雷 霖，唐成達(dá)，張 鵬，趙永鑫，賴(lài)真良

(1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院， 四川 成都 610039；2.成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

隨著新能源的日益發(fā)展，電力工業(yè)出現(xiàn)了由傳統(tǒng)大規(guī)模集中式供電模式向集中式與分布式相結(jié)合的過(guò)渡。電力系統(tǒng)中DG滲透率的升高，使傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方案面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。目前，關(guān)于含DG的配電網(wǎng)保護(hù)研究[2-8]較多。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)限制DG的準(zhǔn)入容量，利用故障后電流幅值的差異，構(gòu)造了新型縱聯(lián)保護(hù)方案。這類(lèi)保護(hù)方案都是以系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)為前提，并未考慮系統(tǒng)故障等特殊狀態(tài)，因此得到的準(zhǔn)入容量偏于樂(lè)觀(guān)。文獻(xiàn)[4-5]分別根據(jù)配電網(wǎng)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)和DG“T”接線(xiàn)結(jié)構(gòu)特征，提出了自適應(yīng)保護(hù)原理及實(shí)現(xiàn)方案。自適應(yīng)保護(hù)方案需要實(shí)時(shí)檢測(cè)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不能應(yīng)用于多DG接入的配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[6-8]構(gòu)造了故障區(qū)段定位的數(shù)學(xué)模型，并采用和聲算法、遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解，從數(shù)學(xué)角度解決故障定位問(wèn)題。這類(lèi)保護(hù)方案需要處理大量的數(shù)據(jù)，對(duì)主站要求高，并且需要實(shí)時(shí)上傳大量數(shù)據(jù)，對(duì)通信的要求高。

為防止DG大規(guī)模脫網(wǎng)事故的發(fā)生，現(xiàn)階段并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分布式電源的低電壓穿越能力提出了要求，使含DG的配電網(wǎng)保護(hù)更加復(fù)雜[9]。由于IIDG在系統(tǒng)故障時(shí)可等效為僅存在于正序網(wǎng)絡(luò)中的壓控電流源[10]，文獻(xiàn)[10-12]提出了基于正序故障分量的保護(hù)原理。文獻(xiàn)[10]借鑒電流差動(dòng)保護(hù)標(biāo)積制動(dòng)特性，提出了帶制動(dòng)特性的正序阻抗縱聯(lián)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[11]利用母線(xiàn)正序電壓故障分量與各饋線(xiàn)正序電流故障分量的相位特征實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了由相量測(cè)量單元和數(shù)字繼電器構(gòu)成的數(shù)字通信系統(tǒng)，提出了一種基于正序分量的保護(hù)策略。然而，IIDG的故障特性較為復(fù)雜，上述保護(hù)方案可靠性仍有待研究。

本文分析了線(xiàn)路區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障時(shí)，線(xiàn)路兩端正序電壓相量之和與正序相量電流之和的比值特點(diǎn)，提出了一種基于故障正序分量和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)新原理，并使用PSCAD/EMTDC建立仿真模型對(duì)新原理進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 正序和商阻抗保護(hù)算法的原理

1.1 正序和商阻抗的概念

圖1為含IIDG的簡(jiǎn)單配電網(wǎng)示意圖。本文涉及的分布式電源都采用低電壓穿越特性的控制策略，具體控制方式文獻(xiàn)[11]詳細(xì)給出，此處不再贅述。

定義線(xiàn)路兩端正序電壓之和與線(xiàn)路兩端正序電流之和的比值為正序和商阻抗。

圖 1 含IIDG的配電網(wǎng)示意圖

(1)

圖 2 區(qū)外F4故障正序分量網(wǎng)絡(luò)

此時(shí)有

(2)

區(qū)外故障正序和商阻抗為

Zcd=ZC

(3)

即線(xiàn)路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，Zcd為線(xiàn)路容抗值，相對(duì)于系統(tǒng)和線(xiàn)路的正序阻抗，其值較大。

2)區(qū)內(nèi)故障。35 kV及以下配電網(wǎng)大多采用中性點(diǎn)不接地的方式運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間故障時(shí)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)接地系統(tǒng)相間短路的正序網(wǎng)絡(luò)圖相同；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間接地故障時(shí)，電源與故障點(diǎn)之間無(wú)法形成回路，此時(shí)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)接地系統(tǒng)相間接地故障的正序網(wǎng)絡(luò)圖將不同：因此，有必要將相間故障與相間接地故障分開(kāi)討論。

①區(qū)內(nèi)發(fā)生相間故障時(shí)，正序故障分量中包含的電容電流可以忽略。圖3為線(xiàn)路Line1發(fā)生區(qū)內(nèi)兩相短路時(shí)的正序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖 3 區(qū)內(nèi)相間故障正序分量網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)圖3可得饋線(xiàn)正序電壓分別為：

(4)

(5)

(6)

則|Zcd|滿(mǎn)足

|Zcd|≤|ZL1+2Rf|<|ZL1|+2Rf

(7)

