適用于新型配電網的改進型電流保護

戴志輝， 張藝宏， 于禮瑞， 邱曉璇， 何靜遠

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

“雙碳”目標下,為實現電源清潔低碳化,新能源廣泛接入配電網[1]。配網作為消納新能源特別是分布式電源的主要載體,逐步轉變為具有高比例電力電子設備應用和高比例可再生能源接入及需求側隨機性和供給側隨機性的“雙高”、“雙隨機”等新特征的新型配電網[2]。

隨著DG高比例接入,配網拓撲和故障特性的改變影響了保護的動作性能及配網安全可靠運行[3]。由于不需調整原有保護方案,配網出現故障后及時將DG退出的方法使用較為廣泛[4]。但配網中多發瞬時性故障,DG頻繁接入和切出使DG利用率下降。此外,通過選址定容[5]減小DG接入對保護的影響在新能源發展的初期具有一定應用價值,但其難以有效適應新型配電網的發展。因此研究適用于新型配電網的保護原理具有理論意義和實用價值,當前研究成果主要集中于:

1)自適應保護:文獻[6]利用線路兩側的電流相關系數實時調整差動的保護動作特性,實現保護自適應保護;文獻[7]使距離保護動作邊界隨自適應系數動態調整,再實時修正自適應系數;文獻[8]在故障后通過檢測故障電流序分量確定故障類型,再采用不同整定值使保護的定值時刻變化,實現過流保護自適應。當前的自適應 保護的思路多為故障后依據故障特性構建自適應保護判據,這種故障后再計算及判斷的方法從原理上無法杜絕邏輯判斷時間對保護速動性造成的影響,且自適應保護裝置除了智能化要求高以外,對系統硬件裝置的要求較高,異常數據對其影響也較大[9]。

2)利用故障分量構成的保護:文獻[10]通過檢測到負序故障分量時保護裝置啟動、檢測到最大正序故障分量的保護才動作的方法判別故障范圍;文獻[11]利用故障序分量幅值之和的初始突變量來定位故障。由于目前大多光伏及儲能采用抑制負序的控制策略[12],其輸出故障分量受控制方式影響較大,因此這類方法普適性較弱。

新型配電網背景下新能源運行狀態多樣化、電網潮流雙向化等新的因素開始主導電網的運行方式,系統最大、最小運行方式之間的跨度由于新能源機組的存在變的越來越大[13],當前配電網中基于最大、最小運行方式整定的三段式電流保護愈加難以同時滿足保護“四性”。

在此背景下,首先搭建接入多類型高比例具有低壓穿越能力DG接入的配電網模型,分析適用于新型配電網短路計算方法,研究6個典型場景下DG對保護四性的影響;提出將配網運行狀態聚類為多個運行狀態集后集內分別整定的整定方案和依據配網運行狀態更新定值的定值在線更新方案,最后利用PSCAD/EMTDC仿真在不同故障類型、故障位置及DG出力情況下保護動作情況,并與三段式保護靈敏度對比,驗證了所提方案的有效性。

1 多類型DG接入配網的故障分析

1.1 多類型DG接入的配電網短路計算

考慮不同DG的并網控制和低電壓穿越策略,光伏及儲能為逆變型DG,正常并網運行為恒功率控制,故障后為低電壓穿越控制[14],采用正負序雙dq電流控制抑制負序分量輸出,故障后等效為受并網點電壓控制的正序電流源。雙饋型風力發電機的低穿越策略據機端電壓跌落程度分兩類,若機端電壓跌落嚴重,雙饋風機快速投入Crowbar保護,正負序等值電路均為無源阻抗;若跌落程度較輕,無需投Crowbar保護,正序等值為帶內阻抗的正序電勢,負序無源阻抗;永磁直驅風機輸出故障電流由機端電壓及故障前工況決定,等值為受控電流源[15]。

