基于智能终端单元的分布式配电网静态安全分析∗

李怡萌 王 茜 王春梅 李皓然

（国网冀北电力有限公司技能培训中心 保定 071000）

基于智能终端单元的分布式配电网静态安全分析∗

李怡萌 王 茜 王春梅 李皓然

（国网冀北电力有限公司技能培训中心 保定 071000）

随着智能配电网的发展，分布式电源（Distributed Generation，DG）的大量接入和渗透率的不断提高改变了配电网的结构与潮流分布，导致传统配电网静态安全出现误动、拒动、灵敏度降低等问题，给配电网静态安全带来了巨大的挑战。论文通过结合传统的过电流静态安全及新型的分布决策式广域静态安全提出一种基于智能终端单元（Smart Terminal Unit，STU）的分布决策式静态安全方法。利用STU实时获取本地电流大小及方向信息，并将数据处理成逻辑值。经过逻辑计算后，满足条件的STU获取相邻STU的逻辑计算结果。结合本地与相邻线路两个站点计算的逻辑值，根据规定的判据，即可判断出故障区域；再通过对本地设备的控制，就可以准确快速切除故障线路。此种静态安全方法无需同步采样，大大降低了对通信通道的要求；同时也解决了DG给传统配电网静态安全带来的问题。最后通过PSCAD仿真验证了所提出的新型静态安全方案的合理性与可靠性。

配电网；分布式决策；静态安全；分布式电源；智能终端单元

1 引言

随着分布式发电的快速发展，大量的DG接入使配电网变成一个正常运行潮流与故障电流双向流动的有源网络，给配电网的静态安全与控制带来了新问题。为此，研究者提出了多种新型静态安全方案。在传统的电流静态安全的基础上增加了方向元件，构成了能够适应DG接入配电网静态安全方案。但是选择性仍是依靠静态安全之间逐级延时配合实现，因此总体动作速度较慢；采用反时限过电流静态安全的逐级配合原理，整定配合非常复杂，且总体动作速度较慢。另一类静态安全方案则是基于通信系统交换实时信息来实现的。近年来，配电网智能终端的智能化水平有很大提升，在采集、处理本地数据信息，获取相关站点信息功能的基础上，可以利用静态安全决策系统确定故障元件，向相关的终端执行单元发出动作信号隔离故障元件，并能支持高级应用软件。

本文提出一种基于STU的分布决策式静态安全方法。STU实时获取本地电流信息并处理成简单的逻辑值。经过逻辑计算后，满足条件的STU无需同步采样，获取相邻STU的逻辑计算结果。基于本地与相邻STU的信息，依据规定的判据，就可以准确快速地确定故障线路并切除。这种静态安全方案改进了传统配电网的静态安全功能，使其能够适应分布式电源给配电网潮流带来的影响，同时又仅利用相邻两站点间传输逻辑信号的通信方式大大降低了对通信通道的要求。

2 含DG的配电网电流特征分析

2.1 配电网故障模型

图1 含有DG的经典配电网故障模型

图1 是一个含有分布式电源的经典配电网模型。假设每一段线路的首端都配有电流静态安全装置，且规定参考方向为母线流向线路。该模型在正常运行时，每段线路流过的电流为正常的负载电流。没有接入分布式电源的馈线上流过的正向的负载电流；含有分布式电源的馈线AH上流过的电流方向不定，与分布式电源的容量有关。图中 f1、f2和 f3是三种典型的故障情况。

2.2 故障分析

下面分别详细地分析该模型在发生不同故障时，各段线路首端的电流变化情况。

1）当不含有分布式电源的馈线支路AB上发生短路故障 f1时，故障线路AB首端流过正向的故障电流，且故障电流由系统和分布式电源共同提供，因此此时的故障电流会比没有分布式电源接入时的故障电流大，相当于提高了静态安全的灵敏度；故障线路的下游线路BC、BD上没有电流流过；而另一条含有分布式电源的馈线AH上流过的电流都是反向的故障电流，故障电流由分布式电源提供，因此故障电流的大小与分布式电源的容量及故障类型有关。此时馈线AH上的故障电流如果大于静态安全的整定值，线路上的静态安全装置会误动，扩大停电范围。可以在馈线上的静态安全装置上加装方向元件以判断是否为区外故障，防止静态安全的误动作。

