来源：《中国电力》2024年第11期
引文：李铁成, 范辉, 张卫明, 等. 基于5G通信的有源配电网新能源送出线路纵联保护[J]. 中国电力, 2024, 57(11): 139-150.
“碳中和、碳达峰”背景下，分布式电源（distributed generation，DG）在配网中的渗透率逐步提高。作为高渗透率分布式电源承载的主体，配电网由于电源侧结构的改革稳步向低碳、多元的新型有源配电网发展，逐渐满足了用户侧多样化的能源需求。《中国电力》2024年第11期刊发了李铁成等撰写的《基于5G通信的有源配电网新能源送出线路纵联保护》一文。文章首先提出一种具有良好抗干扰特性与计算量较小的波形相似度算法。在所提算法的基础上，结合5G通信优势，根据故障工况与正常运行时系统侧及场站侧波形相似度存在的差异，提出了基于5G通信的新型配电网新能源送出线路纵联保护方案。
传统纵联差动保护在新能源场站接入后会出现可靠性降低甚至拒动的问题。为此，首先提出了秩差累加积波形相似度算法并分析了其抗干扰特性，该算法通过计算两组数据的最大不匹配程度来度量两波形的相似度，显著减弱了异常数据对波形相似度判断的影响。在此基础上，利用送出线路两侧暂态电流时域波形特征的差异，提出了基于5G通信技术纵联保护新原理并构建了完整的保护方案。最后，通过PSCAD/EMTDC验证了所提保护方案的性能。仿真结果表明，所提方案不受新能源类型的限制，适用于各类新能源场站，具有良好的抗延时防误动、抗噪声及异常数据的能力；在新能源弱出力及断路器重合于永久性故障情况下也具备良好的动作性能。秩差累加积通过计算2组数据的最大不匹配程度来度量两波形的相似度。假设有A、B 2组数据，将数列A和B分别按照降序或升序排列，得到有序数列X和Y，即
式中：xi(i=1, ···, n)、yi(i=1, ···, n)为数列X、Y中的元素；n为元素数量。元素xi的秩次为其在数列A中的位置，记为ri，若数列元素中c~（c+d）之间的（d+1）个数大小相等，则将式（2）所示的平均排序位置作为它们的秩次。由式（2）可得到波形数列X对应的秩次数列R，同理可得数列Y对应的秩次数列S，即式中：ri(i=1, ···, n)、si(i=1, ···, n)为数列R、S中的元素。式中：di(i=1, ···, n)为数列D中的元素，由数列R和数列S对应位置的元素相减再取绝对值获得，即di=|ri – si|。将得到的秩次差值数列内的元素求和得到秩次差值累加积AR为图1为以1/4工频周波为例的标准波形，图1 a)为呈完全正相关的2条波形，每条波形为由6个采样点形成点集A、点集B，根据AR定义，由于两波形的秩差值数列D的各元素均为0，故AR=0。图1 b)为波形呈完全负相关的2条正弦波，同样形成点集A和B，其AR值的大小与其采样点个数有关，且AR值在两波形均为单调变化时达到最大值，计算式如式（6）所示，对于图1 b)所示波形来说AR值为18。
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Fig.1 Standard waveform example
由上述分析，秩差累加积算法有效识别2组波形数据的相似程度，将新能源送出线路两侧电流波形一个数据窗长的采样数据作为算法输入，可计算得到两侧电流波形的相似度。理想情况下，当送出线发生区外故障时，两侧电流波形一致，AR为0；区内故障时两侧波形大小相等方向相反，AR为ARmax。综上，AR算法在区内外故障时，计算得到的数值分别为可能出现的最大最小值，可显著区分区内外故障，可用于纵联保护。图2为采样频率为3 kHz下的2组不同电流波形数据A1和B1、A2和B2，各数据均为30个采样点，信号A1、A2的异常数据出现位置一致，均为异常数据1出现在第8个采样点、异常数据2在第22个采样点。
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Fig.2 Anti-interference characteristics of algorithm
对于无异常数据时波形重合的数据A1和B1，其AR值计算得0。对于同样呈正相关但不相同的数据A2和B2，A2无异常数据时，AR值也为0，由算法原理，采用秩次代替原始数据，只要两波形具有相同的变化趋势，其所含数据秩次便相同，故AR值为0。同理，当B1与B2取反，即A1和B1、A2和B2均呈完全负相关时，AR均为450，与2组数据呈完全正相关时的AR为0具有较大的区分度，因此通过识别2组数据变化趋势的关系，可有效量化并判断波形的相似程度，且不受两数据具体数值及量纲的约束。表1为A1在与图2 a)相同的位置出现不同数值的异常数据时，AR值的变化情况，A1无异常数据时的最小值为–0.0350、最大值为0.3018。场景1~12为异常数据2小于原数据最小值且保持不变、异常数据1逐渐增大的情况，场景14~16为异常数据1的值介于原始数据的最大最小值之间且保持不变、异常数据2逐渐减小的情况，场景13为两异常数据均未超原数据的最值。由表1可知，在异常数据1大于原数据的最大值、异常数据2小于原数据的最小值时，AR值达到最大58，与A1和B1呈完全负相关时的AR值有较大差距。这是由于此时异常数据的秩次变为最前及最后，其余数据的秩次均会随之改变，秩差累加后的值随之增大。同理分析得，其他任意两波形出现异常数据时，秩差累加积算法可从原理上显著减弱异常数据对波形相似度判断的影响。