圖1為含多類型DG配網不同故障時的通用序網圖。圖中M為故障點,Es為系統側等效電勢,Zs1為正序內阻抗,ZLS1為系統電源到故障點間線路正序阻抗之和,ZLD1為故障點到光伏電站DG1間線路正序阻抗之和,ZD1為光伏正序內阻抗及出口變壓器正序阻抗之和;ZLD2為DG1到風電站DG2之間線路的正序阻抗,由風機種類及低穿策略選擇開關S1閉合位置;ZLD3為DG2到儲能站DG3之間線路的正序阻抗,由儲能充放電狀態選擇開關S2閉合位置。Zeq.f為零序及負序等值阻抗,不同故障下Zeq.f如式(1)所示,式中Zeq.2為負序等效阻抗,Zeq.0為零序等效阻抗。

圖1 不同故障類型時的通用序網圖Fig.1 General sequence network for different fault types

(1)

IDG1、IDG3為故障后DG輸出電流,計算公式為

(2)

1.2 多類型DG接入對保護四性影響分析

1.2.1 配網正常無故障運行

圖2為10 kV配網,圖中新能源場站DG1為有低壓穿越能力同時抑制負序的光伏電站、DG2和DG3分別為具有低電壓穿越能力的雙饋風機及儲能站,仿真參數見附錄表1。線路L1～ L11為架空線路,型號LGJ-120/25[16],R=0.27 Ω/km,X=0.347 Ω/km,線路分別配有保護K1～K11,末端為負荷Load1～Load5。

圖2 含多類型高比例DG的配電網接線圖Fig.2 Distribution network wiring diagram with multiple types of high proportion DG

以圖2配網的保護K2和K4分別說明DG接入對DG上、下游保護的影響:系統正常運行,初始時刻僅投入DG1,第5秒時DG2投入,如圖3所示流過K2的電流降低了25.61%,對保護選擇性和可靠性無影響,而保護的速動性與保護裝置本身的性能和Ⅱ段及Ⅲ段的時限Δt有關,故正常運行時不考慮速動性受到的影響;對DG下游保護K4,初始時刻僅投入DG1,第5秒DG2投入后流經K4電流增大,保護誤動概率增大,可靠性降低。

圖3 DG接入對正常運行配網的影響Fig.3 Influence of DG access on normal operation of distribution network

1.2.2 僅故障點下游有DG接入,且DG接入位置在本線路末端

由于DG接于故障點下游對流經保護電流的影響為三個DG影響的疊加,故先分析DG1。圖4為圖2配網僅投DG1時,f1處發生BC兩相短路故障簡化后的正序等效電路圖,圖中ZG’為系統等值阻抗及線路L1阻抗之和,EDG為故障后DG的等效電勢EDG=ZDG·f(UDG)+UDG’,ZDG為DG的內阻抗及出口變壓器阻抗之和。

圖4 僅故障點下游有DG接入的配電網等效電路Fig.4 Equivalent circuit of distribution network with DG access only downstream of fault point

總故障電流IF為

(3)

式中:VF為EG和EDG并聯后的等值電勢。流過保護K2的電流為

(4)

令ZC=ZG’+Z2’、ZD=Z2”+ZDG及γ=ZC/ZD代入式(4)。在DG接入之前,If.CB可以表示為

If.CB=VF/(ZC+ZF)

(5)

定義保護的靈敏度惡化率(Sensitivity deterioration rate, SDR)為DG接入前后流過保護的故障電流大小的比值,令ZFC=Zf/ZC,得SDR為

(6)

由式(6)可得,SDR恒為小于1的值,DG1接入使保護K2靈敏度下降;DG3為放電狀態及DG2撬棒保護未投入時,由于均等效為壓控電流源,故分析與DG1相同;DG3為充電狀態及DG2投入撬棒保護時等效為無源阻抗,對流經保護K2的故障電流無影響。

