含分布式电源的配电网广域保护容错算法

张 翔， 卫志农

(河海大学能源与电气学院， 南京 210098)

含分布式电源的配电网广域保护容错算法

张 翔， 卫志农

(河海大学能源与电气学院， 南京 210098)

随着分布式电源的引入，传统的配电网保护系统难以满足运行方式灵活多变的多DG配电系统的要求。为此，基于最大故障特征信息量准则提出了一种适用于含DG配电网的保护算法。该算法以广域保护原理为基础，以通信为支撑，仅利用电流量进行故障搜索方向的判别，适用于无PT通道的中低压配电网。算法分故障区域定位和故障区段定位两步完成。故障区域定位时，基于最大故障特征信息量准则建立的故障区域诊断树算法对电网结构变化能进行自适应调整，且算法具有一定的容错性；故障区段定位时，采用分布式决策结构，所需信息量较少，可靠性较高。最后通过算例分析，验证了算法的正确性。

分布式发电； 广域保护； 故障诊断树； 自适应性； 容错性

随着分布式电源DG(distributed generator)的引入，传统配电网由原来的单电源辐射型网络变成多电源网络，保护的运行环境发生了变化[1，2]。传统的配电网保护难以满足运行方式灵活多变的多DG配电系统的要求。为了提高继电保护系统的性能，近年来人们提出了广域继电保护的概念[3]。目前，广域保护结构主要分为两类[4]：集中决策结构和分布式决策结构。集中决策结构由决策主机和分散安装的智能电子装置IED(intelligent electronic device)组成，通过各节点IED收集全网信息并传送给决策主机；分布式决策结构仅由部分区域内的节点IED组成，区域内节点IED同时完成信息的收集、处理及决策功能。当然，广域保护系统的提出并不是要完全替代传统的主保护，而是充分发挥其根据多点故障信息准确判断故障元件的能力，对传统的主保护和后备保护进行补充，提高继电保护系统的可靠性。

针对DG接入后的保护正确动作问题，众多学者展开了研究。如文献[5]所述的多电源故障定位算法虽能解决保护选择性问题，但涉及到了功率方向的判别问题，而一般中低压配电网不装设电压互感器PT(potential transformer)，因此，无法获取功率方向，其应用领域受到了限制。文献[6]对无PT通道的配电网保护展开了研究，故障定位过程需利用全网所有节点信息，信息交换和处理量大，且未考虑到信息传输和处理时的容错性问题。

本文基于信息论中的最大故障特征信息量准则，提出了一种适用于含DG配电网的广域保护算法。该算法仅利用电流量信息进行故障搜索方向的判断，适用于无PT通道的中低压配电网。算法分为故障区域定位和故障区段定位两步，进行故障区域定位时，由最大故障特征信息量准则建立的故障区域诊断树对电网结构变化进行自适应调整，且算法具有一定的容错性；进行故障区段定位时，采用广域保护中的分布式决策结构，仅开放故障区域内的IED信息，所需的信息量较少，可靠性较高。

1 区域的自适应划分

广域保护系统中的IED理论上可以获得系统任意测量点的信息，但实际应用中，盲目地大范围交换信息无疑会增加通信系统的负担，降低通信系统的可靠性，对保护系统也毫无意义[4]。因此，若能将网络故障迅速地锁定在某一区域内，并仅用故障时该区域内的IED信息进行故障区段定位，便能使保护更加快速、可靠地工作，规定本文IED可以获得的信息为各节点电流量信息，包括各相电流幅值、相角以及电流序分量值。同时，由于配电网节点众多，而且拓扑结构变化较大，加上DG投切频繁，因此，要求含DG系统的区域划分一定要有自适应性。

由基尔霍夫电流定律[7]，对于任意三分支或多分支节点，在不需要电压量参与的情况下，仅利用电流量即可判别故障方向，即流入母线的故障电流之和等于流出的故障电流。因此，本文定义的区域范围[8]为两个三分支或多分支节点间，其中分支的定义包括DG支路及各线路。区域自适应划分原理的数学描述如下：

