基于網(wǎng)絡(luò)采樣與延時補償?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護方法

蔣朝宇，蔡澤祥，蔡煜，岑伯維，李進

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641)

近年來，分布式發(fā)電技術(shù)及其相應的并網(wǎng)管理辦法得到不斷發(fā)展和完善，分布式電源(distributed generation，DG)在配電網(wǎng)中得到廣泛應用[1]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)多采用單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保護系統(tǒng)通常由多段式電流保護構(gòu)成，并輔以自動重合閘功能[2]。隨著DG通過分散方式接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)由原先的無源網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)展成為有源網(wǎng)絡(luò)，而且配電網(wǎng)運行接線由輻射形網(wǎng)絡(luò)逐漸演化為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)雙向潮流的特點[3]。同時，DG的電力電子化使得配電網(wǎng)的故障特征變得更加復雜，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護造成一定的影響[4]。因此，在新型配電網(wǎng)發(fā)展背景下，配電網(wǎng)的保護亟需升級。

目前，國內(nèi)外學者為完善DG并網(wǎng)后的配電網(wǎng)保護開展了多方面的研究工作[5-6]。針對DG出力不確定性問題，文獻[7]根據(jù)系統(tǒng)運行方式和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化，對保護背側(cè)網(wǎng)絡(luò)進行等值變換，并根據(jù)支路貢獻因子矩陣，消除DG對各支路電流的影響。針對DG穿透率較高的配電網(wǎng)故障電流方向難以確定的問題，距離保護[8]、方向保護[9]等在配電網(wǎng)中取得一定的應用，具有較好的適應性，但是其性能改善依賴于方向測量元件的加裝配置。總體而言，上述方法更多地依靠就地信息改善保護性能，可利用的信息量有限，保護的靈敏性、選擇性容易受到可利用信息情況的制約，難以感知配電網(wǎng)運行方式的變化。

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的逐漸成熟，繼電保護能夠融合保護區(qū)域內(nèi)所有采樣信息，其獲知故障信息資源的能力可得到大幅提升[10-13]。與傳統(tǒng)的就地保護方法或簡單通信的差動保護方法相比，借助網(wǎng)絡(luò)化的信息共享，繼電保護不僅能夠匯集全系統(tǒng)信息，還能實時跟蹤系統(tǒng)運行方式的變化，并且能夠根據(jù)保護范圍實現(xiàn)保護決策的靈活調(diào)整。基于IEC 61850標準的保護方法已在智能變電站中成熟應用，并拓展推廣到配電網(wǎng)領(lǐng)域[14]，提供系統(tǒng)級的保護實現(xiàn)方法?；诿嫦蛲ㄓ脤ο蟮淖冸娬臼录?generic object oriented substation event，GOOSE)信息交互的配電網(wǎng)保護方案得到充分認可。文獻[15]通過智能終端之間的對等通信，實現(xiàn)基于饋線自動化的配電網(wǎng)保護方法；文獻[16]利用方向元件，形成含故障方向信號的GOOSE報文進行故障定位；文獻[17]利用過電流保護的動作信息形成GOOSE報文，實現(xiàn)故障定位；文獻[18]將保護故障判斷信息與故障動作信息融合形成GOOSE報文，提供具有抗差容錯性能的保護方法。

然而，現(xiàn)有配電網(wǎng)保護方案依托的信息主要為邏輯量和狀態(tài)量的形式，DG的存在造成故障特征不明顯，保護元件的選擇性、靈敏性受到影響。不同于反映故障判斷結(jié)果的狀態(tài)量信息，采用電氣量進行信息交互能夠以最直觀的方式給出故障特征，提高故障感知與判斷能力。文獻[19]對基于電流幅值、相量信息共享的差動保護進行了研究。然而，配電網(wǎng)大范圍的電氣量信息傳輸帶來延時、同步等問題[20]，現(xiàn)有配電網(wǎng)仍未取得基于網(wǎng)絡(luò)采樣的系統(tǒng)級保護方法。

總體而言，現(xiàn)有的IEC 61850標準在配電網(wǎng)保護中僅僅取得了依托GOOSE方式的保護應用。為此，本文首先設(shè)計基于IEC 61850完整體系的配電網(wǎng)保護框架，提出基于采樣值(sampled value，SV)信息量交互的配電網(wǎng)電流差動保護方法，并針對配電網(wǎng)差動保護的同步問題，提出延時補償?shù)谋Ｗo同步策略。最后，通過一、二次系統(tǒng)聯(lián)合仿真，驗證測試提供網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)保護性能，指導實際工程應用。

