中壓配電網分布式智能后備保護方案

高崇，陳沛東，曹華珍，何璇，李建明，林凌雪

（1. 廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣州510308；2. 華南理工大學電力學院，廣州 510640）

0 引言

隨著分布式光伏發電在用電側快速發展，配電網正從單端供電形態向有源配電網轉變。新型配電系統需要安裝數量龐大的智能終端以應對分布式電源的監控和配電系統的保護、自愈、電壓調控等運行控制需求［1］。分布式協同控制具有可靠性高、可擴展性強、通信計算負載均勻等特點，是含高滲透率分布式電源接入的有源配電網控制保護的重要發展方向［2］。作為一類網絡控制方法，分布式控制模式通過參與個體之間的直接通信聯系進行控制決策。各參與個體利用各自的鄰居節點及其自身的狀態信息，按照內部規則更新對狀態的判斷，決定控制策略［3］，在應對快速變化的擾動時不依賴調控中心的集中式決策。

近年來，供電企業已經開始探索在城市中壓配電網主干回路和重要節點配置斷路器和繼電保護功能，實現故障的快速有效隔離，縮小故障停電范圍［4-8］。由于中壓配電網分支分段多，開環點變化頻繁，拓撲結構多變，加之分布式電源短路期間暫態電流特性與常規電源差異顯著［9-10］，因此適用于高壓電網的需要根據運行方式整定的距離保護和過流保護難以推廣［11-14］。目前，智能分布式網絡化保護在配電網通信條件較好的城市配電網中開始應用［15］。隨著5G 技術的進步，5G 通信將進一步拓展分布式配電網保護和控制的應用范圍［16-17］。

目前對中壓配電網的主保護策略研究成果較為豐富［15-19］，對后備保護的研究則很少。中壓配電網普遍通信條件差，運行環境惡劣，二次設備運維能力弱。這些因素極大地削弱了主保護動作的可靠性［17］，迫切需要研究分布式的智能后備保護邏輯，在應該動作的主保護所在終端失效或開關拒動時，通過相鄰環網點智能終端的后備保護邏輯隔離故障區段，實現保護范圍的擴展和保護功能的相互備用。

在主網層面，利用廣域通信技術實現后備保護功能的研究已取得較大進展。文獻［20］提出了一種集中式廣域保護系統結構，當發生故障時，區域內各個子站確定距離故障元件最近的輸電線路，并將相關信息發送給主站，主站進一步確定候選可疑故障線路，獲取該線路的保護方向元件動作情況，識別出實際故障線路。文獻［21］提出了一種基于故障電壓分布的廣域后備保護算法。該算法利用相量測量單元（phasor measurement unit， PMU）測得的線路一側電壓量推算另一側電壓故障分量，結合多種信息識別故障元件。文獻［22］綜合線路縱聯電流差動保護和阻抗保護特性，提出了一種廣域方向保護算法，將母線電壓與線路兩端同步差電流構建復合阻抗及其判據，提高故障區域定位準確性。該方法對采樣同步性要求較高。文獻［23-24］均提出了基于綜合阻抗的縱聯線路保護原理，利用故障時兩端電壓相量和與電流相量和的比值來判斷線路上是否發生故障。目前，針對配電網的分布式決策型后備保護策略研究尚未見報導。

本文針對環網結構下開環運行的中壓電纜網，基于分布式保護思路，提出了一種配電網智能后備保護實現邏輯。其特點包括以下幾個方面。

1） 無需復雜的時延整定，采用動態閾值的方式來啟動分布式保護。充分利用相鄰環網點的智能保護終端之間的信息交互，輔助實現故障區段的定位和動作協同，且通信量要求低；

2） 設計了多樣化的故障判據，在通信故障、智能終端（smart terminal unit，STU）故障、開關拒動等多種異常狀況下均能有效實現后備保護功能，適應中壓配電網環境條件，具有一定的容錯性；

3） 采用分布式決策思路，相較于集中式更加靈活可靠。

本文詳細介紹了所提出的分布式后備保護的啟動機制、故障信息校正規則以及故障區段識別和開關動作決策的過程，通過有源配電網故障仿真算例驗證了該方法的有效性。

1 分布式智能后備保護的工作原理

以圖1 所示中壓電纜單環網為例，智能終端（smart agent， SA）以環網點為單位部署，負責一個配電環網點的母線電壓、支路電流和開關狀態的運行和控制監控，如圖1中SA均為智能終端。

圖1 中壓電纜網中的智能終端配置Fig.1 STU deployment in the cable-based medium voltage distribution network

