面向光伏高渗透率配电网熔断器节约配合的选择性故障限流

《Electric Power Systems Research》：Selective fault current limiting for fuse saving coordination in solar photovoltaic-rich distribution networks

　　

•离线策略恢复光伏富集网络中的熔断器-重合闸协调配合
•仅限制对保护协调有显著影响的光伏电源
•所提方法无需通信链路或额外的保护设备
•低影响光伏电源不受限制运行，最大化可再生能源利用
•IEEE 33节点和69节点系统验证了所提方法的有效性

引言

近年来，由于分布式发电（DG）资源在电力网络中日益普及，位于配电层面的发电容量份额显著增加[1]。多种因素推动了分布式发电单元的增长和发展，包括分布式发电源靠近负荷中心从而减少输电损耗、发电技术的进步、较低的环境污染、分布式发电单元相对较小的容量，以及更大范围的中小型投资者参与和投资的可能性[2]、[3]、[4]、[5]。在众多发电技术中，可再生分布式发电资源因其独立于化石燃料而更受欢迎。特别是太阳能发电系统在安装方面取得了显著增长——从小型几千瓦的住宅单元到数百兆瓦的大型太阳能农场——尤其在于年太阳辐照充足的国家，得益于其相对快速且低成本的建设[6]。此外，近年来，需求侧管理和大型高耗能消费者在高峰需求时段参与和配合，通过提供部分自用电量，也大大增加了安装光伏（PV）资源的倾向[7]、[8]、[9]。

尽管在配电网络层面整合分布式发电资源具有上述优势，但某些因素——如发电不确定性、其位于网络下游的位置、对电流特性的影响以及不参与频率和电压控制——意味着这些资源并不总是对电力系统有益，并引入了新的挑战[10]。可再生能源发电的不确定性使生产计划和频率控制变得复杂，需要在这些资源旁边安装储能系统，进而增加了成本[11]、[12]。然而，分布式发电资源在网络中带来的首要也是最重大的挑战是其对保护系统性能的负面影响[13]。传统上，配电网络中安装的保护设备基于电流测量。由于分布式发电资源对网络电流特性的影响，这可能导致保护设备（包括熔断器、重合闸和过电流继电器）的误动或拒动。在分布式发电源存在于配电侧的正常运行条件下，从上游电力系统传输的功率减少。这带来了若干优势，包括减少输电功率损耗、降低输电线路负荷以及在网络峰值负荷期间提供支撑[14]。然而，在故障条件下——如短路——从网络下游向故障点注入的电流减少了从上游网络流向故障点的短路电流[15]、[16]、[17]。因此，沿故障路径通过保护设备的电流可能与其整定值不匹配，导致拒动或在某些情况下误动[18]。为解决此问题，近年来提出了各种策略，旨在减轻分布式发电资源对保护系统性能的影响。

基于研究范围、所提策略类型和实施要求等特征的详细文献审查表明，许多现有方案可分为不同类别。本文提出两种一般分类，涵盖广泛可用的方法。第一种分类基于实施方式是在线还是离线。第二种分类与实施位置有关——更准确地说，即目标设备——即整定值修改或新安装应用于网络保护系统、分布式发电资源本身，还是完全新增到网络中的新设备。图1基于上述两个类别概述了参考文献的比较。各类别相关的优势和局限性分别进行讨论。

