张金虎(1984), 男, 博士, 工程师, 从事继电保护技术相关工作(E-mail:
陈艳霞(1974), 女, 博士, 教授级高级工程师, 从事继电保护及自动化技术相关工作
金震(1977), 男, 硕士, 高级工程师, 从事继电保护技术相关工作
现有配电干线常接有若干无法测量的分支,传统三段式过流保护应用于此类线路时灵敏性和快速性均有欠缺,而相量差动保护则存在区外故障制动量过大导致区内故障不灵敏的问题。文中以5G代替光纤作为配电网双端量保护通道,提出面向含无测量分支配电线路的一套综合保护方案。首先分析含无测量分支线路区内、区外故障时两侧负序电流相位特征,提出负序电流比相保护判据;然后,为应对5G通信同步性能无法保证甚至失步的情况,引入正序电流幅值差动保护,在通信中断或正序电流幅值差动保护未启动等极端情形下,采用三段式过流保护,最终形成一套完整的配电网线路综合快速保护方案;最后,在PSCAD/EMTDC中搭建10 kV有源配电网模型,设计多组对比算例进行验证,仿真结果证明了所提保护判据和方案的有效性。
There are many unmeasurable branches along with distribution lines. The sensitivity and speed of traditional three-stage overcurrent protection lacks when applied to these lines. Even the phasor differential protection cannot identify internal faults sensitively to maintain sufficient safety under external faults. With 5G communication is penetrating the field of power grid automation, a comprehensive protection scheme for branched distribution lines is proposed. Firstly, analyze negative sequence currents phase characteristics under internal or external faults, and negative-sequence current phase-comparison protection is proposed. Secondly, in some harsh working conditions, 5G communication's synchronization cannot be guaranteed, or even out of step. A positive sequence amplitude differential protection is introduced. Finally, the three-stage overcurrent protection is combined to form a complete set of protection coordination schemes when communication interruption or some extreme situations. A 10 kV active distribution network model is built in PSCAD/EMTDC to verify the proposed protection criteria and scheme. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed protection criteria and scheme.
5G技术具有低时延、高带宽和大连接特性,已快速渗透到诸多工业应用领域[
近年来,配电网呈现更加复杂的形态。随着分布式能源渗透率的稳步上升,传统的单电源配电网呈现主动配电网的鲜明特征[
通道保护具有绝对的选择性,动作速度快,被广泛应用于输电线路保护,但须配备造价高昂的光纤通道[
对于通道保护,相量差动保护的应用最为普遍,通道同步性能良好的情况下,相量差动保护性能优异。但根据配网实际情况,配置相量差动保护时存在2个问题:(1) 现有配电网线路中往往含有无测量分支,区外故障时,会将无测量分支的电流误辨识为故障电流,造成保护误动;区内故障时,为了躲过该无测量分支,相量差动保护制动量会大幅提升,保护灵敏性低。(2) 相量差动保护高度依赖两侧数据严格同步。当通道同步性能变差时,相量差动保护须闭锁。针对问题(1),文中提出负序电流相位比较式保护(负序相差电流纵联保护)。针对问题(2),由于失步不影响幅值,可借助幅值差动保护实现故障辨识与隔离[
文中以5G作为配网双端量保护通道,提出负序电流比相保护,并结合计及无测量分支的正序电流幅值差动保护以及三段式过流保护,形成综合保护方案,最后在PSCAD/EMTDC中搭建模型,验证了该保护方案的有效性。
含无测量分支有源配电网示意
Schematic diagram of active distribution network with unmeasureable branches
