郭增民，楊 超，蓋午陽，王友國(guó)，張 瑾

（1.國(guó)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(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)故障隔離算法

郭增民1，楊 超1，蓋午陽2，王友國(guó)1，張 瑾1

（1.國(guó)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(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

針對(duì)智能配電網(wǎng)對(duì)故障檢測(cè)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(hù)系統(tǒng)。分布式電源接入配電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)中潮流分布及故障時(shí)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(hù)的動(dòng)作特性。鑒于傳統(tǒng)過電流保護(hù)靈敏度過高，對(duì)整定原則進(jìn)行修正，使其反映下一級(jí)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(guān)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(cè)和隔離功能。算例分析驗(yàn)證了算法的有效性和靈敏性。

過電流整定新原則；關(guān)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(duì)能源的需求，另一方面可以減少對(duì)化石燃料的使用［1］。但是，分布式電源接入配電網(wǎng)的同時(shí)給繼電保護(hù)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(hù)無法滿足系統(tǒng)對(duì)其要求［2-3］。分布式電源的接入致使網(wǎng)絡(luò)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(hù)只需要比較線路兩側(cè)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(shí)間配合，原理簡(jiǎn)單并且選擇性較好［4］。

提出一種區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)方案，將輸電線路中廣泛使用的縱聯(lián)保護(hù)原理應(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)比輸電線路復(fù)雜很多，文獻(xiàn)［5］首先為每個(gè)智能配電終端確定了劃分保護(hù)范圍原則，并給出了智能配電終端保護(hù)關(guān)聯(lián)域的在線確定方法。在智能配電終端確定了保護(hù)關(guān)聯(lián)域的基礎(chǔ)之上，提出了一種智能配電網(wǎng)分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)的故障隔離算法。由于傳統(tǒng)的過電流保護(hù)的保護(hù)范圍過大，靈敏度過高，為了減少不必要的計(jì)算，對(duì)過電流保護(hù)的整定原則進(jìn)行了修正，修正后的過電流保護(hù)按照下級(jí)線路末端發(fā)生相間短路故障進(jìn)行整定。當(dāng)故障發(fā)生后，智能配電終端和保護(hù)關(guān)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(dòng)作速度快，可靠性高，能夠滿足智能配電網(wǎng)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的要求。

1 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)

1.1 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

管理主機(jī)根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為SDTU分配保護(hù)關(guān)聯(lián)域并下發(fā)至各個(gè)智能配電終端；通信系統(tǒng)包括主從式通信和對(duì)等通信兩種方式，主從式通信用于管理主機(jī)和SDTU，實(shí)現(xiàn)保護(hù)關(guān)聯(lián)域計(jì)算及下發(fā)的功能；對(duì)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(fù)責(zé)采集保護(hù)安裝處的過電流信息和故障方向信息，能夠完成故障檢測(cè)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(hù)關(guān)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(gè)智能配電終端的信息。為了準(zhǔn)確判斷故障，管理主機(jī)需要首先為每個(gè)SDTU劃分保護(hù)關(guān)聯(lián)域。圖2為保護(hù)關(guān)聯(lián)域的劃分示例［5］。

智能配電終端具有正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域和反向保護(hù)關(guān)聯(lián)域。此處的正向?yàn)殡娏髡颍鸽娫戳飨蜇?fù)荷或分布式電源的方向。正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域的含義是當(dāng)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(guān)聯(lián)域定義亦然。例如，在圖2中SDTU8的正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)镾DTU9、SDTU10；反向保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)镾DTU6?？紤]到智能配電終端可能會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致無法交換故障信息，所以定義了后備保護(hù)關(guān)聯(lián)域，即關(guān)聯(lián)域內(nèi)的SDTU的下級(jí)保護(hù)關(guān)聯(lián)域。例如，SDTU8的正向后備保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)?SDTU11、SDTU12，反向后備保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)镾DTU5、SDTU7。

圖2 典型分布式配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)故障隔離算法

2.1 過電流保護(hù)整定算法的修正

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

圖3 過電流保護(hù)整定新算法

以圖3中的SDTU1為例，過電流整定新算法計(jì)算為

式中：Ilset為SDTU1的過流保護(hù)整定值；Eφ為系統(tǒng)等值電勢(shì)；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(diǎn)上游分布式電源對(duì)故障電流的助增作用，Ksen需做適當(dāng)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(hù)范圍末端故障時(shí)，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(dāng)SDTU沒有下級(jí)線路時(shí)，過電流按照傳統(tǒng)的整定方法進(jìn)行整定即可。由式（1）可知，修正后的過電流整定方法的保護(hù)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(hù)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(yīng)規(guī)則計(jì)算出故障的綜合信息來進(jìn)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(hù)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(jì)算故障綜合信息。