在线方案中，整定值自适应且持续更新，确保在存在分布式发电资源的情况下保护系统正确运行。相比之下，离线方案试图使用预定整定值恢复适当的保护协调配合。

•在线更新：在在线方法类别中，整定值根据网络变化持续更新和修改，以协助保护设备之间的协调[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。该类别的主要问题是通信基础设施；这些方法通常需要设备之间的通信链路来交换必要的数据，而在某些配电网络或其部分中可能无法获得或可靠性不足。文献[20]提出了一种使用人工神经网络（ANN）的自适应保护方案。基于提出的智能模型，考虑到分布式发电源的位置和发电容量，确定最优的过电流继电器整定值。径向基函数（RBF）网络适用于建模非线性网络关系和计算最优继电器整定值，因其具有高学习速度和良好的复杂函数近似能力，这可被视为一个优势。然而，将输出数据传输到继电器依赖于高度可靠的通信基础设施，这可被视为一个缺点。文献[21]提出的方法考虑保护协调，确定太阳能资源的最优渗透率。该文献同时从保护和经济两个角度进行保护分析和多目标优化。为此，使用智能算法呈现各种场景，并计算适合光伏存在的网络、设备、故障电流和保护整定值的详细模型。这需要复杂的计算、精确的网络数据和模型，以及对故障电流和光伏行为建模精度的高度依赖。文献[22]提出了一种使用双重整定值的自适应重合闸保护方案。第一整定值针对仅来自一侧的故障电流条件，而第二整定值对应于网络中存在分布式发电资源的条件。这些整定值基于接收到的关于网络和分布式发电状态的信息动态且在线更新，并应用于重合闸。在[25]中，使用多智能体系统（MAS）进行微电网保护。在该方法中，每个网络元件——如分布式发电、开关和其他保护设备——被视为一个智能体，智能体通过协调运行监控网络状态，在需要时本地执行必要的保护命令而无需控制中心。然而，开发智能体之间的通信和决策逻辑非常复杂，并且必须考虑安全问题验证其可靠性。在文献[26]提出的方法中，修改了分布式发电源的逆变器控制器，以实现基于虚拟阻抗的故障电流限制器（VI-FCL），在短路条件下保护逆变器，同时限制分布式发电源的故障电流贡献。以下简要回顾几项相关研究。文献[27]研究了光伏电源对配电网保护的影响，并提出了一种新的光伏逆变器故障条件模型。在该模型中，分布式发电系统被表示为电压控制电流源或电压控制电压源，允许考虑不同的运行条件并改善保护性能。文献[28]提出了一种基于逆变器功率控制的新方法。该方法通过对电网电压采样来控制基于逆变器的分布式发电源的输出功率，使得该电源在故障条件下将额定电流注入网络。这是通过使用涉及电网电压的非线性关系实现的。如图1中在线更新类别所示，参考文献被分类为自适应方法和基于多智能体的方法。该类别中的整定值根据网络中不同配置的分布式发电源持续更新和调整。这些方法的另一个优势是其智能和自适应特性，使其能够适应网络运行条件。此外，多智能体系统架构可用于协调正常运行条件下的负荷管理和网络拓扑，同时在故障条件下保持保护协调。通过确定最优运行点减少网络损耗，从而降低运行成本，是这一类别的另一个重要特征。然而，由于这些方法需要持续更新保护整定值，现有的保护设备可能需要升级或更换，可能增加实施成本。此外，它们的运行和保护命令的传输既需要集中的命令和决策单元，也需要安全的通信基础设施。因此，必须将来自网络中其他保护设备和分布式发电源的信息收集到中央控制器，这可被视为这些保护方案的局限性。

•离线更新：在离线类别中，在不进行实时更新的情况下恢复保护协调配合，通常观察到设计导向性的工作[29]、[30]、[31]。换言之，在这些方法中的一些，保护问题通过在分布式发电资源运行前进行最优放置或容量选择来解决[6]、[32]、[33]、[34]、[35]。在另一组参考文献中，保护协调问题通过对保护系统或分布式发电源应用固定整定值来解决。文献[36]使用优化方法寻找分布式发电资源的最优安装位置和最佳容量。提出的模型旨在实现具有最小经济和环境成本的设计，同时考虑保护设备之间的协调。该模型被表述为混合整数非线性规划（MINP）问题，最优解使用遗传算法获得。如图1中离线更新类别所示，该组中的参考文献侧重于分布式发电源的优化和规划方法。这些方法通常集中在确定分布式发电源的最优位置和允许的安装容量上。通过确定最优安装位置和运行容量，同时考虑网络中的保护协调，这些方法不仅解决了由分布式发电整合引起的保护问题，还促进了分布式资源的最优利用，从而减少网络损耗并最小化系统总成本。然而，除了这些方法缺乏保护整定值更新外，一个主要挑战是它们对网络中分布式发电安装位置的限制。可再生能源，如风力涡轮机、地热系统和太阳能光伏系统，依赖于各自初级能源资源的可利用性。因此，经过气候学、地质学和气象学评估后，这些电源通常安装在由能源资源可利用性决定的特定位置，并连接到网络。如果分布式发电放置的优化问题仅基于网络运行约束来解决，而不考虑这些因素，该方法对可再生能源来说吸引力将大大降低。相反，这类方法更适合那些安装位置受资源可利用性限制较小的分布式发电技术，如同步发电机。