1 基于采樣值的配電網(wǎng)保護架構(gòu)與方法

1.1 基于IEC 61850的配電網(wǎng)保護實現(xiàn)架構(gòu)

IEC 61850提供了完備的保護系統(tǒng)信息模型描述[21]。圍繞配電網(wǎng)保護的間隔設(shè)置以及保護功能配置情況，基于IEC 61850的配電網(wǎng)保護架構(gòu)如圖1所示。

CALH—后臺管理；ITMI—人機接口；CAPDIF—區(qū)域差動保護；TCTR—電流互感器；TVTR—電壓互感器；XCBR—斷路器；PTOC—就地保護；MMS—制造報文規(guī)范，manufacturing message specification的縮寫。

智能終端層執(zhí)行電氣量采集預處理、開關(guān)跳閘控制以及本地邏輯決策功能，覆蓋的邏輯功能節(jié)點主要體現(xiàn)為測控功能的TCTR、TVTR、XCBR以及就地故障邏輯判斷信息功能的PTOC。子站層覆蓋多間隔，實現(xiàn)面向區(qū)域的保護功能邏輯，在采樣信息及跳閘指令網(wǎng)絡(luò)化共享的條件下，配電網(wǎng)保護子站可以利用采集到的電氣量計算其有效值和功率，實現(xiàn)區(qū)域的縱聯(lián)方向、差動保護等功能，如圖1邏輯節(jié)點CAPDIF等。主站層負責整個配電網(wǎng)片區(qū)的保護系統(tǒng)后臺管理，如圖1邏輯節(jié)點CALH、ITMI等。

根據(jù)保護系統(tǒng)邏輯設(shè)備部署情況，構(gòu)建服務(wù)模型。保護的服務(wù)模型決定了保護系統(tǒng)的通信交互方法，不同的通信借助不同的服務(wù)模型接口實現(xiàn)信息傳輸。完整的IEC 61850規(guī)約提供3種形式的通信服務(wù)接口：由邏輯節(jié)點TCTR、TVTR管理的SV信息由SV報文傳輸，如圖1中“S”接口；邏輯量、開關(guān)量信息由GOOSE報文傳輸，如圖1中“G”接口；告警、數(shù)值管理等功能由MMS報文傳輸，如圖1中“M”接口。由此，子站與終端之間的通信由SV及GOOSE報文傳輸，子站與主站之間的通信由MMS報文提供，契合IEC 61850在智能變電站中“三層兩網(wǎng)”的設(shè)計理念。

1.2 基于采樣值的配電網(wǎng)差動保護及其判據(jù)

基于IEC 61850的網(wǎng)絡(luò)采樣提供了區(qū)域的采樣信息，支持系統(tǒng)級的保護功能實現(xiàn)[22]?？紤]到配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)與運行方式靈活多變的特點[23]，保護策略需要充分應對網(wǎng)絡(luò)拓撲變化并進行跟蹤調(diào)整。根據(jù)配電網(wǎng)的拓撲接線以及保護網(wǎng)絡(luò)化的采樣情況，形成靈活的保護區(qū)域劃分與調(diào)整。

假設(shè)一次拓撲結(jié)構(gòu)用關(guān)聯(lián)矩陣D來描述，以各類被保護元件為頂點(線路、母線、負荷等)，以被保護元件的邊界為邊(各類開關(guān)等)，建立關(guān)聯(lián)矩陣D，其元素為

考慮一次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化情況以及網(wǎng)絡(luò)采樣情況，進行保護區(qū)域的動態(tài)調(diào)整，區(qū)域關(guān)聯(lián)矩陣

(1)

式中：nM為采樣缺失的開關(guān)數(shù)量；PM,i為第i個開關(guān)的拓撲情況與采樣情況，用行變換矩陣表示。具體來講，若開關(guān)i的正向關(guān)聯(lián)元件為a，反向關(guān)聯(lián)元件為b，有PM,i(a,b)=PM,i(b,a)=1。

合并后的各保護區(qū)域所包含的元件可由YM計算得到，即

(2)

式中：YM為保護區(qū)域與這些保護區(qū)域中所包含組件的對應關(guān)系；Y為單位對角矩陣。

經(jīng)上述基于采樣條件的自適應保護區(qū)塊劃分后，構(gòu)成差動保護判據(jù)，其中動作電流向量

Iact=DM|I|.

