基于序分量的智能分布式配电网保护方案

朱英伟，徐峰，吴佳毅，林军，张艳霞

(1. 国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321000；2. 国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310000；3. 智能电网教育部重点实验室实验室(天津大学)，天津 300072)

配电网是智能电网建设的关键环节，要提高供电可靠性必须重点关注配电网。传统配电网的保护采用三段式过流原理：电流I段能保护馈线的一部分；电流II段能够保护馈线全长；电流III段既作为本馈线的后备保护，又作为下条馈线的后备保护。随着分布式电源和储能装置的接入以及规模的不断扩大，配电网的潮流和故障电流方向不再是单一流向，只利用馈线上测量信息进行决策的三段式电流保护无法满足对继电保护选择性的要求[1-3]。研究适应新形势下配电网保护的新原理具有实用价值，一直是重要的研究方向。

目前，一方面，适应新形势下配电网的保护新原理不断涌现[4-7]；另一方面，无线通信技术、传感器技术和采样技术等现代科技技术的发展和在电力系统中的应用，解决了配电网光缆不足、通信条件差等制约因素，基于通信技术和多点信息进行综合比较的智能分布式保护系统在配电网中的应用越来越多，给配电网的保护带来了新模式。文献[8]提出一种网络化自适应保护方案，能够根据系统运行状况自动调整过流保护的整定值，适用于配电网的多种运行情况。文献[9]提出一种利用通信通道辅助方向过电流继电器和局部差动保护的分层保护方案，将保护分为负载级、循环级、循环馈线级和微电网级4个层级，不同数据在各级层间交互应用，能够确保通信故障时保护信号仍可以正确传输，但该方案对硬件设备有较高要求。文献[10]参考输电网广域保护方案，提出一种基于区域故障信息的分布式保护方法，不足之处是对通信系统的可靠性要求高。文献[11]借助网络化的通信手段，实现了集中式分层化的主保护和后备保护方法。文献[12]将5G技术应用于智能分布式配电网保护，解决了配电网保护纵联化、广域化问题，提升了配电网保护的性能。文献[13]分析了配电网开关设备配置的差异，在此基础上提出了一种基于时序的智能分布式配电网保护方案，利用不同的动作时序整定实现智能分布式配电网的保护，缺点是牺牲了保护的速动性。由此可见，目前的智能分布式配电网保护原理尚未完善，研究智能分布式配电网保护新原理具有重要的理论意义和实用价值。

本文提出一种利用序分量先判定故障母线，后判定故障出线和故障区间的智能分布式配电网保护方案，借助于通信通道并利用故障发生后存在的序分量，将负序分量和正序故障分量相结合来反映电力系统的各种相间故障。采用MATLAB搭建模型并进行仿真，以验证保护方案在各种相间故障情况下都能正确保证动作的选择性和快速性。

1 基于序分量的智能分布式配电网保护

在配电网母线处装设电压互感器和电流互感器，在馈线上装设电流互感器，通过通信网将所有测量信息上传至区域主站内，构成智能分布式保护系统。基于序分量的智能分布式配电网保护系统以故障发生后存在的序分量为基础，利用母线序电压、出线序分量功率角和馈线序电流相位来定位故障，包括判定故障母线、选取故障出线和定位故障区间3个阶段。

1.1 利用序电压判定故障母线

保护通过比较故障发生后各条母线上存在的负序电压或正序电压故障分量的值，找到最大值对应的母线即为故障所在母线，判据为：

(1)

(2)

若式(1)中任意一项满足则判别第k条母线为故障母线。负序电压判据原理清晰且不受正常负荷变化和系统振荡的影响，能快速判别出不对称相间故障。正序电压故障分量判据适合三相故障，因为这类故障不产生负序分量，只能根据正序电压故障分量的最大值判定故障母线。

1.2 利用序分量功率角选取故障出线

判定故障母线后，求取该母线所带出线的序分量功率角。依据序分量功率角不仅能选定故障所在的出线，而且当故障发生在母线上时也能正确判定故障点。

序分量功率角反映的是母线处各出线序分量电压与序分量电流之间的夹角。以单母线带多条出线系统(图1)为例分析故障出线的序分量功率角与非故障出线的区别。图1中：S1和S2为2个交流等值系统；T1和T2为变压器；110kV_a和110kV_b为2条110 kV母线，35kV_a和35kV_b为2条35 kV母线；L1和L2为母线35kV_a上的2条出线；MA、AB、BE、EJ、BG、AC、AD、DH、DI、MK、KL和LO均为35 kV馈线。当F1点发生故障时，故障点产生的负序电压在系统中产生负序电流，因此故障出线上的负序电流由线路流向母线，而非故障出线上的负序电流由母线流向线路，如图1红色箭头所示。