在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中構建圖2所示配網,設置f1處發生BC兩相短路故障。

1)對本級線路保護Ⅰ段,DG不同出力流過K2的電流均小于無DG接入時,K2保護范圍縮小。

2)對本級線路保護Ⅱ段,其靈敏度為最小運行方式L2末端兩相短路電流Ik.min與Ⅱ段整定值的比值,由圖5得Ik.min隨DG的出力改變,當DG未并網時,Ik.min為3.580 9 kA;當故障前DG1和DG2的輸出功率為額定功率的50%、DG3為充電狀態時,Ik.min的變化較小,為3.53 kA;當DG輸出均達到額定時,Ik.min下降到3.25 kA,K2的Ⅱ段靈敏度從1.34下降到1.20,靈敏度不足。同時由于流經K2的故障電流減小,保護拒動可能性增大,可靠性下降。

3)對本級線路保護Ⅲ段,當保護作本級線路近后備,情況與Ⅱ段相同,靈敏度隨DG出力的增加而下降;當保護作相鄰線路遠后備,靈敏度為最小運行方式L3末端兩相相間短路電流與Ⅲ段整定值的比值,需分析L3末端兩相相間短路時流經K2的短路電流變化,即為故障點上游有DG接入且DG位于線路首段的情況,同第1.3.4節中的分析(此處不再詳述),得流經保護K2電流變小,因此Ⅲ段靈敏度會下降且下降程度較大,同時保護可靠性降低。

圖5 DG不同出力下最小電流比較(L2末端兩相短路)Fig.5 Comparison of Ik.min under different output of DG (two-phase short circuit fault occurs at the end of L2)

4)對上級保護K1,DG使L2末端兩相短路電流下降,Ⅲ段作本級近后備時靈敏度降低。

1.2.3 僅故障點下游有DG接入,且DG接入位置不在本線路末端

當f2處BC兩相短路,DG位于下級線路末端,因此DG對保護Ⅰ段、Ⅱ段及Ⅲ段作本線路近后備的影響分析同1.2.2節,當Ⅲ段作相鄰線路遠后備時,保護靈敏度隨DG在故障前輸出功率的增大而下降,與1.2.2節中Ⅲ段作本級近后備情況相同。

1.2.4 僅故障點上游有DG接入且故障線路首端有DG接入

當f3處兩相短路故障,故障點上游有DG接入且位于L5首端。對本級保護K5,DG對短路電流起助增作用,流過K5的電流隨故障前DG輸出功率的增大而增大,保護能可靠動作,對四性影響可忽略。對于上級保護K4,此時簡化等效電路為圖6。

圖6 僅故障點上游有DG接入的配電網等效電路Fig.6 Equivalent circuit of distribution network with DG access only upstream of fault point

由式(7)可得,由于DG的分流,流經K3的短路電流隨DG故障前輸出功率的增大而下降。如圖7所示,DG接入后上級線路保護K4靈敏度下降,當DG輸出功率達到最大,K4Ⅱ段作L5遠后備時靈敏度降到1.00,遠達不到靈敏度要求,保護可靠性也隨之降低,由于K5不會誤動,故對保護選擇性無影響。

圖7 DG不同出力最小電流比較(L3末端兩相短路)Fig.7 Comparison of Ik.min under different output of DG (two-phase short circuit fault occurs at the end of L3)

1.2.5 其他場景

故障點的相鄰饋線、上游(故障線路首端無DG接入)及上下游均有DG接入時保護受DG的影響與前文分析同理,不再贅述,附錄表2為DG在6種典型場景下對的保護四性影響總結。綜上,傳統電流保護受DG接入的影響程度與其在故障前的出力密切相關,DG出力波動時,其對保護的影響也更加多變。

2 改進型電流保護方案

2.1 配網運行狀態聚類

2.1.1 數據選取

三段式電流保護以最大運行方式整定、最小運行方式校驗,若根據故障前時刻系統運行狀態做實時整定,計算量大且對通信同步要求高,且異常數據的存在對依靠故障前數據實時整定影響較大[17]。