区外故障负序阻抗示意
Schematic diagram of negative sequence impedance of external fault
由并联阻抗分压可知:
线路
式中:arg(·)表示取用比相运算结果的角度,单位为rad。
配电网负荷一般为感性负荷,线路两侧的系统等值阻抗、配电线路阻抗也均为感性,有:
即:
区内故障负序阻抗示意
Schematic diagram of negative sequence impedance of internal fault
根据基尔霍夫电压定律,有:
线路
考虑到配电网负荷等值阻抗,线路两侧的系统等值阻抗、配电线路阻抗一般呈现为感性,且实际配电网中
其中,Δ
区内及区外故障时线路两侧负序电流相位差范围如
负序电流相角差示意
Schematic diagram of phase angle difference of negative sequence current
区外故障时,比相结果一定在以±π/2为界的左半平面;区内故障时,比相结果基本位于右半平面。为保证区外故障安全性,区内故障的动作判据由式(10)给出:
根据判据式(10),极端线路参数和故障条件下,即式(8)的第一式计算值接近+π/2或-π/2时,叠加考虑Δ
以双端电源配电网线路
区外故障正序阻抗示意
Schematic diagram of positive sequence impedance of external faults
正常运行时,线路
区外故障发生后,无测量分支端电压降低,分支正序等效阻抗不发生突变的情况下,分支汲流减小,线路
式中:
考虑基尔霍夫电流定律和三角不等式:
式中:
综合式(11)-式(13),可得故障后线路两侧正序电流幅值差小于故障前线路两侧的幅值差。即:
区内故障发生时,线路两侧的电源不仅向无测量分支提供负荷电流,还向故障点馈入故障电流,线路两侧的电流差别将增大。DG输出的最大电流为正常运行时的1.2~2倍,逆变类型DG均有最大限流,同步电机类电源向故障点提供的短路电流较大,且故障程度越严重,电流增大特征越显著。因此,对于比较严重的区内故障,由于线路双端电源的差异,两侧正序幅值之差相比于故障前会猛然变大,即:
文献[
式中:
但正序电流幅值差动保护由于仅使用线路两侧的幅值信息,性能不及负序电流比相保护,因此仅作为后备保护。
5G作为一种新型通信手段,可以替代光纤作为配电网线路保护通道,
结合5G的通道保护示意
Schematic diagram of 5G-based channel protection
但在5G通信网络中,同步授时和数据传输过程受大气情况、环境因素、电磁干扰等影响,存在单一基站或一个区域内基站失去与主网同步甚至通信完全中断的可能性。因此基于5G通信,考虑5G通信质量,提出一种负序电流比相保护、正序电流幅值差动保护以及传统三段式过流保护相互配合的新型综合保护方案,如
结合5G的配电网故障快速保护方案
5G-based rapid protection scheme for distribution network faults
5G失步时,须闭锁负序电流比相保护,在区内故障特殊情形下,正序电流幅值差动保护未启动,则由传统三段式保护切除故障。
若5G通信完全中断,则正序电流幅值差动保护须闭锁,由传统三段式过流保护动作,切除故障。
对于通信是否失步,以及是否完全中断,配电网保护模块可以依据通信模块的可靠报文,作出对应保护的投入或闭锁操作[
需要指出的是,已投运的5G通信及相关业务能够保障其通信质量。各类5G运营商须进行众多的测试,使得5G通信的同步性、延时、丢包率等多项重要指标满足国际国内的高标准要求后,再向电力行业提供相关业务[
为验证文中所提含无测量分支线路的5G综合保护方案的性能,基于PSCAD/EMTDC搭建
10 kV有源配电网模型
10 kV active distribution network model
逆变型DG接入后故障等值模型
Fault equivalent model with inverter-interfaced DG
以
50 Ω过渡电阻两相接地故障时比相结果
Phase comparison results at 50 Ω transition resistance two-phase grounding fault
分别在区内、区外的6个位置(
相间故障时负序比相结果
Negative sequence phase comparison results in case of phase-to-phase faults
故障位置 | 过渡电阻/Ω | ||||
0 | 3 | 10 | 30 | 100 | |
3.132 | 3.132 | 3.152 | 3.152 | 3.152 | |
0.932 | 0.926 | 0.925 | 0.638 | 0.506 | |
0.812 | 0.816 | 0.810 | 0.814 | 0.807 | |
0.780 | 0.769 | 0.773 | 0.773 | 0.768 | |
3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 | |
