張翠娟，古　昕，呂飛鵬

(1.國網(wǎng)德陽供電公司，四川 德陽　618000；2.四川大學電氣信息學院 ，四川 成都　610065)

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基于廣域測量技術(shù)的含DG配電網(wǎng)保護研究

張翠娟1，古昕1，呂飛鵬2

(1.國網(wǎng)德陽供電公司，四川 德陽618000；2.四川大學電氣信息學院 ，四川 成都610065)

隨著越來越多分布式電源接入配電網(wǎng)，分布式電源對配電網(wǎng)造成了一系列影響，其中，對分布式電源上游區(qū)域的保護影響更大。上游區(qū)域故障時或同母線饋線區(qū)外故障時，分布式電源上游區(qū)域的保護可能會出現(xiàn)拒動或者誤動等情況。在已有廣域測量技術(shù)的前提下，提出了一種新的保護算法。該算法利用廣域保護的思想和采集的電流信息值，對上游區(qū)域的電流保護整定值實時修改，保證了保護的選擇性。仿真驗證了該方法的可行性。

WAMS；分布式電源；配電網(wǎng)；電流保護

0　引　言

近年來，隨著社會的發(fā)展和發(fā)電技術(shù)的進步，以各種燃油汽輪機、燃料電池、風電、光伏發(fā)電等功率較小型的電源為代表的分布式發(fā)電(distributed generation，DG)技術(shù)開始大量出現(xiàn)[1]。分布式發(fā)電技術(shù)在能夠解決電力供應短缺的問題的同時，也帶來了一系列問題，特別是對配電網(wǎng)穩(wěn)定性以及對保護的影響[2]。

由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)功率傳輸是單方向的，這就導致傳統(tǒng)的配電網(wǎng)斷路器等保護配置是單端配置的，且大部分保護是沒有方向性的，所以，當分布式電源(分布式發(fā)電中的發(fā)電設備)接入配電網(wǎng)之后對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護整定產(chǎn)生了影響，如果不進行改進的話，傳統(tǒng)的保護可能會在線路故障的時候出現(xiàn)拒動或者誤動的情況，導致保護失去了選擇性，故障范圍擴大[3]。

針對DG接入后的保護正確動作的問題，文獻[4]對無TV通道的配電網(wǎng)進行了研究，主要是通過故障相關(guān)區(qū)域的劃分，以及矩陣搜索的辦法來實現(xiàn)故障定位和保護，這種算法比較復雜且系統(tǒng)太大，搜索步驟將變得繁瑣和搜索時間更久。文獻[5]充分利用了微網(wǎng)有限廣域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了廣域保護性能的完善，但拓撲結(jié)構(gòu)還是過于復雜。

由于配電網(wǎng)饋線上一般不裝設電壓互感器(TV)，只裝有電流互感器(TA)，且一般沒有方向性，故電壓信息和電流方向信息將無法獲取，而僅僅依靠電流量很難對故障方向做出準確的判斷[6]。針對分布式電源并入配電網(wǎng)后保護可能會出現(xiàn)的失去選擇性的問題，基于廣域保護思想[7-8]，提出了基于廣域測量技術(shù)(wide area measurement system，WAMS)的自適應修改保護整定值的解決方案。

目前來說，對于含DG的配電網(wǎng)的研究主要集中在兩個方面：一是為了消除由于DG的接入對傳統(tǒng)保護靈敏度的影響所做的研究；二是解決含DG的配電網(wǎng)故障隔離等問題所進行的研究。因此，在含DG的配電網(wǎng)中利用本地信息和遠方信息的保護原理的研究與應用層出不窮[9]。

由于基于本地信息的保護簡單、可靠性高，所以在對含DG分布式電源保護研究的時候，這方面的研究最多。比如對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護進行改進，在傳統(tǒng)過電流保護上加裝方向元件等，能夠彌補在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中保護沒有方向的缺陷。

雖然基于本地信息的保護研究對于解決含DG的配電網(wǎng)的保護問題方面取得了不小的進展，但是仍然存在一些弊端。比如傳統(tǒng)配電網(wǎng)過電流保護加裝方向元件，雖然能解決方向故障的問題，但是無法解決靈敏度的問題，而且如果全部加裝方向元件，其費用問題也是需要考慮的因素之一。

