彭春華，張艷偉

（華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般是含單一電源的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，且采取中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，所以通常只配置不帶方向的三段式電流保護［1］。在主動配電網(wǎng)中，分布式電源滲透率的不斷提高使得配電網(wǎng)變成一個正常運行功率與故障電流雙向流動的有源網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)行為更加復(fù)雜［2］。發(fā)生故障時，傳統(tǒng)三段式電流保護由于不具備方向性，分布式電源作故障穿越運行時，易導(dǎo)致保護誤動作、拒動作和靈敏度降低，并有可能引起自動重合閘失敗，還有可能導(dǎo)致非計劃孤島。非計劃孤島一旦形成，由于失去了大電網(wǎng)的無功和有功支持，電壓、頻率變得不可控，同時會威脅運行人員的人身安全［3］。

為了保證繼電保護的可靠性、靈敏性、選擇性，在主動配電網(wǎng)中，必須配備相應(yīng)的能消除分布式電源對故障電流影響的保護方案。文獻［4-5］提出采用距離保護方案以克服分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護的影響；文獻［6-8］提出使用故障電流限制器，以限制分布式電源在故障情況下對故障電流的影響，但是電流限制器有較大的調(diào)節(jié)慣性，不能快速響應(yīng)電流變化；文獻［9］提出分別根據(jù)分布式電源聯(lián)網(wǎng)或離網(wǎng)運行狀態(tài)對保護進行設(shè)定的方案，這種方法需要對電網(wǎng)的連接情況進行拓撲結(jié)構(gòu)識別；文獻［10］提出依據(jù)故障水平和分布式電源的連接情況實時調(diào)整過電流保護整定值的保護方案；文獻［11］提出了一種能根據(jù)配電網(wǎng)的運行方式自動調(diào)整設(shè)定值的新型自適應(yīng)保護方案；文獻［12］提出了一種能適應(yīng)分布式電源運行情況而自動調(diào)整過電流保護定值的網(wǎng)絡(luò)化自適應(yīng)保護方案。以上方案均未考慮主動配電網(wǎng)中主動控制方法對保護的影響并且需要提供電壓信息。

文獻［13］設(shè)計了一種僅利用母線上3條以上線路的故障分量電流相位就能判斷故障方向的元件，該方向元件不需要電壓信息，但是沒有就測量過程中的誤差對保護判據(jù)進行調(diào)整，可能會出現(xiàn)誤判。歐盟也有采用差動保護和距離保護的主動配電網(wǎng)保護設(shè)計方案［14-16］，但是采用的差動保護對通信通道和數(shù)據(jù)同步要求較高。文獻［17］基于特定配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，提出一種分級分層的保護方案，不足之處在于該方案不具備普遍性，只是針對特定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有效。

本文基于以上研究成果存在的不足，提出了一種利用故障電流正序分量及參考相量相位比較導(dǎo)出的故障方向判據(jù)，可以判定故障方向及故障線路，通過故障線路上、下游保護的配合，快速、可靠、有選擇性地將故障線路切除。由于保護方案只需要故障后的電流量，不需要電壓量及故障前的負荷電流量，減少了電壓互感器的安裝量，可以獲得明顯的經(jīng)濟性，保護間只需要傳輸閉鎖信號和跳閘信號，降低了對通信的要求。保護方案采用正序分量實現(xiàn)保護功能，所以適用于各種類型的短路故障，擴大了保護的適用范圍。

1 基于電流相位比較故障方向判據(jù)

