为了适应分布式电源大量接入的要求, 并提高供电可靠性、保证线路电压水平, 未来智能配电网应具有闭环运行能力, 并在整体上具有微网运行能力。这些对配电网保护系统带来了很大挑战。首先是对于含有高渗透率分布式电源的智能配电网, 故障电流的单向特性已不复存在, 故障电流的幅值、谐波、序分量等特征也有别于传统配电网; 其次是智能配电网具有的灵活可变的拓扑结构, 为保护的整定配合带来了很大困难。虽然差动保护原理具有绝对的选择性, 可以应对智能配电网的上述特点, 但由于其对同步和通信带宽要求很高, 大量应用于配电网并不现实。

　　本文旨在针对未来智能配电网提出一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁保护方案。该方案对于配电网的不同拓扑结构(环网和辐射型网络)、不同运行模式(并网和孤岛运行)以及不同的故障元件(线路和母线等)皆具有良好的适应性。

　　2、技术路线

　　2.1基本原理

　　图1为本保护原理示意图, 图中每套保护由方向和过流元件组成。每套保护设置了两组、四个GOOSE虚端子。其中, 第一组虚端子IN1、OUT1负责逆参考方向闭锁信号的接收与发送; 第二组虚端子IN2、OUT2则负责顺参考方向闭锁信号的收发。

　　在图1中, 保护的参考方向设置为保护3→保护2→保护1。当F1处发生故障时, 保护1、2、3的过流元件皆起动, 保护1判别出故障方向异于参考方向, 而保护2、3的故障方向同于参考方向。为正确切除故障, 保护1需要顺着参考方向发送闭锁信号, 而保护2、3则需逆参考方向发送闭锁信号。这样, 保护1、2就会由于收不到闭锁信号而选择性切除故障, 而其余保护则被闭锁。为了达到上述目的, 定义了如下规则:

　　1) 参考方向的整定规则

　　环网中馈线断路器的参考方向为沿环同向, 即同沿顺时针或逆时针方向;

　　分支线断路器的参考方向为远离主电网方向;

　　配电变电站断路器的参考方向为指向主电网方向;

　　辐射型馈线断路器的参考方向为指向主电网方向。

　　2) 闭锁方向规则

　　若故障电流与参考方向同向, 则闭锁方向与参考方向反向。闭锁信号由IN1、OUT1收发;

　　否则, 则闭锁方向与参考方向同向。闭锁信号由IN2、OUT2收发。

　　3) 保护动作条件

　　动作条件为本地过流保护起动, 且未收到闭锁信号。其中, 过流保护起动定值按躲最大负荷整定。为提高灵敏性, 可以附加低电压起动判据。

　　2.2IEC 61850标准在配电网保护中的应用

　　本文将IEC 61850标准应用于智能配电网保护系统。具有如下优点。

　　在配置阶段, 可以利用系统配置描述语言(SCL)完整描述配电网结构以及保护配置。通过解析SCL文件, 可以根据上述规则自动整定各保护的参考方向。

　　在运行阶段, 利用GOOSE交换闭锁信号, 可以大量减少控制电缆, 提高保护之间的互操作性。同时, 还可以充分利用GOOSE的通信自检机制, 提高保护的可靠性。在智能配电网中, 可以根据不同需要, 选择光纤、电力线甚至无线网络等多种介质完成GOOSE的收发。

　　3、保护分析用例

　　为了验证本方案的自适应性, 利用图2所示的闭环配电网分析保护的动作情况。

　　分析了不同元件故障时保护的动作情况, 结果如表1所示。

　　表1 不同类型元件故障时的保护动作情况

　　论文还详细分析了当发生各种异常情况时保护的动作情况, 如表2所示。

　　表2 各种异常情况下的保护动作情况

　　4、方案效果

　　基于GOOSE的自适应级联方向闭锁保护方案具有如下特点:

　　1) 对各种配电网结构都具有适应性。能适应含多微网的智能配电网, 支持开环和闭环多种运行方式, 允许配电网工作于孤岛、并网两种模式。

　　2) 克服了传统纵联方向保护不能为相邻元件和母线提供保护的缺点, 能以统一原理为配电网中多种元件提供快速保护。对于配电网馈线和母线故障、微网内部母线故障、变电站低压母线以及配电网PCC等各处故障, 均能快速切除。

　　3) 在PT断线、断路器失灵以及通信失效等异常情况下, 该保护方案仍具有很高可靠性; 当线路保护拒动时, 相邻保护能提供后备功能。

　　4) 利用成熟、标准化的GOOSE通信技术交换方向闭锁信号, 所需通信带宽较低, 适合配电网的需要, 且易于实现保护之间的互操作, 符合配电网保护量大面广的特点。通过对SCL文件的自动解析, 可以自动完成保护参考方向的整定, 易于实施。

　　5、进一步研究方向

　　方向元件在本保护方案中起到关键作用。能够适应分布式电源多样性的新型方向元件是后续的重点研究方向。此外, 基于信息物理融合的智能配电网保护系统将能够进一步提高保护的自适应性、保证系统的可靠性, 这是作者正在研究的另一个重点方向。