2）当分布式电源上游线路AE上发生短路故障 f2时，另一条馈线上的线路AB、BC、BD不受影响，仍然流过正常的负载电流，方向为正。故障线路AE上流过正向的故障电流，电流大小不受分布式电源的影响；故障线路的下游线路EH上流过反向的故障电流，故障电流由分布式电源提供，电流大小与分布式电源的容量有关。为了防止线路EH上流过的故障电流大于静态安全整定值而导致误动，需要在线路EH上装设方向元件。

3）当分布式电源下游线路FG上发生短路故障 f3时，另一条没有分布式电源接入的馈线上流过正常的负载电流，方向为正；故障线路上游线路AF上流过的是正向的故障电流，故障电流由系统提供；故障线路FG首端流过的是正向的故障电流，由系统和分布式电源共同提供。此时故障电流相对于没有分布式电源接入前增大，相当于提高了静态安全的灵敏度；而故障线路的下游线路GH上没有电流流过。

通过对故障前后电流大小及方向的分析可以发现，故障前线路上流过为正常运行的负载电流，电流方向与分布式电源的位置及容量有关。而故障发生后，故障线路上流过的一定是正向的故障电流；非故障线路上流过的可能是正常的负载电流，正向的故障电流，反向的故障电流，或者没有电流。所以静态安全装置仅通过本段线路上的电流大小及方向信息无法判断故障是否发生在本段。但是通过进一步分析可以发现故障线路如果存在上游线路，则其上游线路流过的一定也是正向的故障电流，而故障线路的下游线路一定不会流过正向的故障电流。因此，只要结合本段线路及相邻线路上的电流信息就可以确定故障线路。

3 基于STU的分布决策式配电网静态安全

3.1 分布决策式静态安全原理

对含有分布式电源配电网在不同故障情况下电流的分析可知，每段线路上流过电流的大小及方向会不同程度受到分布式电源的容量和接入位置影响，但相邻线路上的电流之间却存在着必然的联系。因此得到以下的静态安全原理。

1）若某段线路首端没有流过正向的故障电流，则故障一定不发生在该段线路，且不需访问相邻下游线路。

2）若某段线路首端流过正向的故障电流，若其相邻下游线路没有流过正向电流，则故障一定发生在本段线路上，断路器跳闸断开故障线路。

3）若某段线路首端流过正向的故障电流，若其下游线路流过正向电故障电流，则故障一定不发生在本段线路上，本段线路闭锁。当本段线路不再流过正向的故障电流时，解除闭锁。

3.2 基于STU的分布决策式配电网静态安全方案

图2 典型智能配电网模型

图2 为含有分布式电源的典型配电网模型，每段线路的首端装有过流静态安全元件及方向元件，实时测量线路上的电流大小及方向。每段线路的首端还装有断路器，保证收到跳闸信号时可以快速切断故障线路。每套静态安全配有相应的STU，并且将这个配电网区域内的站点设计在同一个光纤以太网内。每个STU实时监测并处理本段线路电流大小及方向的信息。满足访问条件时，以以太网为通信通道获取相邻STU的数据，实时数据传输延时可以控制在10ms以内，控制响应时间小于100ms，完全满足配电网静态安全对动作速度的要求。

图3为静态安全方案的具体流程图。在此静态安全方案中，每个STU需实时完成三个功能：

功能一：判断本段线路是否过电流。每段线路电流的整定值按照定时限过电流静态安全（第III段过电流静态安全）即躲过最大负荷电流的方法来整定。当实际电流大于整定值，则记A的值为“1”，否则将 A记作“0”（A的值表征本地线路上的电流是否为故障电流）。

功能二：判断本段线路首端的电流方向。规定参考方向为母线指向线路的方向。若电流方向与参考方向相同，即正方向，则记B的值为“1”；否则将B记作“0”（B的值表征本地线路首端的电流方向）。

功能三：逻辑运算。将A和B进行逻辑“与”计算（即A∩B）结果记作C。

图3 静态安全方案流程图

C值是STU实现本文静态安全原理的重要信息。若计算结果C值为“1”，则说明本段线路上流过正向的故障电流，则证明故障应该发生在本段线路及其之后的线路上。若C值为“0”则可能有以下三种情况：