圖1為正向潮流下的故障示意圖。圖中，Es1為公用大電網(wǎng)等效電源，Es2為主動配電網(wǎng)分布式電源和儲能設(shè)備的等效電源；1和2為裝設(shè)于母線M和L之間的2個保護；f1、f2為短路點。分布式電源中的旋轉(zhuǎn)型電源按等效電源和等效阻抗串聯(lián)的形式等效；逆變器型電源按文獻［11］提供的方法進行等效，且等效電勢和阻抗并不能簡單等效為一個定值，而應(yīng)包含有逆變器的控制過程，是非線性的［18］；儲能設(shè)備同樣按照文獻［11］中的方法進行等效，依據(jù)等效電源電流方向確定儲能設(shè)備處于電源或負荷狀態(tài)。為了下文表述方便，對于每個保護安裝點，本文將位于其遠離公用大電網(wǎng)側(cè)方向的故障稱為其正向故障，將位于其靠近公用大電網(wǎng)側(cè)方向的故障稱為其反向故障；對于每條線路，本文將位于其靠近大電網(wǎng)側(cè)的保護稱為其上游保護，將位于其遠離大電網(wǎng)側(cè)的保護稱為其下游保護。本文方案的最大特點是利用故障后電流就能檢測故障方向，僅需分離出故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負導(dǎo)數(shù)的基頻量，該過程可以利用全相位快速傅里葉變換（FFT）方法實現(xiàn)。

圖1 正向潮流下故障示意圖Fig．1 Schematic diagram of fault in condition of forward power flow

采用文獻［19］的約定，規(guī)定保護的正方向是由母線流向線路，所有的電氣量相位統(tǒng)一到［-π，π）內(nèi)。故障電流If1的參考方向如圖1所示，If2選擇和If1相同的參考方向。假設(shè)：當(dāng)故障發(fā)生在f1處時，母線S到點f1的阻抗為ZSf1且其相角為α；當(dāng)故障發(fā)生在f2處時，母線L到點f2的阻抗為ZLf2且相角為β。

電力系統(tǒng)中單相故障發(fā)生的概率最大，本節(jié)以單相故障為例推導(dǎo)故障方向判據(jù)。

在圖1所示的電路中，討論正向故障和反向故障時的電流情況。

1.1 正向潮流下出現(xiàn)故障

a.正向故障示意圖如圖2所示。正向故障時假設(shè)公共電網(wǎng)母線電壓US=US∠φ（US、φ分別為US的模值和相角）。

圖2 正向故障時電路Fig．2 Circuit of forward fault

保護1正向故障時，故障電流為：

為方便說明，本文將相量導(dǎo)數(shù)簡稱為正導(dǎo)數(shù)，將相量導(dǎo)數(shù)取負簡稱為負導(dǎo)數(shù)。

設(shè) f=cos（φ-α）+jsin（φ-α），則 If1的正導(dǎo)數(shù)為：

If1的負導(dǎo)數(shù)為：

為了把各個電氣量相角調(diào)整到［-π，π）范圍內(nèi)，當(dāng)相角大于π時減2π，當(dāng)相角小于-π時加2π。建立參考相量Iref用于檢測故障方向：

b.反向故障示意圖如圖3所示。反向故障時假設(shè)負荷側(cè)母線電壓UL=UL∠γ（UL、γ分別為UL的模值和相角）。

圖3 反向故障時電路Fig．3 Circuit of backward fault

故障電流為：If2的正導(dǎo)數(shù)為：

If2的負導(dǎo)數(shù)為：

可得參考相量：

以上分別針對正向潮流條件下正向故障和反向故障計算出了故障電流和參考相量，設(shè)置故障方向判據(jù)：

其中，If為故障后電流。

由以上分析得正向故障時有：

反向故障時有：

圖 4（a）、（b）分別是正向潮流條件下，正向故障、反向故障時的故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負導(dǎo)數(shù)和參考相量的相量圖。

圖4 正向潮流條件下相量圖Fig．4 Phasor diagram in condition of forward power flow

依據(jù)式（10）和（11），正向潮流時參考相量與故障電流相角差Δ可以作為判斷故障方向的判據(jù)，當(dāng)判據(jù)Δ=π／2時，應(yīng)判斷為正向故障；當(dāng)判據(jù)Δ=-π／2時，應(yīng)判斷為反向故障。

