智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護故障隔離算法

郭增民，楊 超，蓋午陽，王友國，張 瑾

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.山東大學電氣工程學院，濟南 250061）

智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護故障隔離算法

郭增民1，楊 超1，蓋午陽2，王友國1，張 瑾1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.山東大學電氣工程學院，濟南 250061）

針對智能配電網(wǎng)對故障檢測和隔離提出的新的要求，提出了配電網(wǎng)區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)。分布式電源接入配電網(wǎng)中，網(wǎng)絡中潮流分布及故障時短路電流大小及方向發(fā)生了改變，極大地影響了傳統(tǒng)電流保護的動作特性。鑒于傳統(tǒng)過電流保護靈敏度過高，對整定原則進行修正，使其反映下一級線路末端的相間短路故障。然后智能配電終端利用過電流信息和方向信息來判斷故障是發(fā)生在上游還是下游線路。最后提出配電網(wǎng)故障隔離算法，智能配電終端和關聯(lián)域內(nèi)的智能配電終端交換信息依據(jù)算法原則完成故障隔離的檢測和隔離功能。算例分析驗證了算法的有效性和靈敏性。

過電流整定新原則；關聯(lián)域；故障隔離

0 引言

分布式電源接入配電網(wǎng)，一方面能滿足用戶對能源的需求，另一方面可以減少對化石燃料的使用［1］。但是，分布式電源接入配電網(wǎng)的同時給繼電保護裝置帶來了諸多挑戰(zhàn)，致使傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的過電流保護無法滿足系統(tǒng)對其要求［2-3］。分布式電源的接入致使網(wǎng)絡中的潮流分布及故障電流的大小、流向發(fā)生了改變，僅僅通過電流的大小無法正確判斷故障發(fā)生的位置更無法快速隔離故障。

高壓輸電線路中的縱聯(lián)保護只需要比較線路兩側的信息就能快速、可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，不需要階段性的時間配合，原理簡單并且選擇性較好［4］。

提出一種區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)方案，將輸電線路中廣泛使用的縱聯(lián)保護原理應用到配電網(wǎng)中。由于智能配電網(wǎng)中分支眾多并且含有分布式電源，網(wǎng)絡結構比輸電線路復雜很多，文獻［5］首先為每個智能配電終端確定了劃分保護范圍原則，并給出了智能配電終端保護關聯(lián)域的在線確定方法。在智能配電終端確定了保護關聯(lián)域的基礎之上，提出了一種智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護的故障隔離算法。由于傳統(tǒng)的過電流保護的保護范圍過大，靈敏度過高，為了減少不必要的計算，對過電流保護的整定原則進行了修正，修正后的過電流保護按照下級線路末端發(fā)生相間短路故障進行整定。當故障發(fā)生后，智能配電終端和保護關聯(lián)域內(nèi)的智能配電終端交換過電流信息和故障方向信息合成的故障綜合信息來判斷故障發(fā)生在上游線路還是下游線路，并決定是否跳閘。該隔離算法動作速度快，可靠性高，能夠滿足智能配電網(wǎng)對保護系統(tǒng)的要求。

1 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)

1.1 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)結構

分布式區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)主要由管理主機、通信網(wǎng)絡和安裝在各處的智能配電終端（SDTU）3個部分組成，如圖1所示。

圖1 區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)結構圖

管理主機根據(jù)當前的網(wǎng)絡拓撲結構為SDTU分配保護關聯(lián)域并下發(fā)至各個智能配電終端；通信系統(tǒng)包括主從式通信和對等通信兩種方式，主從式通信用于管理主機和SDTU，實現(xiàn)保護關聯(lián)域計算及下發(fā)的功能；對等通信用于各SDTU之間，用于交換故障綜合信息判斷是否跳閘；智能配電終端主要負責采集保護安裝處的過電流信息和故障方向信息，能夠完成故障檢測和隔離的功能。

1.2 智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護關聯(lián)域

由于在配電網(wǎng)中分支眾多，判斷線路是否發(fā)生故障可能需要多個智能配電終端的信息。為了準確判斷故障，管理主機需要首先為每個SDTU劃分保護關聯(lián)域。圖2為保護關聯(lián)域的劃分示例［5］。