(1)形成网络描述矩阵。若网络含m个节点，由正常运行条件下潮流流向分别为各节点顺序进行编号，并开辟一个m阶方阵，矩阵元素用dij表示，并定义若i节点为三分支或多分支节点，则dii=1；若节点i、j间有支路连接，则dij=1，其余元素为0。

(2)由网络描述矩阵对角线的第一个元素开始路径搜索，并观察元素值dii，若dii=0，则令i=i+1，重新执行步骤(2)进行路径搜索；若dii=1，则记录相应行号i，转步骤(3)。

(3)行号i确定后，若对于任意dij(1≤j≤m，j≠i)均为0，可知节点为边缘三分支或多分支节点，搜索完成，记录所有搜索路径的行号，由各行号所对应节点组成的节点集即为一区域；若存在dij=1，则以djj为考察对象，若djj=1，搜索完成，记录节点搜索路径行号，确定区域范围；若djj=0，此时行号变更为j，重新执行步骤(3)，继续进行搜索。

(4)若i

2 保护算法的实现

本文算法拟分两步实现。第一步为故障区域判别，即从自适应划分的区域中锁定故障区域范围；第二步为故障区段判别，即判别出故障区域中故障点所处的具体区段。

2.1 故障区域定位

2.1.1 最大故障特征信息量准则[9，10]

设系统A有n个故障状态A1，A2，… ，An在系统发生故障的条件下，系统随机处于相应故障状态的概率分别为P(A1)=P(A2)=…=P(An)，并定义

I(Ai)=-lbP(Ai)

(1)

为故障状态Ai的自信息，并将其平均值

(2)

定义为系统的熵，它是系统不确定程度的度量，并规定0lb0=0。

将故障状态离散化，当某故障状态Ai具有特征Bi时用“1”表示，不具有该特征则用“0”表示，则特征Bi就将系统A分为两个子系统，一个是Bi1(Bi=1)子系统，另一个是Bi0(Bi0=0)子系统。由全概率公式，Bi的故障特征信息量可表示为

I(A；Bi)=H(A)-{P(Bi1)H(A|Bi1)+

P(Bi0)H(A|Bi0)}

(3)

设Ai以等条件概率出现，即P(A1)=P(A2)=…=P(An)=1/n，系统A中有k个故障状态具有特征Bi1，有(n-k)个故障状态具有特征Bi0，即P(Bi1)=k/n，P(Bi0)=(n-k)/n，代入式(3)，则有

(4)

各节点故障特征信息量可由式(4)直接计算得到，若I(A；Bi)越大，对应故障特征Bi对故障状态A的区分度也越大，可将其优先作为故障状态的区分标志，将故障信息表按特征Bi进行分类，对分类后的故障信息表由上述方法继续计算各节点故障特征信息量，取I(A；Bi)最大时对应特征Bi继续对故障信息表分类，按此方法不断对故障信息表进行化简，直至区分出所有的故障状态。

该方法实质是对各故障信息对不同故障状态下的影响因子做出排序，以便在筛选信息时做到主次分明，最终根据故障信息影响因子的排序结果形成故障诊断树，该诊断树能根据前一个故障特征的状态来决定下一步搜索的内容，使故障搜索策略具有自适应特性，能实现具有唯一性的最佳搜索寻因定位，避免了盲目搜索，提高了搜索效率，该方法还具有一定的容错性。下文将具体说明如何利用该方法来进行故障区域的定位。

2.1.2 故障区域定位过程

由上文所述，任意三分支或多分支节点在无PT通道情形下，由基尔霍夫电流定律，仅利用电流量即可判别故障搜索方向，因此可由各节点判别的故障搜索方向结果作为故障信息的来源。由于故障区域定位需利用到全网信息，因此，它采用的是广域保护系统中的集中决策结构[5]，即保护系统由决策主机和分散安装的各节点IED组成，IED负责采集各安装点的电气信息，根据相关算法进行必要的处理和运算，并将处理结果上传给决策主机，由于信息量较大，为保证信息传输的准确性及快速性，要求将故障信息数字化，且要求决策算法具有容错性，具体故障区域定位过程如下。

