寧 楠，孫睿擇，潘凱巖，孔海濱，張 戀，陳懷藺

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司貴安供電局，貴州 貴陽 550003；2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010)

新能源的接入帶來配電網(wǎng)運行特征的變化，助增及外汲效應(yīng)給傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護的選擇性與靈敏性帶來重大考驗[1-2]。另一方面，配電網(wǎng)主動管理策略也使得配電網(wǎng)時刻面臨著網(wǎng)絡(luò)拓撲的改變，配電網(wǎng)的運行方式變動頻繁，使得固定化的保護策略難以適應(yīng)配電網(wǎng)所有的運行工況[3-4]。

配電網(wǎng)智能化改造與通信技術(shù)的發(fā)展，使得配電網(wǎng)的保護朝“智能化”、“信息化”的方向發(fā)展[5-6]，使得配電網(wǎng)的保護能夠?qū)で蟾嗟倪\行信息來改進自身的決策。為提升配電網(wǎng)保護的適應(yīng)性以應(yīng)對運行方式的變化，國內(nèi)外的研究主要由兩方面深入開展。

1)研究差動保護方法在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。文獻[7-8]研究了網(wǎng)絡(luò)化電流差動保護在配電網(wǎng)中的應(yīng)用；文獻[9]則進一步提出了配電網(wǎng)中采用阻抗差動保護以降低差動保護的同步需求?？v聯(lián)保護對采樣數(shù)據(jù)的同步性能要求高，需要高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)支撐，降低了其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[10]。

2)實時分析、提取配電網(wǎng)的運行狀態(tài)實現(xiàn)對運行方式的跟蹤，以達到對保護定值與動作策略的動態(tài)整定[11]。文獻[12]提取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接關(guān)系、開關(guān)的變位信息，從而實現(xiàn)基于配電網(wǎng)運行方式的在線跟蹤的保護在線調(diào)整；文獻[13-14]計及了運行過程中的電壓信息，以電壓關(guān)聯(lián)因子的方式應(yīng)對運行方式的差異。在運行方式跟蹤的輔助下，實現(xiàn)了保護定值與配合方案的自動調(diào)整。拓撲分析是此類方法的重要實現(xiàn)手段，基于圖論演算[7]、最小生成樹法則[14]有效識別網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)點，進而實現(xiàn)自適應(yīng)的自愈策略。已有的研究已經(jīng)充分實現(xiàn)了配電網(wǎng)保護策略在運行方式在線跟蹤的情況下的自適應(yīng)尋優(yōu)。

在當前網(wǎng)絡(luò)拓撲與潮流狀態(tài)下，基于運行方式跟蹤的配電網(wǎng)保護給出了定值配置與出口策略的選擇方法。這也意味著，在各種不同的故障條件下，保護始終具有唯一的定值整定與出口策略[15]。因此，當前保護策略的自適應(yīng)僅僅針對配電網(wǎng)運行方式的自適應(yīng)，無法實現(xiàn)根據(jù)故障條件的變化改進保護的出口策略。事實上，在配電網(wǎng)保護單元給出故障的辨識結(jié)果(故障信息)的情況下，保護單元的出口策略可融合故障信息，來選擇更為合理的保護出口時序、動作開關(guān)以及重合閘方案，以進一步提升保護策略的適應(yīng)性。

為此，本文融合配電網(wǎng)運行方式與故障信息，提出配電網(wǎng)繼電保護策略兩級優(yōu)化方法。首先，跟蹤配電網(wǎng)的運行方式，實現(xiàn)保護故障辨識環(huán)節(jié)的動作定值整定；然后，在取得保護的故障辨識信息后，結(jié)合保護對故障分布的判斷結(jié)果實現(xiàn)對出口決策環(huán)節(jié)的優(yōu)化整定。針對出口決策環(huán)節(jié)的優(yōu)化整定，本文結(jié)合故障信息給出故障網(wǎng)絡(luò)拓撲、保護出口配合以及重合閘效益分析方法，進而實現(xiàn)在兩級優(yōu)化方法作用下的故障隔離策略、保護出口時序整定以及重合閘方案選擇。在所述兩級優(yōu)化方法作用下，配電網(wǎng)保護應(yīng)對不同運行方式使故障場景的靈活性與合理性得到有效提升。