(3)

式中I為電流采樣值構(gòu)成的向量。不同區(qū)域?qū)⒏鶕?jù)矩陣DM關(guān)聯(lián)區(qū)域保護的電流采樣結(jié)果取得保護區(qū)域的動作電流值。同時，在保護區(qū)塊自動劃分的情況下，區(qū)域的電流整定值也需要進行浮動調(diào)整。

不同保護區(qū)域的電流整定向量

(4)

進一步考慮含制動量Ires的整定形式：

(5)

Ires=k3DM|I|.

(6)

式中系數(shù)k3的取值與DM相關(guān)。

由此，網(wǎng)絡(luò)采樣的保護方法具有自動獲取分區(qū)、自動整定定值的能力，保護將根據(jù)具體的保護分區(qū)實現(xiàn)動作選擇。

2 基于延時補償?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護同步策略

采樣數(shù)據(jù)同步誤差對差動保護有重要影響[24]，基于網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)差動保護的實現(xiàn)，需要將各節(jié)點的采樣信息上傳至配電網(wǎng)保護子站，因此采樣同步問題需要得到重視。

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)保護的延時組成及影響

基于網(wǎng)絡(luò)采樣的保護延時包括額定延時Tm、以太網(wǎng)交換機延時Tsw和光纖延時Tf[19]。網(wǎng)絡(luò)化保護報文通信延時構(gòu)成如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化保護報文通信延時構(gòu)成

額定延時為就地終端處理數(shù)據(jù)的固定時間，主要由配電網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)處理延時及數(shù)據(jù)在端口傳輸延時構(gòu)成，一般為幾微秒，是記錄于SV數(shù)據(jù)集中的固定值[25]。

以太網(wǎng)交換機延時為報文在以太網(wǎng)交換機上的駐留時間。對于一臺交換機來說，其延時由SV報文信息接收存儲延時Tin、排隊延時Tqu及報文信息在輸出端口的傳輸延時Ttr組成。

光纖延時為數(shù)據(jù)在光纖中的傳輸延時，包括合并單元到就地保護設(shè)備、就地保護設(shè)備到本地交換機、經(jīng)過多臺交換機到中心交換機以及中心交換機到區(qū)域保護設(shè)備當中的光纖傳輸延時。光纖延時與SV報文信息傳輸過程中的光纖通道長度成正比，與光速成反比[26]。對于確定的傳輸路徑，光纖延時是確定的[27]。由于合并單元到就地保護裝置、中心交換機到區(qū)域保護裝置的光纖通道距離短，其延時可以忽略。

當傳輸延時超過500 μs時，誤差角度會超過10°，此時如果不進行延時補償操作，差動保護就容易發(fā)生誤動或拒動，導致基于網(wǎng)絡(luò)采樣的保護可靠性降低。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)保護延時測量與補償

額定延時記錄于SV當中，無需額外測量。報文信息排隊延時Tqu的隨機性與波動性較大[28]。因此，本文通過以太網(wǎng)交換機沿傳輸路徑記錄報文中每個光纖段的延時。在交換機的輸入和輸出端口上對SV報文進行時刻截取，可以得出SV報文在輸入和輸出端口的時刻，精確計算SV報文在交換機內(nèi)的傳輸延時，并將此延時寫入SV報文中的保留字節(jié)中。

對于中間部分的交換網(wǎng)絡(luò)，由于配電網(wǎng)規(guī)模較大，光纖延時可以達到幾微秒甚至幾毫秒，不可忽略不計[29]。網(wǎng)絡(luò)化組網(wǎng)方式下，信息流傳輸路徑具有不確定性，光纖傳輸?shù)目坍嬓枰粉檲笪牡膫鬏斅窂剑坏?，通信網(wǎng)絡(luò)的實時性變化導致難以跟蹤消息的傳輸路徑[30-31]。因此，與其預先計算報文信息的傳輸路徑，不如通過以太網(wǎng)交換機沿傳輸路徑記錄報文中每個光纖段的延時。

配電網(wǎng)中的同步問題需要通過改進傳輸延時補償?shù)姆椒▉斫鉀Q，基于以太網(wǎng)交換機延時補償?shù)耐椒椒ㄕf明如圖3所示，改進的延時補償方法充分計及上述3種延時構(gòu)成。

圖3 基于以太網(wǎng)交換機延時補償?shù)耐椒椒ㄕf明

(7)

(8)

