基于状态评估的配电网自适应继电保护配置方案

韩笑， 孙杰， 王凡， 蒋剑涛

(南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 211167)

0 引 言

当下传统阶段式电流保护难以满足当前配网保护需求[1]，自适应保护的提出为解决该难题提供了思路。其核心思想是根据当前系统、被保护对象的状态调整保护配置方案或定值[2]。电网中设备状态与故障发生率紧密联系。设备状态良好时故障偶尔发生，工作可靠性高，此时保护判据应相对严格；对于状态较差设备，发生故障的几率将增加[3]，此时应提高保护的灵敏性与速动性，防止故障影响范围扩大。

国外研究了反时限自适应电流保护。针对系统运方制定不同反时限曲线，切换保护定值[4]；将反时限电流保护的配合问题转化非线性规划问题，通过优化算法求解保护定值[5]。国内研究了阶段式电流保护的优化方案。通过系统故障后的电气量信息识别系统的运方，求解出保护背后的等效阻抗[6-7]，但这类方法无法感知与预测故障。通信技术的发展与智能变电站的建成[8]推动了差动保护在配网中的应用[9-10]，但该类方法需要加装设备，经济性较差，暂无法大量推广。

基于以上分析，本文将状态评估引入配网保护整定，建立设备状态评估体系，提出基于状态评估的配电网继电保护配置方案，以提高配网保护对各类故障、多变拓扑结构的适应性。通过算例分析，验证了所提方案。

1 配电网状态评估

1.1 状态指标

配网内设备主要分为架空线、电缆线、断路器和变压器四类，其运行状态与所处环境及自身状态密切相关。《配网设备状态评价导则》中对各设备运行状态的指标项目及其权重进行了规定。依据本导则及相关资料[11]，对指标进行了简化并重新给予权重。仅展示架空线相关指标及其权重，如表1所示。

表1 架空线状态指标

1.2 状态评价体系

根据上节对设备运行状态进行评价。其中含有可在线监测指标与不可在线评估指标。无法在线测量的指标由巡检人员不定期巡检直接打分。可在线测量的指标依据以下模型对单项状态指标进行评估。

测量值越小设备的状态越优的，则：

(1)

测量值越大设备的状态越优的，则：

(2)

式中：s为单项状态指数；xmin、xmax为该项目的最小值与最大值；xm为实测值。获得单项值后，通过加权计算获得状态指数：

(3)

式中：S为状态指数；pi为权重系数；n为评价指标个数。

2 基于状态评估的自适应保护配置方案

利用配网内IED设备经过上述评价系统，可获得各设备的状态指数，并开展保护配置工作。正常运行时配网中各联络线断开，可等效为单电源辐射型网络，如图1所示。图1中：QF9、QF10为联络断路器。

图1 配电网拓扑图

2.1 线路阶段式过流保护自适应整定方法

断路器状态良好但线路状态不佳的区段，共设置两段电流保护。过流Ⅰ段为电流速动段，过流Ⅱ段为过电流段。

过流Ⅰ段为主保护，保护部分长度，0 s动作。借助电网内各节点IED设备，获得当前拓扑下的上级等值阻抗，并动态修正；针对不同的故障类型，设置对称故障和不对称故障两个动作值，由IED判断故障类型并采取相应的保护判据。动作值为：

(4)

(5)

过流Ⅱ段为后备保护以保护全长，动作时间0.5 s。动作值按线路最大负荷电流整定：

(6)

2.2 接入配变线路自适应保护整定方法

(7)

过流Ⅱ段的动作值与式(6)相同。

2.3 断路器状态较差线路的保护整定方法

断路器状态较差线路，可能由于断路器误动、拒动，影响其他正常线路供电。由于城市配电网供电半径进一步减小，线路首末两端发生故障时短路电流相差不大，可使用上级线路的保护来保护两段线路。通过IED识别状态指数未达标的断路器，将其闭锁保持闭合，并自适应调整上级线路的保护定值。

以图1为例，QF4状态指数低，将其闭锁，并由上级QF1保护l1及l2。线路过流Ⅰ段能保护线路l1全长及l2部分范围，确保该范围内可迅速切除故障。保护定值为：

(8)

过流Ⅱ段的动作整定值与式(6)相同。为了保证其保护范围包含两条线路。式(6)中ILoad.max应为l1和l2两条线路最大负荷电流中的较大值，该值由IED进行判定。

配网中部分线路较短，过流Ⅰ段无保护区，切除故障时间较长，此时也可采用本节方案。通过上级线路保护本段部分长度，式(8)中α可依据系统中断路器、线路的状态合理选取。

3 算例分析

利用IEEE 33节点配电系统对本文所提保护方案进行验证，其系统结构如图2所示。通过各节点IED设备在线监测，配合巡检人员现场测量，可获得各设备状态指数，如表2所示。

图2 IEEE 33节点配电系统结构图

表2 配网内设备状态指数

3.1 保护整定示例

线路Line5_6的状态指数为73，在节点5配置本文2.1节方案。由式(4)、式(5)可得，保护P5的过流Ⅰ段定值为2.92 kA及2.53 kA，前者对应对称故障，后者对应不对称故障，动作时间为0 s。该线路最大载流量为510 A，由式(6)可得过流Ⅱ段定值为0.68 kA，动作时间为0.5 s。

节点23、24之间的线路上接有两台配变，在节点23配置本文2.2节方案。通过IED检测到配变DT23_1的容量更大，为800 kVA。由式(7)可得保护P23的过流Ⅰ段定值为0.94 kA与0.81 kA，动作时间为0 s。该线路的最大载流量为350 A，由式(6)可得过流Ⅱ段定值为0.47 kA。动作时间为0.5 s。

断路器QF29状态指数较低，采用本文2.3节方案，闭锁断路器QF29，由断路器QF28保护两段线路。设置过流Ⅰ段可保护线路Line29_30的50%范围，由式(8)可得保护P28的过流Ⅰ段定值为1.04 kA及0.90 kA，动作时间0 s。两条线路最大载流量较大值为300 A，由式(6)可得过流Ⅱ段定值为0.4 kA，动作时间0. 5 s。

3.2 对比分析

在线路的不同位置模拟故障，计算传统方案及本文方案的平均动作时间，如图3所示。传统方案定值较高，许多线路无速动区，需依靠延时段切除故障，平均动作时间较长，对于故障电流更小的不对称短路则更长。本文方案可根据故障类型调整保护定值，因此，对于不同故障有相同的平均动作时间，且保护定值可实时修正，故障切除时间明显缩短。

图3 不同保护方案的平均动作时间

分别计算本文方案与传统方案过流Ⅰ段的保护范围，计算结果如图4所示。传统方案平均最小保护范围为10.5%，且多点保护无保护区。本文方案平均最小保护范围为54.5%，只有部分过流Ⅰ段无保护区，对于此类无保护区的线路可采取本文2.3节方案。因此本文保护过流Ⅰ段更为灵敏。

图4 传统方案与本文方案下各线路保护范围

同时，由于本文保护方案在各点配置的保护可通过配电网通信系统，依据设备的状态及线路拓扑结构进行修改。相较于离线就地整定、定值不变的传统保护方案，保护的适应性更强，降低了保护误动和拒动的几率。

4 结束语

本文将配电网状态评估与继电保护相结合，克服了以往保护难以适应多变配网的缺点，提出了基于状态评估的配电网自适应保护配置方案，实现了保护方案及保护定值的自适应整定。经算例验证，本文所提方案保护的性能得到提升。