基于设备的分类中，过电流继电器、重合闸和分布式发电源是所提策略中的关键关键词。此外，在某些情况下，该分类包括在网络中安装新的保护设备以改善保护系统[37]、[38]、[39]。这些新设备包括距离继电器、差动继电器、具有非标准特性的过电流继电器，或故障电流限制器（FCL）。

•具有非标准特性的过电流继电器：该类别中提出的策略中很大一部分涉及具有非标准特性的过电流继电器，这些继电器在传统配电网络中并不常见[23]、[40]、[41]、[42]、[43]。文献[40]提出了一种使用反时限过电流继电器的新保护方案，其中时间标度因数（TDS）是故障电流的函数。这导致了一种非传统的非标准特性，可以改善保护协调配合。然而，使用非标准特性和对故障电流测量的依赖是该方案的缺点之一。在[23]中，通过使用优化算法研究了非标准过电流继电器的协调配合。该方案同时使用两种优化算法的组合来最小化主继电器和后备继电器的动作时间。沉重的计算和需要强大的处理器是其缺点之一。

•差动继电器：已在多项参考文献中提出了基于差动继电器在配电网络中改善保护系统性能的方案，在这些参考文献中差动继电器此前并不常见[18]、[44]、[45]、[46]、[47]。这些策略的原理基于所研究网络区域内的差动保护计算。

参考文献[44]提出了一种使用正序分量代替相电流的差动保护方案。在[46]中，提出了一种使用动作阈值的改进差动保护方案。该方案通过在馈线两端测量电流来实现，即使在开关切换条件和高阻抗故障下也能提高保护系统性能。然而，需要安全的通信基础设施以及计算复杂性是其缺点之一。

距离继电器：一些参考文献讨论了使用距离继电器改善存在分布式发电资源情况下配电网保护的优越性[48]、[49]、[50]、[51]。参考文献[48]提出了一种基于阻抗的保护方案，包含两个动作部分。第一部分是故障检测，作为主保护，可以在适当时间内清除各种故障类型。第二部分是具有反时限特性的后备保护，以协调方式动作。参考文献[49]研究了距离继电器在有源配电网中的应用。基于该方案，距离继电器被提议作为过电流保护的可靠替代方案，以及作为DG电站电压保护的后备保护。该方案还突出了故障检测能力和保护协调的恢复。然而，使用距离继电器会增加配电网的设计成本，而且在相对较短的馈线上精度有限，此时通常推荐使用纵联差动继电器。

设置组：一些参考文献采用保护设置组来改善存在DG资源时的保护系统性能[52]、[53]。在[52]、[54]中，考虑到DG源的存在和网络拓扑变化，系统考虑了不同的运行点，并为每种可能的状态分配了一组设置。然后，为了获得最佳解决方案，通过求解线性优化问题来计算最优设置组。

故障电流限制器：相当一部分提出的策略采用FCL来控制存在DG资源时的电流特性[55]至[64]。FCL用于限制短路电流和冲击电流，从而提高电能质量，其主要任务是故障电流控制。此外，在正常运行条件下，它们的安装不会受到限制[59]、[65]、[66]、[67]。参考文献[61]使用FCL来控制故障电流。为此，使用计算工具对保护设置进行优化。FCL的最优安装位置也在多个参考文献中进行了研究[59]、[61]、[63]、[66]。

如图1所示，基于保护设备的类别包含五种方法。在这些方法中，向网络中引入额外的保护设备，以消除或减轻由DG源存在引起的保护误协调。这些方法通常独立于DG源，并就地调整保护设置。此外，可以使用智能控制器对保护设备应用多个优化设置，使其在不同网络配置下正确运行。除这些好处外，基于故障电流限制器的方法还可以改善电能质量参数。然而，所有这些方法都要求保护系统配备额外的昂贵设备。此外，使用非常规保护方案以及有时使用的非标准特性曲线会大幅增加整个系统的成本。此外，一些创新方案需要来自其他保护设备的信息来接收或发送跳闸信号，使其依赖于高可靠性的通信基础设施。

