考虑分布式电源与随机负荷的主动配电网继电保护新方法

高玉雅，王佳玉，孙宇笛，康文博

(1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安 710077；2. 华北电力大学电力工程系，河北 保定 071000；3. 国家能源集团国能信控互联技术有限公司，北京 100000；4. 国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

随着城市电力负荷需求的飞速增长、结构类型的多元化发展以及用户对电能质量和市场服务要求的提高，配电网由被动控制到主动控制是未来电力系统发展的必然趋势。主动配电网为实现清洁电源的分布式并网与随机负荷的接入提供了有效的解决方案[1-3]。考虑到主动配电网的电源侧与负荷侧分别承载着分布式电源的出力与电动汽车等随机负荷的接入，这些设备的接入和控制方式的复杂性使得配电网的电源结构、网架结构以及负荷结构发生本质的变化，传统继电保护构成模式、功能配置与整定配合方案已面临着严峻挑战[4-6]。由于继电保护是配电网的基础支撑技术，对供电可靠性有着根本性的影响，因此主动配电网中继电保护存在的问题成为必然面对、不可回避并需要认真解决的问题。

为此，许多专家和学者针对主动配电网对继电保护提出的新要求开展研究。相关研究可以分为两个方向。一是在现有保护的基础上加以改进，文献[7]在传统电流保护的基础上，提出了一种基于故障分量电流相位的方法，通过母线上若干条线路的故障分量电流相位来识别故障方向；文献[8]在传统距离保护的基础上，通过分析配电网的构成情况与故障特性，通过修改保护定值来优化保护性能；文献[9]在传统纵联保护的基础上，将保护判断所需电气量扩展至保护线路外侧的等效测量阻抗，提出了适用于主动配电网的纵联保护。二是提出新的保护原理，文献[10]设计了包含DG的配电变电站及其馈线的区域保护方案，通过不同位置方向的元件动作情况判断故障位置；文献[11]设计了基于多代理技术的配电网继电保护方案，利用SCADA系统的通信功能和Agent之间的协作能力，可以提升保护的可靠性；文献[12-13]提出了一种配电网自适应保护方法，利用支路贡献因子矩阵消除DG对各支路故障电流的影响。然而，目前对于主动配电网保护的相关研究尚有一些不足：一是现有故障分析模型多考虑单一因素，对于分布式电源与多类型随机负荷接入后的配网故障特性有待深入研究；二是现有保护方案多针对固定场景，对复杂事件的处理能力以及对运行环境变化的适应能力有待提升。

针对这些问题，本文分析主动配电网环境下，分布式电源与随机负荷的动态特性及其对传统继电保护四性的影响，提出一种适用于主动配电网的继电保护新方法。

1 主动配电网环境对保护的影响

1.1 分布式电源的动态特性及影响

分布式电源主要包含风力发电与光伏发电，其出力特性易受环境因素的影响，具有很强的间歇性、波动性与不确定性。

分布式电源一般通过网侧变流器接入主动配电网，考虑采用PQ解耦控制的网侧变流器，其故障特性可以表示为

(1)

式中IDGd与IDGq——分布式电源输出的有功与无功电流；Pref与Qref——网侧变流器输出的有功参考值与无功参考值；Upcc——并网点电压；Imax——网侧变流器输出电流的上限。

因此，故障状态下分布式电源的输出电流可以表示为

(2)

式中θ——并网点电压相角。

以图1所示辐射型配电网为例，电源Es通过母线B1-B4向负荷L1-L5供电，当故障F1发生后，由保护3作为主保护动作，保护1与保护2作为保护3的后备保护。

图1 辐射型配电网

当配电网中含有分布式电源时(见图2)，母线B2，B3上分别接有DG1，DG2。分布式电源的状态与运行方式的变化将直接影响保护的整定与配合，保护需要考虑以下因素。

图2 含分布式电源的辐射型配电网

(1)分布式电源运行方式的变化对继电保护可靠性的影响。当故障F1发生后，故障电流包含两部分：一部分由Es提供，另一部分由DG1与DG2提供。考虑到式(1)中Imax可以取2.5～3.0倍DG输出的额定电流，而Pref与Qref可以取0～1倍的DG额定容量，而其他参数又会随着分布式电源运行方式的变化而变化，故障期间系统运行方式变化较大，易发生误动或拒动。

(2)系统潮流方向变化对继电保护选择性与速动性的影响。当故障F1发生时，要求保护3先于保护2动作，而对于故障F2，则要求保护2先于保护3动作。分布式电源电流的注入，导致系统的潮流方向时刻变化，距离最近的保护或I段保护未必能够有效识别故障，从而导致保护失去选择性或不能及时动作。

