0 引言

    智能電網發展戰略下，隨著主動配電網技術推廣應用，傳統配電網向著多源、網狀、并網方式發展，其系統由單向固定向著雙向不確定轉變；但是，導致當配電網內部發生故障時，短路電流能量的流動方向出現多種不確定因素^[1-2]。

    為解決上述問題，國內外研究人員提出了多種保護與控制方案。文獻[3-4]從電流的相位角度出發，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、風力以及負荷變化等不確定因素，設計了一套完整的電流相位保護方案。文獻[5-6]利用本地信息，仍沿用傳統保護判據進行改進，在配電線路兩端設置電流方向檢測元件，實現了故障的識別與切除。文獻[7-8]利用多信息融合進行綜合判別，通過獲取含新能源電源的電網拓撲的實時信息，計算不同支路故障時的特征與參數，對保護配置與定值做出針對性的修改。

    但是，多端差動保護原理在我國35 kV及以下中低壓饋電線路中的應用中仍受到較大限制，因此為縮短故障切除時間，提高保護動作可靠性，縮小故障切除區域，提高配電網繼電保護運行水平，本文提出了一種中低壓饋電線路區域保護裝置，并進行了硬件電路與保護判據設計。仿真實驗結果證明，本文設計裝置能夠滿足現階段配電網對于故障判別、隔離與定位的要求，在速度和精度上相比于傳統的配電網保護有了質的提升。

1 中低壓饋電線路區域保護結構設計

    當前配電網區域保護系統結構主要分為集中控制式和分布決策式兩種形式^[9]，綜合分析配電網對繼電保護的要求，本文中的配電網區域保護采用分散式和集中式相結合的結構，如圖1所示。

    集中式的決策中心直接控制線路上的節點IED，每條配電線路中設置一個控制本線路中IED之間的通信規則的主站IED。在主站的統一調控下通過光纖將線路中IED采集的線路實時運行數據在IED之間互相交換數據，實現信息共享。在多點數據的基礎上，IED設備根據廣域信息保護判據實現配電網中后備保護的功能，利用多點信息實現故障元件的識別與隔離。

2 中低壓饋電線路區域保護裝置設計

    為確保裝置具有較好的兼容性，中低壓饋電線路區域保護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、動作輸出模塊和顯示面板5部分^[10]，其中裝置結構及各模塊間的關系示意圖如圖2所示。

3 中低壓饋電線路區域裝置保護判據設計

3.1 有源配電網自適應保護判據設計

3.1.1 基于相電流突變量的保護起動方法

    基于相電流突變量的保護起動主要利用故障后電流發生突變的特點^[11-12]。由于該保護是作為主保護對速動性要求較高，因此起動部分采用單相電流突變量起動，提高保護靈敏性，降低動作延時。其中單相電流突變量的計算方式如下：

式中，I_set1為預設的浮動閾值，可根據線路上負荷的變化而即時調整，通常不小于0.3倍的最小負荷電流，不大于0.5倍的最大負荷電流。

3.1.2 電流差動保護判據設計

    現階段配電網的常見形態如圖3所示，在配電網兩條母線間存在帶有負荷Load的不可測分支。因此，考慮不可測分支后的區域電流差動保護判據如下：

式中，k%為最大轉移電流占額定電流的百分比，通常取10%；K_m為可靠系數；I_N為該段線路額定電流。

    式(4)為制動電流判據，K_res為制動系數，考慮TA飽和誤差，存在電機類DG等特點，其值取0.3~0.45。

3.2 配電網故障隔離方法

    隔離區域根據分段開關的位置被劃分為8個獨立的定位區域，如圖4所示。

    不同類型的區域存在不同的定位判據。對于多出口、多IED設備的區域，如定位區1、2、4、6，采用基于多端電流差動的定位判據。其判據如下：

4 仿真與測試

4.1 保護仿真模型的建立

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

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

4.2 自適應電流差動保護方法分析

    基于圖5，故障點f₁處發生三相短路故障，令系統電源至A母線及AC母線間的線路長度均為10 km，故障點距離C母線5 km。故障發生于0.4 s，故障發生時DG1退出，DG2先投入并在0.7 s后退出，對保護1、2、5以及保護2、3采用自適應電流差動保護方案的結果進行仿真。差動電流波形如圖6所示。

    由圖6(a)可見，當故障發生在該保護區外時，其最大差動電流小于0.2 A，不滿足式(1)、式(2)、式(3)保護起動及動作條件。由圖6(b)可見，當故障發生在該保護區內時，0.4 s故障發生的瞬時，差動電流就已超過500 A，即使分布式電源退出，短路電流400 A，滿足自適應電流差動保護所設定的起動及動作條件，保護將立即動作，跳開4、5所對應的斷路器，故障切除。

    由于保護2、3的區域內存在未檢測饋線分支，無法獲取其瞬時電流量信息，因此采取式(4)負荷預測的方式，取平均負荷電流為50 A，相比于傳統電流保護在這種情況下產生的越級保護或是靈敏度下降問題，自適應電流差動保護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

    搭建一個環網仿真模型，如圖7所示，具體參數與4.1節相同。圖7中存在11個分段開關，1、5、6、10為斷路器，2、3、4、7、8、9、12為負荷開關。將11個分段開關劃分為7個關注的隔離區域，當區內故障時，將通過這7個負荷開關進行深度隔離。隔離區域與分段開關的關系如表2所示。

4.3.1 故障發生于f₁處

    當故障發生在f₁處時，7個隔離區計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，故根據其最大負荷0.5 MW估算其最大單相電流為28.86 A，并設置該區域差動閾值為40 A(下同)。

    隔離區7所在的負荷開關11捕捉到了故障電流，其波形如圖8所示。

4.3.2 故障發生于f₂處

    當故障發生在f₂處時，7個隔離區計算所得的電流信息如表4所示。

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

5 結論

    本文設計了一種適用于我國中低壓系統的區域保護裝置，提出了自適應的多端電流差動保護以及故障隔離方法。該設計裝置以傳統差動電流保護為基礎，結合含DG配電網故障電流的特點，解決了傳統三段式電流保護應用于有源配電網時存在的諸多問題，縮小了配電網的故障隔離區域，能在較短的時間內完成非故障區域的停電恢復，體現了設計裝置的快速性、高效性、可靠性。

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作者信息:

代運滔

(貴州電網有限責任公司 遵義供電局，貴州 遵義563000)