智能配電系統多層級選擇性保護技術

張麗萍蔡傳慶繆希仁

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116;

2.中國移動通信集團福建有限公司，福州 350000）

智能配電系統多層級選擇性保護技術

張麗萍1蔡傳慶2繆希仁1

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116;

2.中國移動通信集團福建有限公司，福州 350000）

智能電網是整個電力行業未來的發展方向，作為其中的重要組成部分，保障智能配電系統供電的可靠性與持續性尤其受人關注。本文從建設堅強智能配電網的需求出發，總結了傳統過電流保護技術的不足和包括應用在線監測以及對控制與保護等方面的技術要求，提出低壓配電系統多層級選擇性保護技術，并分析了多層級選擇性保護系統的關鍵技術實現，展望該技術的應用趨勢，為實現多層級全范圍選擇性保護提供一個新思路。

智能配電系統；在線監測；多層級選擇性保護；短路故障早期檢測；快速分斷

國民經濟的發展和智能電網的建設都對電力系統的安全可靠運行提出了更高的要求，作為智能電網的重要組成部分，智能配電系統建設最主要的目標是保障供電的可靠性與持續性[1]。隨著智能配電系統建設的發展與需求的不斷提高，配電系統中大功率負荷迅速增長，大容量機組不斷投入運行，配電系統的層級和短路電流的規模也在不斷增長。不斷增強的短路電流對線路、設備及保護電器本身的動熱穩定性以及相互配合的協調性均提出了更高要求，而實現這一目標的重要手段之一是采用選擇性保護[2-3]。目前我國低壓配電系統選擇性保護的方式主要是過電流保護，不論是采用傳統的還是智能型的短路保護電器，大多都仍采用全電流值是否大于其整定值來作為保護動作的判定依據。在這種情況下，距故障發生時刻已過了一定的時間，保護的快速性得不到保障；若通過的短路電流很大，還可能造成上下級同時跳閘或上級先跳閘的情況，保護的可靠性同樣受到限制，即目前所采用的過電流保護方式尚只能實現不完備的局部選擇性保護。

我國電力行業的發展方向是建設國際領先的統一堅強型智能電網，當中極其重要的特點是堅強。堅強的主要含義是能夠實時監測，并且能預測電網的運行狀態，及時發現、診斷和快速消除故障隱患，將故障消滅于萌芽階段，避免帶來故障的擴大和次生安全事故，如火災、爆炸和大規模停電的發生，提高電網運行的可靠性，因此，傳統的保護方式已不能滿足實際應用需求。

本文基于傳統過電流保護的不足以及建設堅強智能配電系統對在線監測、短路故障早期檢測以及控制與保護方面的需求，提出智能配電系統多層級選擇性保護技術，從局部選擇性提升到全局選擇性、將選擇性保護的范圍延伸至終端配電系統，并具備全相角短路故障早期檢測與辨識功能，對任意層級、任意位置發生的任意類型的短路故障，均能在故障尚未發展起來之時即被快速、可靠地檢測并分斷，為實現多層級全范圍選擇性保護提供一個新思路。

1 建設堅強智能配電系統的需求

1.1 在線監測

隨著電網規模的不斷擴大，越來越多的大功率機組和非線性負載接入配電系統，使得配電系統的網絡結構愈加復雜；同時，各種電或非電元件或設備在正常或非正常運行過程中均存在著大量的協調、配合、互動等相互影響的動態過程和能量轉換；存在著起動、過載、變頻等有別于正常運行的暫態過程，也存在著包括電、磁、熱、力、光、機械、腐蝕等在內的物理和化學過程[4]。而短路故障的規模也越來越大，對配電系統中的線路和設備所造成的惡性影響也日益凸顯，這些過程都會對配電系統的穩定運行造成影響。早期的低壓配電系統中，人們對于配電系統中各線路或設備的運行狀態和微環境變化往往一無所知，無論是非正常運行狀態還是故障運行狀態，都需要通過在線監測來獲取，以制定相應的應對策略，智能配電系統具備在線監測的基礎條件。因此，要發展智能且堅強型的配電系統，就需要實時在線監測配電系統各線路、設備的運行狀態，在配電系統出現異常狀況的時候能準確定位異常狀況的來源并能辨識該異常狀況，從而為后續的恢復或切除打下基礎。

