电力电子化配电系统继电保护技术分析

刘鹏辉 焦兵豪 秦跃杰

摘 要：本文着重介绍了电力电子化配电系统继电保护所面临的挑战、存在的机遇，对电力电子变流设备与配电系统在故障情况下的耦合机理、配电系统故障特征辨识方法、可适应电力电子化配电系统的故障耦合情况的继电保护等相关问题进行了分析，阐述了电力电子化配电系统继电保护的技术关键及其实现方案，以期对相关技术提供借鉴。

关键词：电力电子变流设备; 配电系统; 故障辨识; 继电保护

中图分类号：TM771        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）8-099-002

配电系统是电力系统中承担电能分配的关键环节，也是连接输电系统与电力用户的重要桥梁。配电系统的可靠性与安全性直接关系到电力公司的售电效益和电力用户的用电权益。因此，必须使用继电保护装置对配电系统进行行之有效的保护。

1.面临的挑战分析

近年来广泛接入的分布式电源与储能设备、潮流控制器、消弧线圈自动调谐装置、固态变压器等，使配电系统逐步呈现电力电子化发展趋势[1，2]，现有配电网系统继电保护技术的可靠性面临极大挑战[3-5]：

（1）电力电子化背景下，实现不同功能的电力电子设备大量接入配电系统，使系统结构、运行方式以及故障信号呈现出极大的复杂性[6-8]。

（2）分布式能源与储能设备的高度渗透改变了配电系统结构[9]，使配电系统由单端辐射性供电网络变为双端供电网络，故障潮流的大小与方向均具有不确定性。

（3）分布式能源为间歇性能源，其接入方式与控制策略也具有很强的灵活性[10]，使故障情况下的功率输出呈现严重的非线性和动态性。

（4）当系统受到扰动或发生故障时，电力电子变流设备与配电系统（即“器-网”）的交互作用愈发强烈、复杂，系统电气信号呈现出诸多新特性。

（5）新型的中性点消弧线圈自动调谐装置对谐振接地配电系统电容电流的补偿速度越来越快，补偿策略也更加多样[11，12]，使原本就复杂的单相接地故障信号更加难以被保护装置识别。

这些都增加了电力电子化配电系统故障特征辨识与保护的难度。

从我国配电系统电力装备现状看，情况同样不容乐观。电力公司长期的“重输（电）轻配（电）”，造成我国配电系统电力装备较为薄弱。配电网络分支众多，出于经济方面考虑，配电馈线上所配置的测量与保护装置的采样率与运算能力较低，在现有硬件条件下信号辨识难度较大。为避免铁磁谐振，一般仅在馈线出口处装设电压互感器，导致馈线上的馈线终端单元很难通过构成传统方向元件来确定故障潮流方向，电力电子化配电系统中潮流双向流动情况下的保护问题亟待解决。

综上所述，借助配电系统现有硬件装置，研究电力电子化背景下配电系统故障特征辨识与保护方法，具有良好的工程应用价值和现实迫切性。

2.存在的机遇分析

电力电子化配电系统继电保护技术所面临的不全是挑战，同时还有很大的机遇。

一方面随着各种高级智能传感与测量感知技术、信号时频域分析技术、人工智能技术等的快速发展，各种先进的电气信号特征辨识与检测技术被相继应用于配电网络监测与诊断，为解决上述问题提供了技术启示。新型的电气信号处理与人工智能技术将为电力电子化配电系统故障特征辨识与保护技术提供理论支撑。

另一方面，在方针政策上，近年来国家尤其注重配电系统的升级改造。国家发展改革委员会和国家能源局在十三五期间先后发布了《关于加快配电网建设改造的指导意见》和《配电网建设改造行动计划》，明确表示加大配电系统建设改造资金投入，十三五期间的投资额不低于2万亿元，重点提升配电网络的自动化与智能化水平。国家电网在“碳达峰、碳中和”行动方案（2021）中要求加强配电网络的互联互通和智能控制[13]。南方电网也在其“十四五”规划中强调瞄准智能配用电等技术方向开展科技攻关。发展配电网络成为国家实施能源战略的一个重要方向。上述国家层面的方针政策将为电力电子化配电系统故障辨识与继电保护技术的快速发展提供物质基础与政策支持。

综上所述，借助国家大力发展配电系统的“东风”，以及高级信号处理与人工智能技术的良好发展势头，有必要针对电力电子化配电系统不同运行状态下的新特点，充分利用配电自动化现有平台和硬件装备，研究与其相适应的新型故障特征辨识方法，进而研发出新型的适应于电力电子化配电系统的继电保护关键技术。相关关键技术将为配电系统安全运行提供保障，也将为配电系统的电力电子化扫清障碍，使配电系统更加智能、可靠、灵动、高效，对提高供电可靠性、促进配电网络的快速发展具有重要的理论和现实意义。

3.技術关键分析

结合我国配电系统电力电子化实际背景，研发电力电子化配电系统继电保护技术的关键在于，开展电力电子化配电系统故障机理研究、故障特征辨识与继电保护关键技术研究等工作。具体包括以下内容：