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，借助通訊方式加以改進的保護也得到了很好的應用，特別是WAMS使用之后。由于DG接入之后，多是DG接入點上游區(qū)域發(fā)生誤動。值得一提的是，當DG容量并入配電網(wǎng)的容量特別大的時候，含DG的配電網(wǎng)出現(xiàn)的主要問題是誤動；而只有當DG容量非常小的時候，上游區(qū)域發(fā)生故障時，DG要脫離主網(wǎng)實現(xiàn)孤網(wǎng)運行時，上游區(qū)域部分保護才可能出現(xiàn)拒動的情況(上游區(qū)域保護整定值高于DG提供的短路電流)。根據(jù)后文的仿真可知，要出現(xiàn)拒動的時候，DG的容量會非常小。DG容量太小對電網(wǎng)的穩(wěn)定是一大挑戰(zhàn)，所以主要研究工作就是利用WAMS解決大容量DG接入配電網(wǎng)之后，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)上游區(qū)域部分保護可能會出現(xiàn)的一些誤動問題。

1　分布式電源接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)電流的流向都是從系統(tǒng)側(cè)往饋線側(cè)流動的，如圖1所示，圖中線路上方的箭頭表示正常工作時電流的流向。根據(jù)DG接入點的位置和配電系統(tǒng)正常運行時的潮流流向，將饋線首段與DG接入點之間的線路與母線區(qū)域定義為DG的上游區(qū)域，將DG接入點到饋線末端的線路與母線區(qū)域定義為DG的下游區(qū)域[6]。

圖1　傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)

為了更方便地說明分布式電源的接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護的影響，以圖1配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例進行說明。當線路AB發(fā)生故障時，斷路器1一側(cè)的短路電流是由系統(tǒng)提供的，所以分布式電源的接入對斷路器1的動作沒有影響；同時，由于分布式電源的接入，斷路器2將有電流流過。正常情況下，斷路器2應該跳閘，分布式電源實行孤島運行供電，如果流過斷路器2的電流較小，就有可能造成斷路器2的拒動作。當故障發(fā)生在線路BC上時，流過斷路器2的短路電流由系統(tǒng)側(cè)提供的，故對斷路器沒有影響，斷路器不會失去選擇性。斷路器3由于具有方向性(分布式電源處可以進行電壓采集)，故保護可靠性較高，這里不予考慮了。當故障發(fā)生在線路CD、DE或EF上時，接入DG后，DG助增了故障電流，所以斷路器4、斷路器5、斷路器6的靈敏性將會有所增強，保護不會失去選擇性。當故障發(fā)生在分布式電源區(qū)外時，即線路AG或GH故障，DG的接入會助增了短路電流，故斷路器7、斷路器8不會誤動，而且靈敏度會得到提高；但是，DG上游區(qū)的斷路器將會感受到僅由分布式電源提供的電流，如果DG容量特別大的時候，分布式電源反向提供的電流也將非常大，可能會造成分布式上游區(qū)域的斷路器特別是越靠近分布式電源接入點的斷路器越有可能最先誤動作(因為越靠近分布式電源接入點的斷路器整定值越低)。

2　含DG配電網(wǎng)防誤動保護改進研究

2.1DG接入配電網(wǎng)后保護防誤動改進原理

針對以上問題，基于廣域測量技術(shù)(WAMS)對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護配置進行改進。對圖1中分布式電源接入位置進行改進，如圖2所示。

圖2　含DG配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在圖1中接入分布式電源的上游區(qū)配置具有方向保護功能的斷路器f，并且在斷路器f處裝設電流采集及方向電流測量元件。在各母線處配置有智能電子設備元件(IED)，斷路器3采集到的方向電流信息將會通過光纖網(wǎng)絡與其他IED元件進行信息交換[7]。

為盡量減小算法的復雜度，減少保護動作時間，提出只利用系統(tǒng)出口處電流大小和DG安裝上游區(qū)域出口處的正方向電流大小的信息(如圖2中，IED1處電流值和IEDf處的正方向電流值)來改進傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護，以適應含DG配電網(wǎng)保護特點。當DG接入的饋線發(fā)生區(qū)外故障時，DG上游區(qū)域的電流流向只能是由DG流向區(qū)外故障點。且饋線系統(tǒng)電源側(cè)保護安裝處測得的電流值小于DG出口處電流值(如圖2所示，IED1處電流值小于IEDf處電流值)。當DG上游區(qū)域線路故障時，系統(tǒng)電源側(cè)一端保護安裝處的電流值將會大于DG出口處的電流值，即圖2中IED1處電流值大于IEDf處電流值(系統(tǒng)電源，可以視為無窮大容量，而DG容量很小)。

