有源配电网分布式智能电流保护方案

王泽民1，张新慧1，蔡艳春2，孙学峰3，咸日常1

(1.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；

2.中国南方电网 广州供电局，广东 广州 510000；

3.山东省电力公司 淄博供电公司，山东 淄博 255000)

摘要：分布式电源的接入可提高配电网的供电可靠性，但改变了其潮流单向流动的特点，可能导致配电网电流保护不能正确动作.有源配电网中，故障支路提供的短路电流值较大；分布式电源距离故障点越近，提供的短路电流越大，且与其它分布式电源投退电网无关.据此提出了一种分布式智能电流保护方案，经故障初步定位将故障点定位在两个智能体之间的较短区段，运用故障二次定位原理确定故障点，断开故障点两侧开关，隔离故障区段，恢复非故障区段的供电.仿真结果表明该方案能够实现故障点的准确定位.

关键词：分布式电源；有源配电网；故障定位；故障隔离；供电恢复

中图分类号：TM771 文献标志码：A

收稿日期：2014-11-25

作者简介：姜吉顺，男，jandj8@sina.com

文章编号：1672-6197(2015)05-0049-04

Thedistributedintelligencecurrentprotection

schemeinactivedistributionnetwork

WANGZe-min1,ZHANGXin-hui1,CAIYan-chun2,SUNXue-feng3,XIANRi-chang1

(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.GuangzhouPowerSupplyBureau,ChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510000,China;

3.StateGridZiboPowerSupplyCompany,StateGridShandongElectricPowerCompany,Zibo255000,China)

Abstract:The power supply reliability of distribution network can be improved by the distributed electric resources connected, but the characteristics of power flow is changed, which may lead the current distribution network protection to operate incorrectly. The short circuit current provided by fault branch is larger. The closer to the fault point, the larger the short-circuit current is provided by distributed electric resources, which is independent of other distributed electric resources exit or connection of the grid. The intelligence current protection scheme is based on fault current characteristics. First of all, the fault location is made between the two agents, then the point of failure is determined. The switch of both fault point sides is tripped in order to isolate fault segments and restore power of non-fault segments. The feasibility of the scheme is verified by Matlab/Simulink, the simulation results show that the fault location can be determined accurately by the scheme .

Keywords:distributedelectricresources;activedistributionnetwork;faultlocation;faultisolation;restorepower

传统配电网是单电源辐射型网络，分布式电源(DistributedElectricResources,DER)大量接入后，成为功率双向流动的有源配电网[1-2].有源配电网因电源和负荷具有双重不确定性，导致以电流保护为主的传统配电网保护无法快速、准确隔离故障区段[3-4].

现有IEEEstd.1547规约为了保护主网，故障时以切除DER方式保证电流保护正确动作，该方式限制了DER的发展，违背了有源配电网提高供电可靠性的初衷[5-6].此外，配电网保护一般安装在系统侧，发生故障时保护断开，DER仍向故障点提供短路电流，若配置方向性电流保护线路均需装设保护装置，涉及电网改造，投资巨大[7].多智能体系统(Multi-agentSystem,MAS)是由多个智能体(Agent)可根据系统要求按一定方式组成的协作机制[8].MAS根据自身运行环境，实现既定任务，并且能够对多个测量点的信息做出正确判断[9-11].目前在电力系统领域中，MAS主要用于系统算法和相关的运用模块，在继电保护中尚未得到广泛应用.

本文提出一种适用于有源配电网的分布式智能电流保护方案.该方案利用MAS经故障定位确定故障点，并将故障区段隔离，快速恢复非故障区段的供电.与现有保护方案比较，该方案原理简单，可在不配置方向性元件的情况下，有选择地将故障区段完全隔离，保证非故障区段DER正常工作，有效提高非故障区段的供电可靠性，且网络上传输的仅是Agent的判断结果，可减轻网络负担，较快地确定故障点位置，有效解决配电网因分布式电源接入所带来的保护失效问题.