1 運行方式與故障信息的融合與保護策略的兩級優(yōu)化方法

配電網(wǎng)復(fù)雜的運行工況以及高供電可靠性需求要求配電網(wǎng)保護充分提高其自適應(yīng)能力。配電網(wǎng)保護的自適應(yīng)，需要體現(xiàn)兩方面的需求：①根據(jù)配電網(wǎng)運行方式的變化而自動調(diào)整故障辨識策略，實現(xiàn)故障辨識環(huán)節(jié)的優(yōu)化；②根據(jù)配電網(wǎng)的故障條件選擇最為快速、有效、合理的保護配合、開關(guān)動作以及重合閘措施等出口決策方法，實現(xiàn)出口決策環(huán)節(jié)的優(yōu)化。從自適應(yīng)保護的實際需求出發(fā)，構(gòu)造保護策略兩級優(yōu)化方法，如圖1所示。

圖1 基于運行方式與故障信息融合的保護策略兩級優(yōu)化Figure 1 Two-level optimization of protection strategy based on the operation mode and fault information integration

1.1 基于運行方式跟蹤的保護動作定值整定

配電網(wǎng)保護為監(jiān)測配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，需要與運行方式相匹配。具體而言，運行方式的改變對保護的故障辨識環(huán)節(jié)帶來故障特征的變化，配電網(wǎng)保護需要跟蹤運行方式實現(xiàn)對其自身動作定值的調(diào)整?，F(xiàn)有研究就運行方式跟蹤的自適應(yīng)保護已給出許多解決方法，因此，本文的研究重點為融合故障信息的第2級優(yōu)化。

1.2 融合故障信息的保護出口策略優(yōu)化整定

運行方式跟蹤能夠滿足保護對故障前網(wǎng)絡(luò)拓撲與潮流的感知，根據(jù)第1級優(yōu)化結(jié)果，保護各單元將得到固定的、預(yù)想的出口策略。事實上，運行方式僅僅確定了故障前網(wǎng)絡(luò)的運行拓撲與潮流。實際故障點的不同將導致對于同一運行方式，故障網(wǎng)絡(luò)拓撲、故障潮流分布也存在差異，這一差異反映到具體的出口策略上也將有所不同。換言之，故障的不確定性是基于運行方式跟蹤的第1級保護預(yù)配置無法全面考慮的，因此給第2級優(yōu)化帶來了應(yīng)用空間。

第2級優(yōu)化保護故障辨識環(huán)節(jié)將開放保護的故障信息，利用通信網(wǎng)絡(luò)獲取不同保護單元的故障信息結(jié)果，推導故障分布情況，根據(jù)故障點的實際位置優(yōu)化出口決策環(huán)節(jié)的決策邏輯。

1)盡可能地縮小故障停電范圍。考慮到配電網(wǎng)斷路器不能夠得到完備配置，僅考慮第1級整定，只能通過斷路器隔離故障元件，難以做到故障隔離范圍的盡可能小。考慮故障信息的情況下可以確定故障點的分布，判斷故障電流的組成，結(jié)合第2級優(yōu)化整定以發(fā)揮負荷開關(guān)在故障隔離的作用。

2)盡可能快地保證故障的隔離。第1級整定認為保護、開關(guān)元件將按照出口時序進行動作，事實上，保護可能因為靈敏性因素或異常運行因素的存在而拒動。按照第1級整定的定值無法靈活實現(xiàn)時序的縮減?？紤]故障信息的情況下可以確定需要配合的保護范圍，壓縮整體的保護出口時序，實現(xiàn)第2級優(yōu)化。

3)盡可能實現(xiàn)復(fù)電選擇的合理化。傳統(tǒng)的保護認為，利用重合閘可以有效降低瞬時故障的影響，而城市電纜網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)降低了瞬時故障發(fā)生率，也降低了重合閘的效益。根據(jù)第2級優(yōu)化整定可以結(jié)合故障位置的不同，判斷重合閘是否具備更優(yōu)的經(jīng)濟效益，做出最合理的自愈選擇。

2 基于運行方式與故障信息融合的故障隔離策略

2.1 故障網(wǎng)絡(luò)拓撲提取與分析

故障網(wǎng)絡(luò)拓撲的確定需要兩方面的信息融合：①配電網(wǎng)故障前的拓撲連接關(guān)系，可以通過配電網(wǎng)開關(guān)的位置變位情況獲得；②配電網(wǎng)的故障信息，配電網(wǎng)保護故障辨識環(huán)節(jié)將給出實時的故障分析結(jié)果用于確定故障點分布，由此，可形成配電網(wǎng)的故障網(wǎng)絡(luò)拓撲。

