分布式发电接入主动配电网区域保护算法

沈 鑫 曹 敏

（云南电网有限责任公司电力科学研究院 昆明 650217）

1 引言

大量分布式电源通过配变接入电网后将改变系统中的潮流及故障电流的分布，使传统的辐射式网络将变为一种遍布电源和负荷的互联网络，同时也会使环状网络变得更加复杂。然而，现运行的配电网保护大多采用基于本地电气量的过流保护或阻抗保护，其难以适应DG高渗透率的配电网的保护需求。

目前针对分布式电源进行研究的文献大都是只考虑其通过变电站母线接入的形式，对于通过配变接入的情况考虑不足，但通过配变接入的方式也是以后的重要发展方向之一。由于配电网的故障一般不会引起大面积的停电，因此其对继电保护的动作时间要求低于输电网。因此，本文综合考虑以通信技术和网络技术为代表的新技术在继电保护中的应用提出一种能够适应SCDG高渗透率的配电网区域继电保护算法。

2 主动配电网区域保护的结构及功能

配电网区域保护拟采用集中式结构和分布式结构相结合的形式，即在配电网区域保护系统中，故障的判断主要由区域决策中心系统执行。当通信网络中断时，也可以考虑由配置在各个测量点的Agent单元的本地保护来完成，可满足不同运行条件下对保护的不同需求。区域保护系统结构框图如图1所示。

区域保护系统包括三个层次构成：系统监控中心（System Monitor Center,SMC）、区域保护决策单元（Region Decision Unit,RDU）和本地测量单元（Local Measure Unit,LMU）。

本地测量单元（Agent单元）安装在本区域内接有SCDG的支路上以及干线的两端，负责将本处的测量判断结果传送至区域保护主机。Agent单元负责采集本地的电流电压信息，并利用保护相关算法对其进行运算，将得出的测量点故障的方向信息传送至区域保护主机。

图1 区域保护系统结构框图Fig.1 Block diagram of regional protection system

区域决策层指区域保护系统的主机，正常运行时，用于监控本区域内Agent单元的运行状态；故障发生后，根据Agent单元上传的故障方向信息形成故障关联矩阵，然后利用故障关联矩阵判断故障元件并做出相应的决策，最后将决策信息下传至区域内的Agent单元。主机在收到Agent单元的反馈信息后，通知干线上的Agent单元自动重合闸，同时也将判断和操作信息上传至顶层的系统监控层。

系统监控层负责实时协调和监控各区域保护系统，各个区域电气量的实时显示，故障事件的记录以及各种保护定值的修改等。

配电网区域保护系统的主要功能包括主保护功能和后备保护功能：主保护功能是依赖通信网的区域保护系统；后备保护功能是不依赖于通信网的本地保护，可为电流保护或者距离保护等。区域保护和本地保护之间互相配合共同完成对SCDG高渗透率配电网的保护。

2.1 Agent单元的结构

Agent单元可视为一个分布合作的解决问题的智能节点，能够根据测量的电气量判断故障方向，也能够和主机以及SCDG之间进行信息传递，结构如图2所示。

图2 Agent单元的结构Fig.2 Structure of Agent cell

2.2 Agent单元的动作逻辑

Agent单元对故障方向判断时可考虑增加故障分量信息，作为Agent单元判断故障方向的逻辑，其动作逻辑如图3所示。

图3 故障方向判定逻辑图Fig.3 Logical diagram for judging fault direction

3 配电网区域继电保护算法

3.1 区域继电保护工作流程

在区域保护中，保护主机利用故障判别算法能够判断出故障位置，然后确定下一步要执行的保护策略，流程如图4所示。

（1）收集各个测量点Agent单元的故障功率方向信息，形成故障关联矩阵，判断区域内是否发生故障。

（2）若故障不是发生本区域之内，则保护主机不下达操作命令；若发生在本区域内，则由保护主机在判断出故障元件后，向直接相关的Agent单元下达操作命令切除故障，同时由配变处的Agent单元检测并反馈SCDG的接入状态。

（3）主机根据Agent单元的反馈信息确定SCDG的连接状态，以决定是否重合闸。若重合成功，则通知Agent单元允许其管理下的SCDG允许并网，否则将相关的Agent单元在关联矩阵中关闭，刷新形成新的关联矩阵对应关系。

3.2 配电网区域保护系统算法

保护算法可按以下几个步骤构建。

（1）区域保护的保护范围。区域保护系统的保护范围包括直接保护区域和间接保护区域。直接保护区域（快速主保护区域）包括本区域内接有SCDG的支路以及本区域内的干线；间接保护区域（后备保护区域）可根据需要设定，主干线路上的Agent单元可作为相邻的线路提供后备保护功能，本文间接保护区域设定为直接保护范围相邻的所有被保护对象构成的区域。