Table 1 Changes in AR with different values of abnormal data![]()
5G业务的三大应用场景之一即为配网保护。其对端到端时延和传输可靠性的严格要求恰好切合配电网纵联保护对通信的需求，可为保护提供安全且切实的无线通信环境，提升配网纵联保护选择性，避免出现误动或拒动。本文研究的新能源送出线路纵联保护构成方式如图3所示。图中：MN代表新能源送出线；5G终端模块将线路MN两侧的继电保护装置与5G低延时通信（ultra-reliable and low latency communications，uRLLC）切片网络相连，负责数据的实时交换。
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Fig.3 Composition of distribution network pilot protection based on 5G communication
在原有保护基础上添加5G纵联保护设备，图4为基于5G无线通信的新能源送出线路纵联保护系统整体结构，系统由变电站、5G网络以及开闭所组成，包括数据采集模块、纵联保护模块、对时模块、中央处理单元（central processing element，CPE）通信模组模块、5G无线网络模块等。数据采集模块的核心为电流互感器，主要功能是采集线路两侧各相电流信息，将采集到的信息传输至纵联保护模块，完成配网保护与相关自动化功能。对时模块接收北斗/GPS卫星对时，主要功能是辅助变电站与开闭所两侧保护模块同步采样。5G CPE通信模组利用5G无线通信网络，通过5G网络切片架构实现数据的传输与收发。发生区内故障时，双侧纵联保护模块内的保护逻辑分别动作，完成配电网新能源送出线路纵联保护。
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Fig.4 Overall structure of pilot protection system for transmission lines
纵联保护模块的整体硬件结构包含DSP控制器、交流采集子模块、通信系统子模块、开关量I/O接口子模块和报警子模块等。纵联保护模块的核心为DSP控制器，判据运算及保护动作控制都在DSP中进行；据采集模块将采集到的电流信息发往交流采样子模块，波形信息由此转换为电平信号；5G无线通信接口与以太网通信接口分别用于设备间的通信和同上位机间的通信，均置于通信子模块内。在故障暂态期间，同步发电机短路电流波形表现为按指数规律衰减的工频正弦波，而逆变型电源受PI控制环节阻尼振荡及锁相环动态响应影响，暂态电流呈现非工频正弦特性，因此新能源场站与同步机的暂态电流波形特征存在较大差异。双馈风电机组受转子电流影响，暂态电流也包含非工频正弦特性。根据基尔霍夫定律，送出线路区内故障时，两侧暂态电流波形差异大；区外故障时，线路中流过穿越性电流，两侧暂态电流波形差异很小。为了摆脱工频量保护面临的困境，利用送出线路两侧暂态电流时域波形特征的差异，提出了基于秩差累加积的纵联保护新原理。以图5双馈风机接入配电网的送出线路为例分析说明所提纵联保护。定义母线流向线路方向的电流为正方向，两侧电流各相的采样值序列分别为I1={ImA,ImB,ImC}和I2={InA,InB,InC}。依据规定正方向，M、N侧电流互感器（current transformer，CT）采集的电流相位互差180°。为保证后续秩差累加积计算无误，保留一侧电流相位不变，对另一侧电流的采样数据窗内的所有采样值均取反，得到采样值序列I1和–I2后再进入秩差累加积计算环节，而AR (I1, –I2)表示变换后线路两侧电流波形的秩差累加积。
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Fig.5 Fan access to distribution network transmission line
正常运行及保护区外故障工况下，考虑噪声等因素的影响，线路两侧电流所得的秩差累加积约为0，即
当保护区内故障时，两侧电流由于不再满足大小相等，相位相反关系，此时计算所得AR(I1, –I2)远大于0。若用ARset表示保护动作的整定值（整定原则如下节所述），区内故障时，线路两侧电流应满足保护的整定应遵循区外故障时不误动，区内有故障可靠识别的原则。由于风电场提供的故障电流中存在较大比例的非周期分量，当区外发生故障时，可能造成送出线路上的电流互感器出现饱和的情况。但由于有源配网中的新能源送出线路一般较短，因此区外故障时，流过送出线两侧CT的一次电流基本相同，同时由于两侧CT的型号一致，因此虽然CT二次侧的电流因饱和发生畸变，但两侧CT的二次电流基本一致，此时不会造成保护误动。区内故障时，两侧故障电流暂态波形相似程度较低，因此保护特征量RA将从0立即增大，保护阈值整定需躲过正常运行时保护的最大特征量。此外，不能忽视线路两侧电流传输不同步对AR产生影响。当采用乒乓对时法时，两侧电流波形数据不同步延时在工频下对应的角度为9°；正常运行时两侧电流互感器存在约7°的角度误差，为留有裕度，将两侧角度误差整定为18°，即工频下的1 ms，故AR整定值的计算式为式中：Ks为综合考虑同步误差及互感器会存在角度误差后的系数，取0.675。保护启动判据利用电流梯度算法判断故障的发生，任一电流梯度值满足整定值时保护启动，启动判据表达式为式中：Δ1为判据启动整定值，考虑躲过正常运行时系统电流梯度最大值故取为0.03；i(k−j)为在t=k时刻的前j个周期时的电流瞬时值；∇i(k)为当前电流的梯度。满足保护启动判据后，保护启动判断故障位置，图6为所提保护方案流程。
