基于低压配电系统继电保护研究.pdf

432023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术基于低压配电系统继电保护研究戚继宏 蒋晓峰（浙江浙能金华燃机发电有限责任公司）摘要：本文提出一种具有自适应保护设置的继电保护策略。通过一种新的混合方法，得到了使数值继电器的总工作时间最小化的最优继电器设置。该方法采用带有优化算法的自适应模糊推理模块（AFIM）确定合适的电流设置，采用启发式算法计算数值继电器的时间设置。在一个改进的 IEEE 14 总线系统上测试所提出的保护算法，该系统配备不同类型的分布式发电。在不同场景和不同运行模式下进行的案例研究结果验证所提出的方法能够以最小的继电运行时间推导出数值保护算法的最佳保护设置。关键词：发电厂低压配电；继电保护；模糊推理；启发式算法0 引言随着分布式发电的普及，发电厂低压配电网由原有的放射状结构向环状、网状结构转变。连接到低压配电网的 DG 可以作为额外的故障电流源，可能会增加保护继电器所看到的故障级别的总量。在电网中存在多个发电机组的情况下，聚合效应要显著得多，这可能会危及传统电网保护的运行1。DGs 渗透率的增加带来了保护问题方面的挑战，如干扰跳闸、保护盲板、熔丝重合闸失配和非同步重合闸。从文献中可以看出，网络中发电厂低压配电 DG 的存在会影响继电器的灵敏度和协调性，从而导致传统保护继电器故障的操作。1 常规 DOCR 的发展在常规继电器中，通过测量电流互感器（CT）和电位互感器（PT）检测到的电流和电压信号，来检测故障点，并计算故障电流比。协调问题的目的是确定发电厂配电系统中各主备继电器的电流设置和时间设置，使继电器整体运行时间最小。通常在 OCR中，拾取电流（Ip）被设置为工作电流的 1.2 倍，并且继电器成对协调以确保临界电流。时间设置是通过协调 DOCR 在环上的顺时针和逆时针方向来确定的。在故障发生时，当电流的测量值超过 Ip值的预设值时，继电器将根据跳闸时间与电流特性进行操作2-3。为了与提出的数字继电器进行比较，设计一种具有以下特点的传统数字 DOCR，如图 1 所示。1.1 数字模型采用基于样本的递推离散傅里叶（RDFT）方法提取电流和电压信号的基本分量。信号 x（t）的基频F0和采样角 为：N 个数据样本的信号 x（t）为：（1）（2）2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 432023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 432023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49442023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术障电流；Ip是继电器的拾取电流设置。目标函数是减少继电器总运行时间，即主继电器和备用继电器的总和，公式如下：主备过电流继电器的协调时间约束如下：式中，和 分别是主继电器和备用继电器的运行时间；x 是故障点数；y 是继电器的总数。协调时间间隔（CTI）是主继电器和备用继电器之间的最小运行时间，在这里设置为 0.3。2 数字式继电保护协调一般来说，继电器协调问题是一个含有多个线性和非线性约束的混合整数非线性问题。在 DOCR 协调问题中，Ip和 TDS 是可以优化的决策变量，可以找到最小的整体运行时间。进化算法，即遗传算法、粒子群优化算法和微粒群优化算法，可以用来求解这个最佳化问题，因为 Ip和 TDS 操作系统是一个单一的染色体，而且 Ip在式（6）所示的边界范围内。然而，由于配电系统中包含不同的分布式发电机，按照传统方法确定的 Ip值可能不适合用于检测故障。因此，需要一种自适应电流整定方案，根据不同的 DG功率和网络条件来选择电流整定。在其他启发式算法中，模糊推理系统由于其处理随机数据的明确能力而被用来决定 Ip值。模糊系统非常适合于评估各种情况和逻辑决策与不确定的投入，如 DG 功率。因此在保护算法中引入模糊逻辑系统，以便根据 DG 功率的变化预测最优继电保护整定值。在所提出的数字过流继电器（NOCR）中，继电器的整定和协调问题通过以下步骤来解决。由模糊推理系统组成的自适应模糊推理模块（AFIM）用于确定第一个子问题中的 Ip变量。在 NOCR 算法中，CT其中，m=0，1，2，.，M-1。通过相量测量，可以给出信号的余弦和正弦分量：相量 XM-1的简化形式可以表示为：基本相量估计式（4）的递归形式可以从数据窗口（M+n）中的最后一个样本计算出来：利用式（5）的递推计算，可以估计出电流和电压信号的幅值和相角，并用于继电器特性。1.2 DOCR 特性对于发电厂网状配电系统，分布式发电机可以通过其他线路提供电能，即使在故障隔离过程之后也是如此，这就需要准确、快速地故障检测和隔离。传统的DOCR 使用预定义的 TDS 和 Ip值，这些值满足主继电器和备用继电器之间协调的保护约束。继电器的操作时间（tki）是故障电流的反函数，由下列因素定义：式中，k 是继电器的标识符；i 是故障位置识别号；TDS 是时间拨号设置；If是继电器感应到的故（3）（6）（7）（8）（4）（5）图 1 常规 DOCR 框图2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 442023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 442023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49452023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术由于 NOCR 的当前设置是浮动值，它们在每个模拟条件中显示。