陳 沖 ，陳小偉 ，沈明慷 ，申 丹

(1.江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇 蘇州 215000；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

智能配電網(wǎng) (SDG)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，允許大量的分布式電源（DG）接入也是智能配電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征[1]。配電網(wǎng)接入DG以后，不再是純粹的單電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)中的短路電流大小和方向以及重合器的動(dòng)作行為都會(huì)受到DG的影響。如何在故障發(fā)生時(shí)快速地切除DG,并準(zhǔn)確地定位,隔離故障點(diǎn)將是SDG發(fā)展的內(nèi)在要求。

配電網(wǎng)饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)是建立在配電自動(dòng)化和具備良好通信功能的FTU的基礎(chǔ)之上。它通過(guò)在多于2個(gè)的FTU之間相互交換故障信息，并在FTU中完成對(duì)故障信息的計(jì)算，并且向相鄰開(kāi)關(guān)發(fā)出跳合閘命令，現(xiàn)實(shí)故障點(diǎn)的就地隔離和故障恢復(fù)。系統(tǒng)保護(hù)將故障處理功能下放到FTU，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的一次性就地處理，速度快可靠性高。系統(tǒng)保護(hù)在配電網(wǎng)饋線(xiàn)層故障處理的優(yōu)越特性將成為未來(lái)智能配電網(wǎng)保護(hù)的主保護(hù)[2]。目前的微機(jī)保護(hù)裝置中常用基于電流相位比較的方法判別故障方向，該方法無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)保護(hù)作為主保護(hù)的快速性要求。因此，本文提出了基于瞬時(shí)功率的保護(hù)啟動(dòng)元件以及故障方向判據(jù)的系統(tǒng)保護(hù)算法。

1 含DG的饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)原理

1.1 DG對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響

基于系統(tǒng)保護(hù)模式的含DG的饋線(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)如圖1所示。在線(xiàn)路的c區(qū)段引入了一個(gè)DG。DG的引入使饋線(xiàn)1的各區(qū)段不再是單電源網(wǎng)絡(luò)。DG對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)的影響：例如當(dāng)b區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，在DG接入前，線(xiàn)路故障電流只有從系統(tǒng)電源流向故障點(diǎn)的一個(gè)方向，B13不經(jīng)歷故障電流；而接入DG后B12，B13都將流過(guò)故障電流，系統(tǒng)保護(hù)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障定位和隔離。而在故障恢復(fù)時(shí)，由于DG的存在，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H12左端因有壓將繼續(xù)保持在分閘閉鎖狀態(tài)，故無(wú)法恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。

圖1 DG對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)的影響

1.2 原理分析

由上述分析可知，含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)必須考慮故障方向的快速判別和DG的快速切除。以圖1典型系統(tǒng)為例，當(dāng)b區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，其故障處理流程為：

（1）當(dāng)FTU檢測(cè)到故障電流，保護(hù)啟動(dòng)元件啟動(dòng)FTU11，F(xiàn)TU12和FTU13同時(shí)計(jì)算故障狀態(tài)量；DG自身保護(hù)檢測(cè)到故障電流，經(jīng)設(shè)定延時(shí)切除DG使其脫離系統(tǒng)。

（2）經(jīng)計(jì)算開(kāi)關(guān) B11，B12，B13 都經(jīng)歷故障電流，以短路電流從母線(xiàn)流向負(fù)荷為故障正方向，則B11，B12為功率正方向，B13為反方向。

（3）B11，B12 生成故障標(biāo)志“1”，B13 故障標(biāo)志“0”，3個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的FTU相互通信交換故障標(biāo)志。

（4）FTU11檢測(cè)到 FTU12故障標(biāo)志為 “1”，則不跳閘出口；FTU12檢測(cè)到右側(cè)相鄰FTU13的故障標(biāo)志為 “0”，則跳閘出口；FTU13右側(cè)為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H12直接跳閘出口。