1.2 随机负荷的动态特性及影响

随机负荷主要以规模化电动汽车随机接入充电为主。受用户区域位置和使用习惯等不确定因素的影响，具有很强的时空随机性。

考虑到电动汽车多以充电模式接入配网，本文主要研究电动汽车充电状态对继电保护的影响主要。电动汽车的充电机本质上是一个三相电压型PWM变流器，通过AC/DC变换将电网的交流电转换为蓄电池中的直流电，其电流电压瞬时特性可以表示为

(3)

式中L，R——交流测的电感与电阻；id，iq——变流器d，q轴电流；ω——交流角速度；ed，eq——电网d，q轴电压；ud，uq——变流器d，q轴电压；C为直流侧电容；udc，idc——直流侧的电压与电流；sd与sq——开关函数。

电动汽车充电的长期特性可以通过统计建模方法描述，随机负荷充电功率模型可以表示为

(4)

当配电网中含有随机负荷时(见图3)，线路末端接有电动汽车BSS。电动汽车随机负荷的充电模式与用户习惯将直接影响保护的整定与配合，保护需要考虑以下因素。

图3 含随机负荷的辐射型配电网

(1)电动汽车充电的随机冲击对保护可靠性的影响。根据式(3)，大规模电动汽车BSS接入电网充电的瞬间，相当于短路状态，会产生一定的冲击电流，达到或超过继电保护的整定值。在这种场景下，保护3的Ⅰ段部分由于没有延时，难以区分冲击电流与短路电流，极有可能发生误动。

(2)电动汽车接入的长期影响对保护灵敏性的影响。用户充电行为的影响，式(4)中的i值与居民用电高峰期重叠，将导致区域用电负荷峰值的增大。由于保护3的Ⅲ段部分按照起动电流躲过线路最大负荷电流整定，K值变大将导致保护的灵敏性降低，同时与保护选择性的矛盾加剧，甚至出现无法配合的情况。

2 主动配电网自适应保护方法

2.1 基于灵敏度的电流保护自适应整定

鉴于主动配电网的这些特性，有必要根据系统运行方式和故障类型的变化实时改变继电保护装置的动作特性，使保护装置适应这些变化。考虑含分布式电源与随机负荷的主动配电网，如图4所示。

图4 含分布式电源与随机负荷的主动配电网

由于分布式电源DG1，DG2的运行方式时刻发生变化，以及电动汽车随机负荷BSS的接入，自适应电流速断保护(以下简称“自适应保护Ⅰ段”)需要根据系统当前运行方式和故障的实际情况，实时、自动整定计算。以保护1为例，保护范围需覆盖B1-B2线路全长，不必反映其他线路故障，其整定方法可以表示为

(5)

系统电源侧的综合阻抗可以按照对称故障分量法求出。系统等效电动势可以通过下式实时计算得出：

ES=Um+ImZS

(6)

式中Um，Im——故障发生后，保护安装处测得的的电压和电流。

为优先保证灵敏性，自适应限时电流速断保护(以下简称“自适应保护Ⅱ段”)仅需要覆盖本线路全长。以保护1为例，自适应保护Ⅱ段整定值计算如下：

(7)

(8)

由于Kd≤1且ZS≥ZSmin，自适应保护Ⅱ段的整定值不大于传统电流保护Ⅱ段整定值，从而使保护的灵敏性得到提高。

由于电动汽车接入的长期影响导致负荷峰值发生变化，自适应过电流保护(以下简称“自适应保护Ⅲ段”)需要根据负荷和系统运行方式变化的要求，实时调整定值。以保护1为例，按照当前实时负荷电流整定：

(9)

(10)

该方法无需按照电动汽车随机负荷接入后线路的最大负荷电流进行整定，避免了电动汽车接入的长期影响，能够提高保护的灵敏性。

2.2 区域后备电流保护方案的构建

电流保护自适应整定方法优先保证了保护的灵敏性，同时能够满足速动性与可靠性。但该方法牺牲了选择性，尤其是在分布式电源接入导致系统潮流方向不确定的场景下。

为此，本文提出一种区域后备电流保护方案作为补充。该方案以单条馈线为基本单元，通过主动配电网的通信系统集中采集各保护的启动逻辑量信息，判断故障实际发生位置，再由区域保护主站向各保护发送跳闸命令。

定义上标Ⅰ，Ⅱ与Ⅲ分别为自适应保护的Ⅰ段、Ⅱ段与Ⅲ段启动信息，下标A，B，C分别表示上级线路、本级线路与下级线路，动作信号1与0分别表示动作与不动作，其故障判据与保护动作判据分别如下所示。

故障判据1：

(11)

故障判据2：

(12)

故障判据3：

(13)

式中I——保护判据输入；∀——全称量词；∃——任意量词。

故障判据1与2用于判断故障是否发生在本级线路，故障判据3用于判断故障是否发生在下级线路。

保护动作判据：

(14)