3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 |
两相接地故障时负序比相结果
Negative sequence phase comparison results in case of two-phase grounding faults
故障位置 | 过渡电阻/Ω | ||||
0 | 3 | 10 | 30 | 100 | |
3.132 | 3.131 | 3.152 | 3.151 | 3.150 | |
0.931 | 0.924 | 0.673 | 0.410 | 0.388 | |
0.812 | 0.806 | 0.811 | 0.711 | 0.695 | |
0.772 | 0.785 | 0.773 | 0.771 | 0.745 | |
3.129 | 3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.129 | |
3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 | 3.128 |
从
配电网单相接地故障的过渡电阻值可能会偏高,但两相故障,两相接地故障,三相故障的过渡电阻大多不超过30 Ω。以
30 Ω过渡电阻故障时幅值差动值
Amplitude differences of 30 Ω transition resistance faults
故障位置 | 故障类型 | 动作情况 | ||
BC | BCG | ABC | ||
0.025 9 | 0.026 1 | 0.025 9 | × | |
0.196 2 | 0.131 9 | 0.202 6 | √ | |
0.179 5 | 0.126 1 | 0.190 2 | √ | |
0.161 9 | 0.120 3 | 0.177 3 | √ | |
0.025 1 | 0.025 6 | 0.025 0 | × | |
0.025 1 | 0.025 5 | 0.025 1 | × |
表中“×”为保护不动作,“√”为保护动作,BC为BC相间故障,BCG为BC两相接地故障,ABC为三相对称故障,后文亦同。由
考虑高阻故障时正序电流幅值差动保护的适用性。
100 Ω两相接地故障正序电流幅值差
The positive sequence current amplitude difference of 100 Ω two-phase grounding fault
600 Ω两相接地故障正序电流幅值差
The positive sequence current amplitude difference of 600 Ω two-phase grounding fault
另外,区内和区外各选一个典型点,仿真对比不同失步条件下,发生经30 Ω过渡电阻BC相间故障时2种保护的动作情况,如
失步情况下2种保护判据的动作情况
Two protection criteria′s action situation if out of step
失步角度/(°) | |||||
负序 | 正序 | 负序 | 正序 | ||
60 | √ | √ | × | × | |
120 | √ | √ | √ | × | |
180 | × | √ | √ | × | |
240 | × | √ | √ | × | |
300 | × | √ | × | × |
实际配电网中无测量分支负荷大小有可能发生变化,须验证所提判据对负荷变化的鲁棒性。以
负序电流比相结果
Negative sequence current phase comparison results
故障位置 | 无测量分支负荷水平/(MV·A) | ||||
0.1 | 0.3 | 0.8 | 1.5 | 2.5 | |
3.144 | 3.151 | 3.156 | 3.154 | 3.203 | |
0.543 | 0.645 | 0.665 | 0.798 | 0.779 | |
0.670 | 0.715 | 0.665 | 0.773 | 0.803 | |
0.779 | 0.774 | 0.768 | 0.813 | 0.743 | |
3.139 | 3.134 | 3.121 | 3.103 | 3.079 | |
3.139 | 3.134 | 3.121 | 3.103 | 3.078 |
正序电流幅值差动值
Positive sequence current amplitude differences
故障位置 | 无测量分支负荷水平/(MV·A) | ||||
0.1 | 0.3 | 0.8 | 1.5 | 2.5 | |
故障前 | 0.005 5 | 0.016 1 | 0.042 2 | 0.078 0 | 0.127 4 |
0.005 4 | 0.016 0 | 0.041 8 | 0.077 5 | 0.126 7 | |
0.040 2 | 0.050 8 | 0.076 7 | 0.112 1 | 0.161 1 | |
0.039 0 | 0.049 4 | 0.075 0 | 0.110 0 | 0.158 3 | |