1）0∩1：说明本段线路流过正向的负载电流，没有故障发生在本段线路上。

2）1∩0：本段线路上流过反方向的故障电流，证明故障发生在本段线路之前，并且由本段线路下游的DG提供的反向故障电流。

3）0∩0：本段线路上的没有电流或者反方向的正常负载电流，则故障可能发生在上游线路，或者下游的DG容量很大，线路上流过反向的负载电流。

综上所述，C=0时，满足原理1），说明本段线路没有流过正向的故障电流，不需访问相邻线路。C=1时，本段线路流过正向故障电流，需要获取下一段相邻线路的STU的C值，因此，C值为“1”是STU访问下段线路STU的C值的启动条件。若下一段线路C值为“0”，则满足原理2），确定故障发生在本段线路上，本地STU给断路器发跳闸信号。若访问到下一段线路的C值是“1”，则满足原理3），排除故障发生在本段线路上的可能，本地STU给断路器发闭锁信号，维持本段线路正常运行。当下游的STU确定出故障并隔离后，本地STU计算得到C值为“0”，此时解除闭锁。

3.3 静态安全方案补充说明

1）处于馈线末端线路上的STU逻辑计算得到C值为“1”，则说明故障一定发生在本段线路上，立刻给本段断路器发出跳闸信号，切除故障线路。

2）当某一段线路下一级为分支线路时，且该段线路又满足启动访问条件，则该段线路的STU需要访问下一级所有分支的C值，并将下级所有的C值进行逻辑“或”计算后的结果作为判定条件，即C1∪C2∪…∪Cn。

3）电流方向对于实现本文所提出的静态安全功能有决定性作用，因此方向元件在此静态安全方案中十分重要。传统90°接线功率方向元件是最常用的测量方向的元件，但由于需要安装电压互感器获取电压信息，所以难以在配电网大规模使用。

4 仿真分析

4.1 含DG配电网典型算例

利用PSCAD仿真软件搭建如图2所示的仿真模型。系统基准容量为100MVA，基准电压为10.5kV。其中，线路AB、AE、EF为架空线路，线路参数为 r1=0.270Ω/km ，x1=0.347Ω/km ，BC、BD、FG、GH是地下电缆，参数为 r2=0.259Ω/km，x1=0.093Ω/km。节点F和节点H处接有容量为1MVA的DG。在每段线路配备本文所提静态安全方案。通过分析电流的大小及方向，利用本文所提供的静态安全方案判断故障位置。

4.2 线路AB末端发生故障

当线路AB末端发生三相短路故障 f1时，相应的仿真结果及逻辑值如表1所示。

通过仿真结果可知，STU1的C=1，说明线路AB流过正方向的故障电流。此时STU1启动访问下级STU的C值。由于线路AB下级时分支线路，因此将STU2和STU3的逻辑值C进行逻辑“或”计算，即0∪0=0。所以STU1确定故障发生在本段，对本段断路器发跳闸命令，切除故障。当DG的容量很大时，即使流过线路AF的反向电流大于整定值，但此时线路AF上的C=1∩0=0。也快速排除本段线路故障的可能，解决了传统电流静态安全误动的问题。

表1 f1点故障时电流大小、方向及逻辑值

4.3 线路AE末端发生故障

当AE末端发生三相短路故障 f2时，相应的仿真结果及逻辑值如表2所示。

表2 f2点故障时电流大小、方向及逻辑值

通过仿真结果可知，STU4的C=1。STU4启动访问下一级STU5的C=0，所以STU4快速判断出故障发生在本段，对本段断路器发跳闸命令，切除故障线路。当DG容量很大时，线路EF、FG、GH上的STU可以通过逻辑计算排除故障发生在本段线路的可能。

4.4 线路FG末端发生故障

当FG末端发生三相短路故障时，相应的仿真结果如表3所示。

表3 f3点故障时电流大小、方向及逻辑值

通过仿真结果可知，STU4、STU5、STU6的C 值都是1，都启动访问各自下一级的逻辑值C。STU4、STU5下一级的C=1，所以故障不发生在本段线路，STU5、STU6分别闭锁本段断路器。而同时STU6访问到STU7的C值是0，STU6快速判断出故障发生在本段，STU6发跳闸信号，切除故障线路。