由此得出如下故障方向判據(jù)：

實際系統(tǒng)在測量過程中會產(chǎn)生誤差［20］，從而有可能導(dǎo)致相角差Δ的計算值存在一定的偏差。假設(shè)Δ偏差的范圍為［-δ，δ］，為了提高故障方向判據(jù)的魯棒性，可進一步將上述等式判據(jù)泛化為區(qū)間形式的判據(jù)，即將方向判據(jù)泛化為如圖5所示的2個對稱的扇形區(qū)域。

圖5 方向判據(jù)泛化區(qū)間Fig．5 Generalized sections of fault direction criterion

圖5中δ定為泛化角，由此可得到如式（13）所示的改進型故障方向判據(jù)。

理論上泛化角δ只要小于π／2，則式（13）中判斷正反方向的2個泛化區(qū)間便不會有交集，該判據(jù)便不會出現(xiàn)故障方向不明確或誤判的現(xiàn)象，能保證保護的可靠性。同時，保護的靈敏性也與δ有關(guān)，δ越大，則判據(jù)覆蓋角度范圍越大，保護的靈敏性越高。當(dāng)δ設(shè)定為π／2時，靈敏性最高，但易出現(xiàn)故障方向不明確或誤判的現(xiàn)象，故應(yīng)設(shè)定適當(dāng)?shù)姆夯铅??？紤]到互感器、保護裝置等可能引起的誤差并增加一定的裕度量［21-22］，δ可根據(jù)下式確定：

其中，δTA為互感器產(chǎn)生的誤差，互感器的負載按照10%誤差曲線選擇，其最大誤差角約為7°；δPD為微機保護裝置本身的誤差角，按照每周期24點采樣可定為 15°；δy為裕度角，通?？稍O(shè)為 10°；因此，δ取值不應(yīng)小于32°，否則難以保證足夠的靈敏性。綜合上述對判據(jù)的靈敏性和可靠性的要求，本文在應(yīng)用中將泛化角δ設(shè)為π／3。

同樣的方法可應(yīng)用于線路另一側(cè)的保護2判斷故障方向。當(dāng)保護1判斷為正向故障而保護2判斷反向故障時，即可判斷出故障位于保護1和保護2之間的線路上。

1.2 反向潮流情況下出現(xiàn)故障

借鑒1.1節(jié)對正向潮流條件下故障電流及其正導(dǎo)數(shù)、負導(dǎo)數(shù)、參考相量相位關(guān)系的推導(dǎo)，可得出反向潮流下，故障方向判據(jù)與正向潮流時的判據(jù)相同，各相量關(guān)系如圖6所示。

圖6 反向潮流條件下相量圖Fig．6 Phasor diagram in condition of backward power flow

2 基于故障電流正序分量相位比較的判據(jù)

以上提出的保護原理只是基于單相或三相短路故障導(dǎo)出的，不能對所有類型故障的方向進行正確判斷。由于正序分量存在于對稱短路故障和非對稱短路故障中，可以從故障電流中分離出正序分量來進行故障方向的判斷。

若選擇a相作為基準相，在正向潮流條件下發(fā)生正向故障時，故障線路的上游最近的保護1檢測到的 a 相電流正序分量為的相角），則 Ia（1）的正導(dǎo)數(shù)為：