1有源配电网网络结构及故障电流分布特征

1.1　有源配电网网络结构

有源配电网保留了传统配电网网架结构，只在DER并网节点和变电站出线处配置协同Agent. 协同Agent可采集、分析本地局部的电流信息，并将分析后得出的结论经以太网与相邻Agent对等交换信息，判断出故障点位置.根据节点的分支数量(DER线路也视作一条支路)，把节点分为二分支节点和多分支节点(分支数≥3).定义与同一节点相连的三条支路中距故障点最近的支路称为故障支路.二分支节点在系统侧装设保护开关，多分支节点各侧均配备保护开关.有源配电网网络结构如图1所示.

图1　有源配电网网络结构图

图1中所有协同Agent经以太网构成MAS.MAS与保护装置协作完成电流保护：MAS确定故障点位置，保护装置收到MAS发出的命令，断开故障点两侧的开关，隔离故障区段[12-13].假设k1点发生故障，其协作过程如图2所示.

图2　MAS与保护间的协作过程

1.2　故障电流分布特征

分布式电源(DER)的接入改变了有源配电网短路电流的分布特征.

假设图1中k1点发生三相短路，节点B处DER1支路流过的短路电流IDER1为

(1)

式中： EDER1—分布式电源DER1的等效电势;

XDER1—DER1支路的等效阻抗;

l—节点B到k1点的距离;

Xl—线路的单位长度等效阻抗.

将式(1)等式两侧对l求导可得

(2)

根据导数的数学意义可知故障点距DER1越近，IDER1值越大.

当其它DER投退电网时(如DER2退出电网)，并不影响式(1)中的各参数量，即IDER1数值上与其它DER投退电网无关.因此故障点相邻侧DER提供的短路电流，与其它DER投退电网无关.

(3)

假设系统侧、BC支路、DER1支路等效阻抗角分别为α、β、γ(α，β，γ取值为0~π/2).根据余弦定理可得

(4)

式(4)满足不等式

(5)

故式(3)同时满足IBC>IAB和IBC>IDER1，即与同一节点相连的三条支路，故障支路电流最大.

由以上分析可得有源配电网故障电流分布有如下3个特征：

(1)递减性：故障点与其相邻的DER距离越短，DER提供的短路电流值越大.

(2)无关性：与故障点相邻的DER提供的短路电流，与其它DER投退电网无关.

(3)最大性：在含有DER的三分支支路中，故障支路电流值最大.

2分布式智能电流保护方案

根据有源配电网故障电流的3个分布特征，提出分布式智能电流保护方案.方案分为：故障初步定位和故障二次定位两步.故障初步定位将故障定位在两个相邻协同Agent之间的较短故障区段；故障二次定位将故障点定位在较短故障区段的两个相邻节点之间的区段.相关Agent向保护发出命令，断开故障点两侧开关，隔离故障区段，并快速恢复非故障区段的供电.

2.1　故障初步定位

2.1.1　定位原理

根据有源配电网故障电流的最大性特征，确定故障初步定位原理：比较协同Agent测得的电流值，确定最大电流故障支路所属的三分支节点，根据该节点的故障支路位置，确定较短故障区段.具体判断方法如下：

(1)若故障支路是节点上游支路，则故障点位于该节点处Agent的上游区段；

(2)若故障支路是节点下游支路，则故障点位于该节点处Agent的下游区段；

(3)若故障支路是DER支路，则故障点位于DER支路.

2.1.2　故障区段判定

较短故障区段是根据最大电流故障支路的位置确定的，然而最大电流故障支路可能有一条，也可能有两条，因此故障初步定位应分以下两种情况进行讨论.

1)最大电流故障支路只有一条

如果最大电流故障支路只有一条，根据该故障支路节点处Agent上下游是否存在其它Agent，可分为以下三种情况讨论.