從配電網(wǎng)的接線出發(fā)，獲取配電網(wǎng)的接線方式，定義：若2個開關(guān)關(guān)聯(lián)同一元件，則有開關(guān)距離L0=1；若2個開關(guān)未同時關(guān)聯(lián)同一元件，則有L0=∞。考慮配電網(wǎng)運行方式的變化，當開關(guān)由閉合狀態(tài)調(diào)整為分閘狀態(tài)時，則與此開關(guān)關(guān)聯(lián)的開關(guān)距離L0將修正為∞。

1)利用Dijkstra算法(最小路徑算法)，結(jié)合配電網(wǎng)的接線情況L0，可以獲得2個開關(guān)之間是否具有電氣連接關(guān)系：當某一開關(guān)i與某電源出口開關(guān)s之間的Dijkstra距離L(i,s)≠∞時，則說明此開關(guān)與該電源存在電氣連接。

2)以主電源開關(guān)為參考點，確定開關(guān)之間的上下級關(guān)系，當L(i,s)=L(j,s)-L(i,j)時，則i為j上游開關(guān)。用r(i|j)表示開關(guān)的上下游情況，當r(i|j)=1時，說明開關(guān)i位于開關(guān)j的上游，否則為0。

(1)

2.2 基于故障網(wǎng)絡(luò)拓撲分析的故障隔離策略優(yōu)化

故障隔離需要具體指導開關(guān)切斷故障電流。配電網(wǎng)存在多種開關(guān)類型，包括斷路器、負荷開關(guān)等，不同開關(guān)只能在特定的工況下工作。隨著故障網(wǎng)絡(luò)拓撲的不同，不同開關(guān)承受的短路電流也將不同。因此，在已知故障網(wǎng)絡(luò)拓撲的條件下，可以根據(jù)開關(guān)承受的短路電流情況自適應(yīng)取得配電網(wǎng)的故障隔離策略。一般情況下，均認為斷路器具備故障隔離操作能力，而負荷開關(guān)能開斷和關(guān)合正常負荷水平的電流。因此，開關(guān)是否能夠參與故障隔離操作，主要針對負荷開關(guān)進行分析。

利用Dijkstra算法，分別取得任一開關(guān)與故障點之間的距離L(i,f)以及各電源與故障點之間的距離L(s,f)，則故障點與指定電源之間串接的開關(guān)必需滿足：

L(s,f)=L(i,s)+L(i,f)

(2)

3 基于運行方式與故障信息融合的出口時序優(yōu)化

3.1 保護出口配合范圍的確定與分析

不同保護元件需要通過有效的時序加以配合，因此，需要確定參與時序配合的保護元件組成。參與保護時序配合的元件具備以下要素：

1)保護本身是否能夠給出故障指示。配電網(wǎng)保護可能由于靈敏性能差異，不一定能夠反映出實際故障的存在，此外，保護可能由于自身異常、退出等原因，無法給出故障判斷結(jié)果，則此類保護單元不將執(zhí)行出口。因此，在保護出口的時序配置中，可不考慮此類保護單元的影響。

2)保護即使能夠辨識故障的存在，保護關(guān)聯(lián)的開關(guān)也應(yīng)具備文2.2中所述故障隔離操作條件。一旦保護所關(guān)聯(lián)的開關(guān)不具備故障隔離操作條件，保護同樣不執(zhí)行出口，同樣在保護出口的時序配置中，移除此保護單元的影響。

保護能否給出故障指示以及開關(guān)能否參與故障隔離操作，可通過故障信息提取。以下行方向(正方向)元件的保護為例，參與時序配合的元件應(yīng)滿足：

(3)

3.2 基于出口配合分析的保護時序定值優(yōu)化

從保護配合的角度來看，當某一保護單元未給出動作信號，即Ai=0的情況出現(xiàn)時，意味著其他保護之間“距離”的縮短，則保護優(yōu)化決策過程如下。

以下行方向的時序整定為例，有

(4)

(5)

即對開關(guān)i而言：當其檢測到故障發(fā)生時，開關(guān)i的時序定值將根據(jù)下游保護的在線情況與動作結(jié)果進行優(yōu)化。從開關(guān)距離為1開始，確定以此開關(guān)距離的所有保護中是否產(chǎn)生動作信號，如產(chǎn)生則增加一個階級的動作時間，并以此類推，直至開關(guān)距離最大為止。