例如，電器設備的溫度、振動、帶電狀態、電磁暫態以及內部微環境等均是能夠反映設備動熱穩定性的重要參數與檢測設備運行狀態的安全可靠的技術手段，而非智能的電器設備并不具備可靠的檢測手段。世界各國在電器研發上的不斷創新與新技術的應用使得誕生了智能化電器，其應用了微處理器、傳感以及通信技術，能夠實時監測各配電系統中關鍵關節的運行狀態與環境狀態，實時采集各種電或非電參量，利用通信技術將監測結果上傳至智能控制中心，智能控制中心中的微處理器根據負載、線路或設備的運行狀況以及環境狀況的變化情況，進行配電系統中各環節的自適應協調與優化運行[5]。若遇到無法自適應調節的短路故障狀態，則對采集到的電流電壓參量進行分析，確定短路故障類型和短路故障發生位置，并向保護電器發送指令，進行優化控制與保護。

總之，在線監測能夠及時發現并捕捉配電系統中各主要環節運行狀態和微環境的變化，是智能配電系統提供自適應協調與優化以及針對短路故障提供選擇性保護的基礎。

1.2 控制與保護

智能配電系統在在線監測完成對線路或設備的運行狀態和環境狀態的參量獲取后，最關鍵的一步就是對狀態參量所反映的非正常運行狀態或故障狀態進行有效的優化控制與保護。智能配電系統中的控制電器應具備能根據運行狀態的變化實時地調整控制程序完成最佳電路接通和斷開過程，并且能夠調整控制策略，自適應地完成狀態轉換與參數調節，使設備能從非正常運行狀態盡快地轉入額定運行狀態[4]。而智能配電系統對保護功能的應用需求主要體現在快速、可靠的選擇性保護上。由于配電系統層級較多，負載類型和故障類型多樣，這就使得當配電系統任意位置發生短路故障時，短路故障保護只切斷故障位置供電而保障其他非故障位置的持續可靠供電變得異常重要，因此對短路故障保護的選擇性提出了極高的要求[6]。

目前低壓配電系統中廣泛采用的選擇性保護方式是過電流保護，主要分為電流選擇性和時間選擇性。電流選擇性是通過設定上下級斷路器不同的整定電流來實現對過載、短路故障的選擇性保護配合，即三段式保護，其優點是技術成熟、原理簡單且成本較低。但基于電流選擇性的瞬動保護的動作時間僅為開關的固有分閘時間，在短路電流足夠大時，會出現上下級同時跳閘或上級先跳閘的情況，選擇性難以保障，且保護范圍上亦收到限制，只能做到局部而非全范圍的保護[7-8]；而時間選擇性則是對于相同的短路電流，設定不同的動作時間，靠時間來決定上下級的開關順序以實現選擇性。雖然彌補了電流選擇性的不足，但當多級開關串聯時，延時時間累計增加，上級開關延時時間越長，故障時短路電流持續時間越長，整個配電系統要付出更大的代價來滿足動、熱穩定的要求[9-10]。此外，基于三段式保護的斷路器總是在短路電流達到其整定值時才開始分斷，此時分斷的短路電流常常處于峰值附近，對斷路器的使用壽命會造成不可逆轉的影響。這種以犧牲保護的快速性甚至可靠性為代價來獲取選擇性的保護方式并不能滿足智能配電系統對保護功能的需求。

迄今，低壓配電系統短路故障全范圍選擇性保護的機理尚未得到解決，智能配電系統的堅強性亦無從談起。綜上所述，智能配電系統對選擇性保護的需求[11]如下：

1）實現全電流選擇性保護，即在任何短路電流時確保上、下級斷路器不同時跳閘或越級跳閘從而將短路故障限制在最小范圍內。

2）實現全范圍選擇性保護，即終端配電系統也要具備可靠的選擇性保護。

3）在短路故障尚未發展起來的極短時間內完成故障切除，實現智能配電系統選擇性保護。

2 多層級選擇性保護技術

迄今為止的短路保護方法均不完全適用于低壓系統短路故障全范圍選擇性保護，本文根據智能配電系統的應用需求提出了多層級選擇性保護技術，以期實現短路故障的全范圍選擇性保護。

2.1 故障參量采集

要實現多層級選擇性保護，首先要對能反映短路故障特征的兩個參量，即電壓和電流進行采集。由于本文所采用的多層級選擇性保護技術主要是針對短路電流變化來檢測和判定故障的，因此對于電流的采樣頻率和精度要求較高，需要在配電系統中各段支路的保護電器安裝處加裝動態響應快，測量頻帶寬的大電流測試裝置，其采樣頻率應至少達到100kHz，測量精度應能達到 1%以下，同時能對多路電流信號進行同步采樣，這樣才能準確捕捉到多層級短路故障發生時刻的電流突變特征量，為后續的短路故障早期檢測提供可靠數據。而該技術對電壓采集的要求不高，只需將電壓傳感器安裝于電源處，一般來說，短路故障發生時，電源電壓會出現較明顯的跌落，其變化幅度比短路發生時刻電流的變化幅度要明顯得多，本文僅根據電壓跌落來確定短路故障的發生時刻，而短路故障發生的位置、類型等則通過對電流采樣值的分析來確定。

