花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护

李永丽，王伟康，张云柯，王宏宇，赵自刚，任江波

花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护

李永丽1，王伟康1，张云柯1，王宏宇1，赵自刚2，任江波2

(1. 天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2. 国网河北省电力有限公司，石家庄 050000)

花瓣状配电网网架结构特殊、运行方式灵活多变，使得传统的电流保护难以整定．自适应电流保护可根据系统运行及故障状态修改保护定值，为解决上述问题提供了可能．文中从理论上推导了花瓣状配电网主干线的故障电流与故障点两侧线路阻抗的关联特性，故障点一侧线路阻抗的变化会对另一侧故障电流产生影响．分析保护背侧等效阻抗随故障点位置变化而变化的特点，且该特点导致现有自适应电流保护灵敏性存在严重不足的可能；然后，通过分析短路故障时保护安装处的正序电流与正序电压的关系特征，给出了无需计算背侧阻抗的自适应正序电流速断保护的整定公式；最后，在特殊的花瓣状网架结构中，利用线路故障时两端保护相继动作的故障电流变化量特征，实现限时电流速断保护的加速动作．综合电流速断保护以及限时电流速断保护加速方案，提出适用于花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护．仿真结果表明，自适应电流速断保护具有确定的保护范围，且保护范围不受线路长短以及系统运行方式的影响；结合限时电流速断保护与故障电流变化量判据的加速方案可以准确识别线路末端故障，可靠加速保护动作，与自适应电流速断保护配合实现花瓣状配电网主干线上保护的全线速动，且其性能优于其他工频单端量保护．

花瓣；配电网；自适应电流保护；正序电流；相继动作；故障电流变化量

随着高新区域用户对配电网供电可靠性要求的提高，特殊的花瓣状网架结构逐渐应用于城市配电网．目前，光纤电流差动保护作为花瓣状配电网主干线的主保护，其性能严重依赖于通信数据的同步性和通信通道的可靠性[1-5]．若配电网通信出现问题，可能会引起光纤电流差动保护的拒动或误动．因此，对于花瓣状配电网主干线，基于本地信息并能保护线路全长的快速电流保护极为重要．但花瓣状网架结构特殊、线路较短、运行方式灵活多变，使得传统的电流保护难以整定，为解决该问题，有必要研究一种基于本地信息的自适应全线速动电流保护．

针对传统电流保护难以整定的问题，文献[6]利用实时测定保护安装处到系统等效电源之间的阻抗以适应系统运行方式的变化，实现保护在线自动整定计算以及保护性能的最佳化．文献[7]针对保护背侧接有逆变型分布式电源的情况，分析逆变型分布式电源对自适应电流保护范围的影响．文献[8]依据故障负序网络不受逆变型分布式电源的影响，利用负序分量计算系统等效阻抗适应系统运行方式的变化．然而，与传统配电网相比，花瓣状配电网的故障特性显著不同，现有自适应电流保护能否适用网架结构的变化仍有待研究．

目前，众多学者对利用线路两端电流保护相继动作特征加速保护动作的情况进行了研究．文献[9]利用对侧断路器跳闸时本侧电流负序分量产生的突变量加速本侧保护，但该方法不适用于对称故障的情况．文献[10]基于故障隔离过程中自身功率方向元件与同一变电站内另一双回线上功率方向元件的判断结果加速本侧保护动作，但该方法不适用于闭环运行的网架结构．

本文针对特殊的花瓣状网架结构分析其故障特征，得到故障电流与线路阻抗之间的关联特性．分析现有自适应电流保护存在灵敏性不足的问题，推导短路故障时正序电流与正序电压的关系，得到适用于花瓣状配电网的自适应正序电流速断保护．利用保护相继动作的故障电流变化量特征提出限时电流速断保护加速方案．结合自适应电流速断保护与加速方案，提出适用于花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护方案．通过算例仿真验证了所提保护的有效性和可行性．