4 基于運行方式與故障信息融合的重合閘策略

4.1 重合閘效益分析

重合閘有效避免了瞬時故障造成的長時間停電現(xiàn)象，但卻拖慢了永久故障情況下的復(fù)電進程。當故障發(fā)生在不同的元件上，是否采取重合閘對整體的復(fù)電效益影響也將不同，而復(fù)電效益實質(zhì)上與配電網(wǎng)所處的運行方式與故障點分布有關(guān)。

融合運行方式與故障點分布的重合閘效益分析如下。

1)維持正常供電的負荷計算。當元件x故障切除后，能夠有效維持正常供電的負荷為

(6)

2)具備轉(zhuǎn)供條件的負荷計算。當故障點被有效隔離后，此時，可通過主系統(tǒng)恢復(fù)供電的負荷為

(7)

式(7)表明，依靠主系統(tǒng)實現(xiàn)恢復(fù)供電的負荷，可根據(jù)主電源所帶負荷總數(shù)與故障元件關(guān)聯(lián)的上游開關(guān)fup所帶負荷大小相減取得，即此時除故障元件下游外，系統(tǒng)其余負荷均可通過主電源恢復(fù)供電。

當計算通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)s′恢復(fù)的負荷，首先判斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)是否位于主電源與故障元件關(guān)聯(lián)的上游開關(guān)之間，即L(s′,s)=∞時，下游各分支無法通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)s′取得供電恢復(fù)。否則，判斷故障元件關(guān)聯(lián)的下游開關(guān)fdown是否與聯(lián)絡(luò)開關(guān)s′之間存在通路，若存在通路，則下游開關(guān)fdown可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)s′取得供電恢復(fù)，否則不能。

(8)

因此，總的具備轉(zhuǎn)供條件的負荷為

(9)

4.2 基于效益分析的重合閘選擇

是否采用重合閘策略將對復(fù)電效果產(chǎn)生明顯差異。記故障切除時刻起至重合閘完成時所經(jīng)時長為ΔT1；若重合閘失敗，線路完成轉(zhuǎn)供的時長為ΔT2，線路檢修時長為ΔT3。此外，考慮元件k發(fā)生瞬時故障的概率為1-a%，用負荷損失時長衡量復(fù)電效益。

1)采取重合閘策略下的復(fù)電效益。

ΔT1·(1-a%)+(ΔIrecover-ΔImaintain)·

(10)

其中，第1項表示重合成功情況下的負荷損失時長；第2項表示重合失敗情況下可轉(zhuǎn)供的負荷損失時長；第3項表示不可轉(zhuǎn)供負荷損失時長。

2)不采取重合閘策略下的復(fù)電效益。故障切除后線路直接進行重構(gòu)策略，造成的負荷損失為

Hn=(ΔIrecover-ΔImaintain)·

(11)

其中，第1項表示可轉(zhuǎn)供的負荷損失時長；第2項表示不可轉(zhuǎn)供負荷損失時長。因此，復(fù)電方式是否考慮進行重合閘，可通過判斷Hy與Hn的大小關(guān)系決定。從而實現(xiàn)復(fù)電效益的最大化。

5 算例分析

圖2 算例分析Figure 2 Case study

5.1 故障隔離策略分析與驗證

根據(jù)圖2仿真算例的配置參數(shù)，形成初始化的開關(guān)距離，如：L(S,A)=1、L(S,S″)=1、L(S,B)=∞。其他開關(guān)距離可以此類推?？紤]當前運行方式，對初始化的開關(guān)距離的表示結(jié)果進行修正，則其中L(S,S″)=∞。

假設(shè)故障發(fā)生在f1上，實時仿真給出的保護故障辨識結(jié)果，即故障信息為

由式(1)可知，故障點位于A、B之間，進而分析各開關(guān)與故障點及各電源之間的位置關(guān)系。

對于開關(guān)A有

L(S,A)=L(S,A)+L(A,A)

L(K,A)=L(K,A)+L(A,A)

因此，開關(guān)A在故障點、系統(tǒng)電源S及同步機型分布式電源K之間，開關(guān)A在此故障情況下不能參與故障隔離操作。

對于開關(guān)C有

L(S,A)

L(K,A)