（2）一次设备及Agent单元的表示。

为了能够正确的判断故障元件，需要在被保护区域内的每一个断路器、电流互感器、分段开关和跌落保险处都装设一个能够测量方向的Agent单元，其中分段联络开关处的Agent单元的测量判断结果可不参加计算，只作为判断下游是否存在故障的依据，其分合由保护主机决定。

图4 配电网区域保护策略流程图Fig.4 Distribution network regional protection strategy diagram

一次设备及Agent单元按以下格式进行表示。一次设备（ID、设备类型、设备名称、设备状态和对应的Agent单元）；Agent单元（ID、类型、状态和对应的SCDGs）。

ID是区分不同一次设备的标志。设备类型即为一次设备类型，如线路、母线等。设备名称为具体一次设备的名称。设备状态分为两种：运行和停运。对应的Agent单元为与该设备直接相关的Agent单元。

ID也是区分不同 Agent单元的标志位。Agent单元根据其作用特点分为3类：主干Agent单元，位于主干线路两侧，能够和相邻的主干线路上的Agent单元相互配合；普通 Agent单元，位于配电变压器的跌落保险处；联络Agent单元，安装于母联断路器或分段开关处。Agent单元的运行状态也分为运行和停运两种。Agent单元对应的SCDG即为接入配变支路的所有SCDGs。

（3）关联矩阵的形成

关联矩阵用于描述区域内一次设备和Agent单元的连接关系，分为直接相关、间接相关和不相关。直接相关是指Agent单元与一次设备相连，可直接用于判断一次设备是否为故障元件；间接相关是指区域内的Agent单元在区域内某支路发生故障或者主干线故障时本区域内的Agent单元与相邻主干线路上的Agent单元的关系，用于直接相关Agent单元拒动或信息丢失时，判断相应的一次设备是否为故障元件；不相关是指Agent单元与一次设备不相连，不相关Agent单元的动作情况不能作为一次设备是否为故障元件的判据。在式（1）所示的关联矩阵中，直接相关Agent单元用“+”表示，间接相关Agent单元用“⊕”表示，不相关Agent单元用“×”表示，则关联矩阵为M×N维矩阵，M为区域保护系统保护范围内同类型的一次设备数目，N为区域保护系统保护范围内的Agent单元数目。关联矩阵中每一行代表一个一次设备元件，每一列代表一个Agent单元，依次排列于关联矩阵中，矩阵中的具体元素描述了一次设备与Agent单元的连接关系。

本文以图5系统为示例阐述关联矩阵的形成，具体分为4个步骤。

① 确定区域保护系统内的保护对象。保护对象包括L1～L9共9条线路。

② 确定保护范围内的Agent单元。区域保护系统内包括的Agent单元为A1～A13。

③ 形成原始的区域关联矩阵。首先遍历本区域保护范围内所属的一次设备，形成原始关联矩阵。其次遍历本区域保护系统保护范围内的Agent单元，形成类似于式（1）的矩阵形式。最后，根据一次设备和Agent单元的关系，建立一次设备和Agent单元在关联矩阵中的位置索引，一次设备位置索引指示在关联矩阵中的行位置，而Agent单元位置索引指示在关联矩阵中的列位置。

④ 对关联矩阵进行初始化。根据Agent单元和一次设备连接关系的定义确定Agent单元与所有一次设备的连接关系。

按照上述步骤，区域保护系统对应的关联矩阵如式（2）所示。关联矩阵形成后，保护主机依据关联矩阵来判断具体的故障元件位置。

图5 示例系统Fig.5 Example system

（4）故障定位

对支路上的Agent单元方向进行定义时，将划定的保护区域看作为一个广义的节点，Agent单元中方向状态按流入节点为正，流出节点为负判断；和母线相连的Agent单元，按流出母线为正，流入母线为负；联络开关处的Agent单元不进行方向状态判断，只判断本地是否流过故障电流分量，用以判断故障是否存在。

方向元件状态

Agent单元向保护主机实时传输方向元件的判断结果。保护主机根据方向元件的输出值对关联矩阵进行赋值，形成故障关联矩阵。对关联矩阵进行赋值时，若方向元件与一次设备直接相关（对应关联矩阵中的“+”），则将Agent单元的输出值赋给关联矩阵的对应元素；若Agent单元与一次设备是间接相关或不相关（对应关联矩阵中的“⊕”和“×”），则直接将关联矩阵的对应元素赋值为0。

故障关联矩阵形成后，保护主机根据Agent单元信息的完整性计算各一次设备的故障方向信息综合值，然后将计算的值和故障门槛值进行对比即可判断一次设备是否为故障。一次设备对应的故障方向信息综合值按式（4）计算