2.2 短路故障早期檢測與辨識

本文所提出的多層級選擇性保護技術的關鍵之一在于對所采集到的電流信號進行短路故障早期檢測與辨識，主要通過具備分析測控能力的Compact-RIO硬件系統中的FPGA模塊以及LabVIEW圖形化程序開發平臺加以技術實現。首先對采集到的包含有白噪聲和脈沖噪聲干擾的原始電流信號進行濾波處理，以免造成噪聲和短路故障特征量的混淆，導致早期檢測算法誤判。前置濾波器采用了集白噪聲和正負脈沖噪聲濾除功能于一體的形態小波濾波器[12]，將濾波后的較為光滑的電流信號輸入短路故障早期檢測算法程序中進行下一步分析。

本文所提出的多層級選擇性保護技術采用小波包細節分解算法作為短路故障早期檢測的執行算法。小波變換的基本過程是用一簇函數去表示或逼近一個信號，與傳統傅里葉變換不同的是，小波變換的基函數是具有有限的持續時間和突變頻率/振幅的小波函數，這使其可較準確地擬合原始信號，特別是具有突變特征的非平穩信號。此外，作為一種時頻域分析方法，小波變換可通過伸縮和平移等運算功能實現對信號的多分辨率細化分析，從而有效地提取信號中的有用信息。由于短路全電流的變化規律與短路瞬間電源電壓或電流相位（即故障初相角）有密切關系，因此必須將短路故障初相角作為探討短路電流特性重要考慮因素[13]。實驗證明[14]，通過小波變換將信號分解得到第四尺度細節分量，可以獲取短路電流明顯的突變特征，以此作為短路故障早期檢測的特征量，可實現在大部分相角下短路后極短時間（0.2ms）內檢測出故障，但在某些短路電流突變特征不明顯的相角區間，其檢測速度及辨識效果并不理想，且文獻[14]所做實驗僅針對單層級配電系統的單相短路故障，并未涉及多層級配電系統及其他類型的短路故障。

本文引入小波包細節分解算法，其在信號高頻段的頻率分辨率和在低頻段的時域分辨率都較小波變換有顯著提高，對短路故障電流信號經小波變換得到的第四尺度細節分量加以進一步分解，得到高階細節分量，可以獲取比第四尺度細節分量更明顯的短路電流突變特征量，而算法本身增加的時間極少，可實現全相角下的短路故障早期檢測（0.2ms）。

短路故障早期檢測的速度性和有效性除了受到算法的影響，另一個關鍵的影響因素就是故障閾值[15]。由于早期檢測最終是以所提取的特征量是否超過設定的故障閾值來判別故障發生，以特征量第一次超過故障閾值的時刻來定位故障發生時刻，因此，故障閾值的設置非常關鍵。在實際多層級低壓配電系統中，一般來說越靠近電源側以及工況狀態下承載電流越多的線路或設備，發生短路故障時其所承受的短路電流等級就越大，相對而言越靠近負載側的線路或設備短路電流等級則越小。本文以對短路故障電流信號經小波變換得到的第四尺度細節分量加以進一步分解所得到高階細節分量作為判斷短路故障的特征量，其數值通常隨短路電流的增大而增大，但還與短路故障初相角密切相關，若將故障閾值設的太大，則在某些故障特征不明顯的短路故障初相角下，可能發生漏判或檢測時間延長，影響早期檢測的速度性和有效性；若為了追求檢測速度而一味減小故障閾值，則可能將電動機起動、電力電容器投切等暫態過程誤判為短路故障。在算法提取短路故障特征量的基礎上，還需要設定合適的故障閾值，以確保快速有效地檢測和辨識短路故障[16-18]。

