通过保护转移因子将距离保护继电器闭锁约束整合到安全约束经济调度中

《Electric Power Systems Research》：Integrating distance relay blinding constraints into security-constrained economic dispatch via protection shift factors

　　

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  将距离继电器闭锁风险直接嵌入线性安全约束经济调度（SCED）模型中。
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  通过仿射不等式约束设定与继电器相关的投影电流边界。
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  推导保护影子价格，将继电器安全裕度成本内部化。
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  通过将逆变器型资源（IBR）动态特性与网络因子解耦，避免重复进行电磁暂态（EMT）仿真。

引言

风力、光伏和大型储能等逆变器型资源（IBR）的快速并网，不仅改变了稳态调度模式，也改变了输电保护系统所面临的故障响应环境。长期以来，独立系统运营商（ISO）与保护工程师基本在各自独立的时间尺度上开展工作。批发电力市场和采用安全约束经济调度（SCED）的引擎基于分钟到小时级的稳态潮流进行结算，而距离继电器则在故障的非周期暂态时间尺度内动作。

在传统电网范式中，这种分离通常是可接受的。常规同步发电机的故障电流贡献主要由其电磁和机械参数决定，特别是暂态电抗和转动惯量，且与其故障前有功调度仅存在弱耦合[1]。另一方面，在限流、低惯量的换流器型资源中，与继电器相关的故障电流贡献可能依赖于故障前的调度点，因为故障响应会经过换流器电流限值以及故障期间所使用的有功/无功电流优先级逻辑的滤波。现代电网规范，例如IEEE标准2800[2]，建议IBR在特定运行条件下保持并网并提供故障穿越支撑，但这并不意味着存在从故障前有功调度到与继电器相关的故障电流之间的通用闭式映射。该映射必须根据所选定的IBR故障电流响应策略和运行区域来确定。在本文中，IBR故障电流响应策略指的是在目标故障条件下适用的换流器限流规则和有功/无功电流分配优先级。

市场经济与距离继电器安全之间的耦合关系并未在标准SCED模型中显式体现。因此，看似经济上具有吸引力的调度方案在保护系统层面可能仍然不可行。在网状输电网络中，低成本IBR调度可能增大反向故障电流馈入，提高目标故障点处的电压，并放大距离继电器所测得的视在阻抗，从而侵蚀I段安全裕度[3]。因此，特定预想故障下与继电器安全边界相关的约束必须以保护约束的形式显式纳入调度模型。传统的分布因子（如潮流转移分布因子PTDF）对此是不够的，因为它们基于直流潮流近似推导而来，无法描述故障期间短路电流的重分布[4]。

现有的保护感知优化研究主要关注短路电流或断路器容量管理，通常通过故障电流限流器配置或短路电流约束规划模型来实现，而非针对IBR故障电流行为下的距离继电器闭锁问题[5]、[6]、[7]。故障水平约束最优潮流（OPF）模型，如文献[8]、[9]，限制了母线或开关柜短路水平，某些研究还协同优化故障电流限流器以保持分断容量在设备额定值范围内。与此同时，尽管近期有丰富文献涉及IBR引起的保护性能下降问题（包括距离继电器和过电流继电器），但这些研究几乎都仅在保护或控制领域内提出缓解策略，包括自适应继电器定值、通信辅助方案、继电器性能分析[3]、[10]、[11]，以及基于元启发式算法的继电器最优配合[12]，而非从系统级电力市场调度角度入手。现有文献中未解决的一个问题是：缺乏一种机制，能够通过源自解析的投影电流约束，将距离继电器低阻抗偏移和闭锁风险（以视在阻抗风险表示）直接嵌入线性SCED中。

第二个缺失的关键要素是一种源自解析的网络描述方法，用以识别哪些注入点实际消耗了继电器安全裕度。在作者此前的研究[13]、[14]中，电流溯源和比例分配方法被用于将共享支路电流分解为源自解析的组分，其方法是将线路电流投影到物理上相关的方向，并将对应分量分配给各贡献源。本文并未直接沿用该配电网模型。相反，本文将源自解析的电流溯源逻辑应用于一种面向保护的监测量——即在每个已分析故障后条件下，各源对受保护线路上继电器所观测到的投影电流的贡献。这一区分至关重要，因为市场模型中施加约束的量并非任意支路电流幅值，而是各故障后源贡献中与继电器相关投影方向对齐的那一部分。