SA 是新型配電系統中對中壓配電網和分布式電源實現分布式控制和管理關鍵一環。它基于物聯網和平臺型智能終端的設計理念，可通過服務裝載和調用的方式集成配電網運行所需的保護、監測、控制、通信管理、分布式電源管理等功能。所有控制、保護服務共享SA 采集的環網點運行監測數據。SA 可以與其近鄰點對點通信，經過信息交互不斷刷新電網局部拓撲信息，尤其是環網點之間的上下游關系。本文研究的就是其中一項功能—分布式后備保護功能的設計和實現方案。

當某條饋線發生故障時，該饋線上的分布式智能后備保護的工作流程如下。

1） 所有SA 的后備保護模塊感知到故障的發生，進入啟動狀態并記錄引起模塊啟動的故障判據標識；

2） 各SA 與近鄰SA 交換故障判據標識，并依據近鄰的判斷校準自身的故障判斷；

3） 到等待延時結束時，如果SA 檢測到故障信號始終存在，則做出相應開關動作決策。否則退出啟動狀態，復歸新一輪巡檢。

以下分別介紹各關鍵環節的判據和實現策略。

2 分布式智能后備保護的關鍵環節

2.1 故障啟動判據

含有光伏發電等變流器并網型電源的有源配電網中，電網短路故障下各環網點感知的支路運行狀態變化與傳統無源電網有顯著區別。對于配電網故障下光伏等分布式電源提供短路電流的變化情況已有比較全面的研究成果，可歸納如式（1）—（2）所示［25］。

式中：IPV為光伏分布式電源提供的短路電流；IN為額定電流；U為環網點母線電壓；IDFIG為雙饋風機分布式電源提供的短路電流。

如圖2 所示，以電纜網為例說明本文采用的名詞和標記。對于開環運行方式的饋線，從高壓變電站到饋線上任一點之間有且只有一條聯通路徑，稱為主通道。例如圖2中從變電站至L5上短路點的主通道為L1→L2→L3→L4→L5。任一個環網點的所有進出線中，屬于到變壓站主通道的支路稱為進線支路，其他支路均為出線支路。進線支路的對端節點稱為上游節點，其他近鄰節點均為其下游節點。以圖2中SA5所在環網點為例，開關k1—k4所控制的4 條支路中k1 所在的L4 為進線支路，其它均為出線支路。SA5 有2 個近鄰：SA4 和SA6，其中SA4為上游近鄰，SA6為下游近鄰。

圖2 8節點配電網及其智能終端示意圖Fig.2 Schematic diagram of 8-node distribution network and its STU deployment

對于含有大量分布式電源（distribution generation，DG）的有源配電網，正常運行時各環網點的支路電流可能有以下兩種情況。

1） 若下游DG 功率超過負荷需求，則功率倒送，進線支路電流方向與正常相反。由于負荷的存在，電流值一般遠小于下游支路分布式電源的額定電流之和。無DG的支路流過負荷電流。

2） 若下游DG 功率小于負荷需求，則進線支路電流為正向。由于分布式電源的存在，電流值一般小于下游負荷電流之和。

當開環運行的配電網線路上發生短路故障時，各環網點檢測到的短路電流幅值情況如下。

1） 對于故障點到高壓變壓站之間的主通道經過的所有環網點，其進線支路和屬于主通道的一條出線支路將流過遠大于正常值的短路電流；其他出線支路中，下游接有分布式電源的支路將流過分布式電源提供的短路電流，方向為注入節點。無DG的支路電流接近零。

2） 對于故障點下游所有環網點，其進線支路電流為反向，數值接近或略高于下游分布式電源的額定電流之和。下游支路中接有分布式電源的支路將流過分布式電源提供的短路電流，純負荷支路電流接近零。

根據上述分析，本文提出后備保護的啟動策略為滿足以下3個條件中的任意1條。

2） 判據2。節點電壓V≤0.9 且進線支路|I1|≤且至少1 條出線支路滿足，I1、分別為進線支路正序電流、電流閾值系數、該支路的正序電流閾值。

3） 判據3。節點電壓V≤0.9 且進線支路|I1-且至少1 條出線支路滿足|I1-IGN|≤分別為分布式電源的電流限幅值、電流閾值系數。

上述判據中，判據1 適用于故障點到高壓變壓站間主通道上的環網點，通常取系數大于2。判據2 適用于不在故障點到變壓站主通道上的環網點，且環網點出線支路無分布式電源的情況，通常取系數小于0.3。判據3 適用于不在故障點到變壓站主通道上，且環網點出線支路含有分布式電源的情況，通常取系數小于0.1。