2.3 快速分斷

傳統過電流三段式保護電器的一個比較大的缺陷是其大多都采用全電流值是否大于其整定值來作為保護動作的判定依據，在分斷時短路電流往往已經發展起來，呈現出一個比較大的峰值電流，而一般斷路器的分斷過程通常要持續數個周波，這又導致短路電流進一步發展，極易造成配電系統故障支路甚至上級支路的線路和設備發生損壞，對斷路器自身的壽命也相當不利，因此實現短路故障早期檢測基礎上的快速分斷是智能配電系統多層級選擇性保護技術的又一關鍵所在。快速分斷的理想化效果是分斷機構在早期檢測算法檢測到短路故障并觸發保護后立刻動作，并能在極短的時間內完成短路電流（包括電弧）的完全分斷，將短路電流對線路和設備的影響限制到最小。目前我校已經研究出了平均全開斷時間在5ms以內的快速分斷機構，大幅改善短路保護的速度性，提高智能配電系統的保護性能，使短路電流在開始的 1/4個周期內即被分斷，有效保護線路和設備不受短路故障侵害。

2.4 短路電流趨勢預測

眾所周知，當某條支路發生短路故障時，其上級支路的電流同樣會發生突變，且這種突變亦可由前述的短路故障早期檢測算法檢測得出。因此，在將短路故障早期檢測算法應用于多層級智能配電系統時，若僅根據所提取的故障特征量大于故障閾值來定位故障發生位置并觸發保護動作，將可能造成上下級保護同時動作，即越級跳閘，造成非故障區域斷電，全選擇性保護無法實現。針對這一問題，本文所提出的多層級選擇性保護技術在短路故障早期檢測的基礎上，利用早期檢測算法分析所得的數據，對短路電流進行趨勢預測[19]，重點是峰值預測。該預測應能綜合考慮短路故障早期檢測時間、峰值預測時間、斷路器固有動作時間等，預測出斷路器實際需開斷的短路電流大小，然后將預測結果經由網絡上傳至智能控制中心。智能控制中心存儲有不同層級、支路發生的不同類型短路故障電流等級信息以及斷路器的額定開斷能力、所處位置等信息，其可結合短路電流趨勢預測的結果，準確定位短路故障所處的層級支路，分析判斷出最靠近短路點且能可靠分斷當前短路電流的斷路器，并給其發出故障分斷動作指令。

將短路電流趨勢預測應用于多層級選擇性保護技術，可在短路故障發生時為智能配電系統選擇合適層級的斷路器加以控制保護，以提高智能配電系統在短路故障發生時多層級之間的選擇性與協調性，有效縮小故障停電范圍，避免盲目提高保護電器的容量，更好地實現低壓系統多層級短路故障保護的選擇性、速度性與經濟性。

綜上所述，本文所提出的智能配電系統多層級選擇性保護技術能夠對不同層級、不同類型的短路故障進行實時采集測控，既能滿足短路故障的快速、實時、可靠檢測，又具備分析、辨識、預測、分斷能力，具有廣闊的應用發展前景，其技術架構如圖1所示[20]。

圖1 智能配電系統多層級選擇性保護技術架構圖

3 多層級選擇性保護技術應用趨勢

本文所提出的智能配電系統多層級選擇性保護技術在未來的應用中，應著力在以下幾個方面實現優化提升：

1）本文所提出的多層級選擇性保護技術以短路故障早期檢測算法對電流信號的分解結果作為短路故障早期檢測的特征量，無論如何設置短路故障閾值，仍存在無法有效辨識短路故障和起動暫態過程的誤判風險。因此，可對短路電流早期檢測算法進行優化，降低誤判率，例如，對短路點后的電壓信號進行采集，在短路故障發生時，短路點后的電壓會瞬間跌落至零點上下，可利用電壓的這一特性作為檢測短路故障的判據。由于在電動機等起動暫態過程中電壓不會發生明顯變化，因此該方法可更有效地辨識起動過程和短路故障，避免誤判。

2）本文所提出的多層級選擇性保護技術利用快速分斷機構可實現檢測到短路故障后5ms內完全分斷短路故障，但其仍有可能在短路電流的峰值附近進行分斷，電弧較大，分斷的時間存在分散性，機構尚不夠穩定，對分斷機構的壽命不利。因此，可研究開發智能保護電器，能自適應地實現優化的分斷過程（如無弧、少弧分斷或綜合配電系統最佳狀態下分斷）。另外，也可采用帶有限流能力的保護電器，將短路電流峰值快速降低至線路或設備的額定電流范圍內再進行分斷，有效防止短路大電流對線路及設備的侵害，延長保護電器壽命。

3）本文所提出的多層級選擇性保護技術目前仍處于實驗階段，尚未形成一套完整的系統，未來應將其小型化、產品化，并使其能更加適應復雜多變的低壓配電系統環境，早日投入市場。

4 結論

我國在電力行業的發展上提出了建設堅強智能電網的目標，而短路故障對多層級低壓配電系統來說發展極快且危害極大，是對電網堅強性的挑戰，需采用選擇性保護以保證電網供電的可靠性與持續性。傳統的過電流保護存在速度性和可靠性不足、只能實現局部選擇性等缺陷。本文在分析傳統選擇性保護方法和智能配電系統對控制與保護的應用需求的基礎上，提出智能配電系統多層級選擇性保護技術，闡述了實現全選擇性保護的關鍵技術及其實現方法，并提出了優化方案，為智能配電系統選擇性協調保護的研究奠定技術基礎，有廣闊的應用發展前景。

[1]陳德桂.智能電網與低壓電器智能化的發展[J].低壓電器,2010(5):1-6,48.