根據(jù)以上分析規(guī)律和原則，基于廣域測量技術(shù)針對DG上游區(qū)域修改整定值原則如式(1)所示：

(1)

式中：K表示保護序號，DG上游區(qū)域保護編號順序從近系統(tǒng)電源側(cè)保護以1開始編號；Idz.Kg表示保護K電流整定修改值(適用在速斷電流保護與限時電流速斷保護)；Zn為線路n的線路阻抗(n為從系統(tǒng)電源側(cè)一端斷路器編號所在線路，如圖2中，保護2所在線路BC阻抗即為Z2，保護3、保護4所在線路除外，這里只考慮DG上游區(qū)域；I1為該饋線首段保護安裝處的電流值；If為DG上游區(qū)域出口保護安裝處正方向電流值。如果該饋線還有其他DG接入，在式(1)的計算公式上，根據(jù)以上原則繼續(xù)疊加修改整定值。

一般來說，由于分布式電源相對系統(tǒng)側(cè)電源來說，容量較小，分布式電源不會向系統(tǒng)提供電流，故IEDf一般不會測到有正方向的電流[10]。當系統(tǒng)側(cè)母線的其他饋線發(fā)生故障時，在DG投入運行的情況下，IEDf能感覺到正方向電流。IEDf測量到的電流信息通過通信網(wǎng)向配電網(wǎng)系統(tǒng)決策中心(SCADA)[9]傳送。按照式(1)的原則進行計算，修改分布式電源上游區(qū)各保護整定值后，將結(jié)果重新傳送回到分布式電源上游區(qū)各IED處，然后IED根據(jù)新的整定值對各處對應的保護采取相應的控制，即如果電路電流仍大于修改后的保護整定值，保護動作，跳開相應斷路器。如果該線路沒有大于的話，保護不動作。

2.2防誤動保護改進仿真算例分析

如圖3所示，某10 kV中性點不接地配電網(wǎng)，系統(tǒng)視為無窮大系統(tǒng)，基準電壓為10.5 kV，在最大與最小運行方式下的系統(tǒng)阻抗值分別為XS.min=0.091 Ω，XS.max=0.126 Ω。線路AB、BC、AF為架空線路，線路參數(shù)為r1=0.270 Ω/km，x1=0.270 Ω/km；線路CD、DE、FG為電纜線路，線路參數(shù)為r2=0.259 Ω/km，x2=0.093 Ω/km。DG接在節(jié)點D處，只有DG容量比較大的時候，DG上游區(qū)域保護才有可能出現(xiàn)誤動的情況，所以這里DG容量選擇為86 MVA，下面運用PSCAD/EMTDC軟件對此系統(tǒng)進行仿真分析。

圖3　某10 kV含DG配電網(wǎng)

在未接入DG的情況下，各保護電流速斷保護和限時電流速斷保護整定值及相應靈敏度系數(shù)分別如表1和表2所示。由表1和表2可知，各保護靈敏度均滿足要求。

表1　各保護電流速斷整定值

表2　各保護限時電流速斷保護整定值及靈敏度系數(shù)

通過PSCAD/EMTDC仿真，由于區(qū)外饋線故障時，隨著故障點離母線越遠，DG提供的短路電流也就越小。當線路AF或者FG末端故障時，DG向接入點上游區(qū)域提供的短路電流可能已經(jīng)不會使上游區(qū)域的保護誤動了。所以，仿真考慮了誤動最有可能發(fā)生的情況，即故障為三相短路故障，故障點設置在線路AF近母線A側(cè)。

經(jīng)PSCAD/EMTDC仿真得出線路AF系統(tǒng)母線出口處發(fā)生三相短路故障時，各保護安裝處短路時刻電流值如表3所示(電流值取整數(shù)值)。