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Fig.6 Flowchart of protection scheme在PSCAD/EMTDC中建立如图7所示的新能源并网系统以验证所提纵联保护的性能，光伏电站主要包括光伏电池板和逆变器，接入位置为图中的汇集线路。风电场的额定容量为20 MW，光伏电站的额定容量为8 MW，其参数见表2。故障点分别设置在区外f1处、区内近端f2处以及线路中点f3处；故障类型分别为单相接地（AG）、两相相间（BC）、两相短路接地（BCG）、三相故障（ABC）。在采样频率为3 kHz时，经仿真验证数据窗在1/4~3/4周波内保护均能可靠动作，故以数据窗长为10 ms为例分析。数据窗逐点向后滑动，每移动一次，输出一个AR值。![]()
Fig.7 Transmission line topology of typical new energy station
Table 2 Simulation parameters of new energy station![]()
图8为f1处发生三相短路时AR随时间的动态变化，由于正常运行及区外故障时，线路两侧电流波形一致，AR始终为0，小于式（9）计算得到的整定值303.75，保护不会动作。
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Fig.8 Dynamic change of AR with time when three-phase short circuit occurs at f1
考虑区内近端f2处以及线路中点f3处发生单相接地（AG）、两相相间（BC）、两相短路接地（BCG）及三相短路（ABC），设置故障发生时间为10 s，故障持续时间200 ms。图9和图10分别为f3处发生A相接地短路及AB两相短路时两侧的短路电流及AR随时间的动态变化情况，表3列出了不同故障位置及故障类型场景下的AR值，表中数值取自故障后15 ms处。由仿真结果可知，区内短路故障时，AR在10~15 ms间动作值越过门槛，保护能够可靠动作；AR均在15 ms前达到ARmax，所提算法速动性优势明显。
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Fig.9 Action of protection proposed by A-phase grounding fault![]()
Fig.10 Action of protection proposed by AB two-phase short circuit fault
Table 3 AR value of each fault type in fault zone![]()
电力系统传输数据允许的最大延时为1 ms，故设置同步误差为1.2 ms来验证保护的抗延时性能。以A相接地短路为例，设置场站侧波形数据滞后系统侧1.2 ms，所得的两侧A相电流如图11所示，图12为各相AR值在有延时及无延时情况下随时间的动态变化情况。由仿真结果可得，故障相仍能在15 ms内能达到ARmax可靠动作，非故障相AR故障期间小于整定值不会误动，不受1.2 ms延时的影响，综上，所提保护方案在同步误差下具有良好的防误动性能。
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Fig.11 Short-circuit current waveform on both sides delayed by 1.2 ms![]()
Fig.12 Influence of 1.2 ms synchronization error on each phase AR
以图7中f3处发生AB两相经过渡电阻接地短路接地为例，对比传统电流差动保护方案和本文所提方案的动作情况，其动作情况分别如图13和14所示。由于10 kV配电网中，过渡电阻一般不超过30 Ω，因此在测试保护方法的抗过渡电阻能力时，过渡电阻一般小于30 Ω。传统电流差动保护一般按躲过最大不平衡电流Iset来进行整定，其整定计算式
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图13 传统电流差动保护在不同接地电阻情况下的动态变化