通过综合文献综述的结果并检查每个参考文献中提出的解决方案，识别了每种方案的优点和可改进的缺点。在线方案对其实现位置所需计算算法实时数据的依赖、通信链路故障的可能性以及该策略组中数据入侵和损坏的风险，促使本文提出的方法专注于离线类别的参考文献[68]、[69]。因此，本文提出修改基于逆变器的可再生资源的电流设置，使其在最小变更且不引入复杂性的情况下，PV源注入的故障电流按其安装位置的范围内进行重新配置。此外，通过区分显著影响保护协调的PV源和对保护系统影响可忽略的PV源，后者被允许无任何限制地发电。因此，仅对引起较大电流偏差从而导致保护协调失效的PV源子集进行限制，而其余源可以不受任何修改地运行。本工作的主要新颖之处在于基于位置相关影响分析的选择性限制PV故障电流贡献。与之前要么限制所有DG源要么需要硬件更改的离线方法不同，所提出的方法保留了非关键PV单元的发电。仿真结果表明，即使在最大PV渗透率下，在没有通信链路或额外设备的情况下也能维持保护协调。

所提出的离线方法与现有方法的比较突出了以下独特特征和优势：
- 简单快速实施：不需要额外的保护设备。
- 高可靠性：该方法不需要通信链路。
- 低实施成本：不需要先进的或昂贵的保护设备。
- 对DG安装位置或容量无限制：该方法不对DG源的位置或安装容量施加限制。
- 与不同网络结构兼容：该方法可以应用于配备现代保护设备的新网络和具有传统保护基础设施的现有网络。
- 对网络拓扑变化的鲁棒性：所提出的策略在网络拓扑变化下保持其预期运行。
- 与就地熔丝保护方案兼容：该方法就地运行，与传统熔丝保护理念一致。
- DG源的选择性识别：该方法区分显著影响保护协调的DG源和影响可忽略的DG源。

本文其余部分组织如下。第2节介绍传统熔丝保护协调方案及其在配电网中的运行原理。第3节分析分布式发电资源对保护设备性能的影响，特别强调DG渗透如何改变故障电流水平并破坏熔丝保护协调。第4节介绍所提出的策略，包括基于逆变器的PV源电流设置修改和选择性限制方法。第5节提供仿真结果和比较讨论，以评估所提出策略在各种渗透水平和故障场景下的有效性。最后，第6节总结全文并提出未来研究方向。

章节片段

熔丝保护协调

根据图2，在辐射状配电网中，电力从上游电力系统传输至下游客户。该网络的结构由一条主馈线和若干分支线组成。网络负载位于分支线上，并通过安装在每个分支线始端的降压变压器供电。每个分支线的短路保护使用熔断器。熔断器是一次性保护设备，当...时通过熔化隔离电路。

分布式发电资源的影响

如引言所述，网络中存在DG资源会通过改变网络电流特性导致配电网保护设备误动作。基于逆变器的DG资源，如光伏系统，通过电力电子转换器连接到电网。基于逆变器的DG源，如光伏系统，配备有故障穿越能力，这指的是在规定范围内承受电压或频率扰动的能力。

提出的熔丝保护策略

在第3节和公式(4)至(6)中，观察了PV源的存在如何通过改变通过保护设备的电流特性来影响网络保护系统的性能。在本节中，提出了一种新策略来控制PV源对通过保护设备电流的影响，以保持熔丝保护协调。该策略通过研究PV源在网络中的位置效应而开发。为此，保护...

性能评估

在本节中，通过与传统基于熔丝保护方案的配电网保护系统进行比较，评估所提出策略的有效性。为此，在ETAP软件环境中对IEEE 33节点和69节点标准测试系统进行仿真，并比较实施所提出策略和传统配电网方案的结果。

结论

本文研究了在PV源存在情况下，配电网中熔丝保护方案的性能。通过分析PV接入时通过保护设备的电流，确定了重合器电流如何根据这些源在网中的安装位置受到影响。该领域大多数现有方法要么是自适应方法，需要持续的数据更新来进行设置调整，使其高度...

基金声明

本研究无资金支持。

作者贡献声明

Mohammad Reza Shafiei：撰写—原稿、可视化、软件、调查。Majid Delshad：撰写—审阅与编辑、监督、方法论。Bahador Fani：撰写—审阅与编辑、监督、概念构思。Iman Sadeghkhani：撰写—审阅与编辑、监督、方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

Mohammad Reza Shafiei | Majid Delshad | Bahador Fani | Iman Sadeghkhani