智能配電終端具有正向保護關聯(lián)域和反向保護關聯(lián)域。此處的正向為電流正向，指電源流向負荷或分布式電源的方向。正向保護關聯(lián)域的含義是當此SDTU的正向線路發(fā)生故障后，除自身外所有需要跳閘的SDTU。反向關聯(lián)域定義亦然。例如，在圖2中SDTU8的正向保護關聯(lián)域為SDTU9、SDTU10；反向保護關聯(lián)域為SDTU6。考慮到智能配電終端可能會發(fā)生故障，導致無法交換故障信息，所以定義了后備保護關聯(lián)域，即關聯(lián)域內(nèi)的SDTU的下級保護關聯(lián)域。例如，SDTU8的正向后備保護關聯(lián)域為 SDTU11、SDTU12，反向后備保護關聯(lián)域為SDTU5、SDTU7。

圖2 典型分布式配電網(wǎng)拓撲結構

2 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護故障隔離算法

2.1 過電流保護整定算法的修正

傳統(tǒng)過電流保護的靈敏度高，所保護的范圍較大會給SDTU帶來不必要的計算。過多的計算量和不必要的SDTU之間的通信會降低保護的速度。為了提高保護隔離故障的效率，提出改進的過電流整定算法。

圖3 過電流保護整定新算法

以圖3中的SDTU1為例，過電流整定新算法計算為

式中：Ilset為SDTU1的過流保護整定值；Eφ為系統(tǒng)等值電勢；ZS為系統(tǒng)和變壓器阻抗；Z1為線路AB的阻抗；Z2為線路BC的阻抗；Ksen靈敏度系數(shù)，一般不低于1.3。在包含分布式電源的系統(tǒng)中，考慮到故障點上游分布式電源對故障電流的助增作用，Ksen需做適當修正

式中：K′sen為考慮分布式電源后的修正靈敏度系數(shù)；k為保護范圍末端故障時，不考慮分布式電源情況下系統(tǒng)電源提供的短路電流與考慮分布式電源情況下系統(tǒng)電壓提供的短路電流之比，故k＞1。

當SDTU沒有下級線路時，過電流按照傳統(tǒng)的整定方法進行整定即可。由式（1）可知，修正后的過電流整定方法的保護范圍縮小但能反映出鄰近線路的故障，靈敏度能夠滿足保護的要求。

2.2 故障綜合信息

故障發(fā)生后，SDTU搜集本地的過電流信息及故障方向信息，根據(jù)相應規(guī)則計算出故障的綜合信息來進行故障判斷。

方向繼電器的輸出為

過電流繼電器的輸出為

故障方向元件的靈敏度比過電流保護高，可靠性低。智能配電終端獲得故障方向信息和過電流信息后根據(jù)表1中的原則計算故障綜合信息。

表1 故障綜合信息

故障綜合信息判斷結果取決于故障方向元件和過流元件判斷結果，“1”表示發(fā)生了正向過流故障，“-1”表示發(fā)生了反向過流故障，“0”表示無故障。

當過流元件判斷結果為“1”而方向元件判斷結果為“0”時，考慮到過流元件可靠性較高而方向元件靈敏度較高的特點，可以認為此時方向元件的結果不可信，此時采信過流元件的判斷結果，認為此時發(fā)生的是正向故障，故障綜合信息置“1”。

當過流元件的判斷結果為“0”而故障方向元件的判斷結果為“-1”時，可認為此時故障電流幅值較小，無法啟動過流元件動作但足以啟動方向元件動作，故采信故障方向元件的輸出結果，此時認為發(fā)生的是反方向故障，故障綜合信息置“-1”。

當出現(xiàn)故障方向元件判為正向故障而過流元件不動作的情況，考慮到本文對正方向的定義是由系統(tǒng)電壓指向負荷或DG的方向，因此如果發(fā)生的是正向故障，那么根據(jù)式（1）給出的過流整定原則，故障點上游的過流元件一定會動作，如果出現(xiàn)故障方向元件動作而過流元件不動作的情況，要么是故障點位置較遠，不在保護范圍以內(nèi)，要么故障方向元件的輸出結果有誤，無論上述哪種情況，從保證保護系統(tǒng)的可靠性角度看，故障綜合信息應置“0”。

2.3 故障隔離算法

當智能配電終端的故障綜合信息為1時，代表故障發(fā)生在此SDTU的正向線路上，此時SDTU必須與其正向保護關聯(lián)域內(nèi)的SDTU進行交換信息來判斷是否跳閘隔離故障。