（5）B12在跳開(kāi)后立即重合一次，若重合成功則表明瞬時(shí)故障，在將信息傳遞給FTU13，B13重合；重合不成，則B12再次跳閘并閉鎖，并向FTU13發(fā)閉鎖命令，至此故障隔離。

首先，“課程思政”教師——非僅指思政理論課教師——應(yīng)不斷提高自己的政治素質(zhì)，因?yàn)檫@是實(shí)施“課程思政”的基礎(chǔ)和先決條件。作為“課程思政”教師，必須充分了解和領(lǐng)悟馬克思主義基本原理，衷心贊同黨的理論，高度關(guān)注時(shí)政等，唯有如此，才能在課堂教學(xué)中使“課程思政”發(fā)揮最大化的效果。

（6）FTU4在定值時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到左側(cè)失壓，在判斷負(fù)荷情況后合閘，非故障區(qū)段供電恢復(fù)，DG恢復(fù)供電。

系統(tǒng)保護(hù)對(duì)于故障處理過(guò)程可概括為保護(hù)啟動(dòng)、故障判別、相互通信、協(xié)同動(dòng)作。系統(tǒng)保護(hù)主要通過(guò)FTU實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、快速故障隔離，進(jìn)行簡(jiǎn)單的供電恢復(fù)操作，復(fù)雜的負(fù)荷轉(zhuǎn)移由配網(wǎng)主站、子站來(lái)配合實(shí)現(xiàn)。

2 基于瞬時(shí)功率的系統(tǒng)保護(hù)算法

2.1 瞬時(shí)功率計(jì)算

傳統(tǒng)饋線(xiàn)過(guò)流保護(hù)設(shè)置在變電站出口斷路器處，一般整定為200 ms。作為主保護(hù)的系統(tǒng)保護(hù)必須在200 ms內(nèi)完成故障處理。因此，系統(tǒng)保護(hù)的快速性應(yīng)具有快速的通信機(jī)制、高性能的保護(hù)裝置（可以嵌入在FTU功能中），在保護(hù)啟動(dòng)算法以及故障方向判別算法的快速性要求將更高。SDG的發(fā)展，未來(lái)的配電網(wǎng)將配置有各種智能開(kāi)關(guān)和傳感器。饋線(xiàn)三相電壓、電流的全面采集，為基于Clarke變換的瞬時(shí)功率的故障特征量計(jì)算創(chuàng)造了條件。瞬時(shí)功率都是直接利用電壓、電流的瞬時(shí)采樣值計(jì)算，對(duì)濾波器要求不高，算法本身也不涉及復(fù)雜的復(fù)數(shù)計(jì)算，是一種快速特征檢測(cè)算法[3]。

Clarke變換是當(dāng)θ=wt=0的Park變換，其思想是將三相靜止的abc坐標(biāo)系變換到兩相靜止的αβo坐標(biāo)系。Clarke變換式為：

式（1）中：C是Clarke變換矩陣。在恒功率變換準(zhǔn)則下和三相三線(xiàn)制系統(tǒng)中，零軸分量為0，可以忽略不計(jì)，Clarke變換矩陣用C32表示：

設(shè)三相電路的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流分別為ua，ub，uc和。 經(jīng)過(guò) Clarke 變換后，得到兩相瞬時(shí)電壓 uα，uβ和電流 iα，iβ：

α軸、β軸相互垂直，瞬時(shí)功率的定義為：

基于Clarke變換的瞬時(shí)功率計(jì)算，都是對(duì)電壓、電流的瞬時(shí)采樣值進(jìn)行計(jì)算，變換的過(guò)程也不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算量小，速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。其中式（5）分別是瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的定義。本文分析和仿真結(jié)果是基于瞬時(shí)功率的保護(hù)啟動(dòng)元件以及基于瞬時(shí)功率極性的故障方向判據(jù)利用的是瞬時(shí)功率的有功分量。