式中T0為光纖額定延時。

在獲得總傳輸延時后進行延時補償，可以計算出配電網(wǎng)各智能終端準確的采樣時刻。保護單元分別對不同SV報文進行延時補償，獲得來自不同的SV報文的發(fā)送時刻，采用線性插值法便可實現(xiàn)采樣同步。通過上述方式，實現(xiàn)了不依賴于外部時鐘信號的采樣同步，有效解決了配電網(wǎng)SV采樣數(shù)據(jù)信息的同步問題。

3 仿真驗證

3.1 仿真算例與仿真平臺

3.1.1 仿真算例

本文算例選取南方電網(wǎng)某地區(qū)實際配電網(wǎng)模型，一、二次結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中N1—N15為開關(guān)站點編號，圖標內(nèi)數(shù)字為對應站點的開關(guān)編號，一次系統(tǒng)覆蓋15個開關(guān)站點，采用環(huán)形組網(wǎng)方式。在保護系統(tǒng)配置上，根據(jù)第2章IEC 61850保護系統(tǒng)架構(gòu)，交換機與交換機之間相互連接成環(huán)，交換機之間的光纖長度約為300～400 m，呈現(xiàn)與一次線路相同的拓撲結(jié)構(gòu)，基于網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)差動保護功能部署于保護控制子站，位于圖4中N1位置。在具備終端裝設(shè)條件的站點配置保護智能終端，實現(xiàn)信息采集。

3.1.2 仿真平臺

為驗證基于網(wǎng)絡(luò)采樣及延時補償?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護方法，采用PSCAD仿真配電網(wǎng)故障過程，采用OPNET仿真配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用MATLAB仿真保護判據(jù)以及延時補償策略，由此構(gòu)成一個跨軟件的仿真平臺。

在PSCAD上搭建如圖4所示配電網(wǎng)一次拓撲仿真模型，模擬配電網(wǎng)的正常運行情況及故障運行情況，獲取不同情況下的電流仿真結(jié)果。將PSCAD測試所得的帶有仿真時標的電流值，通過底層代碼賦值給OPNET的通信仿真系統(tǒng)，OPNET各通信節(jié)點按照各時標記錄的仿真電流值發(fā)送SV報文。借助OPNET Modeler搭建保護系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，將PSCAD的電流仿真結(jié)果以包含電流采樣數(shù)據(jù)字段的SV報文發(fā)送至OPNET系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，模擬通信層中的保護傳輸規(guī)律及報文傳輸延時情況，同時模擬子站接收帶有實際電流仿真值及延時記錄結(jié)果的SV報文的接收與解析規(guī)律。最終，通過相應的數(shù)據(jù)接口自動提取OPNET Modeler模擬子站接收的報文結(jié)果，以及實際電流仿真值及延時記錄結(jié)果信息，在MATLAB實現(xiàn)延時補償算法及差動保護策略。所述跨軟件仿真的配電網(wǎng)差動保護測試實現(xiàn)方法如圖5所示。

圖4 仿真算例的配電網(wǎng)一次拓撲圖以及二次配置圖

圖5 跨軟件仿真的配電網(wǎng)差動保護測試實現(xiàn)方法

3.2 配電網(wǎng)開環(huán)運行方式下的仿真

基于PSCAD獲得無故障情況以及故障運行情況下流入節(jié)點的電流值。仿真算例采用圖4的運行方式，一次部分由10 kV母線以及饋線支路組成，系統(tǒng)頻率為50 Hz。裝設(shè)于線路兩端的電流互感器型號相同，變比為1 000，線路保護原理為網(wǎng)絡(luò)化電流差動保護。智能終端的采樣頻率設(shè)置為每周波80個采樣點。

通過PSCAD獲取所有節(jié)點的電流仿真數(shù)據(jù)，以采樣得到的饋線支路電流IN2_2、IN15_2、IN15_1、IN3_2為例(IN2_2表示10 kV進線2下N2開關(guān)站點的饋線支路電流，其他類推)，在無故障情況下以及在線路N2-N15中端發(fā)生故障的情況下，其電流值見表1。

表1 各狀態(tài)下支路電流

基于OPNET獲得報文傳輸?shù)难訒r，搭建具備延時可測的交換機模型，并計及光纖長度對傳輸延時的影響。對于圖4所示的配電網(wǎng)，各電流SV報文經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，延時數(shù)據(jù)見表2。