Fig.13 Dynamic changes of traditional current differential protection under different grounding resistances
其中：Kap为非周期分量系数，这里取2；Kss为电流互感器的同型系数，当两侧电流互感器的型号、容量均相同时可取0.5；Ker为电流互感器的变比误差，计算最大不平衡电流时取1；Ik.max为保护范围外部最大短路电流归算到二次侧的数值。所得电流纵差保护整定值门槛为Iset=0.683 kA。由图13可知，随着过渡电阻的增大，故障电流变小，保护动作量将小于保护定值。在此工况下，一些基于传统纵差保护原理的保护方案虽采用了5G通信技术改善了方案的通信质量和动作逻辑，但无法解决在该工况下的保护拒动问题。图14所示为A相AR在不同接地电阻情况下随时间的变化情况。可以看出，随着过渡电阻的增大，AR升到整定值的时间逐渐变长；但在30 Ω过渡电阻下，AR也能在17 ms前达到整定值，保护能够可靠动作。对比分析可得，新型保护方案相较于传统保护抗过渡电阻能力更强，且不受保护特征量因特殊工况变小的影响。
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Fig.14 Dynamic changes of AR under different grounding resistances
受天气条件影响，新能源场站不能时刻保证额定功率输出，甚至会出现输出为0的情况。现有的基于余弦法和Pearson 法的纵联保护，在新能源出力较弱时，都会出现0/0问题，从而导致保护失效。图15为所提方法的AR在新能源场站出力为0时的动态变化情况，由图15可知，AR始终为225，小于整定值，因此所提方案在新能源场站零出力时不会出现“0/0”问题，保护不会误动。表4为风电站不同出力场景下所提保护AR值，故障位置设为f3，分别验证不同故障类型下所提保护的动作性能，表中数值取自故障后15 ms处，由表4可知，在不同的功率输出情况下，保护原理均能够可靠反映故障。
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Fig.15 Change of AR with time when new energy station output is 0
Table 4 Protection performance of new energy station under different power outputs![]()
实际电网中，电磁干扰会影响电力系统的正常运行，噪声不可避免，且以高斯白噪声为主，主网信噪比通常为60~80 dB，低压配电网通常为60 dB，最小可达到45 dB，因此有必要验证所提方法在噪声工况下的适应性。为了验证所提保护的抗噪声能力，设置f3发生AB两相接地时给定信噪比为30的高斯白噪声环境，如表5所示为不同噪声环境下各相AR在第15 ms时的值，由表5可得AR在噪声干扰下有所下降，但是下降不明显，仍具有较高的稳定性。
Table 5 Different fault AR values occur in noise environment![]()
图16为保护区外f1发生三相短路故障且电流互感器CTS与CTW由于短路电流饱和工况下的三相电流AR值。
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图16 保护区外f1三相短路故障且电流互感器饱和工况
Fig.16 Operating condition of f1 three-phase short-circuit fault outside the protection zone and current transformer saturation
由图16可知，在该工况下，三相电流AR值始终为0，均小于保护整定值303.75，保护不会误动。虽然送出线两侧CT出现饱和情况，但由于流过两侧互感器的电流相同，且送出线路两侧互感器型号一致，因此传变至CT二次侧的电流也基本一致，此时不会出现保护误动的情况。因此。在保证两侧CT型号一致的前提下，所提方法受CT饱和影响较小。
针对传统纵联差动保护在新能源场站接入后出现可靠性降低甚至拒动的问题，本文提出了一种具有良好抗干扰特性与计算量较小的秩差累加积波形相似度算法。在所提算法的基础上，提出了基于5G通信的新型配电网新能源送出线路纵联保护方案，经过PSCAD/EMTDC仿真验证得到以下结论。1）正常运行及区外故障时，基于波形相似度算法的纵联保护不会动作，而在区内发生短路故障时，该保护能够可靠动作，且在10~15 ms间动作值越过门槛，并在15 ms前达到最大值，表明所提算法具有速动性。2）经过仿真验证，基于5G通信技术纵联保护新原理构建的保护方案可以做到不受新能源类型的限制，广泛适用于各类新能源场站，具有良好的抗延时防误动、抗噪声及异常数据的能力，还具备一定的抗过渡电阻的能力；在新能源出力较小情况下也具备良好的识别故障能力以及在同步误差下具有良好的防误动性能。
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