提出根據配網歷史運行狀態數據聚類的離線整定方法,表征運行狀態的數據選取原則為采樣點位置應充分包含可能影響流過保護處電流的負荷、支路及DG等;采樣時間的選擇具有代表性。以圖2配網的保護K3為例,采樣點分為配網線路采樣點(星形采樣點)及DG出線采樣點(三角形采樣點),星形采樣點采集影響流過保護K3電流的線路及負荷上流過的電流大小及其相位;由前文分析得DG的輸出直接影響故障電流的大小,故三角形采樣點采集DG的輸出電流大小及相位?？紤]DG由于季節及晝夜引起的出力變化,采樣時間選擇在“夏大、夏小、冬大、冬小”的冬夏典型運行日[18]及春、秋的典型運行日,即選取至少六個典型運行日下各采樣點數據作為后續算法輸入,實際應用中,除上述六個必要典型日外可根據配網運行特點增加采樣天數。

2.1.2 算法選取

配網運行狀態的改變會以支路電流大小及相位、DG出力等電氣量的變化來表現。實際系統中包含大量元件、不同時間尺度,故數據維度高、規模大、有復雜的相關性及一定冗余性。因此對配網運行狀態分組用預處理后聚類再降維可視化的思路。

1)預處理:常用的降維預處理算法有主成分分析(PCA)及多維變量縮放等。通過去除電流采樣數據中冗余維度來提升后續聚類效率,使所提方案更適用于新型配電系統。選取效率較高的PCA對采樣得到的運行狀態數據做降維預處理。

2)聚類:選取收斂速度較快且魯棒性好的K-means++算法。由于K-means++在選第x個聚類中心時距當前x個聚類中心越遠的點會有更高概率被選為第(x+1)個聚類中心,故在聚類中心的選取上優于隨機選取數據集中K個點作聚類中心的K-means。

由于新型配電網系統運行方式多樣,難以憑借經驗選最優聚類數,故把運行狀態相似度定義為每一類中各運行狀態到聚類中心間的平均距離,再采用式(8)選取合適的聚類數。

(8)

圖8 最優聚類數選取原理Fig.8 Selection principle of optimal number of clusters

3)降維可視化方法:通過降維可視化將高維數據映射到2維空間實現電配網高維非線性運行狀態數據的可視化。選取t-SNE算法做降維可視化,其基本思路是將高維運行狀態數據和一個低維流形建立對應關系,并通過計算得到相應運行方式在低維流形中的具體位置[19]。圖9為得到L個運行狀態集及其對應聚類中心的算法流程圖。

圖9 得到運行狀態集的聚類算法流程圖Fig.9 Flow chart of the clustering algorithm for obtaining the running state sets

2.2 保護方案

提出的整定方案為離線整定,首先根據前述數據選取原則,收集各采樣點運行狀態數據,若選定A個典型日,m個星形采樣點,n個三角形采樣點,每一采樣時刻的(2m+2n)個被采狀態量形成一組運行狀態,目前電網要求調度計劃每15分鐘刷新一次[20],故采樣間隔選為15分鐘,形成的輸入矩陣為

(9)

r=(A×24×60)/15

(10)

令s=2m+2n,則形成r*s維數據作為后續聚類算法的輸入。按圖9所示流程對這r*s維數據聚類得到L個運行狀態集及各集的聚類中心。最后,按經典電流保護整定方法分別計算各運行狀態集的整定值,以圖2中K3為例說明,對保護K3的Ⅰ段:

(11)

對保護K3的Ⅱ段:

(12)

對保護K3的Ⅲ段:

(13)

(14)

式中:ΔI21=IK(t2)-IK(t1)、ΔI32=IK(t3)-IK(t2),IK(t1)、IK(t2)、IK(t3)分別為流經保護K3的電流有效值(計算間隔為0.1 s),即流經保護的電流連續增大或減小且超出最大、最小電流范圍則考慮定值切換。具體地,若電流連續增大的同時第三次有效值大于K1IKmax則啟動定值切換,K1取1.1;或當電流連續減小且第三次有效值小于K2IKmin時啟動定值切換,K2取0.9。圖10給出了啟動定值切換邏輯。

圖10 定值切換啟動邏輯圖Fig.10 Start-up logic diagram of fixed value switching

定值切換啟動后,計算配網當前運行狀態與離線計算得到的各運行狀態集聚類中心間歐式距離的大小[21],距離最小的組則為其所屬的運行狀態組,將保護定值換為當前配網所屬運行狀態集的定值,完成保護定值的在線更新,圖11所示為保護方案流程圖。

