配电网继电保护配置方案性能比较方法

摘要

本发明涉及一种用于配电网保护配置方案性能比较的方法。当前保护配置方案优选没有统一的指标与方法。本发明以能量损失作为通用评价指标，提出计算模型，根据待比较的保护方案的配置特点选择用于组成故障场景的随机变量及其分布，然后利用蒙特卡洛方法生成大量的随机故障场景，计算每个故障场景下各个保护配置方案的能量损失，最后统计大量随机故障场景下各个方案能量损失的平均值，选择平均能量损失小的保护方案作为优选方案。本发明适用于多种不同类型的保护配置方案比较，并且能量损失作为本发明中用于方案比较的性能评价指标，简单直观，易被广大电力从业者接受。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体是涉及一种用于配电网保护配置方案性能比较的方法。

背景技术

配电网直接面向用户，是提升电网企业社会服务水平的关键环节。继电保护作为电网安全运行的哨兵，对配电网可靠供电至关重要。虽然电力行业已经出台相关规程对配电网保护配置与整定进行指导，但配电网中保护的配置仍有较大的灵活性，导致实际配电网保护方案选择困难。比如，选择灵敏度略微不足但速动性好的电流保护定值，还是选择灵敏度满足要求但速动性下降的定值；架空线-电缆混合线路是否启用重合闸，等等。此外，配电自动化作为提高配电网运行管理水平的重要手段，正被广泛应用于我国的配电网。因此，宽松灵活的继电保护配置要求以及配电自动化技术的应用使得对于某一特定配电网可能会形成多种保护配置方案。如何定量比较不同方案性能，优选出最佳方案成为配电网保护急需解决的问题。

定量比较不同保护方案的性能需要建立合适且通用的性能评价指标。输电网中保护方案的性能指标要考虑对电网运行安全的影响，常常指代运行风险。配电网相对于输电网，发生故障时一般仅造成所供负荷的停电，不会影响整个电力系统的安全稳定运行，因而对于保护配置的安全性要求并不十分严格。配电网的保护配置更多地考虑经济性，即保护能够在配网发生故障后尽快切除故障，并尽可能缩小停电范围，减少故障损失和停电损失。目前配电网中保护方案一般采用供电可靠性指标进行性能评价，而供电可靠性指标没有统计每个用户具体的负荷大小，难以量化停电损失。因而针对配电网中保护配置方案之间的比较，提出更为合适的性能评价指标以及对应的比较方法是必要和迫切的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于配电网继电保护配置方案性能比较的方法。

本发明首先建立能量损失计算模型，然后根据待比较的保护方案的配置特点选择用于组成故障场景的随机变量及其分布，接着利用蒙特卡洛方法生成大量的随机故障场景，计算每个故障场景下各保护方案的能量损失，最后统计各个方案的能量损失平均值，能量损失小的作为优选保护方案。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1.建立能量损失计算模型；具体是：本发明将能量损失F用于保护方案比较的性能评价指标，具体就是指从故障发生到全线恢复供电这一过程中负荷失电量的总和。能量损失F通常由两部分组成，即F＝F_short+F_long，其中F_short代表短时能量损失，表示的是从故障发生到配电自动化完成操作这一过程中的配网线路上的负荷失电量。F_long代表长时能量损失，指代从配电自动化完成操作到人工修复恢复供电这一过程中的负荷失电量。因为短时能量损失与长时能量损失相比，数值较小。因此，在同一故障场景下，若两方案的长时能量损失F_long相等，那么只计算两方案各自的短时能量损失F_short；若两方案的长时能量损失F_long不相等，那么只计算两方案各自的长时能量损失。

步骤2.根据待比较的保护方案的配置特点选择用于组成故障场景的随机变量及其分布；具体是：组成故障场景的随机变量和分布形式有以下几种：故障馈线分段服从多项式分布；故障类型服从二项分布；系统等效阻抗服从均匀或者贝塔分布；短路电流综合误差服从正态分布；同一类型的馈线分段内故障的位置服从均匀分布；故障性质服从二项分布。不同的保护配置方案比较案例中用于组成故障场景的随机变量具体选择哪几种可能有所差异，因而要根据保护比较案例的配置特点选择合适的随机变量。

步骤3.利用蒙特卡洛方法生成大量的随机故障场景，计算各个故障场景下各保护方案的能量损失；具体是：确定蒙特卡洛模拟次数为N，每次模拟都对相关的随机变量进行状态抽样，从而组成随机故障场景，之后针对各个故障场景，根据保护方案的的配置以及能量损失计算模型获得各个方案的能量损失。

步骤4.统计各个方案能量损失的平均值，完成各方案的性能比较；具体是：统计各个保护方案在所有故障场景下的能量损失平均值，平均值越小的方案的性能越好。

本发明的有益效果：本发明适用于多种不同类型的保护配置方案比较，可以应用于不同继电保护安装位置的方案比较，还可以用于继电保护整定值方案的比较，等等。此外，能量损失作为本发明中用于方案比较的性能评价指标，简单直观，易被广大电力从业者接受。