Ia（1）的負導(dǎo)數(shù)為：

可得參考相量為：

以上計算了正向潮流條件下正向故障的故障電流和參考相量，設(shè)置故障方向判據(jù)為：

其中，If（1）為故障后電流的正序分量。

同樣可得出正向故障時有：

反向故障時有：

可以看出，正向潮流下基于故障電流相位比較的故障方向判據(jù)同樣適用于故障電流的正序分量。

同理可得反向潮流下基于正序分量的故障方向判據(jù)與式（19）、（20）相同，下游保護的故障方向判斷方法和上游保護相同，在此不再贅述。

因此各種類型的短路故障均可采用式（13）作為方向判據(jù)。

3 基于故障電流正序分量相位比較的保護配合

方案以饋電線路段為單位實現(xiàn)保護功能。將饋電線路分段，分段的標(biāo)準有很多，可以按接入的負荷或發(fā)電機分段，也可以根據(jù)地理位置或經(jīng)濟技術(shù)標(biāo)準分段。保護裝設(shè)于主動配電網(wǎng)中可能出現(xiàn)雙向潮流的線路的兩端，在潮流只能單向流動的線路上只在線路始端裝設(shè)保護裝置，各個保護之間可以實現(xiàn)信息交互，發(fā)送或接收閉鎖信號、跳閘信號2類邏輯信號。

配電網(wǎng)中某一段線路故障后，保護會采取以下措施。

a.裝設(shè)于各線路兩端的保護判斷故障方向：故障點上游的保護判斷出正向故障，故障點下游的保護判斷出反向故障，確定故障線路。

b.故障線路兩端保護向上、下游鄰近保護發(fā)送閉鎖信號，向故障線路對端保護發(fā)送動作信號，故障線路兩端保護同時動作，防止非同期跳閘引起非計劃孤島。

以上基于故障電流正序分量與參考相量相位比較的故障方向判斷及保護配合方法中，保護采集本地電流信號進行處理，不需要電壓信號以及故障前的電流信號，并可將處理結(jié)果傳送到線路對端保護。保護流程如圖7所示，其中故障條件具體可參考文獻［21］和［23］，如可采用2個相鄰工頻周期內(nèi)的電流是否發(fā)生突變來判斷是否發(fā)生故障。

圖7 保護方案流程圖Fig．7 Flowchart of protection scheme

故障方向判據(jù)是對故障電流經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的。故障電流由接地電阻、故障類型、分布式電源滲透率以及故障初相角等因素組合產(chǎn)生，對于任意組合方式產(chǎn)生的故障電流都可以得出相同的結(jié)論，且各種故障情況下都存在正序故障電流分量。因此，故障電流正序分量相位比較方案可以適用于各種故障條件下、各種類型的故障，即判據(jù)具有普遍適用性，故障條件的改變不影響保護的正確性、可靠性。

4 仿真分析

圖8所示系統(tǒng)的基準容量為500MV·A，基準電壓為10.5 kV。線路AB、BC、AF為架空線路，線路參數(shù)為 x1=0.347 Ω／km、r1=0.27 Ω／km；線路 CD、DE、FG為地下電纜，線路參數(shù)為x1=0.093Ω／km、r1=0.259 Ω／km。在每個節(jié)點處接入額定容量為1.5MV·A、額定功率因數(shù)為0.85的負荷。利用PSCAD／EMTDC仿真軟件對此系統(tǒng)進行仿真分析。仿真驗證保護2的動作情況，母線B、C接有容量為2MV·A的分布式電源。相角測量采用文獻［20］的方法。

圖8 主動配電網(wǎng)示意圖Fig．8 Schematic diagram of active distribution network

表 1為線路 BC 故障時各相量相角， 其中，φI（1）、φ+I′（1）、φ-I′（1）、φref（1）分別表示故障電流、故障電流正序分量 If（1）及其正導(dǎo)數(shù) I′f（1）+、負導(dǎo)數(shù) I′f（1）-和參考相量Iref的相角，后同。從表1可以看出，在保護2的正、反方向分別出現(xiàn)單相接地、兩相接地、三相接地故障時，仿真結(jié)果和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的分析結(jié)果一致，驗證了基于故障電流正序分量相位比較的主動配電網(wǎng)保護方案能可靠、正確地區(qū)分故障方向。

表1 線路BC故障時各相量相角Table1 Phasor angles for different faults of line BC

線路BC中點三相故障時，對應(yīng)的仿真結(jié)果如表2所示，表中各相量的相角均已統(tǒng)一到［-π，π］區(qū)間內(nèi)。

表2 線路BC中點三相故障時各相量相角Table 2 Phasor angles of three-phase fault in middle of line BC