考慮到新能源發電和負荷功率的波動性，本文采用動態閾值設定方式，具體如式（3）所示。

式中：Ith(k)為當前計算的電流動態閾值；M為預設的記憶點數；I（k）為當前更新時步的正序/零序電流有效值；k為計算次數。考慮到光伏功率的波動一般在分鐘級才比較明顯，推薦動態閾值的更新步長為10~30 s，M取值5~10。采用動態閾值可以適配運行方式的變化滾動更新，且無需人工整定。

一旦SA 檢測到某條啟動判據滿足，則后備保護進入啟動狀態，并記錄故障判據的標識。本文分別采用“ST1”、“ST2”、“ST3”表示是上述“判據1”、“判據2”或“判據3”啟動了后備保護。

2.2 故障信息交互

分布式后備保護的關鍵環節之一在于依靠近鄰SA 之間交換各自的故障判別情況，提高每個SA 對故障判別以及故障位置判別的準確性。由于交互的信息是判斷結果，而不是實時量測量，因此本文后備保護方案對SA的時間同步性沒有要求。

本文設計SA向其近鄰發送以下4個關鍵信息。

1） 故障判別結果，簡記為A1：N、F 分別代表沒有故障以及存在故障；

2） 故障判據標識，簡記為A2：ST1、ST2、ST3、NULL 分別對應2.1 節的3 個判據以及無判據滿足；

3） SA 進線支路的本側開關狀態，簡記為A3：1和0分別表示開關閉合與斷開；

4） SA與對側SA相連支路的本側開關狀態，簡記為A4：1和0分別表示開關閉合與斷開。

本文定義以逗號分隔以上4 個字段來表示完整的交互信息。例如，圖2 所示故障下，SA5 發給SA6的交互信息表示為：F，ST1，1，1。

根據2.1 節的分析，上述信息給SA6 提供了以下清晰的說明：上游節點檢測到了故障，而且故障發生在支路L4的下游。

2.3 基于交互信息的故障狀態判斷校正

基于所有近鄰SA 的故障檢測信息，SA 可根據圖3 所示規則進行自身故障判別結果的校正。故障狀態校正環節能顯著提高后備保護故障檢測的準確性。

圖3 故障狀態校正規則Fig.3 Fault state correction rules

2.4 故障定位與后備保護智能動作決策

后備保護的目標是當任何原因導致故障所在支路未被主保護及時與電網隔離時，延時斷開故障區域，并盡可能縮小被隔離區域影響的用戶數量。

仍以圖2 所示故障為例，說明需要后備保護動作的場景、各SA 觀測量以及正確的后備保護動作行為。圖2 所示故障下，正常應由SA5 和SA6 的主保護動作，斷開SA5-k2 和SA6-k1 兩個斷路器，隔離故障區段L5。需要后備保護動作的場景如下。

1） 場景一：因主保護異常或者斷路器動作異常等原因，SA5-k2 或SA6-k1 其中之一未能斷開，或兩者均未能斷開。但SA5和SA6的采樣、通信等其他環節正常。

此時，影響范圍最小的后備保護動作策略分別為：（1）若SA5-k2 未斷開，則斷開SA5-k1、k3 和k4；（2）若SA6-k1未斷開，則斷開SA6-k2，k3，k4和k5。

針對場景一，提出后備保護對故障區段的判別規則如圖4所示。

圖4 后備保護動作決策規則1—3Fig.4 Backup protection action decision rules 1—3

2） 場景二：因SA 裝置失效、通信異常或采樣異常等原因，導致SA5-k2 或SA6-k1 其中之一未能斷開。

此時，影響范圍最小的后備保護動作策略分別為：（1）若SA5 異常，則SA4 動作斷開SA4-k2；（2）若SA6 異常，則SA7 和SA8 動作斷開SA7-k1 和SA8-k1。

針對場景二，后備保護對故障區段的判別規則如圖5所示。

圖5 后備保護動作決策規則4—7Fig.5 Backup protection action decision rules 4—7

此外，本文還考慮了SA 對外通信完全中斷情況下的后備保護動作邏輯。此時可以設置后備保護動作時延略長于常規的后備保護動作時延。如果在后備保護時延期間故障信號始終存在，則在時延到達時斷開與外界失去聯絡的SA的所有支路開關。若以上規則均未啟動，則SA后備保護無動作出口。

