基于CPS的多源配電網(wǎng)保護方案

張學軍,郭文花,田俊梅

(山西大學 a.電力工程系，b.動力工程系,太原 030006)

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基于CPS的多源配電網(wǎng)保護方案

張學軍a,郭文花b,田俊梅b

(山西大學 a.電力工程系，b.動力工程系,太原 030006)

摘要:針對傳統(tǒng)保護方案不能滿足分布式電源接入后配電網(wǎng)繼電保護要求的問題，提出了一種基于信息物理融合系統(tǒng)(CPS)思想的多源配電網(wǎng)區(qū)域保護方案。方案以CPS保護終端為界將配電網(wǎng)分區(qū),與同一區(qū)域關聯(lián)的CPS終端通過通訊網(wǎng)絡共享信息,使每個終端都能獲得關聯(lián)區(qū)域邊界處的運行參數(shù)；嵌入在CPS終端中的計算機程序?qū)崟r處理獲得的信息,判斷故障是否在關聯(lián)區(qū)域的內(nèi)部發(fā)生,從而實現(xiàn)區(qū)域的保護。

關鍵詞:分布式電源;配電網(wǎng);繼電保護;區(qū)域保護;信息物理融合系統(tǒng)

配電網(wǎng)接近終端用戶,其供電可靠性和電能質(zhì)量一直是關注的重點。分布式電源(DG)直接接入配電網(wǎng)運行,在大電網(wǎng)故障時能維持對用戶的持續(xù)供電,并具有方便、靈活、清潔、高效的特點,其發(fā)展和應用得到了各國強力支持。但DG的接入將傳統(tǒng)單電源配電網(wǎng)變成了多電源配電網(wǎng),潮流和故障電流也由單向變成了雙向[1];DG的間歇性和不確定性還增加了配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和故障電流的多變性;逆變型電源的短路電流特性決定于故障時采用的控制策略[2],與傳統(tǒng)電機型電源有很大的不同;配電網(wǎng)線路短、截面大,難以通過短路電流的大小區(qū)分故障發(fā)生的位置。這些都增加了含DG的多源配電網(wǎng)繼電保護的復雜性。

傳統(tǒng)的基于單點信息的保護,如電流保護、距離保護,不能滿足多電源配電網(wǎng)繼電保護的要求。近年來,在借助通訊設施,依據(jù)更多故障前后運行信息來提高保護性能方面做了較多的研究工作。第一類是依據(jù)實時獲得的DG投退狀態(tài)、出力及與保護裝置的拓撲關系,通過仿真計算來調(diào)整保護定值的自適應保護。自適應保護的關鍵是準確計算逆變型DG對短路電流的貢獻。文獻[3-5]將逆變型DG等值為理想恒定電流源,文獻[6]則等值為恒定功率源。逆變型DG提供的短路電流,除了與控制策略有關外,還與當時的出力、故障的位置及故障的類型有關,將其等值為恒定電流源或恒定功率源是否恰當還需經(jīng)實踐檢驗。第二類是依據(jù)支路過流或故障方向進行拓撲搜索定位故障的方法[7-9],對故障計算的精度要求低,自適應性強,但通訊和計算量都較大。

隨著智能電網(wǎng)的建設和發(fā)展,通訊網(wǎng)絡的覆蓋率、性能必將大大提高,各種具有分析控制能力的智能電子設備也將大量使用,未來的電網(wǎng)將是集成和融合了先進的傳感技術、信息通訊技術、分析決策技術、自動控制技術、能源電力技術及電網(wǎng)基礎設施的信息物理融合系統(tǒng)(CPS,Cyber-Physical System)。在CPS中,通過物理過程、通訊過程和計算過程的集成、融合以及相互作用,實現(xiàn)實時感知、分析計算和動態(tài)控制,能使物理系統(tǒng)具有高度的靈活性、自治性、高效性、精確性、可靠性和安全性[10]。CPS概念一經(jīng)提出就得到了電力科技工作者強力的關注。文獻[11]將CPS的概念與電力系統(tǒng)的特點相結(jié)合,提出了電力CPS的思路和框架,指出CPS為解決大規(guī)模間歇性可再生能源和分布式電源提供了新的途徑。文獻[12]建立了微電網(wǎng)CPS體系結(jié)構(gòu),提出了“云端計算”模式,采用了Agent技術構(gòu)建CPS物理單元。文獻[13]將CPS技術應用到了配電網(wǎng)的繼電保護中,描述了CPS保護單元和系統(tǒng)的構(gòu)成,說明了CPS保護較傳統(tǒng)保護在性能上的優(yōu)越性。