1 花瓣状配电网的故障分析

花瓣状配电网示意如图1所示．变电站每两回馈线作为主干线构成环网，形成花瓣结构，环网合环运行，不同变电站的每两个环网中间由联络开关相互连接，组成花瓣式相切的形状．花瓣状供电模型既能环型供电，又能开环运行，运行方式灵活，供电可靠率达到99.9997%[11]．

为保证较高的供电可靠率，花瓣状配电网常闭环运行，且联络开关常开．因此，本文重点以闭环的单花瓣网络作为研究对象．

图2 花瓣状配电网的故障状态电路

由式(1)和式(2)可得，三相短路故障时，单侧故障电流与故障点两侧的线路阻抗Z和Z都有关系．特殊的花瓣状网架结构使得故障点两侧线路流过的短路电流由同一电源提供，故障点一侧线路阻抗的变化会对另一侧故障电流产生影响．

综上所述，因花瓣状网架结构的特殊性，花瓣状配电网主干线发生金属性短路故障时，单侧的故障电流与故障点两侧的线路阻抗都具有关联特性．

2 现有自适应电流保护存在的问题

现有的自适应电流保护采用实时计算保护安装处背侧阻抗的方法来达到适应系统不同运行方式的要求，其整定值[12]为

由式(4)可知保护范围与保护背侧等效阻抗eq负相关，与被保护线路阻抗L正相关．

短路故障时，保护安装处背侧阻抗的计算方法[12]为

下面结合花瓣状配电网的特点分析现有自适应电流保护整定方法存在的问题．

图4 正序故障附加电路

以母线处保护3为例进行分析，点发生短路故障时，保护3处的背侧等效阻抗eqh为

由式(6)可知，保护背侧等效阻抗eqh与故障点位置有关，当故障点靠近保护3时，等效阻抗eqh变小，按照式(3)整定的现有自适应电流保护整定值变大，故障电流同样变大，使得故障电流幅值与整定值相近，降低了保护的灵敏性．当Z较小时，等效阻抗eqh较大，由式(4)可知，自适应电流保护的保护范围存在过小的可能．

综上所述，特殊的花瓣状网架结构严重影响现有自适应电流保护的灵敏性．

3 自适应全线速动电流保护

针对花瓣状网架结构的特殊性，本文研究适应于花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护.因为花瓣状配电网主干线的故障电流具有双向流动特性，线路两端都需配置保护并加装断路器，以实现故障的快速切除．

3.1 自适应正序电流速断保护

图5 两相相间短路故障复合序网

由图5可知，故障点正负序电压关系为

根据对称分量法可得

两相金属性短路故障时不存在零序电压，由式(8)可得

由式(9)可知故障点正序电压为正常相电压的一半．

当点发生三相短路故障时，保护3处的正序电流与正序电压关系为

结合式(8)和式(9)，保护3的正序电流速断保护的整定公式为

令I1=ZDZ，可得电流速断保护的保护范围为

由式(13)可知，保护范围仅与可靠系数rel有关，与线路长度和系统的运行方式无关．

为保证保护的选择性，保护处需配置方向元件．根据现有自适应电流保护计算保护背侧阻抗的特点，采用基于正序故障分量的方向元件，其动作判据[12]为

结合式(12)和式(14)可准确判断故障位置．

综上所述，保护安装处的正序电压由电压互感器实时测得，保护能够随着系统运行方式，故障点发生位置的变化而自适应改变其正序电流整定值，从而改善保护性能．

3.2 限时电流速断保护与故障电流变化量判据的加速配合

3.2.1 自适应限时电流速断保护

自适应正序电流速断保护因可靠系数rel大于1，无法保护线路全长．当可靠系数rel取1.2时，速断保护的保护范围为线路全长的83.3%．保护3和保护4的速断保护范围如图6所示．图中比例系数以保护3为基准点．

图6 保护3和保护4的速断保护范围

由图6可知，当故障点∈(0.167，0.833)时，线路两端速断保护可以快速的切除故障；当故障点∈[0，0.167]∪[0.833，1.000]时，需要限时电流速断保护切除．定义线路两端速断保护不能同时动作的故障范围为．为保证≠1，要求∈(0.5，1.0)．