隔離算法為

式中：bi=1代表SDTU i需要跳閘以隔離故障，同時給正向保護關聯(lián)域內(nèi)的SDTU發(fā)送跳閘信號；bi=0代表SDTU i不發(fā)送信號也不跳閘；si和sk分別為關聯(lián)域內(nèi)的不同智能終端處的故障綜合信息值，其中運算為自定義的運算方式，二者進行擴展邏輯運算，規(guī)則為

si=1時，

以圖4中的線路L4發(fā)生AC相間短路故障為例來介紹所提出的故障隔離算法。

圖4 含分布式電源的簡單配電網(wǎng)絡

在PSCAD中搭建上述模型，得到相關SDTU的故障信息如表2所示。

表2 故障綜合信息

通過表2可看出SDTU2和SDTU4的故障綜合信息為1，所以各自需要和其正向保護關聯(lián)域內(nèi)的SDTU進行交換信息，已知SDTU2的正向保護關聯(lián)域為SDTU4；而SDTU4的正向保護關聯(lián)域為SDTU5、SDTU6、SDTU7。

從式（7）和式（8）可看出SDTU2不動作，而SDTU4要跳閘動作并且向SDTU5、SDTU6、SDTU7發(fā)送跳閘信號。利用此種隔離算法計算結果符合實際情況。

3 算例分析

采用IEEE34節(jié)點系統(tǒng)對提出的故障隔離算法進行驗證，該系統(tǒng)接線圖如圖5所示。節(jié)點830～854之間的線路上設置了AC相間短路故障。

圖5 IEEE34節(jié)點系統(tǒng)

利用提出的修正過電流整定算法，計算出各節(jié)點處的過電流整定值如表3所示。

表3 過電流整定值

仿真時間設置為3 s，故障發(fā)生在1 s時刻且持續(xù)時間為2 s。故障方向元件和過電流元件的輸出結果如表4所示。

表4 故障綜合信息

從表4可得出故障綜合信息值為1的SDTU序號。已知這些SDTU的正向保護關聯(lián)域見表5。

表5 正向保護關聯(lián)域

利用隔離算法公式（5）計算出跳閘信息如表6所示。

表6 跳閘信息值

通過表6的計算結果，可知SDTU830需要跳閘的同時向SDTU854發(fā)送跳閘信號。故SDTU830、SDTU854跳閘隔離故障，符合實際情況。

4 結語

提出分布式區(qū)域縱聯(lián)保護系統(tǒng)。在各智能配電終端的正向保護關聯(lián)域確定的情況下，提出了智能配電網(wǎng)故障隔離算法。為了減小計算量，加快故障切除速度，還對過電流保護的整定計算進行了修正。故障發(fā)生后，SDTU獲得保護安裝處的故障方向信息和過電流信息并計算出此處的故障綜合信息值。之后根據(jù)綜合信息值的數(shù)值來進行選擇哪些SDTU需要與正向關聯(lián)域內(nèi)的SDTU交換信息并隔離故障。通過仿真分析，驗證了所提方法的正確性。

［1］RITTER S，RUTTINGER H，RITTER S，et al.New approaches for smart grid requirements：Grid protection and optimization of distribution grid operation［J］.IEEE Power and Energy Society General Meeting，2011.

［2］劉健，張小慶，同向前，等.含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（2）：36-42，48.

［3］趙上林，吳在軍，胡敏強，等.關于分布式發(fā)電保護與微網(wǎng)保護的思考［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（1）：73-77.

［4］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［5］叢偉，房凡秀，史方芳，等.智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護關聯(lián)域的在線確定方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（12）：67-73.

Novel Fault Isolation Algorithm for Distributed Regional Longitudinal Protection in Smart Distribution Grid

GUO Zengmin1，YANG Chao1，GAI Wuyang2，WANG Youguo1，ZHANG Jin1
（1.State Grid Binzhou Power Supply Company，Binzhou 256610，China；2.School of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Considering the unique fault detection requirements of smart distribution grid， a distributed regional protection system is proposed.The distributed generations（DG），which are widely installed in smart distribution grid，are considered to impact the power system protection performance， especially the operation of overcurrent relays which are widely used in traditionally distribution grid.The principle of overcurrent protection is revised which can reflect the phase to phase fault of the next line.Then the smart distributed terminal unit（SDTU）can judge the fault to be at upstream or downstream by using the overcurrent information and direction information.Finally a fault isolation algorithm for distribution network is proposed，by which SDTU can exchange information with forward associated area to complete the fault isolation function.The algorithm has high selectivity and reliability through simulation verification.

new principle of overcurrent setting；associated areas；fault isolation

TM774

A

1007－9904（2017）01－0009－04

2016-07-08

郭增民（1975），男，工程師，從事配電自動化和配電運檢工作；

楊 超（1979），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護工作；

蓋午陽（1990），男，從事電力系統(tǒng)繼電保護研究；

王友國（1969），男，高級技師，從事配電線路電纜運檢工作；

張 瑾（1977），女，從事供電工程工作。

國家電網(wǎng)公司科技項目（520615140003）