筆者在目前研究成果的基礎上,提出了基于區(qū)域信息,能自適應多源配電網(wǎng)運行方式、故障特性多變的CPS保護方案。通過控制中心與CPS終端以及CPS終端之間的分布協(xié)同,實現(xiàn)故障的快速定位、切除和隔離。

1配電網(wǎng)CPS終端

擬采用集測量、通訊、計算、控制及開合功能為一體的CPS終端取代傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的斷路器、重合器、分段器等開關設備。在未來智能配電網(wǎng)中CPS終端的作用將不限于保護,但本文只討論CPS終端的保護功能。CPS保護是由CPS終端組成的配電網(wǎng)智能保護系統(tǒng),通過CPS終端的感知、通訊、計算和控制[10-11]來完成故障判斷、切除和隔離的任務。為了實現(xiàn)配電網(wǎng)區(qū)域保護方案,CPS終端應具有如圖1虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

圖1　CPS終端的結(jié)構(gòu)Fig.1　CPS terminal structure

圖1中CPS終端由信息單元和能量傳輸單元兩部分組成,是信息和物理的融合體。信息單元包括同步、傳感、通訊、計算和控制等子單元,采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。其中,同步子單元用于接收GPS時鐘信息或網(wǎng)絡對時信息,以獲得采樣同步信號;傳感子單元用于檢測能量傳輸單元的電流、電壓、溫度、壓力和開關狀態(tài)等運行信息;通訊子單元用于與其它的CPS終端或控制中心通過網(wǎng)絡傳遞數(shù)據(jù)和控制指令;計算子單元用于對傳感子單元采集的數(shù)據(jù)和其它CPS終端交換的數(shù)據(jù)按保護原理進行計算分析并輸出控制指令;控制子單元用于接收控制中心和計算子單元輸出的控制指令,對能量傳輸單元進行控制。能量傳輸單元由導電設備和開關組成,開關可以是普通的斷路器、分段器,也可以是具有柔性控制能力的電力電子設備,如AC/AC變換器。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,CPS終端的信息承載和處理能力、能量控制能力將會不斷增強,成為智能電網(wǎng)的重要組成部分。

2配電網(wǎng)分區(qū)

10 kV配電網(wǎng)多采用通過斷路器、分段器將饋線分段,在分段上又引出分支,在分支線上又進行分段的接線方式。配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)決定了保護裝置的保護范圍不是一段輸電導線或一臺設備,而是由一段或幾段相連的饋線段組成的網(wǎng)絡區(qū)域。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中,斷路器的保護方向是單向的,保護范圍是從斷路器的安裝位置開始到下游最近的斷路器(或饋線末端)為止,一臺斷路器負責一個區(qū)域的保護。當配電網(wǎng)由單電源變?yōu)槎嚯娫春?斷路器的保護方向也由單向變?yōu)榱穗p向,一臺斷路器負責兩個區(qū)域的保護,其范圍分別為從斷路器安裝位置開始向兩端延伸直到遇到其它斷路器(或饋線末端)為止。

當用CPS終端取代傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的開關時,按是否有分斷故障電流的能力將CPS終端分為斷路器CPS終端和分段器CPS終端2類,分別簡稱為斷路器終端和分段器終端。在故障情況下,斷路器終端斷開其開關切除故障,分段器終端斷開其開關隔離故障。圖2中,B1～B5為斷路器終端、D1～D4為分段器終端、L1～L8為饋線段。

為了描述CPS終端與切除或隔離的故障區(qū)域的關系,將配電網(wǎng)做如下分區(qū):

以斷路器終端為界,可從配電網(wǎng)中分隔出1個由饋線段和分段器終端組成的子網(wǎng),這樣的子網(wǎng)稱為配電區(qū)。作為界的斷路器終端為配電區(qū)的關聯(lián)終端，與同一配電區(qū)關聯(lián)的終端互為鄰接終端。1個配電區(qū)有多個關聯(lián)終端,1個斷路器終端可與1或2個配電區(qū)關聯(lián)。如圖2所示,(L1，L2，L5，L6，D1，D3)為一個配電區(qū),記為A1;(L3，L4，L7，L8，D2，D4)為另一個配電區(qū),記為A2；(B1，B3，B5)是A1的關聯(lián)終端;(B2，B4，B5)是A2的關聯(lián)終端。B5與2個配電區(qū)關聯(lián),而B1～B4只與1個配電區(qū)關聯(lián)。

