎng)斷路器合上，k3點(diǎn)發(fā)生三相短路.D節(jié)點(diǎn)故障支路DE與F節(jié)點(diǎn)故障支路EF的電流如圖8所示，其中曲線1是DE支路的故障電流，曲線2是EF支路的故障電流.通過比較曲線1、曲線2的電流有效值可得IDE>IEF，因此DE支路為最大電流故障支路.故障點(diǎn)位于D節(jié)點(diǎn)下游、F節(jié)點(diǎn)上游，即故障點(diǎn)位于Agent2與Agent3之間的DF區(qū)段，驗(yàn)證了故障初步定位原理.

圖8　D、F節(jié)點(diǎn)故障支路電流

離線計算求得節(jié)點(diǎn)D、E處發(fā)生三相短路時，DER2、DER3向節(jié)點(diǎn)D處提供的短路電流有效值見表4.

表4　 DER2、 DER3提供的短路電流離線值

k3點(diǎn)故障時，DER2、DER3提供的短路電流實(shí)測值分別如圖7的曲線1、圖8的曲線2所示，取有效值分別為IDER2=0.36kA，IDER3=0.19kA.將以上電流值進(jìn)行比較可得0.25<0.36<0.63，0.13<0.19<0.25，故障電流值介于D、E相鄰節(jié)點(diǎn)的離線計算值之間，判定故障點(diǎn)位于DE區(qū)段，可驗(yàn)證故障二次定位的正確性.

4結(jié)束語

本文分析了分布式電源接入配電網(wǎng)后故障電流的分布特征，提出了一種分布式智能電流保護(hù)方案，該方案基于多智能體的分布式處理數(shù)據(jù)與對等交換信息的能力，根據(jù)有源配電網(wǎng)多點(diǎn)測量的電流信息，

通過故障初步定位和故障二次定位，可在不裝設(shè)方向性電流元件的情況下確定故障點(diǎn)位置，并與保護(hù)裝置協(xié)作完成對故障區(qū)段的隔離，與故障時切除所有DER以保證傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護(hù)正確動作方案相比較，該方案可實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)段在DER供電的方式下正常運(yùn)行，滿足非故障區(qū)段用戶的供電可靠性要求. 該方案原理簡單，對解決因分布式電源接入配電網(wǎng)帶來的保護(hù)問題具有一定的理論指導(dǎo)意義.

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(編輯：劉寶江)