Pilot Protection for Distribution Feeders Using Active Signature-Harmonic Injection from a Soft Open Point
本文提出了一种辅助软开点（SOP）的配电线路保护方案，该方案利用主动 300 Hz 特征谐波注入来可靠地辨别内部与外部故障并识别故障相，从而克服了由于软开点控制特性导致的传统差动保护的局限性。
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为我们的家庭和企业提供动力的电力，通过被称为配电网的庞大且复杂的电线网络进行传输。几十年来，这个网络一直像是一条单行道，电力从遥远的大型发电厂稳定地流向社区和工厂。然而，随着屋顶太阳能电池板和社区风力涡轮机等局部能源的兴起，这些电网已转变为繁忙的双向高速公路。现在的电力在多个方向上流动，系统必须不断进行调整以维持供电。为了应对这种复杂性，工程师们使用了一种名为“软开断点”（soft open point）的灵活设备。可以将它想象成一个智能、可调节的阀门，能够连接电网的不同部分，平衡负载并平滑电压波动。虽然这项技术提供了极大的灵活性，但也给旨在保护电网的安全系统带来了新的挑战。当发生故障（例如电线断裂）时，软开断点改变了电流的行为方式，这可能会让传统的安全传感器感到困惑，导致它们在应该动作时未能动作，或者在不该动作时误触发。
来自贵州电网公司和湖南大学的研究人员开发出一种新方法来解决这一特定问题。他们提出了一种系统，让软开断点本身充当安全传感器的引导者，并采用了一种称为“主动特征谐波注入”（active signature-harmonic injection）的技术。简单来说，当系统检测到暗示存在故障的电压下降时，软开断点会在电流中短暂地加入一种特定的、高频的电信号。这个信号是一个 300 Hz 的谐波，其频率与主电网的标准嗡鸣声截然不同。通过注入这个独特的“特征”，该设备为受保护线路两端的安全传感器创造了一条清晰的轨迹。传感器会寻找这种特定的频率，并测量其相对于主电流的强度。
这项发现的核心在于这种特征信号如何根据故障位置的不同而表现出不同的行为。如果故障发生在受保护线路的内部，特征信号会强力地流向故障点，从而在两端的传感器检测结果中产生明显的差异。一个传感器能清晰地看到信号，而另一个则几乎看不到。这种不平衡告诉系统：“问题就在我们之间。”相反，如果故障发生在保护区之外，特征信号会流经该线路并从另一侧流出，在两个传感器处呈现出相似且平衡的状态。这种相似性告诉系统：“问题在别处；请勿切断电源。”研究人员使用模拟真实电气条件的详细计算机仿真测试了这一想法。他们模拟了各种场景，包括无电阻故障（如金属对金属的直接短路）以及具有 10 Ω 电阻的故障（这代表了涉及污垢或植被的更难检测的场景）。
仿真结果表明，该方法在传统系统难以应对的情况下表现出色。在软开断点连接在线路末端或线路中间的情况下，传统传感器往往无法区分安全状态与危险状态，尤其是在涉及电阻的故障时。然而，新方法在所有模拟案例中都正确识别了故障位置，包括难以检测的 10 Ω 电阻性故障。此外，该系统不仅找到了故障，还准确识别了哪些导线受损。无论是单相接地、两相接地还是三相短路，系统都能准确锁定受影响的相位。这种精确性至关重要，因为它允许电网仅隔离受损的部分，从而保持网络其余部分的平稳运行。
研究人员还检查了软开断点的行为如何改变电气景观。他们发现，当该设备切换到保护模式以在故障期间支持电网时，它会改变电流的时序和规模，使得标准的安全计算变得不可靠。通过依赖这种注入的 300 Hz 特征信号而非这些被改变的标准电流，新的保护方案绕过了这种困惑。仿真证实，该系统可以区分内部故障和外部故障，并能识别单相、两相及三相故障中受损的具体导线。这项工作表明，通过将软开断点作为保护系统的合作伙伴而非仅仅是消极组件，工程师可以在现代、灵活且日益复杂的电网中保持电网的安全性和可靠性。研究结论指出，这种主动特征谐波法是确保在电网演进过程中灯火通明的可行且有效的方法。
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