发电厂配电系统中，在中点故障FLO 处运行的一次继电器是 R3 和 R4。NOCR3 和NOCR4 的浮动电流设置值与 DOCR3 和 DOCR4 的预设电流设置值相同，对于 Fl 处的故障分别为 0.432pu和 0.034pu。NOCR 中的 ACSM 模块能够根据终端电压检测适当的电流设置，因为在这种情况下不存在DG。然而，从运行时间值上可以看出，NOCR 中的优化算法最小运行时间为 50.71%。3.2 测试 II：孤岛运行在这个案例研究中，孤岛状态是通过断开主断路器与电网的连接，并模拟在 F10 的“a-g”故障来模拟的。继电器 NOCR3 和 NOCR4 检测到故障电流的变化，电流设置分别改为 0.1421pu 和 0.008pu，如图2 所示。在岛状态下使用恒定的 DOCR 电流设置可能会导致继电器的误动作，从而导致保护失败，如图 3所示。与案例研究 I 的常规 DOCR 相比，观察到整体时间缩短 49.31%。3.3 测试 III：低压配电 DG 突然丢失为了演示配电系统中的 DG 损失，连接到 5 号总线的 DG 在 F10 发生“a-g”故障时断开。NOCR4 将最糟糕的情况视为非 DG 情况，并根据线路中的电压和 PT 的输入信号通过 RDFT 算法进行量化以进行数字处理。然后以较高的频率采样信号，用于计算基本相量。提取出的电压相量和 DG 输出作为 ACSM 的输入，用于确定 Ip。然后通过遗传算法在最佳化问题中使用 Ip值来寻找保护设置。方向单元（DU）用于根据检测到的方向发出适当的跳闸信号，该方向通过电流和电压信号相位角比较来完成4。3 个案研究及分析本文提出的 NOCR 继电保护机制在 IEEE 14 总线系统的发电厂配电网上进行测试。在 MATLAB/Simulink R2016b 平台上对配电网中的继电器（R），即 DOCR 和 NOCR 进行评估和仿真。测试用例场景是根据不同的网络条件生成的，通过放置开发的两个继电器引入不同类型的故障。对发电厂配电网进行改造，增加了 2MVA 容量的柴油发电机组、10kW 容量的光伏发电系统和 22kW 容量的风力发电机组。3.1 测试 I：关于发电厂低压配电 DGs 情况对于案例研究 I，建议的 NOCR 被放置在配电系统上，而不包括 DGs，并且在每个故障位置（F1至 F5）中模拟螺栓“abc-g”故障，以评估其对传统 DOCR 的性能。传统 DOCR 的现行设定和时间设定值，以及 NOCR 的最佳时间设定值载于下表。表 测试用例的保护设置图 2 测试用例的 NOCR 运行继电器R10.820.050.130.360.050.160.430.050.110.030.170.180.640.050.14R2R3R4R5DOCR（所有情况）当前设置时间设置类型NOCR的最佳时间设置2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 452023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 452023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49462023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术参考文献1234降感知故障，将电流设置值修改为 0.036 pu 从而在0.59s 时产生适当的跳闸信号，如图 3 所示。因此，建议的 NOCR 能够推导出所有可能的网络场景的保护设置。4 结束语针对发电厂低压网状配电系统的过电流继电器协调问题，考虑发电厂配电系统的非线性特性。虽然DOCR 是保护网状网络以克服危险品影响的一种可行和经济的选择，但像 DOCR 那样预先确定的一套中继设置不能提供完全的保护以抵御危险品的影响。为此，本文提出一种基于自适应保护整定和最优保护协调的混合方法的数字继电器。这种混合方法包括一种图 3 NOCR4 对 DG 损失的影响高旺，杨飞.解决分布式可再生能源发电对定向过电流继电器协调的影响：案例研究 J.高电压技术，2017，10（9）：21-22.李斌.基于对偶单纯形法的配电网过电流继电器优化配置 J.电力系统保护与控制，2017，7（19）：34-37.黄珂.低压配电系统选择性保护技术研究 J.电子技术与软件工程，2021（19）：232-233.曹冬凌.无线广播电视台发射台低压配电系统的配置和维护研究 J.通信电源技术，2021，38（8）：157-159.（收稿日期：2023-03-17）基于模糊逻辑的保护算法，该算法在确定最佳保护设置时考虑了 DG 输出的随机性。对一个标准的 IEEE分布系统进行几个案例研究，以检验该方法的有效性。针对传统方向过电流保护在网络结构变化时使用预定设置的局限性，提出一种基于实时设置的继电器保护算法。2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 462023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 462023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49