圖11 改進型三段式電流保護保護方案Fig.11 Improved three-section current protection scheme

3 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC中搭建圖2所示配電網驗證所提保護方案。以保護K3為例,用DG1、DG2、DG3均不接入來模擬傳統配電網,即新能源滲透率為0%的無源配電網;以DG1接入來模擬低新能源滲透率(20%)的配網;以DG1～DG3均接入模擬符合未來配電網發展趨勢的新型配電網,即新能源滲透率為40%。采樣點設置見附錄圖1,在Python中對采樣得到的六個典型日的18*576維采樣數據聚類,將聚類結果可視化后,得到圖12所示運行狀態的二維空間分布,圖中的每個點都代表一個時刻的運行狀態,不同形狀的點代表不同的運行狀態集,橫縱坐標為聚類后的運行狀態經t-SNE降維到二維平面的相對位置。由圖12及附錄圖1可以看出運行狀態集的數量隨著可再生能源比例的上升而顯著增加,從低滲透率時的3個上升到中滲透率時5個,最終達到高滲透率時的8個。表1為在高滲透率新能源接入下分別計算得到的8個運行狀態集內K3整定值。

圖12 高比例可再生能源場景(40%)運行狀態組聚類結果Fig.12 Clustering results of operational state groups with high proportion (40%) of renewable energy

3.1 不同短路類型及短路位置保護的動作情況

圖13為DG1～DG3某典型日的出力,選取15:00時線路L3的中點處發生單相接地、兩相短路及三相短路故障。得故障前與運行狀態集5的聚類中心的歐氏距離最近,圖14所示為仿真故障電流,均大于保護的Ⅰ段整定值2.764 kA,能可靠動作。

表1 改進型電流保護K3整定值

圖13 DG日典型出力曲線Fig.13 Typical daily output curve of DGs

圖14 不同類型短路故障電流Fig.14 Fault current of different types of short circuit

圖15 不同位置短路故障電流Fig.15 Fault current at different positions

圖15為線路L3距保護安裝處為線路全長30%、60%、90%的地點發生單相接地故障,以及L3距保護安裝處為線路全長90%處發生經30 Ω過渡電阻的單相接地故障時流經保護的故障電流仿真圖?？傻?故障位于線路L3的30%、60%時,流經保護的故障電流大于保護Ⅰ段整定值2.764 6 kA,因此I段能可靠動作;當L3距保護安裝處為線路全長90%的地點發生單相接地故障時,故障電流為2.637 1 kA,超出Ⅰ段保護范圍,但大于Ⅱ段整定值2.566 kA,因此Ⅱ段能可靠動作;由于10 kV配電網中,過渡電阻一般不超過30 Ω[5],當L3距保護安裝處為線路全長90%處發生經30 Ω過渡電阻的單相接地故障時,流經保護的故障電流大于保護Ⅲ段整定值1.605 kA,保護具有良好的耐接地電阻能力。

3.2 多DG對改進型保護靈敏度的影響

根據各運行狀態集定值,計算保護II段和III段的靈敏度,結果如圖16所示,方案可在DG不同出力下有效提高保護II段及III段靈敏度,提升保護性能。

圖16 不同位置短路故障電流Fig.16 Fault current at different positions

4 結 論

提出“保護離線整定、定值在線更新”的改進方法,經仿真驗證可克服有源配網運行方式多樣背景下單一定值給保護可靠性和選擇性帶來的影響。當系統出現故障時,保護定值已根據系統最新運行狀態更新。

由于方法較全面利用了DG出力數據及系統多點電流采樣數據,改善了DG出力隨機性及配網拓撲變化造成保護失配的問題。同時避免了當前自適應保護在故障后進行定值修正可能對保護速動性及可靠性造成的潛在影響,適用于多類型、高比例DG接入的新型配電網。

(附錄請見網絡版,印刷版略)