0.037 4 | 0.047 8 | 0.073 5 | 0.108 5 | 0.156 8 | |
0.005 4 | 0.015 9 | 0.041 7 | 0.077 1 | 0.125 9 | |
0.005 4 | 0.015 8 | 0.041 7 | 0.077 0 | 0.125 9 |
依据式(16),
由
进一步地,考察无测量分支负荷阻抗角(感性)变化时保护方案的性能。在区内、区外各选取一个具有代表性的故障点,设置过渡电阻100 Ω的BC两相接地故障,无测量分支线上接有容量为2 MV ·A的感性负荷,改变负荷阻抗角,2种保护的动作情况如
不同分支负荷阻抗角时保护动作情况
Protect action when different branch load impedance angles
保护类型(故障点) | 无测量分支负荷阻抗角/rad | ||||
0.175 | 0.436 | 0.698 | 1.047 | 1.483 | |
负序( |
√ | √ | √ | √ | √ |
负序( |
× | × | × | × | × |
正序( |
√ | √ | √ | √ | √ |
正序( |
× | × | × | × | × |
从
分析相量差动保护应用于配电线路的动作性能。考虑到无测量分支的电流会呈现为差流特征,为了保证区外故障时的安全性,相量差动保护需要整定较高的动作门槛,从而降低灵敏性。以无测量分支负荷2 MV ·A,BC两相接地故障为例,考虑负荷的波动,以正常运行时线路两侧电流相量和的2倍作为相量差动保护的动作门槛。则正常运行和区外短路时相量差动保护不误动。区内故障时,不同过渡电阻下,3种保护的动作情况如
3种保护不同过渡电阻区内故障时动作情况
Internal fault actions of the three types of protections when different transition resistance
保护类型 | 过渡电阻/Ω | ||||
0 | 10 | 30 | 100 | 300 | |
相量差动 | √ | √ | × | × | × |
负序比相 | √ | √ | √ | √ | √ |
正序幅值 | √ | √ | √ | √ | √ |
从
为验证不同类型DG及其在不同渗透率时的判据适应性,仿真分析DG处于弱送端时,线路故障后的DG控制策略是否会对动作性能产生影响。与4.1节相比,改变
不同类型和容量DG的负序比相结果
Negative sequence phase comparison for different types of DG with different capacity
不同类型和容量DG的正序幅值差
Positive sequence amplitude difference for different types of DG with different capacity
由
由
与基于光纤通道直联的单元式保护不同,基于5G通信双端量保护的时延主要由配电网保护的信息采集、算法处理以及5G的传输总时延构成。
其中,配电网电流信息采集与保护的数据处理的耗时用
对于
综上,通信环节总延时大致为13~15 ms,考虑加密过程需要额外耗费约10 ms,则计及加密的通信环节总延时23~25 ms。
考虑算法本身的时间窗,以故障发生时刻为起点,基于5G通信的负序比相保护和正序电流幅值差动保护整体出口在43~45 ms以内。而传统的三段式过流保护,Ⅱ、Ⅲ段时延0.3 s以上,并且Ⅱ段整定配合困难时,必须依赖Ⅲ段动作,Ⅲ段动作时延累积可能很长。过流Ⅰ段在20 ms内动作,有些情形出于躲过避雷器放电电流和变压器励磁涌流的考虑,也整定0.1 s延时动作,并且对于复杂的有源配电网线路,Ⅰ段的保护范围可能极小甚至缺失。相比而言,文中所提方案里的前2种保护判据动作速度略慢于能瞬时动作的过流Ⅰ段(20 ms),但明显快于过流Ⅱ、Ⅲ段。由于无需额外的通信建设成本即可显著提高含无测量分支线路保护的可靠性和速动性,文中所提方案有望在重要城市的重要配电干线上得到应用。
文中提出一种基于5G信道、计及配网线路无测量分支影响的配电网快速综合保护方案。该方案可以兼顾区外故障的安全性和区内故障的灵敏性。
(1) 在5G通信系统两侧数据同步性得到保证时,负序电流比相保护判据可以为线路提供快速的可靠保护。
(2) 若5G失步,正序电流幅值差动保护仍可为线路提供快速的灵敏保护,且可以有效弥补负序电流比相保护不能响应对称性故障的缺陷。
(3) 若5G完全中断,负序电流比相保护和正序电流幅值差动保护自动闭锁,三段式过流保护仍可有效发挥作用。因此,所提综合快速保护方案大大提升了传统三段式过流保护的可靠性和快速性。
考虑到我国中压配电网多采用中性点非有效接地方式,在发生单相接地故障时电流数值很小,负序角度和正序幅值变化量都可能测量不够准确,因此为保证保护动作可靠性,可不启动负序电流比相保护和正序电流幅值差动保护。如何有效解决非有效接地配电网单相故障快速辨识的问题,有待后续进一步的研究。
本文得到国网北京市电力公司科技项目“基于新型无线通信技术的配电网保护技术研究”(520223190042)资助,谨此致谢!
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