根据以上仿真结果表明，在各种故障情况下，根据本文所提出的静态安全方案，都能准确判断故障出区段并快速切除故障。而且解决了因DG给潮流及故障电流带来影响而导致静态安全装置发生错误动作的问题。

5 结语

本文通过将传统的过电流静态安全与新型的分布决策式静态安全相结合提出一种基于STU的分布决策式新型静态安全方法。该方法不仅可以适应含有多个DG、渗透率较高的配电网的静态安全动作要求，也解决了时限配合延长动作时间，整定值配合困难的问题；同时克服了同步采样、实时传送大量数据，对通信的要求较高等问题，只需传递单一量的逻辑值，大大降低了对通信通道的要求，准确快速地确定并切除故障线路。最后通过仿真验证了所提出的新型静态安全方案的合理性与可靠性。

［1］王宾，黄磊，曹润彬，等.智能变电站126kV智能终端设计与测试方案研究［J］.电力系统保护与控制，2014（1）：119-125.WANG Bin，HUANG Lei，CAO Runbin，et al.Design and Test Scheme of 126kV Intelligent Terminal in Intelligent Substation［J］.Power System Protection and Control，2014（1）：119-125.

［2］方陈，张翔，程浩忠，等.主动管理模式下含分布式发电的配电网网架规划［J］.电网技术，2014，38（4）：823-829.FANG Chen，ZHANG Xiang，CHENG Haozhong，et al.Preparation of Distribution Network Grid with Distributed Generation in Active Management Mode［J］.Power System Technology，2014，38（4）：823-829.

［3］孔祥平，张哲，尹项根，等.含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究［J］.中国电机工程学报，2013（34）：65-74.KONG Xiangping，ZHANG Zhe，YIN Xianggen，et al.Study on fault current characteristics and fault analysis method of grid-connected distributed power supply［J］.Proceeding of the CSEE，2013（34）：65-74.

［4］李蕊，李跃，姜臻，等.一种能有效满足重要用户高可靠性需求的新型供电系统保护方向元件［J］.中国电机工程学报，2013，33（S1）：98-105.LI Rui，LI Yue，JIANG Zhen，et al.A new type of power supply system protection component which can effectively meet the high reliability requirements of important users［J］.Proceeding of the CSEE，2013，33（S1）：98-105.

［5］杨杉，同向前，刘健，等.含分布式电源配电网的短路电流 计 算 方 法 研 究［J］.电 网 技 术 ，2015，39（7）：1977-1982.YANG Shan，TONG Qian，LIU Jian，et al.Study on short-circuit current calculation method for distribution power distribution network［J］.Power System Technology，2015，39（7）：1977-1982.

［6］司新跃，陈青，马杰.有源配电网跳闸闭合域的确定方法［J］.电网技术，2015，39（10）：2979-2985.SI Xinyue，CHEN Qing，MA Jie.Method for determining the closed area of active distribution network［J］.Power System Technology，2015，39（10）：2979-2985.

［7］刘健，张小庆，同向前，等.含分布式电源配电网的故障定位［J］.电力系统自动化，2013，37（2）：36-42.LIU Jian，ZHANG Xiaoqing，TONG Xiangqian，et al.Fault location with distributed power distribution network［J］.Power System Automation，2013，37（2）：36-42.

［8］杨尚瑾，武守远，戴朝波.基于电流波形曲率的短路故障快速识别方法［J］.电网技术，2013，37（2）：551-556.YANG Shangjin，WU Shouyuan，DAI Chaobo.Fast Identification Method of Short Circuit Fault Based on Current Wave Curvature［J］.Power System Technology，2013，37（2）：551-556.

［9］羌丁建，寿挺，朱铁铭，等.高压配电网规划评价指标体系与综合评价模型［J］.电力系统保护与控制，2013（21）：52-57.QIANG Dingjian，SHOU Ting，ZHU Tieming，et al.Preparation index system and comprehensive evaluation model of high voltage distribution network planning［J］.Power System Protection and Control，2013（21）：52-57.

［10］周会峰，曾祥君，邓丰，等.输电线路故障行波网络定位新方法［J］.电力系统自动化，2013，37（19）：93-99.ZHOU Huifeng，ZENG Xiangjun，DENG Feng，et al.Transmission line fault traveling wave network location new method［J］.Power System Automation，2013，37（19）：93-99.

