《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向中低壓饋電線路的區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計(jì)與仿真
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
代運(yùn)滔
貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000
摘要： 針對(duì)中低壓饋線線路中分支線路眾多、多端線路電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用受限的問題，提出了一種面向中低壓饋電線路的區(qū)域保護(hù)裝置，并分別對(duì)區(qū)域保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)、硬件電路、保護(hù)判據(jù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，所提出的具有自適應(yīng)能力的區(qū)域保護(hù)裝置可有效判別保護(hù)區(qū)域內(nèi)的相間故障，并對(duì)發(fā)生在饋線分支的故障實(shí)施有效的隔離。
中圖分類號(hào)： TN06；TM774
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190770
中文引用格式： 代運(yùn)滔. 面向中低壓饋電線路的區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計(jì)與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(3)：71-75.
英文引用格式： Dai Yuntao. Design and simulation of area protection device for middle and low voltage feeder line[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(3)：71-75.
Design and simulation of area protection device for middle and low voltage feeder line
Dai Yuntao
Zunyi Power Supply Bureau，Guizhou Power Grid Co.，LTD.，Zunyi 563000，China
Abstract： In view of the problem that numerous branch lines in medium and low voltage feeder lines limit the application of multiterminal line current differential protection, a new area protection device for middle and low voltage feeder line is proposed. And the structure, hardware circuit and protection criterion of the regional protection device are designed. Experimental simulation results show that the proposed regional protection device with adaptive ability can effectively identify the phase faults in the protection area and effectively isolate the faults in feeder branches.
Key words : distribution network；feeder；regional protection；fault isolation

0 引言

    智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下，隨著主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向著多源、網(wǎng)狀、并網(wǎng)方式發(fā)展，其系統(tǒng)由單向固定向著雙向不確定轉(zhuǎn)變；但是，導(dǎo)致當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，短路電流能量的流動(dòng)方向出現(xiàn)多種不確定因素[1-2]。

    為解決上述問題，國內(nèi)外研究人員提出了多種保護(hù)與控制方案。文獻(xiàn)[3-4]從電流的相位角度出發(fā)，提出了基于故障電流相位變化方式的方向電流檢測法，并考慮了光照、風(fēng)力以及負(fù)荷變化等不確定因素，設(shè)計(jì)了一套完整的電流相位保護(hù)方案。文獻(xiàn)[5-6]利用本地信息，仍沿用傳統(tǒng)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，在配電線路兩端設(shè)置電流方向檢測元件，實(shí)現(xiàn)了故障的識(shí)別與切除。文獻(xiàn)[7-8]利用多信息融合進(jìn)行綜合判別，通過獲取含新能源電源的電網(wǎng)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)信息，計(jì)算不同支路故障時(shí)的特征與參數(shù)，對(duì)保護(hù)配置與定值做出針對(duì)性的修改。

    但是，多端差動(dòng)保護(hù)原理在我國35 kV及以下中低壓饋電線路中的應(yīng)用中仍受到較大限制，因此為縮短故障切除時(shí)間，提高保護(hù)動(dòng)作可靠性，縮小故障切除區(qū)域，提高配電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行水平，本文提出了一種中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置，并進(jìn)行了硬件電路與保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)裝置能夠滿足現(xiàn)階段配電網(wǎng)對(duì)于故障判別、隔離與定位的要求，在速度和精度上相比于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)有了質(zhì)的提升。

1 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    當(dāng)前配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為集中控制式和分布決策式兩種形式[9]，綜合分析配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)的要求，本文中的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)采用分散式和集中式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

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    集中式的決策中心直接控制線路上的節(jié)點(diǎn)IED，每條配電線路中設(shè)置一個(gè)控制本線路中IED之間的通信規(guī)則的主站IED。在主站的統(tǒng)一調(diào)控下通過光纖將線路中IED采集的線路實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)在IED之間互相交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享。在多點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，IED設(shè)備根據(jù)廣域信息保護(hù)判據(jù)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中后備保護(hù)的功能，利用多點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)故障元件的識(shí)別與隔離。

2 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

    為確保裝置具有較好的兼容性，中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置主要包括模擬量采集模塊、開入量采集模塊、主控電路模塊、動(dòng)作輸出模塊和顯示面板5部分[10]，其中裝置結(jié)構(gòu)及各模塊間的關(guān)系示意圖如圖2所示。

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3 中低壓饋電線路區(qū)域裝置保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

3.1 有源配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

3.1.1 基于相電流突變量的保護(hù)起動(dòng)方法

    基于相電流突變量的保護(hù)起動(dòng)主要利用故障后電流發(fā)生突變的特點(diǎn)[11-12]。由于該保護(hù)是作為主保護(hù)對(duì)速動(dòng)性要求較高，因此起動(dòng)部分采用單相電流突變量起動(dòng)，提高保護(hù)靈敏性，降低動(dòng)作延時(shí)。其中單相電流突變量的計(jì)算方式如下：

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式中，Iset1為預(yù)設(shè)的浮動(dòng)閾值，可根據(jù)線路上負(fù)荷的變化而即時(shí)調(diào)整，通常不小于0.3倍的最小負(fù)荷電流，不大于0.5倍的最大負(fù)荷電流。

3.1.2 電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

    現(xiàn)階段配電網(wǎng)的常見形態(tài)如圖3所示，在配電網(wǎng)兩條母線間存在帶有負(fù)荷Load的不可測分支。因此，考慮不可測分支后的區(qū)域電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)如下：