(1)故障信息的形成。首先规定系统正方向为系统电源指向线路末端，当某区域发生故障时，若由各节点判定的故障搜索方向与系统正方向一致，则定义该节点故障信息为1、若不一致或部分两分支节点不能判别故障搜索方向，则定义故障信息为0。

(2)根据当前的网络结构及DG投切情况，由上文方法自适应划分出网络区域。

(3)依次列出各区域故障时各IED的故障信息，形成故障信息表。

(4)根据最大故障特征信息量准则，对故障信息表进行约简、计算，最终形成故障区域诊断树。

(5)根据各节点IED的故障信息与故障区域诊断树进行比对，确定出故障区域。

2.2 故障区段定位

划分出故障区域后，还需对故障发生区段进一步进行划分，以将故障锁定在更小的范围内。由于此时故障点已锁定在了故障区域内，在进行故障区段定位时可不必利用到全网信息，仅需对故障区域内各节点信息进行处理即可，因此，它采用的是广域保护系统中的分布式决策结构[4]。

由于之前故障区域定位已将故障锁定在两个三分支或多分支节点间，此时区域以外的部分可等效为电源，因此本文所述的故障区段定位过程实际是两端电源条件下的故障定位问题，对于此类问题，许多学者已做了较为详尽的研究[6，11]，考虑到中低压配电网无PT通道，相应IED仅能采集电流量信息，本文拟利用观测点上下游故障时正序电流相位变化的不同来确定故障具体位置，即以各节点为观察点，正常运行时潮流流向为正方向，并定义相角变化量的变化范围为-180°～180°，若正序电流相角变化量为一正值，则故障发生在观察点上游；若正序电流相角变化量为一负值，则故障发生在观察点下游，限于篇幅，详细的推导过程不再赘述，可参见文献[11]。但此法在单相短路故障时不适用，第2.3节中将说明此故障下的应对措施。综上所述，故障区段定位过程如下。

(1)将故障区域内每两个相邻节点间的范围定义为一个区段，各节点IED输出定义如下：若节点IED检测到正序电流相角变化量为一正值，对应IED输出值为1；若节点IED检测到正序电流相角变化量为一负值，对应IED输出值为0。

(2)对故障区域内各相邻节点IED输出值作异或运算，记录运算结果为1的两节点编号，二者所构成区段即为故障发生区段。

2.3 保护算法相关说明

(1)本文分两步进行故障定位的理由在于：首先，第一步故障区域定位过程能根据前一个故障特征来决定下一步搜索的内容，搜索效率较高，且具有一定的容错性，因此能较为准确地将故障初判在一个大致的范围内；其次，故障区域定位是故障区段定位的基础，因为文中所提的故障区段定位算法是基于两端电源条件下的，而故障区域定位实质就是将故障锁定在两个等效电源间。

(2)故障区段定位完成后，区段保护启动，区段两端保护装置立即动作，该保护作为主保护使用；而故障区域定位完成后，区域保护同样启动，但此时，区域保护作为区段保护的后备保护使用，因此，需在主保护的动作时间上增加一个动作时限Δt，Δt根据实际情况而定。

(3)对于中性点不接地系统的单相短路故障，即小电流接地故障，本文故障区段定位算法不再适用，但根据相关规程，此时系统可继续运行1～2 h，因此有足够的时间由其他的一些小电流选线方法[12]来解决。

算法流程如图1所示。

图1 算法流程

3 算例分析

图2为含分布式电源的网络结构。图2中虚线表示节点下游区域，可当作一个分支处理，各节点负荷不当作分支处理，根据上文自适应区域划分原理对图2网络进行区域划分，划分结果见表1。