配電區(qū)子網(wǎng)的連通性取決于其中分段器終端的開關的狀態(tài)。稱配電區(qū)內(nèi)的連通子網(wǎng)為被保護區(qū)，被保護區(qū)是發(fā)生故障時被切除的最小區(qū)域。當一個被保護區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時,將由它的關聯(lián)斷路器終端的開關跳閘來切除。與同一被保護區(qū)關聯(lián)的斷路器終端之間為實時鄰接關系，如圖2所示,當分段器終端D1的開關處于開斷狀態(tài)時,配電區(qū)A1被分為2個被保護區(qū),(L1，L5，L6，D3)和(L2).(L1，L5，L6，D3)內(nèi)的故障由它的關聯(lián)斷路器終端B1和B3開關跳閘切除;(L2)內(nèi)的故障由它的關聯(lián)斷路器終端B5開關跳閘切除。

以CPS終端(無論是斷路器還是分段器)為界,可以分隔出一個僅由饋線段組成的子網(wǎng),這樣的子網(wǎng)稱為隔離區(qū)。隔離區(qū)是故障切除后,恢復供電前被隔離的最小區(qū)域。作為隔離區(qū)界的CPS終端稱為隔離區(qū)的關聯(lián)終端，1個隔離區(qū)有多個關聯(lián)的終端;1個終端可與1或2個隔離區(qū)關聯(lián)。與同一隔離區(qū)關聯(lián)的終端互為鄰接終端，如圖2所示,(L1，L5)為一個隔離區(qū),它的關聯(lián)終端為(B1，D1，D3),當(L1，L5)內(nèi)故障時,可以斷開(B1，D1，D3)的開關將故障隔離。

圖2　配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Diagram of distribution network

3保護功能實現(xiàn)

本文所述保護方案采用鄰接終端間通過網(wǎng)絡交換各自檢測到的和經(jīng)過計算的信息,依據(jù)判據(jù)確定故障是否在關聯(lián)的被保護區(qū)和隔離區(qū)內(nèi)發(fā)生,從而完成故障切除和隔離。由于可以得到區(qū)域邊界完整的運行信息,采用差動、功率方向、相位比較等方法可以快速、準確定位故障區(qū)域。下面分4個方面,介紹保護的主要環(huán)節(jié)。

3.1拓撲分析

拓撲分析是根據(jù)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和終端開關的實時狀態(tài),分析終端與被保護區(qū)、隔離區(qū)之間的關聯(lián)關系,以確定故障時哪些終端間應交互信息。

在每一個斷路器終端內(nèi)存儲2張拓撲信息表,記為TP1和TP2.TP1和TP2中分別保存與斷路器終端關聯(lián)的2個配電區(qū)內(nèi)的饋線段、分段器終端、關聯(lián)的斷路器終端以及它們之間的拓撲關系。如果斷路器僅與1個配電區(qū)關聯(lián),則TP2為空。TP1和TP2是靜態(tài)的,只與配電網(wǎng)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)有關,其內(nèi)容不隨配電網(wǎng)的運行方式而變化。在系統(tǒng)初始化時,由配電網(wǎng)控制中心執(zhí)行全網(wǎng)的拓撲分析,生成每個斷路器的TP1和TP2表,并將結(jié)果發(fā)送到相應的終端。當電網(wǎng)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,控制中心重新填充TP1和TP2內(nèi)容。

每個斷路器終端還維護2張實時鄰接表,記為BL1和BL2.BL1和BL2分別保存TP1和TP2中與當前終端為實時鄰接關系的斷路器終端。屬于同一實時鄰接表中的斷路器終端在故障時交換各自檢測到的故障信息,以判斷故障是否發(fā)生在共同關聯(lián)的被保護區(qū)內(nèi)。BL1和BL2是動態(tài)的,其內(nèi)容根據(jù)配電區(qū)內(nèi)分段器終端開關的實時狀態(tài)以及TP1或TP2中的信息經(jīng)拓撲分析得到。為了使斷路器終端能及時更新BL表中的內(nèi)容,終端開關變位時,應立即將變位信息發(fā)送至同一配電區(qū)的所有關聯(lián)終端。

為了實現(xiàn)故障隔離,每個CPS終端還需保存2張隔離區(qū)鄰接終端表,記為DL1和DL2 .故障發(fā)生時,同一鄰接表中的終端也要交換信息以確定故障發(fā)生的準確區(qū)域。DL1和DL2也是靜態(tài)的,其內(nèi)容由控制中心維護。