(1)最大电流故障支路节点处的Agent仅下游存在其它协同Agent

假设图1中Agent0检测到最大故障电流值.若Agent0下游AB支路是故障支路，即k2点发生故障，则Agent0的下游与Agen1上游之间的AB区段判定为较短故障区段；若Agent0下游AG支路是故障支路，则Agent0的下游与Agen4上游之间的AH区段判定为较短故障区段；若Agent0上游变电站出线是故障支路，则只需断开出线断路器，无需进行故障二次定位.较短故障区段的判定结果见表1.

表1　较短故障区段判定表( Agent0测得最大电流)

(2)最大电流故障支路节点处的Agent上、下游皆有其它协同Agent

假设图1中Agent2检测到最大故障电流值.若Agent2上游CD支路是故障支路，即k1点发生故障，则Agent1下游与Agen2上游之间的BD区段判定为较短故障区段；若DER2支路为故障支路，则断开并网断路器即可隔离故障，无需进行故障二次定位；若Agent2下游DE支路是故障支路，即k3点发生故障，则Agent2的下游与Agen3上游之间的DF区段判定为较短故障区段.较短故障区段的判定结果见表2.

表2　较短故障区段判定表( Agent2测得最大电流)

(3)最大电流故障支路节点处的Agent仅上游存在其它协同Agent

假设图1中Agent3检测到最大故障电流值.若Agent3上游EF支路是故障支路，即k3点发生故障，则Agent2下游与Agen3上游之间的DF区段判定为较短故障区段；若DER3支路为故障支路，则断开并网断路器即可隔离故障，无需进行故障二次定位；若Agent3下游支路是故障支路，即k4点发生故障，则故障发生在Agent3的下游区段.较短故障区段的判定结果见表3.

表3　较短故障区段判定表( Agent3测得最大电流)

2)最大电流故障支路有两条

如果最大电流故障支路有两条，那么检测到最大故障电流的两个Agent之间的区段即为较短故障区段.假设图1中k1点发生三相短路，协同Agent1、Agent2均检测到最大故障电流值，则可判断故障点位于Agent1下游与Agent2上游之间的区段，即BD区段判定为较短故障区段.

2.2　故障二次定位

2.2.1定位原理

经故障初步定位确定较短故障区段后，为进一步确定故障点位置，需要进行故障二次定位.

根据有源配电网故障电流的递减性和无关性特征，确定故障二次定位原理.具体步骤分为两步：离线计算环节和比较环节.

(1)离线计算环节：有源配电网正常运行时，根据叠加原理，经离线计算得每个节点处发生不同故障类型时，其相邻分布式电源(DER)单独作用下所提供的故障电流值.

(2)比较环节：有源配电网发生故障时，将较短故障区段两侧DER提供的故障电流值与离线值进行比较，如果故障电流值介于某相邻节点的离线计算值之间，则确定故障点位于该相邻节点之间的区段.

2.2.2故障点定位过程

根据故障二次定位原理，确定故障二次定位过程如图3所示.

图3　故障二次定位过程

图1中k3点发生三相短路故障时，经故障初步定位，判定DF区段为较短故障区段，为确定故障点位置运用故障二次定位原理.

根据故障点距DER2、DER3的距离，绘制DER2、DER3提供的故障电流离线值如图4所示，曲线1、2分别是DER2、DER3提供的故障电流离线计算值.故障时测得DER2、DER3提供的故障电流值对应于点M处和点N处，M、N位于DE区段，因此确定故障点位于DE区段.图1中其它故障点的确定方法与此类似.

图4　故障点位置确定

由正序等效定则知，不同类型短路电流值只相差一个系数，因此其他短路类型的判断方法与三相短路情况类似，在此不再赘述.

2.3　故障隔离与供电恢复

经分布式智能故障定位确定故障点位置后，需隔离故障区段并恢复非故障区段的供电.

若故障点两侧开关为断路器，则MAS直接向断路器发出跳闸命令，隔离故障点，相邻非故障区段的供电不受影响；若故障点两侧开关为负荷开关，则MAS向负荷开关相邻的断路器发出跳闸命令，然后断开负荷开关，隔离故障区段.由于断开了与负荷开关相邻的断路器，引起了相邻非故障区段的停电，因此需在继电保护的配合下再合上该断路器以恢复非故障区段的供电.