3 算例測試與結果分析

以圖2 所示的8 節點配電網為例檢驗所提后備保護的有效性。采用Simulink 編程實現故障模擬和后備保護的動作仿真。故障設置為：t=1.1 s時支路L5 中點發生A 相單相弧光接地故障，故障點接地阻抗為0.1 Ω。

分別設計了3 種需要后備保護動作的運行場景，以驗證后備保護功能的有效性。

1） 場景1：SA6 主保護正確判斷并斷開SA6-k1，SA5 主保護正確發出動作指令，但因SA5-k2斷路器拒動，未能分閘。

2） 場景2：SA6 主保護正確動作斷開了SA6-k1，但SA5上的主保護因采樣環節故障，未能檢測到故障。SA5對外的通信正常。

3） 場景3：SA5 主保護正確判斷并斷開SA5-k2開關，但SA6裝置異常，且對外通信故障，未能斷開SA6-k1。

3.1 后備保護動作仿真

3.1.1 場景1的后備保護工作過程

各智能終端SA 的故障狀態初判結果如表1 所示。該場景下，SA6 側開關正確動作，將故障點下游的3 個節點SA6、SA7 和SA8 的支路與故障段隔離，所以故障點下游故障判斷結果都是ST2。

表1 各SA故障初判結果Tab.1 Preliminary diagnosis results of SA faults

各SA信息交互如表2所示。

表2 各SA信息交互結果Tab.2 Results of information interaction among neighbor SAs

由于各SA 判別正確，沒有觸發校正規則。各SA 后備保護動作決策結果為：SA5 后備保護根據決策規則3，動作斷開SA5-k1、SA5-k2、SA5-k3和SA5-k4開關，正確隔離故障，SA1—SA4恢復正常供電。

3.1.2 場景2的后備保護工作過程

場景2 下除SA5 之外，其他智能終端的故障狀態檢測結果與表1 相同。但SA5 由于采樣環節故障，其故障初判結果為：N，NULL。相應的SA5發送給近鄰的交互信息如表3所示。

表3 SA5發送給近鄰的交互信息Tab.3 Information interaction among neighbors of SA5

在接受到近鄰SA 的故障檢測結果后，SA5 故障狀態判斷校正環節的規則2 被激活，將SA5 的故障判別信息修正為：F，NULL，1，1。從而在后備保護動作決策環節中，SA5 做出了與場景1 相同的正確動作決策。

3.1.3 場景3的后備保護工作過程

場景3 中SA5 主保護正確動作斷開SA5-k2 開關，上游SA 均恢復正常供電，故障初判結果為：N，NULL。由于SA6 工作狀態異常，下游SA7-SA8則檢測到故障，如表4所示。

表4 各SA故障初判結果Tab.4 Preliminary diagnosis results of SA faults

SA6 因故障沒有發送信息到近鄰的SA5、SA7和SA8。到達后備保護延時后，SA7 和SA8 的后備保護均根據規則5 動作。其中，SA7 斷開上游開關SA7-k1，SA8 斷開上游開關SA8-k1，正確隔離故障；SA1—SA5供電未受影響。

3.2 動態閾值的仿真校核

S6—S8 的4 個光伏單元分配設置不同的日出力曲線。圖6以S6環網點為例給出了日內節點的光伏功率、負荷功率以及凈負荷情況。可以看出在中午12：00—13：00期間光伏功率超過了節點負荷，凈負荷為負值。

圖6 光伏電源出力情況Fig.6 Output of photovoltaic power supply

仍以場景一線路L5 故障、主保護未動作為例，分別設置12：05、13：05 和14：05 等3 個不同時間點發生故障。算例取動態閾值更新步長10 s，M=6。表5 給出了S6 所在環網點的5 個開關的正序電流動態閾值。可以看出，動態閾值跟隨負荷變化。

表5 各開關支路的動態閾值Tab.5 Dynamic threshold of each switch branch

表6 為故障前后的開關電流量測值，其中負號表示流出節點。可以看出，其中12：05 時刻光伏出力超過負荷功率，14：05 時刻光伏發電低于負荷需求。由于2.1 節的判據采用電流及其變化量的絕對值，不受潮流方向的影響，測試表明3 個時刻保護均能根據判據二正確啟動。

表6 故障前后各開關支路正序電流Tab.6 Positive sequence current before and after of each switch branch

4 結語

本文提出了一種基于動態閾值和交互式校正決策的分布式智能后備保護。該后備保護機制可通過智能保護終端與近鄰之間的信息交互，實現對故障區段的正確判別和后備保護動作的相互配合。依靠內置規則可以在通信故障、SA 故障、開關拒動等多種異常狀況下實現有效的后備保護，具備較好的容錯性。