着重在调整和改善化肥产品结构、创新营销模式、向综合型农资服务企业转型上下功夫。在巩固提高基础肥料竞争力基础上，加快缓释肥、水溶肥、微量元素肥等高端新型肥料的研发步伐，建立起抵御市场风险能力强、利用效率高、经营效益好的化肥产品体系。积极开展传统营销模式向“制造＋一揽子服务”、“良肥＋良种＋良法”的转型，推进与“互联网＋”的有机融合，创新服务模式，为种植户提供从种到收、科学施肥、科学用药、栽培管理、农产品收购加工、信贷服务等全链条、全方位、全过程的创新服务。

限时电流速断保护能够识别内发生的短路故障，其整定公式为

由式(15)可知，限时电流速断保护能够准确识别线路内的短路故障，但为保证限时电流速断保护的选择性，需通过固定延时Δ动作．

3.2.2 保护相继动作的故障电流变化量特性

当线路内发生短路故障时，线路两端保护不能同时动作，通过式(1)和式(2)可知，保护测得的故障电流与花瓣网络中故障点两侧的线路阻抗都具有关联性，故障近端保护快速动作后，网架结构发生变化，故障远端保护测得的故障电流会因对端保护动作发生变化．

式中：H＝Z＋Z＋Z＋Z＋Z；F为故障点经故障远端保护到母线的线路阻抗．

由式(16)和式(17)可得

由式(18)可得，故障近端保护动作后，流经故障远端的故障电流变大．结合这一特殊性，本文利用保护的相继动作对故障电流的影响实现故障远端保护的加速动作．

由式(19)可知，保护测得的故障电流变化量ΔI与故障线路阻抗F和系统内阻抗S有关．

图2中保护2、4、6、8和10任何一个优先动作，保护1都可检测到ΔI．以保护1检测到ΔI为例，分析花瓣网络中ΔI的特性．

当系统内阻抗一定时，ΔI是关于故障线路阻抗F的函数，即ΔI=(F)．对(F)求导可得

(F)在F＞0的情况下的最小值(F)min为

对于10kV配网主变，系统内阻抗约为2～3倍线路单位阻抗甚至更高[13]．根据《工业与民用配电设备设计手册》，城区中配网供电半径不宜大于3km，所以ZH＜4ZS．此时，f(ZF)是关于的增函数．ΔIt与ZF的关系如图7所示．图中，实线部分是保护1测得ΔIt的故障范围．

由图7可知，保护1检测到ΔI时，故障点∈；且保护1测得的ΔI关于故障线路阻抗单调递增．因此，系统等效内阻抗一定时，花瓣网络中线路83.3%处发生短路故障时，保护2先动作，保护1测得的ΔI最小．

当线路83.3%处发生短路故障时，ΔI可视为关于S的函数，即ΔI=(S)．(S)求导可得

由上述分析可知，花瓣状配电网中故障电流变化量ΔI存在最小值I．若ZZ，I是最小运行方式下线路83.3%处发生短路故障时保护1所测得的ΔI；若Z＞Z，I是最小运行方式下线路83.3%处发生短路故障时保护10所测得的ΔI．

3.2.3 限时电流速断保护与故障电流变化量的加速配合

利用本端保护测得故障电流变化量ΔI和限时电流速断保护判据可判断为线路末端故障，而加速保护动作，其配合判据为

式中d1为保护安装处测得的正序电流．

当满足判据式(23)时，可确定为线路上内发生短路故障，实现保护加速动作．其中故障电流变化量整定值set整定公式为

故障电流变化量判据使得保护的动作时限主要取决于断路器的动作时限，远小于限时电流速断保护的固定延时．利用故障电流变化量判据不需要通信通道就可以无固定延时的保护线路全长，保护的性能得到很大程度上的改善．

4 仿真与分析

在PSCAD中搭建如图2所示的10kV花瓣状配电网系统．系统基准容量是100MV·A，基准电压是10kV．电缆线路单位感抗和电阻分别为1＝0.063Ω/km，1＝0.047Ω/km；线路、、、、的长度分别为2km、2km、1km、1km、2km．每个节点接入额定容量2MV·A，额定功率因数0.9的负荷．