附图说明

图1是某农村配电网的示意图；

图2为某城市配电网的示意图；

具体实施方式

以下结合图1对本发明作进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤1.建立能量损失计算模型；具体是：图1所示的农村配网，保护P1、P2配置有三段式电流保护，保护P3配置过电流保护。有A、B两个保护整定方案。当线路上发生永久性故障时，两方案都需要进行人工修复才能全线恢复供电，并且每个永久性故障场景中，方案A和方案B的长时能量损失相同，因而根据能量损失计算模型，只需进行短时能量损失的比较。

一旦主馈线上分段k(k＝1～3，分别针对分段线路l₁～l₃)发生短路故障，A、B两方案的处理流程相同，主要分为两步，第一步是保护有选择性地切除故障，第二步是切除故障之后进行配电自动化操作。因此，主馈线上由短路故障引起的短时能量损失F可表示为：其中i表示线路分段的编号；δ表示配电自动化操作的时间，由于瞬时性故障均能短时清除，为考察方案优劣δ宜尽量小，本例取1s；C_i表示分段i上的集中负荷；t_k表示保护的动作时间；ω_i为二进制数，如果分段i上的集中负荷因保护动作而失电则为1，反之则0，这是考虑到故障分段上游的保护可能存在误动的情形。

步骤2.根据待比较的保护方案的特点选择用于组成故障场景的随机变量及其分布；具体是：与图1相对应的A、B两个保护方案的差异在于保护P1的电流П段如果跟下级保护P2的电流Ι段配合整定，灵敏系数为1.02，不能满足灵敏度校验要求的1.2。此时A方案依旧选择与下级保护的电流Ι段配合，虽然灵敏度略微不足；B方案选择与下级保护的电流П段配合，虽然能够满足灵敏系数，但增加了一个动作延时Δt。由此可得A、B两个方案的配置差异在于保护整定值，因而选用以下随机变量来组成故障场景：故障馈线分段服从多项式分布；故障类型服从二项分布；系统等效阻抗服从贝塔分布；短路电流综合误差服从正态分布；同一类型的馈线分段内故障的位置服从均匀分布；故障性质服从二项分布。

步骤3.利用蒙特卡洛方法生成大量的随机故障场景，计算每个故障场景下每个保护方案的能量损失；具体是：确定蒙特卡洛模拟次数为N，每次模拟都对相关的随机变量进行状态抽样，从而组成随机故障场景，之后根据各个保护方案的的配置以及能量损失计算模型计算各个方案的能量损失。本例中蒙特卡洛模拟次数为100000(10万)次。

步骤4.统计各个方案能量损失的平均值，完成各方案的性能比较；具体是：统计各个保护方案能量损失的平均值，平均值越小的方案的性能越好。本例中方案A的平均能量小于方案B，因而保护方案A的性能更好，也就是选择依旧与下级线路电流Ι段配合的方案性能更好。

以下结合图2对本发明作进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤1.建立能量损失计算模型；具体是：图2所示的城市配电网的供电半径较短并且电缆的单位电抗值较小，在线路发生故障时，不同故障位置的短路电流水平差异较小，因而很难针对不同位置的保护设置有差异的电流定值，主要依靠保护动作时间配合来实现有选择性的切除故障。本例中，保护P1、P2均配置过流保护，动作时间分别为0s和0.5s。由于图2所示的城市配网线路是电缆-架空线混合线路，其中电缆占比为63％，面临是否启用前加速重合闸的选择，因而有了A、B两方案。

方案A中，保护P1不投入前加速重合闸，分段k上发生故障之后保护动作跳闸，之后通过自动切换分段开关等馈线自动化完成负荷的转供，假设馈线自动化操作所需的时间δ＝60s。方案A中因短路故障引起的能量损失F_A可表示为：

方案B中，保护P1启用前加速重合闸，全线任何位置发生短路故障首先由保护P1跳开，经过时间ψ延时后进行重合闸。若故障为瞬时性，则重合闸成功，全线恢复供电；若故障为永久性，则接下来依照方案A对故障进行处理。方案B中因短路故障引起的能量损失F_B可表示为其中，g为二进制数，若故障为永久性故障，则g＝1；若故障为瞬时性，则g＝0。

步骤2.根据待比较的保护方案的配置特点选择用于组成故障场景的随机变量及其分布；具体是：由于A、B两方案的保护定值相同，区别在于是否启用前加速重合闸，因而选用以下随机变量来组成故障场景：故障馈线分段服从多项式分布；故障分段中故障线路的类型可以是架空线或者电缆，服从二项分布；故障性质服从二项分布。

步骤3.利用蒙特卡洛方法生成大量的随机故障场景，计算各个故障场景下各保护方案的能量损失；具体是：确定蒙特卡洛模拟次数为N，每次模拟都对相关的随机变量进行状态抽样，从而组成随机故障场景，之后根据各个保护方案的的配置以及能量损失计算模型计算各个方案的能量损失。本例中蒙特卡洛模拟次数为100000(10万)次。

步骤4.统计各个方案能量损失的平均值，完成各方案的性能比较；具体是：统计各个保护方案能量损失的平均值，平均值越小的方案的性能越好。本例中方案B的平均能量损失小于方案A，因而保护方案B的性能更好，也就是投入重合闸的方案的性能更好。