式中，G(i)为第i个一次设备所对应的故障方向信息综合值；n为本区域保护系统范围内与第 i个一次设备直接相关的Agent单元数目；Aij为故障关联矩阵第i行第j列元素值。

当一次设备元件的故障方向综合信息值满足式（5）时，则可判断为该一次设备元件发生故障。

式中，M为一次设备。

FM(i)一次设备M的故障门槛值。

当所有Agent单元均有输出信息的时候，故障门槛值的设定取决于与该一次设备直接相关的Agent单元数量，但停运的Agent单元不包括在内。如对于（1）干线 L9的故障门槛值为4，而支路的门槛值则为1。

区域保护系统的保护主机在确定故障元件后，根据关联矩阵表示的一次设备与Agent单元的连接关系以及Agent单元的描述文件，通知各Agent单元所属的SCDGs跳闸，完成对故障元件的隔离。在保护主机收到Agent单元的反馈信息后，再通知自动重合闸装置重合。

（5）关联矩阵的变化

关联矩阵的形式并不是固定不变的，它能够随本区域结构的变化而变化。当配电网由于倒闸操作或其他原因使得其网络拓扑结构发生变化时，关联矩阵也必须与之相适应才能对故障进行正确的判断。配电网拓扑结构的变化既可能由一次设备退出运行引起，也可能由一次设备的增加引起。对于不同的情况，可以采取不同的措施使关联矩阵与配电网的网络拓扑结构相适应。

① 一次设备的减少。当配电网中某条支路退出运行时，与其直接相关的Agent单元也要退出运行。如（1）所示配电系统，当线路 L5因检修退出运行时，A5也需要退出运行。确定退出运行的一次设备和Agent单元后，通过对初始关联矩阵进行修改即可得到与本区域配电网拓扑结构相适应的临时关联矩阵，其修改原则为：将退出运行的一次设备对应的行从关联矩阵中删除，退出运行的Agent单元对应的列从关联矩阵中删除。同时更新一次设备和Agent单元在关联矩阵中的位置索引。

② 一次设备的增加。如区域内增加新的带有SCDG的支路，则也需增加与其对应的Agent单元。初始关联矩阵进行修改的原则为：在初始关联矩阵中增加新投入支路对应的行Mi；在初始关联矩阵中增加与之对应的列Nj，然后对关联矩阵的第Mi行和第Nj列元素进行初始化。最后更新支路和Agent单元在关联矩阵中的位置索引。

4 算例分析

以（1）所示的配电网为例，假设 L1～L6所有的支路上均接有 SCDG，且联络开关 A13闭合。若线路L7发生故障，当各Agent单元都有输出信息时，区域保护系统的故障关联矩阵如式（6）所示。

由式（6）的关联矩阵可知各干线的故障方向信息综合值为

由Agent单元和各元件的拓扑连接关系可知其应设定的故障门槛值为

由故障信息综合值和故障门槛值之间的对比可以判断出线路 L7为故障元件。保护主机通知 A7和A8将故障元件切除，同时通知 A5和 A6，让其支路上的SCDGs断开和配电网的连接。保护主机在收到A5和A6的反馈信息后，通知A7处的自动重合闸。重合成功，则通知A5和A6允许其支路上的SCDGs并网；重合失败，则通知 A5、A6、A7和 A8退出运行，并将其状态归0，同时更新一次关联矩阵。

若L7发生永久故障，且A7和A8成功将故障切除。若此时L9再发生故障，则故障关联矩阵为

由式（9）的关联矩阵可知各干线的故障方向信息综合值为

对比式（8）可知线路L9故障。

保护主机通知A11和A12将故障元件切除，同时通知A1、A2、A3和 A4，让其支路上的SCDGs断开和配电网的连接。保护主机在收到 A1、A2、A3和A4的反馈信息后，通知 A12处的自动重合闸重合。若发生的为瞬时性故障，在重合成功后，通知A1、A2、A3和 A4允许其支路上的SCDGs并网；若发生的是永久性故障，则通知本区域内的所有Agent单元退出运行，并将其状态设定为0，同时更新一次关联矩阵。

5 结论

本文针对主动电网提出了区域继电保护算法，保护主机利用 Agent单元的信息形成故障关联矩阵，然后根据故障关联矩阵计算保护区域内各元件的故障综合信息值，接着将计算得的综合信息值和设定的各元件的故障门槛值对比即可确定故障元件，最后由保护主机通知相应的Agent单元动作将故障切除。该算法不仅能够提供主保护功能，还能为相邻元件提供后备保护功能、通过具体的算例分析表明，该算法不仅原理简单、计算量较小，而且性能良好，可克服传统继电保护的一些不足，能够较好适应SCDG的接入给配电网保护带来的问题。

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