表2表明，保護1、2、6對故障的判斷結(jié)果是正向故障，而保護3、4、5的判斷結(jié)果是反向故障，可以判斷出故障位于保護2、5之間的線路上，其中保護3的正序分量的正導(dǎo)數(shù)的相角為217.4°，超出了約定的［-π，π］區(qū)間范圍，將其調(diào)整為-142.6°，保護4、5的相角進行了同樣的調(diào)整?？梢?，保護可以正確識別出故障線路，保護2、5動作，切除故障線路，其他保護不應(yīng)動作。

線路BC中點兩相故障時，相應(yīng)的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 線路BC中點兩相故障時各相量相角Table 3 Phasor angles of inter-phase fault in middle of line BC

表3表明，保護1、2、6的判斷結(jié)果是正向故障，而保護3、4、5的判斷結(jié)果是反向故障，可以判斷出故障位于保護2、5之間的線路上，保護可以正確識別出故障線路段；保護2、5分別向保護6、3發(fā)送閉鎖信號，同時向?qū)Χ税l(fā)送跳閘信號，保護2、5動作，切除故障線路，其他保護不應(yīng)動作，保證了保護的選擇性。其中保護3的正序分量的正導(dǎo)數(shù)的相角為236.2°，超出了約定的［-π，π］區(qū)間范圍，將其調(diào)整為-123.8°，保護4、5的相角進行了同樣的調(diào)整。

假設(shè)互感器的負載按照10%誤差曲線選擇，誤差角設(shè)定為5°；微機保護裝置一周期采樣24點，誤差角設(shè)定為15°。計及相角誤差后，線路BC中點三相故障時，對應(yīng)的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 計及保護誤差時，線路BC中點三相故障時各相量相角Table 4 Phasor angles of three-phase fault in middle of line BC when protection error is considered

表4表明，考慮保護誤差后，本文方法仍能夠可靠地對故障區(qū)段做出正確判斷，即設(shè)置保護的范化區(qū)間后，保護可以正確動作。

以上仿真結(jié)果驗證了在各種類型故障下，本文所提出的保護方案都能正確、可靠地區(qū)分故障方向并采取正確的措施。

5 結(jié)論

文章針對主動配電網(wǎng)提出了一種新的保護方案，該方案僅需要故障后的電流信號就能判斷出故障方向，從而確定故障線路，故障線路兩端裝設(shè)的保護向故障線路上、下游的保護發(fā)送閉鎖信號，向?qū)Χ税l(fā)送跳閘信號，最后兩端保護同時跳閘，切除故障線路。該方案的主要優(yōu)點在于：

a.僅僅利用故障后電流信號的正序分量就能通過相位比較判斷出故障方向，不需要電壓信號，也不需要正常運行時的負荷電流，相對傳統(tǒng)的基于電壓信號的保護方案具有更高的實用性和更廣的適用范圍，減少了電壓互感器的裝設(shè)要求，具有明顯的經(jīng)濟性；

b.相對傳統(tǒng)的電流保護方案，該方案不受潮流方向、接地電阻、故障類型、分布式電源連接位置和并網(wǎng)容量的影響，能同時用于主動配電網(wǎng)保護和傳統(tǒng)的被動式配電網(wǎng)保護，具有高度的可靠性；

c.在對故障方向做出明確判斷的基礎(chǔ)上，故障線路兩端裝設(shè)的保護向故障線路上、下游的保護發(fā)送閉鎖信號，最后故障線路兩端的保護同時跳閘，切除故障線路，具有較高的選擇性并且能有效避免非同期跳閘從而避免非計劃孤島；

d.基于故障后電流相位比較的保護方案本質(zhì)上也是一種克服分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護影響的有效方法。

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