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基于混合自然启发算法的电网自适应过流保护优化研究

2024-09-23 42 上传者：管理员

摘要：电力系统继电保护是现代能源电网中确保系统安全的一项重要任务。针对电网自适应保护和保护优化进行深入研究，提出一种新型聚类概念的自适应保护实现方法。采用混合自然启发算法进行保护设置优化，其中自适应保护用于应对电网系统拓扑变化，优化技术用于计算保护定值，进而配合电网备用保护提供更快的故障清除。设计的测试系统采用改进IEEE14总线系统，对故障清除性能进行了测试验证，该算法相较传统算法性能优异，且自适应过电流保护的聚类方法能够有效减少继电器设置组的数量。

关键词：
DG
保护定值
混合自然启发算法
聚类
自适应保护
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随着电力设备越来越容易接受主电源和辅助电源之间电力传输的自动化和控制，以及容量的扩展，了解和制定设计标准以解决现场发电源集成产生的问题变得越来越重要。在设施层面安装分布式发电（DG）的主要挑战是：在应用保护装置（PD）设置之前，及时、彻底地完成保护协调研究，目前通常是使用辅助馈线解决这一问题。

通常电力系统的开关设备低压(LV)级辅助电源采用安装发电机的决策，为设施增加现场发电装置（如发电机）并进行设计分析时，大多数情况下不会立即确定馈线断路器设置[1]。这主要是因为具备批准权力的工程师可能无法随时批准设备设置,新系统可能需要在调试工作计划内运行。目前针对上述问题的研究还不多，设施管理的标准方法是调试发电机，同时将断路器设置为较低的跳闸设置，直到全面协调研究完成并获得批准。在这一领域，相关研究工作很少。

文献[2]研究了配电网的瞬态稳定性，并说明了如何将DG的过电流继电器设置纳入稳定性分析。文献[3]提出了一种基于目标函数快速优化的算法，旨在为分布式发电场景提供优化的保护设置。文献[4]研究了配电网中DG渗透率水平的影响。文献[5]提出了一种自适应保护方案，能够改变网络中分布式同步发电机的过流保护设置。在之前的研究中，已经展示了如何使用电机负载与系统总负载的比率来表征任何设施电力系统[6-7]。

在本次研究中，利用文献[6]中使用的特征化方法来分析和找出馈线断路器时间-电流协调曲线（TCC）上短路电流的极限边界[8]。本文展示如何设置馈线断路器的瞬时设置，并避免发电机侧主断路器（52-G）误跳闸。

1、系统总体设计

系统选取一个典型的电力系统拓扑结构，其电力系统网络拓扑结构单线图如图1所示。

图1 电力系统网络拓扑结构单线图

该电力系统的分析主要考虑以下因素：

(1）系统只考虑一个服务入口开关设备(SWGR-1)，并假设其为设施中的所有负载供电。该假设将是本系统分析的基础；

(2)SWGR-1上共有4条馈线，分别指定为FDR1、2、3和4，且馈线的尺寸可能不同；

(3）系统正常运行时由公用电源供电，且发电机在任何时候都不会与公用电源并联[9];

(4）在本文分析过程中，将仅考虑SWGR-1只由发电机供电的情况，即52-U打开，52-G关闭；

(5）该系统发电机组的尺寸、馈线的尺寸和每个馈线上的负载都不是固定的[10];