表1 故障綜合信息

故障綜合信息判斷結(jié)果取決于故障方向元件和過流元件判斷結(jié)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(dāng)過流元件判斷結(jié)果為“1”而方向元件判斷結(jié)果為“0”時(shí)，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(diǎn)，可以認(rèn)為此時(shí)方向元件的結(jié)果不可信，此時(shí)采信過流元件的判斷結(jié)果，認(rèn)為此時(shí)發(fā)生的是正向故障，故障綜合信息置“1”。

當(dāng)過流元件的判斷結(jié)果為“0”而故障方向元件的判斷結(jié)果為“-1”時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)故障電流幅值較小，無法啟動(dòng)過流元件動(dòng)作但足以啟動(dòng)方向元件動(dòng)作，故采信故障方向元件的輸出結(jié)果，此時(shí)認(rèn)為發(fā)生的是反方向故障，故障綜合信息置“-1”。

當(dāng)出現(xiàn)故障方向元件判為正向故障而過流元件不動(dòng)作的情況，考慮到本文對(duì)正方向的定義是由系統(tǒng)電壓指向負(fù)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(diǎn)上游的過流元件一定會(huì)動(dòng)作，如果出現(xiàn)故障方向元件動(dòng)作而過流元件不動(dòng)作的情況，要么是故障點(diǎn)位置較遠(yuǎn)，不在保護(hù)范圍以內(nèi)，要么故障方向元件的輸出結(jié)果有誤，無論上述哪種情況，從保證保護(hù)系統(tǒng)的可靠性角度看，故障綜合信息應(yīng)置“0”。

2.3 故障隔離算法

當(dāng)智能配電終端的故障綜合信息為1時(shí)，代表故障發(fā)生在此SDTU的正向線路上，此時(shí)SDTU必須與其正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域內(nèi)的SDTU進(jìn)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(shí)給正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域內(nèi)的SDTU發(fā)送跳閘信號(hào)；bi=0代表SDTU i不發(fā)送信號(hào)也不跳閘；si和sk分別為關(guān)聯(lián)域內(nèi)的不同智能終端處的故障綜合信息值，其中運(yùn)算為自定義的運(yùn)算方式，二者進(jìn)行擴(kuò)展邏輯運(yùn)算，規(guī)則為

si=1時(shí)，

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(jiǎn)單配電網(wǎng)絡(luò)

在PSCAD中搭建上述模型，得到相關(guān)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(hù)關(guān)聯(lián)域內(nèi)的SDTU進(jìn)行交換信息，已知SDTU2的正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)镾DTU4；而SDTU4的正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域?yàn)镾DTU5、SDTU6、SDTU7。

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

3 算例分析

采用IEEE34節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)提出的故障隔離算法進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)接線圖如圖5所示。節(jié)點(diǎn)830～854之間的線路上設(shè)置了AC相間短路故障。

圖5 IEEE34節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

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

表3 過電流整定值

仿真時(shí)間設(shè)置為3 s，故障發(fā)生在1 s時(shí)刻且持續(xù)時(shí)間為2 s。故障方向元件和過電流元件的輸出結(jié)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(hào)。已知這些SDTU的正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域見表5。

表5 正向保護(hù)關(guān)聯(lián)域

利用隔離算法公式（5）計(jì)算出跳閘信息如表6所示。

表6 跳閘信息值

通過表6的計(jì)算結(jié)果，可知SDTU830需要跳閘的同時(shí)向SDTU854發(fā)送跳閘信號(hào)。故SDTU830、SDTU854跳閘隔離故障，符合實(shí)際情況。

4 結(jié)語

提出分布式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)。在各智能配電終端的正向保護(hù)關(guān)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(jì)算量，加快故障切除速度，還對(duì)過電流保護(hù)的整定計(jì)算進(jìn)行了修正。故障發(fā)生后，SDTU獲得保護(hù)安裝處的故障方向信息和過電流信息并計(jì)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(jìn)行選擇哪些SDTU需要與正向關(guān)聯(lián)域內(nèi)的SDTU交換信息并隔離故障。通過仿真分析，驗(yàn)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(dòng)化，2013，37（2）：36-42，48.

［3］趙上林，吳在軍，胡敏強(qiáng)，等.關(guān)于分布式發(fā)電保護(hù)與微網(wǎng)保護(hù)的思考［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（1）：73-77.

［4］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)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(hù)關(guān)聯(lián)域的在線確定方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)化和配電運(yùn)檢工作；

楊 超（1979），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

蓋午陽（1990），男，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究；

王友國(guó)（1969），男，高級(jí)技師，從事配電線路電纜運(yùn)檢工作；

張 瑾（1977），女，從事供電工程工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（520615140003）