[2]何瑞華.智能電網系統中低壓電器發展探討[J].低壓電器,2011(1):1-5.

[3]陳德桂.低壓電器智能化與智能電網[J].電氣制造,2010(1):36-40.

[4]張培銘.智能電網與智能電器系統[J].低壓電器,2014(10):5-9.

[5]胡學浩.智能電網——未來電網的發展態勢[J].電網技術,2009(14):1-5.

[6]蔡傳慶,繆希仁,吳曉梅,等.選擇性低壓短路保護技術[J].電器與能效管理技術,2015(14):1-6.

[7]王厚余.低壓配電技術的新發展——級間選擇性連鎖(ZSI)[J].低壓電器,2002(1):46-47.

[8]湯玉生.低壓配電系統中配電開關的選擇性保護配合的應用[J].南方建筑,2006(12):139-140.

[9]Draft IEC/TR 61912-2,Ed.1.0:“Low-voltage switchgear and controlgear-overcurrent protective devices-Selectivity under over-current conditions,International Electrotechnical Commission”,2007,23:10.

[10]張彬,劉哲,王寧.塑殼斷路器的選擇性保護分析[J].低壓電器,2011(16):10-13.

[11]何瑞華,尹天文.我國低壓電器現狀與發展趨勢[J].低壓電器,2014(1):1-10,26.

[12]陳麗安,張培銘.基于形態小波的低壓系統短路故障早期檢測[J].中國電機工程學報,2005,25(10):24-28,88.

[13]陳麗安,張培銘,繆希仁.基于小波變換的低壓系統短路故障的早期預測[J].電工技術學報,2003,18(2):91-94.

[14]繆希仁,吳曉梅.低壓系統多層級短路電流早期檢測與預測研究[J].電工技術學報,2014,29(11):177-183.

[15]陳麗安,張培銘.基于小波變換的短路故障早期檢測門限值的研究[J].電工技術學報,2005,20(3):64-69.

[16]郭銀婷,繆希仁.低壓配電短路電流檢測與分斷機構技術[J].低壓電器,2013(7):18-22.

[17]李飆,繆希仁.短路故障快速檢測與限制技術綜述[J].電器與能效管理技術,2014(18):1-5,24.

[18]繆希仁,李飆,吳曉梅,等.基于短路早期檢測的中壓故障電流快速限制技術[J].電力自動化設備,2014,34(11):75-81.

[19]郅萍,繆希仁,吳曉梅.低壓系統短路故障建模及電流預測技術[J].電力系統保護與控制,2016,44(7):39-46.

[20]繆希仁.低壓配電系統全范圍選擇性協調保護技術[J].低壓電器,2014(9):19-22.

The Technology for Selective Coordination of Multilevel Protection in Intelligent Power Distribution System

Zhang Liping1Cai Chuanqing2Miao Xiren1
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350116;2.China Mobile communication group Fujian Co.,Ltd,Fuzhou 350000)

Smart grid is the future development direction of the electric industry.The reliability and continuity of the power supply is particularly concerned by people.Multilevel protection in intelligent power distribution is critical.The conventional method for short circuit fault in low-voltage system is over-current protection.But it has disadvantages such as inadequate of speed and reliability and inadequate of the ability to coordinate at each level etc.In order to research the mechanism of the full range of selective coordination of multi-level protection and improve the existing lack of selective protection,based on the review of applied research of selective protection methods of short-circuit fault in recent years,the paper proposed the experimental system and control and test device technology solution of multi-level selective short-circuit fault protection,and provide an experimental basis for research of low-voltage multi-level selective coordination protection.

intelligent power distribution system;online monitor;selective coordination of multi-level protection;early detection of short circuit current;fast breaking

張麗萍（1977-），女，講師，研究方向為電氣設備在線監測與故障診斷技術以及電力電子高頻磁技術。

國家自然科學基金資助項目（51377023）

福建省教育廳資助項目（JA12050）