4.1 自适应全线速动电流保护性能仿真

(1) 为验证不同故障类型和故障位置对自适应正序电流速断保护的影响，对位于线路＝0.1、0.4、0.6、0.9处发生两相短路故障和三相短路故障进行仿真，保护3、4的动作情况如表1所示．其中“是”代表保护动作，“否”代表保护不动作．

表1线路自适应正序电流速断保护动作情况

Tab.1 Adaptive positive sequence current quick-break protection action of BC line

针对不同线路长度的情况进行仿真，仿真结果如表2所示．表2中是故障点与母线之间的距离占线路全长比．

表2线路保护5的动作情况

Tab.2 Action of protection 5 on CD line

结合表1和表2可知，被保护线路长度不影响自适应速断电流保护的保护范围，无论线路长度如何，速断保护的保护范围都是83.3%，因此，即使在较短的线路中，该保护仍具有确定的保护范围．

(2) 在系统最小运行方式下，各段线路83.3%处发生三相短路故障时，保护1和保护10测得的故障电流变化量ΔI如表3所示．表中83.3%L(、对应图2中母线、、、、点)表示线路上距离母线83.3%处发生短路故障．

表3 花瓣网络中保护1和保护10测得的ΔI

Tab.3 ΔIt measured in protection 1 and protection 10 in a petal network

表4 基于保护相继动作特性的限时电流速断保护加速动作情况

Tab.4 Accelerating action of time-limited current instantaneous trip protection based on the characteristics of protection sequential action

由表4可知，当内发生短路故障时，d1＞ZDZ2且ΔI＞set，限时电流速断保护结合故障电流变化量判据可以准确识别线路内的短路故障．

现有电流保护通常利用电流速断保护和限时电流速断速度保护相配合保护线路全长，限时电流速断保护通过固定延时Δ动作，Δ要考虑一定的时间裕度，一般为0.3～0.6s[14]．而花瓣状配电网主干线上的保护通过故障电流变化量判据可以不考虑时间裕度，快速得到对端保护的动作情况，故障后0.1s左 右[15]可以识别对端保护的动作情况．因此，本文所提保护相比与传统限时电流速断保护能更快速的切除线路末端故障，具有更好的速动性．

自适应全线速动电流保护针对解决相间短路故障问题，而相间过渡电阻以弧光电阻为主，因此，故障点的过渡电阻值通常经过0.10～0.15s后才迅速增大[14]，而本文方法能够在0.10s左右完成对故障位置的识别，因此过渡电阻对本文所提出的全线快速动作保护原理影响较小．

同时，通过理论分析和仿真验证，无论系统内阻抗如何变化，自适应电流保护判据都能够准确识别线路短路故障，因此，本文提出的全线速动电流保护能够自适应且无固定延时的保护线路全长，很大程度上改善了保护的性能．

4.2 自适应全线速动电流保护与现有单端量保护优势比较

以花瓣网络中线路两端保护3和保护4的动作情况为例对现有自适应电流保护进行仿真验证．仿真结果如表5所示．

表5 现有自适应电流速断保护动作情况

Tab.5 Existing adaptive current quick-break protection action

由表5可知，现有自适应电流保护的整定值随着故障点位置的变化而变化，保护3的保护范围不足线路全长的50%，保护4的保护范围不足线路全长的15%，因此，现有自适应电流速断保护的存在灵敏性不足的问题．对比表1可知本文所提自适应正序电流速断保护具有确定的保护范围，灵敏性更好．

5 结 论

本文针对花瓣状配电网结构的特殊性及其对快速单端量保护的需求，提出适应于花瓣状配电网主干线的自适应全线速动电流保护，主要结论如下．

(1) 特殊的花瓣状网络结构使得故障点两侧线路流过的短路电流由同一电源提供，导致故障一侧线路阻抗的变化会对另一侧电流产生影响．

(2) 特殊的花瓣状网架结构使得保护背侧等效阻抗随着故障位置的变化而变化，因此，现有自适应电流保护的保护范围受故障位置的影响．本文通过短路故障时正序电流和正序电压的关系，提出无需计算保护背侧阻抗自适应正序电流速断保护，该保护方法不受线路长度和系统运行方式的影响，具有确定的保护范围．

(3) 利用故障电流变化量判据，忽略限时电流速断保护所考虑的时间裕度，实现保护的加速动作，可以更快速地切除线路末端故障．

［1］ 华煌圣，刘育权，张君泉，等. 基于配电管理系统的“花瓣”型配电网供电恢复控制策略[J]. 电力系统自动化，2016，40(1)：102-107，128.