拓撲分析功能由運行于控制中心和斷路器終端中的計算機程序?qū)崿F(xiàn),其流程如圖3所示。

a-控制中心拓撲分析流程；b-斷路器終端拓撲分析流程圖3　拓撲分析流程Fig.3　Process for topology analysis

3.2保護啟動

為了保證保護在正常運行時可靠不動作,應設置保護啟動環(huán)節(jié)。可采用躲過正常運行最大工作電流、低電壓、負序電壓、零序電壓或它們組合的啟動方式。為了避免逆變型電源短路電流小,某些終端不能可靠啟動的問題,可采用已啟動的終端向鄰接終端發(fā)送強制啟動信號的方式。

3.3主保護算法

在斷路器終端中嵌入被保護區(qū)故障判別算法,實現(xiàn)關聯(lián)被保護區(qū)的主保護。在獲得區(qū)域邊界信息的基礎上,采用如下方法進行故障判斷:

1) 差動電流法，通過計算BL1和BL2中具有實時鄰接關系的終端發(fā)送的以指向被保護區(qū)為正方向的實時電流的和得到區(qū)域差動電流。當差動電流大于定值時判斷為區(qū)內(nèi)故障。

2) 功率方向法，由檢測到的電壓和電流計算故障功率的方向,然后向鄰接終端發(fā)送故障功率指向。若BL1(或BL2)中所有終端的故障功率指向是一致的,則故障發(fā)生在所關聯(lián)的被保護區(qū)內(nèi)。

3) 電流相位比較法，在電壓相位一致的情況下,電流相位就可以反映出功率方向。在沒有電壓測量條件,無法取得功率方向的情況下,可以采用電流相位的比較法。文獻[14]在假定配電饋線阻抗角近似取(70°～80°)的條件下,介紹了一種利用電流相位比較判斷故障方向的方法。但實際配電網(wǎng)中饋線既有架空線,又有電纜線,電纜的阻抗角一般在(20°～45°)之間。經(jīng)分析,如果在故障后的電源內(nèi)電勢相位能保持故障前的值不變,在滿足式(1)條件的情況下,式(2)可作為一個區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障的判據(jù)

(1)

(2)

這些故障判斷方法原理上與故障后逆變型電源的故障電流特性無關,所以能自適應不同的電源類型,與配電網(wǎng)是輻射狀還是網(wǎng)狀也無關系。

主保護算法運行于各斷路器終端內(nèi),其流程如圖4所示。

圖4　主保護流程Fig.4　Process for main protection

3.4后備保護算法

3.4.1開關失靈后備保護

因1個斷路器終端關聯(lián)2個被保護區(qū)域,當開關失靈時應由終端關聯(lián)的另一被保護區(qū)(非故障區(qū))的關聯(lián)終端跳閘來切除故障。如圖2所示,A1區(qū)發(fā)生故障,終端B5開關失靈,應由B5關聯(lián)的區(qū)A2的關聯(lián)終端B2和B4跳閘將故障切除。為此,在斷路器終端內(nèi)應實現(xiàn)圖5所示的失靈保護邏輯。

圖5　失靈保護示邏輯Fig.5　Logic for breaker failure protection

3.4.2保護拒動后備保護

當主保護拒動時,故障由控制中心根據(jù)CPS終端上報的故障方向信息,搜索故障區(qū)域,實現(xiàn)故障切除[7]。為此,在斷路器終端中嵌入故障方向判別算法,當故障發(fā)生時,先啟動主保護算法,當判斷為關聯(lián)被保護區(qū)故障時,發(fā)出跳閘指令。當判斷為非關聯(lián)被保護區(qū)故障時,啟動故障方向算法,經(jīng)延時后保護仍不返回,將判斷的故障方向上報控制中心。

故障方向算法如下:

1) 功率方向法。在區(qū)域的關聯(lián)終端中,功率方向指向區(qū)外的終端的功率方向是故障的方向。

2) 電流幅值法[7]。如果區(qū)域關聯(lián)終端數(shù)大于3,則電流幅值最大的終端指向區(qū)外的方向是故障的方向。

3) 電流相位法[14]。如果區(qū)域關聯(lián)終端數(shù)大于3,以指向區(qū)內(nèi)為正方向,則與其它終端的電流相位差都接近180°的終端指向區(qū)外的方向是故障的方向。