基于上述研究空白，本文提出了一种以保护转移因子（PSF）为核心的新型预防性框架，该框架在保持线性SCED计算可行性的同时纳入了继电器闭锁风险。本文的贡献如下：

• 1.
  源自解析的投影电流灵敏度约束：本文首次将距离继电器闭锁风险直接嵌入线性SCED。基于文献[13]、[14]，我们将距离继电器闭锁风险（以视在阻抗偏移衡量）重新表述为源自解析的投影电流灵敏度约束，方法是将增强网络电流溯源与基于EMT识别的本地源电流响应灵敏度相结合。
• 2.
  与故障水平OPF不同的线性SCED嵌入：不同于以往保护感知OPF研究中限制母线或断路器故障水平的做法[8]、[9]，本文提出的模型将继电器相关投影电流边界作为一组仿射不等式约束直接嵌入线性SCED。
• 3.
  保护拥塞的价格解释：我们推导了在保护约束存在时的发电侧节点边际价格，并说明非零保护影子价格如何将消耗继电器安全裕度的注入点成本内部化。
• 4.
  大规模多约束仲裁：所提框架被推广至WECC 240节点系统，展示了其同时管理大量交互保护约束的能力。我们揭示了一种"自然对冲"机制，即SCED引擎在代数上叠加多个IBR的正负PSF灵敏度，从而在不产生不可行解的情况下最优保障电网安全。

由于与继电器相关的源灵敏度取决于换流器故障电流行为，所提模型将问题分解为增强网络层和本地IBR响应层。IBR响应层根据所选定的IBR保护响应策略，从EMT仿真中识别得出，而非通过纯代数替代模型提供。因此，报告中的数值应理解为针对目标预想故障下EMT识别所得的数值，而非通用保护常数。

本文其余部分组织如下。第2节从电流溯源推导保护转移因子。第3节建立保护约束SCED模型并推导发电侧节点边际价格。第4节通过基于EMT仿真的IEEE 14节点算例验证所提框架。最后，第5节对本文进行总结。

章节摘要

从电流溯源推导保护转移因子

为了将保护约束嵌入线性SCED引擎，所监测的量必须既是源自解析的，又在调度变量上是局部仿射的。因此，对于每个继电器p，我们定义一个标量I_proj,p，称为闭锁相关投影电流。与一般复电流之和的幅值不同，I_proj,p与目标预想故障下继电器相关的投影方向对齐，并且被构造为可表示为源自解析

保护约束SCED与节点电价重构

传统上，ISO执行SCED时仅强制满足稳态功率平衡和输电热极限。由暂态故障电流重分布引起的距离继电器闭锁问题，通常仅在离线保护研究中处理，而非在实时市场结算引擎中处理。然而，在高IBR渗透率下，IBR故障电流馈入具有显著的调度依赖性，反映这些固定保护边界的安全约束必须直接在调度中强制执行

算例场景与目标保护拓扑

本节的目标是在所选定的IBR故障电流响应策略下，利用EMT识别系数演示完整的PSF工作流程。选择IEEE 14节点测试系统代表具有适当保护区域覆盖的输电网络。

保留标准IEEE 14节点支路连接拓扑，修改后的算例与传统设置的主要区别在于目标保护场景所使用的发电构成。系统的负载在

结论

本文揭示了电力系统经济与保护工程交叉领域的一个薄弱环节。以经济为导向的IBR调度可能在特定预想故障下无意中将网状输电网络推向距离继电器闭锁状态。针对这一问题，本文提出了一种以保护转移因子为核心的预防性框架，弥合了稳态市场结算与非周期暂态故障保护之间的时间尺度差距。

关键步骤是将

CRediT作者贡献声明

Wanghao Fei：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，基金获取，形式化分析，数据整理，概念化。Paul Moses：撰写——审阅与编辑，验证，指导，基金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

Wanghao Fei|Paul Moses