图1 单母线多出线系统Fig.1 Single-bus multiple outgoing-line system

图2 故障后负序等效网Fig.2 Negative sequence equivalent network after fault

图3 故障后负序相量图Fig.3 Negative sequence phasor diagram after fault

根据上面的分析结果，基于序分量功率角判定故障出线的动作判据设定为：

(3)

同一条母线上，所有非故障出线的序分量功率角相同，而故障出线的序分量功率角与非故障出线的不同。所以，如果保护判定某条出线的序分量功率角与其余出线的序分量功率角不同，则判定该出线为故障所在出线；如果保护判定所有出线的序分量功率角相同，则判定为母线故障。

1.3 利用序电流相位定位故障区段

利用各序分量功率角判定出故障所在出线后，提取该出线上所有馈线的序电流与母线序电流进行相位比较，以确定故障区段。

图4 故障出线的负序等效网Fig.4 Negative sequence equivalent network of fault outgoing-line

因此，先通过下面动作判据找到故障通路上的所有馈线：

(4)

再通过馈线与节点的关系矩阵找到故障通路末端馈线即故障所在区段。以图4网络为例，用关系矩阵A来描述节点和馈线的关系，矩阵中的每1行对应1个节点、每1列对应1条馈线，馈线与节点相关联的元素取1，其他元素取0，则关系矩阵

(5)

1.4 智能分布式保护的实现流程

基于序分量的智能分布式配电网保护系统流程如图5所示。启动元件动作后，首先基于式(1)找到序电压最大值对应的母线判为故障母线；再根据式(3)寻找与其他线路序分量功率角不同的那条出线，判其为故障出线，如果所有出线上的序分量功率角相同则判为母线故障；最后利用式(4)确定故障通路上的所有馈线，再结合馈线与节点关系矩阵A确定故障路径，故障路径末端馈线即为故障区段。该保护原理清晰、易于实现。

图5 基于序分量的智能分布式配电网保护主流程Fig.5 Main flow of intelligent distributed power distribution network protection based on sequence component

2 仿真结果及分析

本文搭建了图6所示系统仿真模型，其中： S3为交流等值系统；三绕组变压器T1采用Yn/Y/△接线，110 kV侧中性点直接接地；两绕组变压器T2和T3均采用Yn/Δ接线，110 kV侧中性点直接接地；110kV_a、110kV_b、110kV_c，35kV_a、35kV_b和10kV_a、10kV_b分别为110 kV母线，35 kV母线和10 kV母线；L1和L2为母线35kV_a上的两条出线，L3和L4为10 kV母线10kV_a上的两条出线；所有35 kV馈线长度均为10 km，所有10 kV馈线的长度均为5 km，线路参数见表1。

图6 智能分布式保护系统构成原理Fig.6 Schematic diagram of intelligent distributed protection system

表1 系统线路参数Tab.1 System line parameters

2.1 两相短路

t=0.1 s时刻F1点发生bc两相短路，母线上的负序电压如图7所示(标幺值)。35kV_a母线和35kV_b母线的负序电压的标幺值分别为0.592和0.213，10kV_a母线和10kV_b母线的负序电压的标幺值分别为0.385和0.122。故依据式(1)判定故障母线为35kV_a母线。

图7 F1点发生bc两相短路时各母线负序电压Fig.7 Negative sequence voltage of each bus in case of bc phase short-circuit at point F1

35kV_a母线所有出线的负序功率角如图8所示，出线L1的为20°左右，出线L2的为175°，依据式(3)可选出故障所在的出线为L1。

图8 F1点发生bc两相短路时35kV_a母线所有出线的负序功率角Fig.8 Negative sequence power angles of all outgoing-lines of 35kV_a bus in case of bc phase short-circuit at point F1

L1上各馈线的负序电流与母线出线处负序电流的相位差如图9所示。依据式(4)先选出构成故障通路的馈线MA、AB、BE，再根据馈线与节点关系矩阵可知，故障路径为M→A→B→E，因此故障点在馈线BE上，即F1点。

图9 F1点bc两相短路时L1出线上各馈线负序电流与母线出线处负序电流的相位差Fig.9 Phase differences between negative sequence current of each feeder on line L1 and negative sequence current on bus outgoing-line in case of bc phase short-circuit at point F1