饋線支路中的其中一個保護終端所發(fā)出的SV消息經(jīng)過多臺交換機后發(fā)送至配電網(wǎng)保護子站，與相鄰保護終端所發(fā)出的SV報文相比，產(chǎn)生的延時差約為400～500 μs，導致角度誤差約為10°。根據(jù)表1的電流仿真結(jié)果和表2的報文延時，在MATLAB上實現(xiàn)延時補償與式(4)差動保護邏輯判斷。

表2 各報文傳輸延時

關(guān)閉延時補償功能各狀態(tài)下支路電流見表3。由表3可見，若是沒有延時補償?shù)韧酱胧?，由于傳輸延時的影響，配電網(wǎng)繼電保護的可靠性降低。此時，開啟延時測量功能，并實施相應的延時補償?shù)耐酱胧?，測得饋線支路電流IN2_2、IN15_2、IN15_1、IN3_2的值，結(jié)果見表4。

表3 關(guān)閉延時補償功能，各狀態(tài)下支路電流

表4 開啟延時補償功能，各狀態(tài)下支路電流

由仿真結(jié)果可知：在無故障情況下，若沒有進行延時補償?shù)牟僮?，線路N2-N15發(fā)生保護誤動；在N2-N15故障時，線路N15-N3也同樣會發(fā)生保護誤動。只有在開啟延時補償功能的情況下，保護才正確動作。

采用本文所提出的方法，可控制傳輸延時造成的角度誤差在0.5°以內(nèi)；對報文傳輸進行延時補償，使線路差動保護能夠在區(qū)內(nèi)故障時可靠動作，在區(qū)外故障時不動作，保證了繼電保護的選擇性。

3.3 考慮聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合運行方式下的仿真

考慮開關(guān)N6_1閉合，配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下，當線路N5-N6發(fā)生故障時，差動保護的保護區(qū)域發(fā)生調(diào)整，圍繞開關(guān)N7_2、N5_2以及N5_3構(gòu)造出新的保護區(qū)域，通過PSCAD測得流入該保護區(qū)域的電流值，見表5。

表5 N6_1閉合情況下支路電流

饋線支路中的其中一個保護終端所發(fā)出的SV信息經(jīng)過多臺交換機后發(fā)送至配電網(wǎng)保護子站，由于N6沒有配置保護終端與交換機，采用OPNET測得N5與N7保護終端所發(fā)出的SV報文，產(chǎn)生的延時差約為800 μs，導致角度誤差約為15°。關(guān)閉延時補償，在MATLAB上實現(xiàn)差動保護邏輯判斷，測得饋線支路電流IN5_2、IN5_3、IN7_2的值，見表6。

表6 關(guān)閉延時補償功能各狀態(tài)下支路電流

由表6可見，若沒有延時補償?shù)韧酱胧?，線路N5-N6故障時，保護拒動，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化，將導致配電網(wǎng)繼電保護的可靠性降低。開啟延時測量功能，并實施相應的延時補償同步措施，測得饋線支路電流IN5_2、IN5_3、IN7_2的值，見表7。

表7 開啟延時補償功能各狀態(tài)下支路電流

由表7可知，開啟延時補償功能后，保護才能夠正確動作，應對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。

采用本文所提出的方法，不僅能夠控制傳輸延時造成的誤差，還能夠適應配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，自動擴大保護范圍，使得線路差動保護自動調(diào)整為多端差動保護，保證在區(qū)內(nèi)故障的情況下保護有效動作。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的就地信息保護可利用的信息量有限，以及傳統(tǒng)的保護方案難以滿足當下配電網(wǎng)繼電保護性能要求的問題，本文基于IEC 61850在配電網(wǎng)保護中的全面應用，構(gòu)造了基于網(wǎng)絡(luò)采樣的配電網(wǎng)差動保護，該保護能夠適應網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化。針對網(wǎng)絡(luò)采樣造成的延時對保護的影響問題，分析了網(wǎng)絡(luò)采樣的延時構(gòu)成及其對采樣數(shù)據(jù)同步性的影響，從實際角度出發(fā)，提出了不依賴于外部時鐘信號的延時補償策略，保證了繼電保護的可靠性。最后，結(jié)合一、二次系統(tǒng)進行跨軟件仿真，驗證了基于網(wǎng)絡(luò)采樣與延時補償?shù)呐潆娋W(wǎng)差動保護的可行性。

本文所提出的方法已在實際配電網(wǎng)中工程應用，實際運行情況驗證了該方法的有效性和實用性。