因此，開關(guān)C不在故障點、系統(tǒng)電源S及同步機型分布式電源K之間，開關(guān)S在此故障情況下可參與故障隔離操作。

因此，在f1故障的情況下，能夠參與故障隔離操作的開關(guān)組合如下：

可見，由故障網(wǎng)絡(luò)拓撲的分析，部分負荷開關(guān)可以被當成斷路器執(zhí)行故障隔離操作，提供了有效的故障切除優(yōu)化方法。

假設(shè)故障點發(fā)生在f2上，能夠參與故障隔離操作的開關(guān)組合如下：

由于故障點的改變，開關(guān)C背側(cè)連接系統(tǒng)電源，因此不再能夠執(zhí)行故障隔離操作，意味著只能通過斷路器B實現(xiàn)故障f2的切除。由此2組案例比較，可以說明融合運行方式與故障信息對保護策略的改進作用。

為了進一步分析不同類型分布式電源接入位置情況下算法的靈活性，本文變換同步機型分布式電源(TDG)和逆變型分布式電源(NDG)位置，如圖3所示，其中K、F、J、Q、R、S虛線部分為不同類型分布式電源可能接入位置。在f1、f2和f3等不同故障點故障時，參與故障隔離操作的開關(guān)組合情況如表1所示。

圖3 不同分布式電源接入情況Figure 3 Access situation to different distributed power sources

表1 不同接入情況下參與隔離操作的開關(guān)組合Table 1 Switch combinations involved in the isolation operation under different access conditions

5.2 保護出口時序動態(tài)優(yōu)化

因此，根據(jù)故障時下行和上行的保護定值的分析，保護的時序定值結(jié)果為

T=

A B C D E F G H I J K L S

從保護定值的時序定值結(jié)果可知，保護的動作時序不再需要考慮線路全長的各級保護單元，保護動作時序可以得到盡可能大的縮小，與此同時，還兼顧了開關(guān)的動作特性。

5.3 重合閘的效益判斷

假設(shè)重合閘時間為ΔT1=2 s，轉(zhuǎn)供完成時間為ΔT2=60 s，檢修時長為ΔT3=5 400 s，瞬時故障發(fā)生概率為2%。當故障位于f2處，故障發(fā)生時將動作于開關(guān)B、F、E，如不采取重合閘措施或重合閘失敗，則動作開關(guān)C、E將故障隔離，并合上開關(guān)B，S′恢復(fù)系統(tǒng)供電。因此，當故障發(fā)生在f2時，可以預(yù)先計算出

分析采取重合閘策略將造成負荷損失時長達到Hy=1 176.8 A·s；不采取重合閘策略將造成負荷損失時長達到Hn=1 160 A·s。因此，當故障發(fā)生在f2處時，可以判斷不采取重合閘策略將得到更好的復(fù)電效益。

當故障位于f3處，故障發(fā)生時將首先動作于斷路器I、J。因此，當故障發(fā)生在f3時,可以預(yù)先計算出：

分析采取重合閘策略將造成負荷損失時長達到Hy=105 840.8 A·s；不采取重合閘策略將造成負荷損失時長達到Hn=108 000 A·s。因此，故障發(fā)生在f3時可以判斷采取重合閘策略將得到更好的復(fù)電效益。

從不同故障情況下負荷損失結(jié)果的分析可以看出，不同故障點分布將得到不同的重合閘選擇，這意味著融合故障信息可以避免重合閘選擇的盲目性，取得更好的保護效果。

6 結(jié)語

為充分發(fā)揮運行方式與故障信息在配電網(wǎng)繼電保護策略中的優(yōu)化作用，本文設(shè)計了繼電保護策略兩級優(yōu)化方法。首先，基于運行方式實現(xiàn)保護故障辨識環(huán)節(jié)的動作定值整定，以取得故障辨識信息；然后，根據(jù)故障信息實現(xiàn)出口決策環(huán)節(jié)的優(yōu)化整定。在所述分析方法的輔助下，配電網(wǎng)保護能夠取得以下效果：

1)配電網(wǎng)保護能夠基于故障網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，判斷開關(guān)與故障點及電源的串聯(lián)關(guān)系，兼顧負荷開關(guān)動作能力獲得合理的故障隔離策略；

2)配電網(wǎng)保護能夠根據(jù)保護出口配合分析，縮小保護的配合范圍，進而縮小保護的出口時限；

3)配電網(wǎng)保護能夠根據(jù)不同故障點的重合閘效益分析，給出是否采取重合閘以獲得更好的保護效果。