式中J——区域保护的输出信号；J=1与J=0——区域保护主站向执行判据计算处的保护发出或不发出动作信号；J=Δ——区域保护主站向执行判据计算处的保护发出延时信号。

当发出延时信号时，说明此处自适应保护Ⅱ段可能存在与下级线路无法配合的情况，有越级跳闸的风险，此时需要根据延长自适应保护Ⅱ段的启动时间。E1+E2+E3的计算结果越小，说明故障发生的距离越远，需要的延时也越长。

以图4所示配电网为例，故障F1发生在线路B2-B3的末端。此时保护1与保护2的自适应保护Ⅱ段、Ⅲ段均启动。对于保护1，计算得E1+E2+E3=-2，区域保护主站向保护1发出延时信号。对于保护2，计算得E1+E2+E3=1，区域保护主站向保护2发出动作信号。由于保护1的动作时间被延长，因此保护2先于保护1动作，解决了保护可能失去选择性的问题。

3 仿真验证

3.1 仿真算例

本文采用基于IEEE 33节点的改进配电系统，验证所提方法的正确性与有效性，系统图及各保护编号如图5所示。

该系统为多电源辐射系统，共包含33个节点，32条支路，5个联络开关支路，分别为7-20，8-14，11-21，17-32与21-28，5个可控DG的安装位置分别为7，11，15，20，29，电动汽车的充电负荷随机接入系统各个节点。0号变电站为区域主站，负责接收各保护上传的逻辑量信息，进行综合决策并发送动作信号。4个保护基本单元按照馈线划分，分别为{0-1-2-5-17}、{0-1-21}、{0-1-2-24}与{0-1-2-5-32}。

图5 改进IEEE 33节点配电系统

3.2 保护方案验证

在线路L3的80%处设置三相金属性故障F1。故障发生后，区域内各元件的保护启动信息上传至区域保护主站，局部区域的自适应保护整定值及保护启动信息如表1所示。

表1 各保护整定值及动作情况

由表1可知，保护1的自适应保护Ⅲ段启动，保护2的自适应保护Ⅱ段、Ⅲ段均启动，保护3的自适应保护Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段均启动，保护22不启动，经计算故障判据与保护动作判据如表2所示。

表2 各保护故障判据与保护动作判据

根据表2，区域保护主站向保护1与保护22不发出动作信号，向保护3发出动作信号，向保护2发送延时信号，由保护3动作切除故障。

对于仅在线路首端配置传统电流保护的系统，由于电流保护的I段难以覆盖线路末端，线路末端发生的故障是较为不利的情况之一。通过保护定值的自适应整定，能够有效避免这种情况，保证保护的速动性。在极端情况下，如区域后备保护的通信条件难以满足，可自然退化为三段式保护，不影响保护动作结果。

考虑不同的故障位置与故障场景，在线路L6的20%处设置两相相间金属性故障F2。局部区域的自适应保护整定值及保护启动信息如表3所示。

表3 各保护整定值及动作情况

由表3可知，保护5与保护6的自适应保护Ⅱ段、Ⅲ段均启动，仅依靠本地信息的保护可能会存在难以配合的问题，此时需要区域保护主站提供帮助。经计算，故障判据与保护动作判据如表4所示。

根据表4，区域保护主站向保护7与保护25不发出动作信号，向保护6发出动作信号，向保护5发出延时信号，确保由保护6先于保护5动作并切除故障，保证了保护的选择性。

表4 各保护故障判据与保护动作判据

对于线路首段发生的故障，常规情况下应由保护6的自适应保护Ⅰ段动作切除故障。即便自适应保护能够刷新保护定值，由于节点7处分布式电源运行状态的变化及电动汽车随机接入的影响，保护6的自适应保护Ⅰ段仍会存在未启动的情况。在这种情况下，区域后备保护方案能够提供有效补充，在速动性因客观条件难以满足的情况下，保证保护的选择性与可靠性。

综上所述，本文所提出的保护方案在不同的故障位置和故障场景下能够正确判断故障位置，有效解决了保护选择性和灵敏性之间的矛盾，同时能够兼顾速动性与可靠性。

4 结语

本文分析了主动配电网环境下，分布式电源与随机负荷的动态特性及其对传统继电保护四性的影响，在此基础上，提出了一种适用于主动配电网的继电保护新方法。

(1)采用区域集中与就地分布相协调的保护模式，不受间歇性分布式电源以及随机负荷的影响，能够同时满足保护的灵敏性与选择性。

(2)自适应保护定值以优先保证灵敏度的方式计算，简单并易于整定；区域后备保护采用逻辑量通信，信息同步要求低。

(3)区域后备保护在改进三段式保护的基础上发展而成，对运行方式及网络结构复杂多变的主动配电网具有良好的适应性。