Hua Huangsheng，Liu Yuquan，Zhang Junquan，et al. Recorvery control scheme for petal-shape distribution network based on distribution management system[J]. Automation of Electric Power Systems，2016，40(1)：102-107，128(in Chinese).

［2］ 刘宏君，孙一民，李延新. 数字化变电站光纤纵差保护性能分析[J]. 电力系统自动化，2008，32(17)：72-74.

Liu Hongjun，Sun Yimin，Li Yanxin. A performance analysis of line differential protection in digitized substations[J]. Automation of Electric Power Systems，2008，32(17)：72-74(in Chinese).

［3］ 曹团结，梁 艳，陈建玉，等. 一种线路纵差保护通道监测的新方法[J]. 电力系统自动化，2008，32(21)：65-67，90.

Cao Tuanjie，Liang Yan，Chen Jianyu，et al. A new channel monitoring method for fiber-optic line differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems，2008，32(21)：65-67，90(in Chinese).

［4］ 夏建矿. 关于输电线路光纤电流差动保护的若干问题讨论[J]. 电力系统保护与控制，2010，38(10)：141-144.

Xia Jiankuang. Discussions on several problems about the optical fiber differential protection of the transmission line[J]. Power System Protection and Control，2010，38(10)：141-144(in Chinese).

［5］ 吴 涵，林 韩，温步瀛，等. 巴黎、新加坡中压配电网供电模型启示[J]. 电力与电工，2010，30(2)：4-7.

Wu Han，Lin Han，Wen Buying，et al. Revelation on power models of MV distribution network of Paris and Singapore[J]. Electric Power and Electrical Engineering，2010，30(2)：4-7(in Chinese).

［6］ 葛耀中. 自适应继电保护及其前景展望[J]. 电力系统自动化，1997，21(9)：42-46.

Ge Yaozhong. Adaptive protection relay and it’s prospect of development[J]. Automation of Electric Power Systems，1997，21(9)：42-46(in Chinese).

［7］ 孙景钌，李永丽，李盛伟，等. 含逆变型分布式电源配电网自适应电流速断保护[J]. 电力系统自动化，2009，33(14)：71-76.

Sun Jingliao，Li Yongli，Li Shengwei，et al. Study on adaptive current instantaneous trip protection scheme for distribution network with inverter interfaced DG[J]. Automation of Electric Power Systems，2009，33(14)：71-76(in Chinese).

［8］ 陈晓龙，李永丽，谭会征，等. 含逆变型分布式电源的配电网自适应正序电流速断保护[J]. 电力系统自动化，2015，39(9)：107-112.

Chen Xiaolong，Li Yongli，Tan Huizheng，et al. An adaptive instantaneous trip protection based on positive-sequence current for distribution network with IBDG[J]. Automation of Electric Power Systems，2015，39(9)：107-112(in Chinese).

［9］ 施慎行，董新洲，刘建政，等. 配电线路无通道保护研究[J]. 电力系统自动化，2001，25(6)：31-34.

Shi Shenxing，Dong Xinzhou，Liu Jianzheng，et al. Non-communication protection for power lines in distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems，2001，25(6)：31-34(in Chinese).

［10］ 张子衿，丛 伟，肖 静，等. 含同杆双回线的输电网零序反时限过流保护加速配合方案[J]. 电力自动化设备，2017，37(9)：159-165.

Zhang Zijin，Cong Wei，Xiao Jing，et al. Acceleration schemeof zero-sequence inverse-time overcurrent protection for double-circuit lines on same tower[J]. Electric Power Automation Equipment，2017，37(9)：159-165(in Chinese).