［11］黄炜，刘健，魏昊焜，等.分布式光伏电源极端可接入容量极限研究［J］.电力系统保护与控制，2015（3）：22-28.HUANG Wei，LIU Jian，WEI Haokun，et al.Study on Extreme Accessibility Limits of Distributed Photovoltaic Power Supply［J］.Power System Protection and Control，2015（3）：22-28.

［12］袁燕岭，周灏，董杰，等.高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术［J］.高电压技术，2015，41（4）：1194-1203.YUAN Yanling，ZHOU Hao，DONG Jie，et al.On-line monitoring and fault diagnosis of high voltage power cable sheath［J］.The High Voltage Technology，2015，41（4）：1194-1203.

［13］李存斌，苑嘉航，祁之强.基于灰色累积前景理论分布式电源投资风险型决策［J］.华东电力，2014，42（5）：993-998.LI Cunbin，YUAN Jiahang，QI Qijiang.Based on the gray cumulative prospect theory distributed power investment risk decision［J］.East China Electric Power，2014，42（5）：993-998.

［14］尹俊，毕天姝，薛安成，等.计及低电压穿越控制的双馈风力发电机组短路电流特性与故障分析方法研究［J］.电工技术学报，2015，30（23）：116-125.YIN Jun，BI Tianshu，XUE Ancheng，et al.The short-circuit current and fault characteristics of doubly fed wind turbine control and low voltage through the analysis［J］.Journal of electrician technique research method，2015，30（23）：116-125.

［15］陈晓杰，徐丙垠，陈羽，等.配电网分布式控制实时数据快速传输技术［J］.电力系统保护与控制，2016，44（17）：151-158.CHEN Xiaojie，XU Bingyin，CHEN Yu，et al.Transmission network distributed control real-time data fast transmission technology［J］.Power System Protection and Control，2016，44（17）：151-158.

［16］刘凯，李幼仪.主动配电网保护方案的研究［J］.中国电机工程学报，2014，34（16）：2584-2590.LIU Kai，LI Youyi.Active distribution network protection program research［J］.Proceeding of the Chinese Society for Electrical Engineering，2014，34（16）：2584-2590.

［17］司新跃，陈青，马杰.有源配电网跳闸闭合域的确定方法［J］.电网技术，2015（10）：2979-2985.SI Xinyue，CHEN Qing，MA Jie.Method for determining the closed area of active distribution network［J］.Power System Technology，2015（10）：2979-2985.

Static Security Analysis of Distributed Distribution Network Based on Intelligent Terminal Unit

LI YimengWANG Qian WANG ChunmeiLI Haoran
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

With the development of intelligent distribution network，distributed power supply（distributed generation，DG）a large number of access and permeability increasing changed the structure and the trend of the distribution network，leading to the traditional distribution network static security appear misoperation and misoperation，reduce the sensitivity and other issues，has brought great challenges to the distribution network security.In this paper，a distributed decision-making static security method based on smart terminal unit（STU）is proposed by combining traditional static safety and new distributed decision oriented wide area static security.STU is used to obtain the local current magnitude and direction information in real time，and the data are processed into logical values.After logical calculation，the conditional STU obtains the logical computation result of adjacent STU.According to the logical values calculated by the two stations of the local and adjacent lines，the fault area can be judged according to the prescribed criterion；and then the fault line can be accurately and quickly removed by the control of the local equipment.This kind of static security method does not need synchronous sampling，greatly reduces the requirements for communication channels.At the same time，it also solves the problems that DG brings to the traditional distribution network static security.Finally，the rationality and reliability of the new static security scheme are verified by PSCAD simulation.

distribution network，distributed decision-making，static security，distributed power supply，intelligent terminal unit

TN77

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.011

Class Number TN77

2017年4月10日，

2017年5月21日

国家自然科学基金项目（编号：51607042）资助。

李怡萌，女，硕士，助教，研究方向：电力系统故障诊断，电力电子控制技术。王茜，女，硕士，助教，研究方向：电力系统分析与控制。王春梅，女，硕士，助教，研究方向：电力电子与电力传动。李皓然，男，硕士，讲师，研究方向：电力电子与电力传动。