摘要:为解决分布式电源接入配电网后引起的一系列继电保护问题，本文提出了改进极限学习机与分区纵联保护相配合的保护方案，该方案以分布式电源接入点为界限，将配电网自然的分为不同区域，用分区纵连保护解决暂时性故障问题，用改进学习机算法定位故障解决永久性故障问题。最后仿真验证所提方案的有效性。
关键词：配电网；继电保护；纵联保护；故障定位
0引言
近些年，以风电，光伏，水电为典型代表的分布式电源（Distribute Generation，DG）受到人们越来越多的关注[1]。然而，DG并网改变了传统配电网功率单向流动的状况，给配电网带来一系列新的技术问题。针对DG并网带来的继电保护方面的问题，国内外学者做了大量的研究。文献[2]对配电网进行区域划分后用免疫算法进行故障定位。文献[3]基于广域保护，结合了遗传算法与区域保护实现保护的可靠工作。结合上述两类保护的优势，本文提出一种基于分区纵联和改进极限学习机算法相配合的继电保护方案，该方案以DG并网点为临界点，将配电网划分为不同的区域，针对系统中不同区域不同故障类型，用分区纵连保护解决暂时性故障的问题，用改进极限学习机算法定位故障解决永久性故障的问题，实现对整个配网区域的快速可靠保护。
1对传统电流保护的影响
分布式电源接入后，对传统配电网电流保护的影响主要表现在：（1）降低保护的灵敏度，甚至造成拒动的严重后果。（2）提供反向电流，造成保护误动作。（3）增大故障电流，扩大保护范围。（4）降低重合闸的成功率[4]。
2保护原理
2.1方向纵联差动保护
纵联差动保护的工作原理是比较被保护线路首末两端电流的大小和相位。此保护可保护整个线路，在保护区域内任何地方发生故障均可瞬时切除故障。在纵联差动保护中加入电流方向的判别形成方向纵联差动保护。此保护规定好电流的正方向，只有在电流的有效值大于动作值且电流方向为正时，断路器才会动作跳闸。因此方向纵联差动保护可应用于含DG配电网的继电保护中，解决配电网功率双向流动带来的继电保护问题[6]。
2.2基于改进遗传算法优化极限学习机
在利用智能设备和通信手段的新型保方案中，故障定位是至关重要的一步。本文选用极限学习机（ELM）进算法行故障定位，该算法具有很强的自学习能力、容错能力[6]。但ELM在进行训练时，随机产生的输入层权值和隐含层阈值可能导致网络不稳定，针对这个问题本文利用改进的遗传算法（IGA）对ELM进行优化,将优化后的算法应用于配电网的故障判断中。
2.3计划孤岛与区域划分
在分布式电源发展初期，当配电网发生故障时，常将分布式电源退出运行。但随着分布式电源的发展，其容量与渗透率都大大增加，频繁的切出与投运，不利于网络的稳定性和分布式电源的高效利用。通过合理规划划分以及适当控制形成的计划孤岛运行可消除孤岛运行对系统的不利影响又可提高系统的可靠性[7]。
形成计划孤岛需要满足一定的条件，只有在区域内DG的总发电量与区域内平均负荷保持平衡时，才可形成计划孤岛。这就要求GD在规划初期选址定容时就要有长远的目光，选的适当的容量和位置，为后期计划孤岛的形成做准备。一般而言，DG是选择在以DG所连母线为界限，其下游支路平均负荷略小于DG发电容量的位置。
3保护方案整体规划
为解决DG接入配网后原有保护方案无法可靠运行的问题，提出分区纵联和改进极限学习机配合的配电网保护方案。用分区纵连保护解决暂时性故障的问题，用改进学习机算法定位故障解决永久性故障的问题，整体方案如图一所示。
以分布式电源所在母线为分界线，将配网分为两个区域：含分布式电源的区域一与不含分布式电源的区域二，区域二即为事先规划好的计划孤岛。区域一中，在区域边界处配置方向纵联保护。整个区域一内，以配电网母线为单位，在线路靠近分布式电源侧加装智能开关IB1，IB2,IB3。在整个配网中，均在断路器旁安装智能馈线终端FTU。发生瞬时性故障时，纵联保护动作，隔离故障，并进行一次重合闸，是系统恢复正常。发生永久性故障时，进行一次重合闸后，IGA-ELM进行故障定位，隔离故障。
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图1 配电网继电保护整体方案图
Figure 1 Overall scheme of relay protection in distribution network
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图2 A相永久性接地故障电流波形图
Figure 2 Phase A permanent ground fault current waveform
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图3 A相永久性接地故障重合闸过程图
Figure 3 Phase A permanent earth fault reclosing process diagram
4案例与仿真
基于Matlab/Simulink平台搭建如图1所示的10kV配网模型，按照上节的规则将其划成2个区域，分布式电源DG的容量的8MW，区域2内所带负荷为3MW，区域2进入孤岛后可稳定运行。本文以区域1内的F1处发生A相永久性接地故障为例进行仿真，其波形图如图2所示。
当F1 发生A相永久性单相接地故障时，区域1内的纵联保护QF1,IB3会经过0.04s左右同时动作跳闸，瞬时隔离出整个区域1，此时，离故障点较近的QF2、IB2并不动作。一方面，QF1,IB3的动作将故障暂时隔离，另一方面，区域2进入到计划孤岛运行模式，
为负荷继续供电，这样既缩小的停电范围，由增加了系统的可靠性。之后，区域1进入重合闸过程，系统判断是否是瞬时故障还是永久性故障，其示意图如图3所示。
QF1,IB3动作隔离故障后，经过经过0.1s的延时，故障依然存在为永久故障，此时进行重合闸，QF1重合闸成功，但是由于故障依然存在，在0.6s时，IB3不动作，系统电流依然为零。此后，系统判定F1故障为永久性故障，为了减少停电面积，系统采用IGA-ELM进行故障精准定位，使相应位置线路的首末两端断路QF2,IB2跳闸，从而达到缩小停电范围的目的。
5结语
DG的接入使得配电网原有继电保护方案失灵，对配电网的保护方案提出了新的要求。
对此研究，取得的主要成功如下：
(1)设计了保护的整体方案，将高级馈线终端单和智能设备引入保护方案中，并用其完成保护的控制，提高保护的精准性。
(2)提出了基于极限学习机故障定位算法的分区纵联保护，充分发挥各自保护的优势。
参考文献
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[7]石明垒. 含DG配电网的新型保护控制技术研究[D].山东大学,2014.
作者简介
刘怡琳（1995—），女，河南平顶山人，研究生，从事电力系统继电保护方面研究
论文作者:刘怡琳,张超峰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
标签：故障论文; 分布式论文; 区域论文; 配电网论文; 算法论文; 学习机论文; 永久性论文; 《电力设备》2019年第22期论文;