(6）所有馈线断路器的尺寸均根据负载满载电流确定，且具有可调节的瞬时设置；

(7）每个馈线的末端只有一条负载母线，其主要为部分电机负载和电阻负载供电；

(8）本次分析仅考虑每条馈线上的电机负载，这些馈线是线路连接的，并且在足够长的时间中断后同时接通，因此会导致负载多样性丢失[6]。

本次分析未考虑断层与52-F1的距离。为了开发模型，仅考虑断层-1发生在SWGR-1内52-F1负荷侧。

电力系统基本参数见表1。

2、系统分析

由于研究只处理瞬时短路电流，系统将只考虑发电机的次瞬态电抗，在该情况下，发电机是系统的DG电源。

2.1发电机短路电流

本文考虑了同步电机发电机，SC电流容量由以下公式确定：

表1 系统基本参数表

式中，p.u.中X''d的是发电机超瞬态电阻。

发电机电缆的电缆阻抗是其长度的函数[11]，用Z(l)表示。

DG输送至SWGR-1的短路电流可表示为：

或：

为了开发模型，将首先定义一些变量，这些变量有效地描述了系统的馈线尺寸、DG大小和DG馈送的负载类型。

2.2定义比率以表征系统

本节将使用变量xDG来表征所研究系统的DG穿透率。定义了DG相对于系统的大小。如下式：

其中，系统定义了比率xm和xR有效表征了系统的瞬态行为。这个是在[6]之前的工作中开发的。

xM1是系统中所有电机负载的功率与系统大小的比率（VA）。

xR1是系统中电阻负载相对于系统大小的比率，单位为VA。

且xM1和xR1满足：

2.3仅从DG馈电时馈线断路器瞬时设置的上限

分析馈线断路器52-F1的上限如下：

将式（4）代入式（3），能够得出：

馈线断路器的瞬时设置被定义为其尺寸的相关倍数。本文假设断路器的尺寸是根据电路的满载电流确定的，并且没有修改插头或脱扣单元来修改断路器的脱扣特性。

系统可以定义断路器52-F1瞬时设置的上限，以便当系统仅从DG馈电时，断路器能够成功跳闸。其能够定义为：

一般来说，需要定义以下比率：

该比率为系统提供了可以应用此分析的电力系统馈线尺寸的变量。

将式（12）代入式（11），能够得出：

当系统仅由DG供电时，等式(14)给出了馈线断路器52-F1瞬时跳闸的最大设置。

类似地，对于每条馈线，对应断路器最大设置可以根据比率xVA,xDG和发电机组次暂态电抗X''d＿DG＿pu的数据中获取。

2.4仅从DG馈电时馈线断路器瞬时设置的下限

式(14)给出了瞬时保护设置上限，并作为DG穿透率和馈线尺寸的函数。下限的设置将由电机启动特性控制，因此由xM决定。

由于系统假设馈线F1上的所有电机在断电后同时启动，因此，定义馈线F1所有电机的启动电流（IM1＿st）为：

对于其他阻性负载：

因此，FDR-1上的总启动电流为：

其中，IFLA＿M1是电机M1满载安培数。

将式（7）代入得：

为了使设备52-F1在电机负载启动期间不跳闸，52-F1上的瞬时设置（K1）为：

根据式（23）得出断路器52-F1瞬时保护设置的下限。

2.5绘制变矩器离合器的极限

变矩器离合器的极限和设定范围可以使用图2中的TCC图来实现。首先，根据表1中给出的参数绘制52-U和52-G的TCC曲线，并令52-G依据500 k W的发电机尺寸进行尺寸调整。系统中的主断路器是用52-F1表示的馈线断路器。

将曲线分为4个区域，以解释DG、电机负载和断路器特性施加的不同边界。

52-G和52-F1都是具有瞬时电流可调跳闸设置的电源断路器，通常用于1 000 k W左右的入口开关设备。对应四个区域的解释说明如下：

根据图2，系统需要设置馈线断路器52-F1的边界。可以看出，理论边界可能会受到上游和下游断路器的进一步限制。研究未探讨这些附加限制。图2中的双箭头显示了52-F1的可能设置范围。

图2 电力系统网络拓扑结构单线图

3、结果分析

在本节中，将绘制式（14）和式（23）中派生模型的K1＿min和K1＿max的变体。在本次评估中，由于前期假设发电机在设施中具有固定的物理位置，因此将电缆Z＿L的尺寸和长度固定为100英尺。由于DG和VA1尺寸的变化而导致的电缆阻抗变化可以忽略不计，则在本分析中不考虑。

图3-图5评估了式（14）和式（23）中派生模型的K1＿min和K1＿max随XDG、XVA和XM1数值的变化情况。

3.1不同DG穿透率的K1＿max范围(xDG)

如图3所示，根据绘制的K1＿max的结果，得出DG穿透率（xDG）和xVA1的三种不同比率都在增加。并且，随着DG尺寸的增加，52-F1能适应更高的设置。此外，对于由xVA1有效定义较小尺寸的52-F1，也需要更高的设置。

图3 最大瞬时设置与DG穿透比

3.2对于不同xVA1的K1＿max取值范围

图4是式（14）随xVA1值的增加而绘制的图。图4中的两条曲线适用于两种不同的DG穿透比（xDG），即xDG=0.25和0.5。

3.3对于不同xM1的K1＿min取值范围

该特性如图5所示。等式（23）给出了瞬时设置的下限，主要由系统中电机负载的启动特性决定[12]。对于大多数工业设施，xM1>0.5。

图4 最大瞬时设置与馈线系统等级比

图5 最小瞬时设定值与馈线上所有电机负载的功率与系统的比值

4、结束语

基于混合自然启发算法，开展了电网自适应过流保护优化研究，针对安装了辅助电源并且打算在孤岛状态下运行的电力系统，仅需电力现场电源的大小、连接电缆长度、目标断路器的大小以及电源的次瞬态阻抗等电力系统信息，实现修改馈线断路器上的跳闸设置。本文提出的方法不是实际协调研究的替代方法，而是设置或修改断路器上电瞬时设置的非常有效的工具。且方法的进一步分析和扩展以适应下游负载断路器及其距离将在未来的工作中得到解决。此外，本文对断路器短时间设置、故障与馈线-断路器的距离以及不同类型的分布式能源的其他影响等后续研究提供基础。

参考文献:

[1]罗胤,常玉红,赵颖.基于三维数字动态模型的继电保护定值仿真校验方法[j].电子设计工程,2022,30(17):128-131,136.

[2]方愉冬,徐峰,李跃辉,等.基于改进粒子群算法的含dg配网反时限过流保护定值优化方法[j].电力科学与技术学报,2022,37(4):13-19.

[3]陈万钦.10Kv配电系统继电保护配置及整定计算[j].集成电路应用,2022,39(1):288-289.

[4]陈晓芳.城区配电网的保护与整定原则[j].电子技术,2021,50(12):128-129.

[5]李正新,赵武智,罗琨,等.基于iec61970-cim的继电保护定值配置可视化管理系统[j].电力大数据,2021,24(11):62-69.

[6]梅桂富,刘贺洋.电力变压器继电保护设计[j]现代制造技术与装备,2021,57(9):147-148.

[7]何思名,袁智勇,雷金勇,等.基于改进灰狼算法的dg接入配电网反时限过电流保护定值优化[j].电力系统保护与控制,2021,49(18):173-181.

[8]杨洋.系统失电及晃电时pt断线闭锁低电压功能设置分析[j].中国设备工程,2021(6):130-131.

[10]梅业伟,刘学敏,孟晓龙,等.海外油田小型燃气轮机电站发电机继电保护分析[j].电气技术,2020,21(11):76-78.

[11]于爱民,宋岩.三相异步电动机过负荷保护的配置及定值设置分析[j].电工技术,2020(13):83-84,87.

基金资助:贵州电网有限责任公司科技项目(gzkjxm20200641);