2.2 基于瞬時(shí)功率的保護(hù)啟動(dòng)元件

正常運(yùn)行狀態(tài)下，式（6）的理論值接近于0，考慮到負(fù)荷波動(dòng)情況以及各種誤差因素，為避免誤啟動(dòng)，必須設(shè)定一門(mén)檻值，其整定要求考慮到負(fù)荷波動(dòng)引起的最大不平衡輸出，因此基于瞬時(shí)有功突變量的判據(jù)為：

kf為可靠系數(shù)，為防止干擾，設(shè)定只有連續(xù)檢測(cè)到4個(gè)采樣點(diǎn)的瞬時(shí)功率超過(guò)定值，元件方能啟動(dòng)，提高保護(hù)的可靠性。瞬時(shí)有功的突變量啟動(dòng)需要連續(xù)計(jì)算并連續(xù)識(shí)別是否發(fā)生突變。

2.3 基于瞬時(shí)功率極性的故障方向判斷

基于瞬時(shí)有功功率的定義，給出當(dāng)電壓和電流均為正弦波形的瞬時(shí)功率的計(jì)算，結(jié)合式（5）可得：

規(guī)定流過(guò)FTU的電流從母線(xiàn)指向線(xiàn)路，正方向發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流滯后母線(xiàn)電壓的相角為φk1大小為-90°＜φk1＜90°。 反方向故障時(shí)，短路電流滯后母線(xiàn)電壓的相角為φk2，大小為180°＜φk2＜270°?？梢钥闯霎?dāng)正向故障時(shí)，瞬時(shí)功率p=3U1I1cos（φu-φi）＞0；反向故障時(shí)瞬時(shí)功率 p=3U1I1cos（φuφi）＜0，因此可以采用基于瞬時(shí)功率極性來(lái)判別故障方向。在50 Hz頻率下，一個(gè)工頻周期時(shí)間為20 ms，設(shè)一個(gè)工頻周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為Ns。故障分量在故障后的一個(gè)周波內(nèi)最為明顯，在這里故障判據(jù)采用1/4周波內(nèi)數(shù)據(jù)，即判斷連續(xù)/4點(diǎn)的平均瞬時(shí)功率的極性，該判據(jù)能在5 ms內(nèi)給出了故障方向，判據(jù)為：

3 仿真及分析

3.1 仿真模型

含DG的10kV饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)仿真模型如圖2所示。

圖2 含DG的10kV饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)仿真模型

線(xiàn)路分布參數(shù)設(shè)置如下：正序阻抗Z1=（0.17+j0.38）Ω/km，正序容納 Y1=3.045 μS/km；零序阻抗Z0=（0.23+j1.72）Ω/km， 零序容納 Y0=1.045884 μS/km；系統(tǒng)阻抗Z=（15+j170）Ω；三相對(duì)稱(chēng)負(fù)荷L=（19.55+j12）Ω，系統(tǒng)電源側(cè)用三相無(wú)窮大電源等效。DG容量為10 MV·A。每個(gè)工頻周期采樣100點(diǎn)，采樣頻率為5 kHz，每個(gè)電流互感器（TA）處配置FTU。

3.2 含DG時(shí)瞬時(shí)功率突變情況

仿真設(shè)置在t=0.1 s時(shí)發(fā)生永久性短路故障，各FTU檢測(cè)到故障瞬時(shí)功率在短路時(shí)刻應(yīng)該有一個(gè)功率瞬時(shí)值的突變量。短路故障時(shí)FTU檢測(cè)到的瞬時(shí)功率突變量如圖3所示。

圖3 短路故障時(shí)FTU檢測(cè)到的瞬時(shí)功率突變量

由圖3可知，在正常時(shí)，曲線(xiàn)平緩，變化量接近于0；故障時(shí)，都有一個(gè)較明顯的激增。由于DG的存在，F(xiàn)TU4短路后功率方向的改變，因此，F(xiàn)TU4檢測(cè)到的突變量更加明顯，瞬時(shí)功率作為突變量有足夠可靠的裕度。