在區(qū)域關聯(lián)終端中,只需經(jīng)過上述算法判斷為指向區(qū)外的方向與故障方向一致的那個終端向控制中心上報故障方向即可。

圖6　后備保護示意圖Fig.6　Diagram of backup protection

如圖6所示,故障發(fā)生在B5，B6之間,但B5，B6保護拒動。故障發(fā)生時(B1，B3，B5)和(B2，B4，B6)保護都啟動,經(jīng)主保護算法判斷為區(qū)外故障,啟動后備保護算法,經(jīng)故障方向算法判斷,B5，B6各自指向區(qū)外的方向與故障方向一致。若經(jīng)延時后保護仍不返回,B5，B6向控制中心上報故障方向信息,控制中心根據(jù)上報的故障方向,經(jīng)搜索將故障定位在B5，B6之間,向B5，B6發(fā)出跳閘指令,切除故障。

4信息缺失情況的討論

本保護方案的正確性依賴于信息傳輸?shù)目煽啃?當由于某些原因使CPS終端不能得到完整的信息時,可能出現(xiàn)錯判和誤判。在信息不完整的情況下可以閉鎖保護,故障由后備保護動作切除。下面假定允許在信息不完整情況下動作,討論不同故障判斷方法的性能。

1) 差動電流法。一個通訊通道的電流缺失使故障區(qū)域差流減小,而非故障區(qū)域差流增加,因此增加了保護拒動和誤動的可能性。逆變器類電源提供的短路電流一般限制為額定電流的1.5～2倍,電機類電源提供的短路電流可達額定電流的10～20倍,所以缺失逆變器類電源的電流信息對差動電流法影響較小。

2) 功率方向法除。上面提到的3種情況外,還可能由于故障發(fā)生在終端附近,無法計算功率方向而缺失。由于反向的信息實際對非故障區(qū)的保護起閉鎖作用,所以對故障區(qū)缺失信息不會造成拒動;對非故障區(qū),缺失反向信息將造成誤動。

3) 電流相位比較法。在信息缺失情況下的性能與功率方向法相同。

因1個斷路器關聯(lián)2個保護區(qū)域,當斷路器明確判斷為關聯(lián)的一個被保護區(qū)發(fā)生故障后,就向關聯(lián)的另一被保護區(qū)組發(fā)送閉鎖信號,可減少由于信息缺失引起的誤動。

5結(jié)論

本文提出的多電源配電網(wǎng)CPS保護方案,能克服目前基于單端信息保護方案的弊端。故障區(qū)判斷算法即適用于輻射型網(wǎng)絡也適用于環(huán)型網(wǎng)絡,而且逆變型電源的故障電流特性不影響故障判斷的正確性。提出的方案在大多數(shù)情況下,只在鄰接終端間交換信息,網(wǎng)絡負擔小,同時采用分布計算判斷故障區(qū)域,減小了控制中心的計算壓力。故障定位和隔離可以在分段器終端中運行與斷路器終端中相似的算法來實現(xiàn),這樣就可以將保護與故障定位和隔離問題集成解決,如在終端中擴展非故障區(qū)恢復供電的配電網(wǎng)自愈算法,就可實現(xiàn)完整的配電網(wǎng)自動化。

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(編輯：劉笑達)

Protection Scheme for Distribution Network with Multi-Generators Based on CPS

ZHANG Xuejuna,GUO Wenhuab,TIAN Junmeib

(a.DepartmentofElectricPowerEngineering，b.DepartmentofPowerEngineering，ShanxiUniversity,Taiyuan030006，China)

Abstract:The traditional protection scheme can not meet the requirements of relay protection in distribution network due to the penetration of distributed generators. Based on the ideas of the CPS(Cyber Physical System), an area protection scheme for distribution network with distributed generators is proposed in the paper. The distribution network is split into several areas by CPS protection terminals.The terminals associated with the same area exchange information through the communication network so that each terminal can get related area’s operating parameter at boundaries. The computer program which is embedded in terminals deals with the obtained information in real time and decides whether fault has happened in the area, so as to implement protection for distribution network.

Key words:distributed generators;distribution network;relay protection;regional protection;cyber physical system

文章編號:1007-9432(2016)02-0259-05

*收稿日期：2015-09-16

作者簡介：張學軍(1964-)，男，山西平遙人，副教授，主要從事電力系統(tǒng)仿真及智能電網(wǎng)研究，(E-mail)tyzxj6409@126.com

中圖分類號:TM77

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.026