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式中，k%為最大轉(zhuǎn)移電流占額定電流的百分比，通常取10%；Km為可靠系數(shù)；IN為該段線路額定電流。

    式(4)為制動(dòng)電流判據(jù)，Kres為制動(dòng)系數(shù)，考慮TA飽和誤差，存在電機(jī)類DG等特點(diǎn)，其值取0.3~0.45。

3.2 配電網(wǎng)故障隔離方法

    隔離區(qū)域根據(jù)分段開關(guān)的位置被劃分為8個(gè)獨(dú)立的定位區(qū)域，如圖4所示。

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    不同類型的區(qū)域存在不同的定位判據(jù)。對(duì)于多出口、多IED設(shè)備的區(qū)域，如定位區(qū)1、2、4、6，采用基于多端電流差動(dòng)的定位判據(jù)。其判據(jù)如下：

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4 仿真與測試

4.1 保護(hù)仿真模型的建立

    通過MATLAB/Simulink軟件搭建有源配電網(wǎng)模型，具體如圖5所示。

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    圖5中電源使用三相接地電源模塊，電壓設(shè)置為10.5 kV，容量為500 MVA；頻率設(shè)置為50 Hz；DG1與DG2均為逆變型DG，不同時(shí)工作，容量為5 MVA，逆變器輸出電壓0.38 kV，頻率50 Hz，經(jīng)配變0.4 kV/10 kV升壓并網(wǎng)，短路輸出電流為1.3 p.u.。f1、f2為兩個(gè)饋線分支三相短路故障點(diǎn)，不同時(shí)故障。輸電線路使用三相Π型等值電路，具體參數(shù)如表1所示。

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4.2 自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)方法分析

    基于圖5，故障點(diǎn)f1處發(fā)生三相短路故障，令系統(tǒng)電源至A母線及AC母線間的線路長度均為10 km，故障點(diǎn)距離C母線5 km。故障發(fā)生于0.4 s，故障發(fā)生時(shí)DG1退出，DG2先投入并在0.7 s后退出，對(duì)保護(hù)1、2、5以及保護(hù)2、3采用自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)方案的結(jié)果進(jìn)行仿真。差動(dòng)電流波形如圖6所示。

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    由圖6(a)可見，當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)外時(shí)，其最大差動(dòng)電流小于0.2 A，不滿足式(1)、式(2)、式(3)保護(hù)起動(dòng)及動(dòng)作條件。由圖6(b)可見，當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)內(nèi)時(shí)，0.4 s故障發(fā)生的瞬時(shí)，差動(dòng)電流就已超過500 A，即使分布式電源退出，短路電流400 A，滿足自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)所設(shè)定的起動(dòng)及動(dòng)作條件，保護(hù)將立即動(dòng)作，跳開4、5所對(duì)應(yīng)的斷路器，故障切除。

    由于保護(hù)2、3的區(qū)域內(nèi)存在未檢測饋線分支，無法獲取其瞬時(shí)電流量信息，因此采取式(4)負(fù)荷預(yù)測的方式，取平均負(fù)荷電流為50 A，相比于傳統(tǒng)電流保護(hù)在這種情況下產(chǎn)生的越級(jí)保護(hù)或是靈敏度下降問題，自適應(yīng)電流差動(dòng)保護(hù)方法顯然更加可靠和靈活。

4.3 新型故障隔離方法仿真分析

    搭建一個(gè)環(huán)網(wǎng)仿真模型，如圖7所示，具體參數(shù)與4.1節(jié)相同。圖7中存在11個(gè)分段開關(guān)，1、5、6、10為斷路器，2、3、4、7、8、9、12為負(fù)荷開關(guān)。將11個(gè)分段開關(guān)劃分為7個(gè)關(guān)注的隔離區(qū)域，當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，將通過這7個(gè)負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行深度隔離。隔離區(qū)域與分段開關(guān)的關(guān)系如表2所示。

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4.3.1 故障發(fā)生于f1處

    當(dāng)故障發(fā)生在f1處時(shí)，7個(gè)隔離區(qū)計(jì)算所得的電流信息如表3所示。由于饋線分支2為未檢測分支，故根據(jù)其最大負(fù)荷0.5 MW估算其最大單相電流為28.86 A，并設(shè)置該區(qū)域差動(dòng)閾值為40 A(下同)。

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    隔離區(qū)7所在的負(fù)荷開關(guān)11捕捉到了故障電流，其波形如圖8所示。

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4.3.2 故障發(fā)生于f2處

    當(dāng)故障發(fā)生在f2處時(shí)，7個(gè)隔離區(qū)計(jì)算所得的電流信息如表4所示。

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    隔離區(qū)6所在的負(fù)荷開關(guān)8、9通過不完全差動(dòng)算法捕捉到了故障電流，其波形如圖9所示。

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5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種適用于我國中低壓系統(tǒng)的區(qū)域保護(hù)裝置，提出了自適應(yīng)的多端電流差動(dòng)保護(hù)以及故障隔離方法。該設(shè)計(jì)裝置以傳統(tǒng)差動(dòng)電流保護(hù)為基礎(chǔ)，結(jié)合含DG配電網(wǎng)故障電流的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)應(yīng)用于有源配電網(wǎng)時(shí)存在的諸多問題，縮小了配電網(wǎng)的故障隔離區(qū)域，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成非故障區(qū)域的停電恢復(fù)，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)裝置的快速性、高效性、可靠性。

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代運(yùn)滔

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