表3　仿真線路AF故障時流過各保護的電流有效值

同時由仿真可得線路AF故障前的各保護測量到的正常工作電流值如表4所示(電流值取整數(shù)值)。

表4　仿真故障前流過各保護電流有效值

由表4可知，大容量DG接入10 kV配電網(wǎng)后，正常工作時流過保護1電流值I1大于流過保護f的電流值If，值得一提的時候，保護1處的電流值小于保護f處的電流，說明了DG向上一級電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔埽９ぷ鲿rIf也不為0。當I1>If時，由式(1)保護動作值修改原則可知，保護不做修改，各保護不動作。

由表1、表2、表3可知，線路AF近保護安裝處發(fā)生故障時，保護5的電流值大于保護5的電流速斷保護與限時電流速斷保護整定值，保護5能正確動作；同時，流過保護3處的電流大于保護3的電流速斷保護與限時電流速斷保護動作電流值：因此在不采取任何措施的情況下，保護3將出現(xiàn)誤動作。為了防止保護3誤動作，I1

表5　DG上游區(qū)域各保護修改后電流速斷

由表3、表5對比可知，保護3將不會再誤動了，故障切除后，經(jīng)過調(diào)節(jié)，恢復到原有正常工作水平，此時，I1>If，分布式電源上游區(qū)域各保護整定值將恢復成原來的保護整定值。

2.3防誤動保護改進后靈敏度分析

為防止誤動，按照式(1)所述原則修改保護整定值后，DG上游區(qū)域各保護整定值變大，這勢必影響了保護的靈敏度，如果在區(qū)外故障還未消除的同時，DG上游區(qū)域線路再次發(fā)生故障，這時會有幾種情況，下面將基于PSCAD/EMTDC仿真所得數(shù)據(jù)，進行分析。

仿真模型仍采用前面的仿真模型，故障設置在3 s的時候線路AF發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時間為3 s，線路AB在5 s時發(fā)生三相短路故障，經(jīng)仿真后得出以下結(jié)論：

線路AF發(fā)生三相短路故障后，DG上游區(qū)域流過保護的電流值均增大，為防誤動按式(1)修改相應保護整定值后，保護不誤動。此時在線路AF故障沒有消除的情況下，線路AB也發(fā)生了短路故障，I1電流反而變小了，電流值大小與正常工作時電流大小差不多了，I2、I3、If電流值幾乎不受影響。當線路AF故障消除，線路AB故障仍然存在，I1電流值大幅拉升，瞬間超過If，即I1>If，各保護恢復成原有整定值，各保護靈敏度也恢復成原來正常值。故按照式(1)原理防誤動后，雖然DG上游區(qū)域各保護靈敏度變小了，但在上游區(qū)域再次發(fā)生故障時(發(fā)生故障位置為保護f所在線路之前的線路)對保護f的動作情況幾乎沒有任何影響。

線路AF故障沒有消除時，線路CD故障后，流過保護1、保護2、保護3的電流值均變小，保護f電流值幾乎沒有變化。當線路AF故障消除后，保護1、保護2、保護3、保護f的電流值明顯增大；但是由于流過保護f的電流值能夠更快速的增大，流過保護f的電流值迅速超過保護f的動作整定值，DG上游區(qū)域各保護整定值恢復原有保護整定值?；謴秃?，流過保護3的電流值大于保護3的電流整定值，保護3與保護f都能相應動作。

綜上所述，為了防止DG接入后區(qū)外饋線故障時保護的誤動，按照式(1)原理進行保護整定值修改后，靈敏度較小對DG上游區(qū)域再次發(fā)生故障所產(chǎn)生的影響很小，保護仍然能夠識別故障線路，能正確動作。