［11］ 刘明祥，单荣荣，封士永. 一种花瓣式配电网馈线自动化解决方案[J]. 自动化与仪器仪表，2015，25(11)：68-69.

Liu Mingxiang，Shan Rongrong，Feng Shiyong. A petal distribution network feeder automation solution[J]. Automation and Instrumentation，2015，25(11)：68-69(in Chinese).

［12］ 葛耀中. 新型继电保护和故障测距的原理与技术[M]. 西安：西安交通大学出版社，2007.

Ge Yaozhong. The Theory and Technology of Fault of New Relay Protection[M]. Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2007(in Chinese).

［13］ 朱 妍，陆于平. 含DG配网充分式优选制综合电流幅值差动保护[J]. 中国电机工程学报，2018，38(增1)：68-74.

Zhu Yan，Lu Yuping. Sufficient optimized comprehensive current amplitude differential protection for distribution network with distributed generation[J]. Proceedings of the CSEE，2018，38(Suppl 1)：68-74(in Chinese).

［14］ 贺家李. 电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

He Jiali. Power System Relay Protection Principle[M]. Beijing：China Electric Power Press，2010(in Chinese).

［15］ 低压开关设备和控制设备总则：GB/T 14048.1—2017[S]. 北京：中国电标准出版社，2017.

Low-Voltage Switchgear and Controlgear General Rules：GB/T 14048.1—2017[S]. Beijing：Standards Press of China，2017(in Chinese).

Adaptive Full-Line Snap-Motion Current Protection for the Trunk of a Petal-Shaped Distribution Network

Li Yongli1，Wang Weikang1，Zhang Yunke1，Wang Hongyu1，Zhao Zigang2，Ren Jiangbo2

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Grid Hebei Electric Power Company，Shijiazhuang 050000，China)

The special structure and flexible operation mode of a petal-shaped distribution network make it difficult to apply traditional current protection. However，adaptive current protection can modify protection settings according to system operation mode and fault status，so it is a potential solution for this problem. This paper derives the theoretical relationship between the fault current of the trunk line of a petal-shaped distribution network and the line impedance on both sides of the fault point，where a change in the line impedance on one side of the fault point will affect the fault current on the other side. Analyzing the characteristics of the equivalent impedance on the back side of the protection shows that it changes with the location of the fault，and this characteristic leads to the possibility that the sensitivity of the existing adaptive current protection is seriously insufficient. Analyzing the relationship between positive-sequence current and positive-sequence voltage during short-circuit faults yields the setting formula for adaptive positive-sequence current instantaneous trip protection. Finally，in the special petal structure，the characteristics of fault current variation of successive actions of two-terminal protection in the line fault are used to accelerate the action of time-limited current instantaneous trip protection. Based on the comprehensive current instantaneous trip protection and time-limited current instantaneous protection acceleration scheme，this paper proposes adaptive full-line quick current protection suitable for the main line of a petal-shaped distribution network. Simulation results show the adaptive current instantaneous trip protection has a certain protection range，which is not affected by the length of the line and the operation mode of the system. The acceleration scheme that combines the time-limited current instantaneous trip protection and the fault current variation criterion can accurately identify the fault at the end of the line and can reliably accelerate the protection action. It cooperates with adaptive current instantaneous trip protection to realize the full-line snap-motion of protection in the petal-shaped distribution network，and its performance is better than that of other power-frequency single-ended protection schemes.

petal；distribution network；adaptive current protection；positive sequence current；successive action；fault current variation

TK448.21

A

0493-2137(2021)08-0844-08

10.11784/tdxbz202008067

2020-08-27；

2020-09-28.

李永丽（1963—  ），女，博士，教授，lyltju@163.com.

王伟康，1464130051@qq.com.

国家电网有限公司总部科技资助项目(适应灵活可控源荷接入的新型城市电网继电保护关键技术研究及应用)．

Supported by the Science and Technology Project from Headquarters of State Grid Corporation of China(Research on Key Protection Technologies for New-Type Urban Distribution Network with Controllable Sources and Loads).

(责任编辑：孙立华)