2.4　方案流程及特点

有源配电网分布式智能电流保护方案，由故障定位、故障隔离和恢复供电构成，方案流程如图5所示，其中检测到最大故障电流值的Agent记作Agmax；Agmax上游Agent记作Agup；Agmax下游Agent记作Agdown.

图5　分布式智能电流保护方案流程

有源配电网分布式智能电流保护方案，原理简单、易于实现，方案具有以下优点：

(1)仅采集电流信息且分布式处理，网络上传输的是Agent的判断结果，可大大减少网络上传输的数据量，与集中式电流保护方案相比，具有快速、准确的优点.

(2)MAS与保护装置协作完成故障隔离，可有效解决配电网因分布式电源接入所带来的保护问题.

(3)不需要采集电压信息，因此不涉及时间同步问题，在通信方面易于实现.

3仿真验证

借助仿真软件MATLAB，根据图1建立有源配电网仿真模型，验证分布式智能电流保护方案的可行性.

仿真参数设置：系统电源电压取110kV，经变压器接到10kV配电网；DER1的容量值为1.5MVA；DER2、DER3与DER4的容量均为1.2MVA；各区段长度相等，阻抗值均为0.8+j1.6Ω；短路点位于相关区段的中点位置.

(1)只有DER1接入配电网，在k1点发生三相短路.

B节点各支路电流波形如图6所示.其中曲线1是BC支路的电流，曲线2是AB支路的电流，曲线3是DER1支路的电流.通过比较三条曲线可得BC故障支路电流最大，因此同一节点的三条支路中，故障支路电流最大.

图6　B节点分支支路电流

(2)只有DER2和DER3接入配电网，在k3点发生三相短路.

此时DER2提供的短路电流IDER2如图7曲线1所示；断开DER3的并网断路器，测得DER2提供的短路电流I'DER2如图7曲线2所示.比较曲线1和曲线2重合可得IDER2=I'DER2，因此故障点相邻侧DER提供的短路电流大小，与其它DER投退电网无关.

图7　DER2提供的短路电流

将DER3的并网断路器合上，k3点发生三相短路.D节点故障支路DE与F节点故障支路EF的电流如图8所示，其中曲线1是DE支路的故障电流，曲线2是EF支路的故障电流.通过比较曲线1、曲线2的电流有效值可得IDE>IEF，因此DE支路为最大电流故障支路.故障点位于D节点下游、F节点上游，即故障点位于Agent2与Agent3之间的DF区段，验证了故障初步定位原理.

图8　D、F节点故障支路电流

离线计算求得节点D、E处发生三相短路时，DER2、DER3向节点D处提供的短路电流有效值见表4.

表4　 DER2、 DER3提供的短路电流离线值

k3点故障时，DER2、DER3提供的短路电流实测值分别如图7的曲线1、图8的曲线2所示，取有效值分别为IDER2=0.36kA，IDER3=0.19kA.将以上电流值进行比较可得0.25<0.36<0.63，0.13<0.19<0.25，故障电流值介于D、E相邻节点的离线计算值之间，判定故障点位于DE区段，可验证故障二次定位的正确性.

4结束语

本文分析了分布式电源接入配电网后故障电流的分布特征，提出了一种分布式智能电流保护方案，该方案基于多智能体的分布式处理数据与对等交换信息的能力，根据有源配电网多点测量的电流信息，

通过故障初步定位和故障二次定位，可在不装设方向性电流元件的情况下确定故障点位置，并与保护装置协作完成对故障区段的隔离，与故障时切除所有DER以保证传统配电网电流保护正确动作方案相比较，该方案可实现非故障区段在DER供电的方式下正常运行，满足非故障区段用户的供电可靠性要求. 该方案原理简单，对解决因分布式电源接入配电网带来的保护问题具有一定的理论指导意义.

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(编辑：刘宝江)