2.2 两相接地

t=0.1 s时刻F2点发生bc相短路接地，母线上的负序分量如图10所示。35kV_a侧负序电压最大，为0.935，35kV_b、10kV_a、10kV_b侧负序电压分别为0.372、0.681、0.214，故可判定故障母线为35kV_a母线。35kV_a母线所有出线的负序功率角如图11所示，L1、L2出线的负序功率角均为185°，均不满足动作判据，所以判定为35kV_a母线故障。

图10 F2点发生bc相短路接地时各母线负序电压Fig.10 Negative sequence voltage of each bus in case of bc phase grounding at point F2

图11 F2点发生bc相短路接地时35kV_a母线所有出线的负序功率角Fig.11 Negative sequence power angles of all outgoing-lines of 35kV_a line in case of bc phase grounding at point F2

2.3 三相短路

t=0.1s时刻F3点发生三相短路，正序故障分量如图12—图14所示。由图12可知，35kV_a、35kV_b、10kV_a和10kV_b母线正序电压故障分量分别为0.52、0.13、0.86和0.55，由式(1)可判定10kV_a母线为故障母线。图13给出了10kV_a母线所有出线的正序故障分量功率角：L4出线的约为20°，满足动作判据；L3出线的为150°，不满足动作判据；所以选出故障所在的出线L4。图14为L4上各馈线的正序故障分量电流与母线出线处的正序故障分量电流的相位差。依据式(4)选出构成故障通路的馈线NO，再根据馈线与节点关系矩阵可得故障路径为N→O，因此故障点在馈线NO上即F3点。

图12 F3点发生三相短路时各母线正序电压故障分量Fig.12 Positive sequence voltage fault component of each bus in case of three-phase short-circuit at F3 point

图13 F3点发生三相短路时10kV_a母线所有出线的正序故障分量功率角Fig.13 Positive sequence fault component power angles of all outgoing-lines of 10kV_a bus in case of three-phase short-circuit at F3 point

图14 F3点发生三相短路时L4出线上各馈线的正序故障分量电流与母线出线处正序故障分量电流的相位差Fig.14 Phase differences between positive sequence fault component current of each feeder on line L4 and positive sequence fault component current on bus outgoing-line in case of three-phase short-circuit at F3 point

2.4 一相断线

t=0.1s时刻F3点发生a相断线，各母线负序电压如图15所示。10kV_a母线标幺值最大，接近0.823；35kV_a、35kV_b和10kV_b母线标幺值分别为0.401、0.097和0.492。故可判定故障母线为10kV_a母线。图16为该母线上两条出线的负序功率角，L4出线的约为15°，满足动作判据；L3出线的为165°，不满足动作判据；所以，判L4为故障出线。图17是L4上各馈线的负序电流与母线出线处负序电流之间的相位差，依据判据(4)选出故障通路为馈线NO，再根据馈线与节点关系矩阵可得故障路径为N→O，因此，定位故障点在馈线NO上即F3点。

图15 10kV_a线路F3点一相断线时各母线负序电压Fig.15 Negative sequence voltage of each bus in case of single-phase disconnection at F3 point of 10kV_a line

图16 10kV_a线路F3点一相断线时各出线的负序功率角Fig.16 Negative sequence power angle of each outgoing-line in case of single-phase disconnection at F3 point of 10kV_a line

图17 10kV_a线路F3点一相断线时L4出线上各馈线的负序电流与母线出线处负序电流的相位差Fig.17 Phase differences between negative sequence current of each feeder on line L4 and negative sequence current on bus outgoing-line in case of single-phase wire break at F3 point of 10kV_a line

3 结论

通信网络将所有线路上的测量信息上传至区域主站内，构成智能分布式保护系统。基于序分量的智能分布式配电网保护分3个阶段实现：第1阶段利用负序电压或正序电压故障分量的最大值判定故障母线；第2阶段依靠负序功率角或正序故障分量功率角选取故障出线或故障母线；第3阶段根据各馈线负序电流或正序电流故障分量与母线出线处的相位差来定位故障区段。每个阶段均利用序分量构成保护动作判据，负序判据反应相间故障，正序故障分量判据主要用来反应无短时不对称状态的三相故障。各个阶段的序分量采用“或门”输出的判别方式，可以保证各种相间短路的选择性。

本文保护逻辑清晰、易于实现，但是为了定位故障所在区段需预先构建馈线与节点的关系矩阵，增加了工作量。下一步有待研究更好的故障所在区段定位方法。