（1）揭示多种电力电子变流设备接入配电系统的“器-网”交互作用;探究故障场景中电力电子变流设备与配电系统交互作用的内在机理，以及故障信号的时频域特征，攻克电力电子化配电系统故障耦合分析难题。具体包括四个方面：建立面向继电保护的多种电力电子变流设备的实用性数学分析模型;构建计及电力电子器件与配电系统“器-网”交互作用的故障分析模型;分析故障场景下电力电子变流设备与配电系统“器-网”交互作用的产生机理;分析不同故障场景下多种类型变流设备与配电系统交互作用的故障特性。

（2）建立电力电子变流设备接入下的配电系统仿真平台，研发电力电子化配电系统故障仿真技术。具体包括以下两个方面：不同电力电子变流设备的故障仿真模型构建方法;计及多种故障场景下电力电子变流设备与配电系统“器-网”交互作用的多时间尺度仿真技术。

（3）针对配电系统电力电子化所产生的故障信号复杂性问题，根据具体故障场景有针对性地探究电气信号时频域特征提取与辨识技术，进而研发电力电子化配电系统保护方案及关键技术。具体包括四个方面：电力电子变流设备高度渗透下配电系统故障信号时频域特征提取与辨识技术;基于故障信号特征提取与辨识的故障过程反向推演技术;适应于我国配电自动化现有平台和电力装备现状的电力电子化配电系统继电保护关键技术;考虑实际电力电子化配电系统工程应用场景的继电保护测试技术。

4.实现方案

（1）配电网故障场景下多种电力电子变流设备与配电系统的交互过程研究的实现方案。

首先，从新能源发电与储能、柔性电力电子变流设备、电动汽车与其它新型负荷的物理结构与运行原理出发，建立故障动态分析模型及其简化模型。然后，根据电网络分析理论，针对不同类型的故障，在不同时间尺度（包括稳态、机电暂态、电磁暂态）上分别建立电流/电压信号与配电系统的全微分方程与简化分析方程，借助系统边界条件求解微分方程，推导出配电系统信号参量的解析式。在此基础上，采用信号观测模型，分析信号在稳态、机电暂态和电磁暂态视角下的时频域特性，揭示故障场景下不同类型变流设备与配电系统交互作用的故障演化机理与演化规律，厘清电力电子化配电系统电气信号特征与相应物理本质之间的内在关联和因果关系。

（2）电力电子变流设备接入下的配电系统仿真平台构建与仿真技术的实现方案。

根据电力电子变流设备的结构特性与控制原理，以及配电系统的结构和运行特点，利用PSCAD或MATLAB等仿真软件构建电力电子变流设备接入下配电系统的仿真平台。该仿真平台包括配电系统仿真模型、电子设备仿真模型、控制系统仿真模型、短路故障仿真模型。借助多时间尺度仿真手段，立足于稳态、机电暂态、电磁暂态等不同时间尺度，对多种故障场景下电力电子变流设备与配电系统“器-网”交互情况进行仿真。

（3）电力电子化配电系统故障特征提取与继电保护关键技术的实现方案。

首先，借鉴国内外人工智能技术、信号特征提取与辨识技术的优秀研究成果，深入探究电力电子化配电系统故障信号时频域特征提取与辨识技术。借助prony法等现代谱分析方法、动态时间距离算法等波形特征辨识方法、S变换等时频域联合分析方法，提取故障信号特征进行信号辨识。然后，基于对故障信号特征提取与辨识结果，对故障过程的反向推演技术进行研究。最后，充分利用配电自动化现有平台和硬件装备，研发出电力电子化配电系统继电保护关键技术。结合实际工程应用场景，获取现场实测信号或数模/动模仿真信号，对继电保护关键技术进行广泛测试，检验其可行性与可靠性。

在此，以以下三个关键问题为例，简要介绍其解决思路。

（1）如何在分析电力电子变流设备与配电系统间的“器-网”交互作用模型的基础上，揭示不同故障场景下电力电子变流设备与配电系统交互作用的机理？

解决思路：首先构建多种电力电子器件的等效故障响应电路模型，结合配电系统结构、故障边界条件等，研究多场景下多种电力电子变流设备与配电系统之间的耦合特性，分析“器-网”交互作用机理。另一方面，以不同故障场景作为出发点，对系统进行解耦，分析各电力电子器件的故障响应机制，以及故障耦合机理。

（2）在电力电子变流设备高度渗透背景下，如何提取配电系统故障信号的时频域特征，进而完成故障辨识？。

解决思路：在分析“器-网”交互作用机理的基础上，找出电力电子化配电系统故障的普遍性特征，以及特殊故障场景下的特殊性特征;挖掘新的电气特征量，借助现代谱分析方法、时频相关性分析方法等新型信号特征提取方法，实现故障辨识。

（3）在我国配电系统电力装备现状下，如何实现所述继电保护关键技术，如何进行测试？

解决思路：对我国配电网现有硬件配置进行统计调查，合理利用已有硬件资源，最大限度地发掘软件资源，弥补硬件的不足，进而研发出可在实际配电系统内广泛推广的继电保护技术。此外，通过现场实测信号或数模/动模仿真信号对所述继电保护关键技术进行广泛测试验证。

5.结语

配电系统电力电子化背景下，继电保护技术的挑战与机遇并存。当前，需要探究电力电子变流设备与配电系统在故障状态下的“器-网”耦合机理，提出有针对性的故障特征辨识方法，研发可适应电力电子化配电系统“器-网”耦合特性的继电保护关键技术，保障配电系统的安全稳定运行。

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[13]国家电网公司发布“碳达峰、碳中和”行动方案，国家电网报，2021-03-02.