3.3 不含DG時(shí)瞬時(shí)功率分布

不含DG時(shí)系統(tǒng)是單電源供電網(wǎng)絡(luò)，短路點(diǎn)F1處電流由系統(tǒng)電源注入。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU3，F(xiàn)TU4所測(cè)得的短路電壓和電流波形如圖4所示，在t=0.1 s時(shí)，故障發(fā)生其電壓下降，其中離系統(tǒng)電源越遠(yuǎn)的電壓降越厲害，電流升高，離系統(tǒng)電源越近電流越大。由于故障點(diǎn)位于FTU4之前，因而流過(guò)FTU4的故障電壓、電流很小，幾乎為0。

圖4 F1處三相短路時(shí)電壓和電流錄波

各FTU檢測(cè)的瞬時(shí)功率波形如圖5所示。

從圖5可知，由于FTU1，F(xiàn)TU2都位于故障正方向位置，在故障發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)功率都大于0，并且有一個(gè)正的突變量。而故障發(fā)生后由于FTU4未有注入電流，流過(guò)的瞬時(shí)功率為0。

圖5 各FTU檢測(cè)的瞬時(shí)功率波形

3.4 含DG時(shí)瞬時(shí)功率分布

在饋線(xiàn)L1段母線(xiàn)E接入一分布式電源后，系統(tǒng)將成為一個(gè)雙電源供電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，短路點(diǎn)F1將有DG注入的短路電流，而FTU4也將檢測(cè)到故障功率流過(guò)，此時(shí)區(qū)分各FTU流過(guò)的故障功率方向尤為重要。當(dāng)F1處三相短路時(shí)，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU2，F(xiàn)TU4所測(cè)得的短路電壓和電流波形如圖6所示。

圖6 含DG系統(tǒng)三相短路時(shí)電壓和電流錄波

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)含DG時(shí)，F(xiàn)TU4處依然能檢測(cè)到一個(gè)較大的電壓，流經(jīng)一個(gè)較大的故障電流，且該故障電流的相位與流經(jīng)FTU1，F(xiàn)TU2處的相反。含DG系統(tǒng)三相短路時(shí)瞬時(shí)功率情況如圖7所示。

圖7 含DG系統(tǒng)三相短路時(shí)瞬時(shí)功率情況

由圖7可看出，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU2在規(guī)定故障正方向上，檢測(cè)到的瞬時(shí)功率大于0，在故障時(shí)刻有一個(gè)向正方向上的突變；FTU4由于DG的存在，提供了一個(gè)反方向的故障電流，因此其檢測(cè)到的在故障后其流經(jīng)的故障功率為負(fù)，在故障時(shí)刻有一個(gè)負(fù)方向的突變。

4 結(jié)束語(yǔ)

DG存在改變了配電網(wǎng)故障潮流的大小和方向。本文考慮在SDG中將大量的接入DG，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣量的全面測(cè)量的特點(diǎn)，以及SDG要求故障處理應(yīng)更加快速準(zhǔn)確。認(rèn)為配電網(wǎng)饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)通過(guò)對(duì)等通信機(jī)制，就地快速定位、隔離故障，將成為配電網(wǎng)中的饋線(xiàn)主保護(hù)。同時(shí)在含DG的系統(tǒng)保護(hù)算法上提出了基于瞬時(shí)功率的故障啟動(dòng)元件以及故障方向判據(jù)，基于Clarke變換的瞬時(shí)功率特征量計(jì)算依據(jù)電壓、電流的瞬時(shí)值，運(yùn)算量小、速度快、實(shí)時(shí)性好，能夠快速啟動(dòng)保護(hù)并判別故障潮流方向。通過(guò)建立10kV饋線(xiàn)環(huán)網(wǎng)的ATP-EMTP模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其可行性和可靠性得到了驗(yàn)證。

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[2]焦振有，焦邵華，劉萬(wàn)順.配電網(wǎng)饋線(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)原理及分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(12)：75-78.

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