3　分布式電源上游區(qū)域線路故障情況分析

當故障發(fā)生在DG接入點上游區(qū)域時，理論上來說，DG的接入容量過小對DG上游區(qū)域保護造成的影響，是對故障靠近DG一側(cè)保護由于分布式電源提供的短路電流不能滿足達到保護動作的動作值要求，這就造成保護不能斷開，DG不能脫離主網(wǎng)進入孤島微網(wǎng)運行階段。值得一提的是，隨著控制技術(shù)的不斷進步，非計劃內(nèi)孤島微網(wǎng)運行將越來越可靠。這里將視為能夠?qū)崿F(xiàn)非計劃孤島微網(wǎng)運行。為了解決此問題，這就要求降低保護動作的門檻。但實際上，同樣采用上面仿真參數(shù)可知，DG容量變?yōu)? MVA，設置線路AB發(fā)生故障，DG接入點相鄰線路的保護會優(yōu)先動作，這也是DG微網(wǎng)運行方式只存在DG上游區(qū)域相鄰的一條線路以及DG下游區(qū)域，這也符合小容量DG供電需要，因為小容量DG不能滿足過多負荷供電，且目前接入位置都在重要負荷處。在上游區(qū)域出現(xiàn)故障后，能夠保證重要負荷電能即可。仿真得到DG上游區(qū)域電流值如表6所示。

表6 小容量DG接入后線路AB發(fā)生故障時

由表6可知，上游區(qū)域非保護f所在線路發(fā)生故障后，保護3會動作，使DG脫離主網(wǎng)，形成微網(wǎng)，對重要負荷進行供電。通過仿真實驗得知，DG容量在2 MVA以下時，保護仍不會拒動。由于2 MVA容量的DG接入配電網(wǎng)后，對配電網(wǎng)的實際意義不大，故認為，特別小容量的DG接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)保護不會出現(xiàn)拒動情況。

4　分布式電源下游區(qū)域線路故障情況分析

針對饋線下游區(qū)域再沒有分布式電源接入的饋線結(jié)構(gòu)，形如圖2相似結(jié)構(gòu)。由于分布式電源對下游區(qū)域的故障電流起助增的作用，所以下游區(qū)域的保護不會出現(xiàn)誤動或者拒動的情況；但是靈敏度會有所調(diào)整，所以為了保證保護的靈敏度，可以根據(jù)情況，適當?shù)脑龃箅娏鞅Ｗo的可靠系數(shù)，保證保護的可靠性。

圖4　饋線上接有多個DGs的情況

針對饋線分布式電源下游區(qū)域末端還有分布式電源接入的饋線結(jié)構(gòu)，形成如圖4所示結(jié)構(gòu)。研究DG1下游區(qū)域的時候，分布式電源(DG1)連接節(jié)點當作系統(tǒng)接入點，這樣研究兩個分布式電源之間的線路保護，就可用前面所述原則研究分布式電源接入點之間的線路保護了，只是，IED4電流相當于式(1)中的I1，If此時則為IED6處測量到的正方向電流。

由于研究方法相同，故主要研究上游區(qū)域的保護失去選擇性的情況，不再詳細闡述下游區(qū)域的改進方案。

5　結(jié)　語

隨著越來越多的分布式電源接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的電流保護已經(jīng)受到很大的影響。DG接入配電網(wǎng)后，DG下游區(qū)域保護的靈敏度得到了提高，但是DG接入點的上游區(qū)域會出現(xiàn)保護誤動或者拒動的可能。根據(jù)分析，DG在容量很大的時候，DG上游區(qū)域主要會出現(xiàn)保護誤動的問題。針對這種情況，利用WAMS對DG接入點反向出口處的電流值進行采集，通過研究，對上游區(qū)域各保護進行在線修改，以達到防止保護誤動的目的。該方法相較于文獻[11]提出的廣域自適應保護，利用的數(shù)據(jù)量少，原則簡單，計算量小，能更快地做出判斷，更有利于防止保護誤動。

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張翠娟(1986)，工程師，長期從事電力系統(tǒng)繼電保護工作；

古昕(1989)，碩士、助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護；

呂飛鵬(1968)，教授、碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護和故障信息處理智能系統(tǒng)等。

As more and more distributed generation integrated with distribution network, it has a series effect on the distribution network, among which it influences the protection of the upstream area of distributed generation greatly. When there is the fault in upstream area or out-area fault of busbar and feeder, the protection of upstream area of distributed generation may fail to operation or have misoperation. Under the premise of the existing wide-area measurement technology, a new algorithm of protection is proposed. The algorithm is using the ideas of wide-area protection and the information of the collected current value, which modifies the current protection setting value of the upstream area timely so as to ensure the selectivity of protection. The simulation proves the feasibility of this method.

wide area measurement system (WAMS); distributed generation (DG); distribution network; current protection

TM732

A

1003-6954(2016)04-0024-05

2016-04-11)