图2 含分布式电源的网络结构

区域号节点号11⁃2⁃323⁃43441⁃555⁃6⁃76771⁃888⁃9⁃10910⁃11

其次，由第2.1.2节中故障信息的形成规则可得出不同区域故障时的故障信息表，如表2所示，其中Si表示故障区域，Bi表示各节点故障信息。

表2 不同区域故障对应故障信息

对表2冗余信息进行约简，约简规则如下：若列相同，说明存在区分度相同的故障信息，只需保留一列即可；若行相同，说明存在不可区分的区域，将其合并。按此约简规则，B2、B6、B9、B11列相同，仅保留B2；S1、S4、S7行相同将其合并，得到简化后的故障信息表，并利用式(4)计算各节点IED输出Bi对应的故障特征信息量，如表3所示。

表3 约简后的故障信息

由表3可知，I(S；B3) 较大，取B3作为区分量，将系统分为B3=1和B3=0两个系统，分别由表4和表5所示。

表4 B3=1对应故障信息

表5 B3=0对应故障信息

根据最大故障特征信息量准则，表4中取故障状态B4即可区分出故障区域S2和S3。表5中首先取B5作为区分量，B5=1时，由B7即可区分出故障区域S5和S6；B5=0时，由B10即可区分出故障区域S9，再由B8即可区分出故障区域S8和S1(S4，S7)，至此，即区分出了所有故障区域，绘制故障区域诊断树，如图3所示。

图3 故障区域诊断树

由图3的诊断树结果可看出对于支路数超过3的多分支节点在进行故障区域诊断时，存在一定的盲区，如区域S1、S4和S7，此时只要增加一条判据即可消除盲区，即判断此类多分支节点的故障搜索方向指向的区域中是否存在与诊断树中的判别盲区重合的区域，若存在，则该区域即为故障实际发生区域。

综上，若图2所示位置发生故障时，各节点IED输出的故障信息B1～B11理论上应为(1，0，0，0，1，0，0，0，0，0，0)，但利用本文故障诊断树算法进行区域诊断时只需保证B3、B5、B7故障信息无误即可正确判别出故障区域位于区域⑤，验证了算法的容错性。由自适应区域划分结果可得区域⑤对应节点编号为5、6、7，由广域保护的分布式决策结构，仅开放5、6、7三节点IED的相关功能，由2.2中的故障区段判别原理可知，此时5、6、7三节点IED输出应分别为0、1、1，将相邻节点输出作异或运算，发现仅5、6节点IED输出异或结果为1，因此，判别故障发生区段为节点5-6间，验证了本文算法的正确性。

4 结语

(1)基于最大故障特征信息量准则，以广域保护原理为基础，以通信为支撑，提出了一种适用于含DG配电网的保护算法。

(2)该算法基于电流量进行故障搜索方向的判别，适用于无PT通道的中低压配电网。

(3)算法分为故障区域定位和故障区段定位两步。

(4)故障区域定位时对电网结构变化能进行自适应调整，且算法具有一定的容错性；故障区段定位时，采用分布式决策结构，所需信息量较少，可靠性较高。

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WideAreaProtectionAlgorithmwithFaultToleranceforDistributionNetworkIncludingDG

ZHANG Xiang， WEI Zhi-nong

(College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

With the introduction of distributed generation (DG), the traditional distribution network relaying protection is difficult to meet the requirements of flexible distribution systems. A new algorithm based on maximum fault characteristic information criterion for distribution network including DG was proposed in the paper. With wide area protection principle and communication system, the proposed algorithm uses currents to identify fault searching direction and it is suitable for low-voltage distribution network without PT channel. The algorithm is divided into two steps: fault region location and fault section location. Fault diagnosis tree algorithm in fault region location, which has certain fault tolerance, can be adjusted adaptively with the change of grid structure. Fault section location uses distributed decision-making structure, which requires less information and has high reliability. Finally, a example analysis verified the correctness of the algorithm.

distributed generation； wide area protection； fault diagnosis tree； adaptability； fault tolerance

2011-06-14；

2011-07-08

TM771

A

1003-8930(2011)05-0059-06

张 翔(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为分布式发电自动保护控制系统。Email:yazx1128@163.com 卫志农(1962-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统运行、分析与控制和输配电自动化等。Email:wzn_nj@263.net