即線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)相間故障時(shí)|Zcd|max=|ZL1|+2Rf。

②區(qū)內(nèi)發(fā)生兩相接地故障時(shí)，文獻(xiàn)[13]利用對(duì)稱(chēng)分量法詳細(xì)推導(dǎo)了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)BC相經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)A相序分量關(guān)系：

(8)

式中：Ua1、Ua2、Ua0分別為A相的正序、負(fù)序和零序電壓；X2∑為A相負(fù)序阻抗；Ia1為A相正序電流。輸電線(xiàn)路的正序阻抗與負(fù)序阻抗相等，可知中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的正序網(wǎng)絡(luò)中除故障支路電阻將變?yōu)樵瓉?lái)的2倍以外，其他參數(shù)不變。

可知，區(qū)內(nèi)發(fā)生相間接地故障時(shí)的正序網(wǎng)絡(luò)圖與圖3相似，只是將過(guò)渡電阻支路由Rf替換為2Rf。用2Rf依次替換式(4)(5)(6)(7)中的Rf，此時(shí)|Zcd|滿(mǎn)足

|Zcd|≤|ZL1+4Rf|<|ZL1|+4Rf

(9)

即線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)相間接地故障時(shí)

|Zcd|max=|ZL1|+4Rf

(10)

參照文獻(xiàn)[14-15]，10 kV電壓等級(jí)線(xiàn)路供電半徑和線(xiàn)路對(duì)地電容電流有表1的特點(diǎn)。

1.2 基于正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)線(xiàn)路區(qū)內(nèi)無(wú)故障時(shí)理論上測(cè)量得到的|Zcd|值為對(duì)地容抗值，|Zcd|在10 kV

表1 不同線(xiàn)路類(lèi)型的10 kV線(xiàn)路特點(diǎn)

供電范圍內(nèi)為一個(gè)kΩ級(jí)別的數(shù)值，具體數(shù)值由輸電線(xiàn)路的電壓等級(jí)、線(xiàn)路長(zhǎng)度和線(xiàn)路種類(lèi)確定。當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，相同過(guò)渡電阻條件下，將在線(xiàn)路發(fā)生相間接地故障時(shí)得到|Zcd|最大值，為|ZL1|+4Rf。中低壓配電網(wǎng)相間故障Rf取值一般為1～2Ω，發(fā)生接地故障時(shí)Rf的取值可以從0到幾百Ω[16]；因此，可以根據(jù)|Zcd|的大小來(lái)區(qū)分是線(xiàn)路區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。據(jù)此提出基于正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)原理，判據(jù)為

|Zcd|

(11)

式中Zset為阻抗定值。整定原則為

Zset=kZC

(12)

式中k為可靠系數(shù)，從第3節(jié)仿真結(jié)果可知k一般可取0.5～0.6，能夠保證區(qū)外故障不誤動(dòng)。

以電壓等級(jí)為10 kV、長(zhǎng)度為5 km的電纜線(xiàn)路為例，ZC的值約為6.93 kΩ，可以將Zset整定為3.47～4.16 kΩ。當(dāng)線(xiàn)路長(zhǎng)度變短時(shí)，ZC值將變大，由式(12)整定的Zset也將變大，為便于整定，此時(shí)可將Zset直接取為3.47 kΩ。

2 正序和商阻抗算法的性能分析

2.1 耐受過(guò)渡電阻能力分析

基于正序和商阻抗縱聯(lián)保護(hù)的輸電線(xiàn)路，其動(dòng)作值只與線(xiàn)路對(duì)地容抗值ZC有關(guān)。在實(shí)際的配電網(wǎng)當(dāng)中，線(xiàn)路種類(lèi)和長(zhǎng)度一旦確定，ZC值主要受環(huán)境因素的影響，相較于故障狀態(tài)其值變化不大。低壓配電網(wǎng)線(xiàn)路容抗值遠(yuǎn)大于可能出現(xiàn)的過(guò)渡電阻值，因此只要式(12)中的可靠系數(shù)選取合理，即使線(xiàn)路區(qū)內(nèi)發(fā)生大過(guò)渡電阻接地故障，也能實(shí)現(xiàn)故障的快速識(shí)別。

2.2 受暫態(tài)分量的影響分析

在高壓輸電線(xiàn)路的電流縱聯(lián)保護(hù)中，當(dāng)暫態(tài)分量超過(guò)一定值時(shí)必須退出保護(hù)，并提高動(dòng)作門(mén)檻，然而電容電流較大暫態(tài)分量消失較慢，從而降低了靈敏度。對(duì)于中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，電容電流較小，由第3節(jié)大量仿真可知，Line1下游發(fā)生故障時(shí)，電容電流幾乎不影響|Zcd|的測(cè)量值；當(dāng)故障發(fā)生在Line2上游母線(xiàn)出口處時(shí)，受IIDG控制策略影響，|Zcd|值將發(fā)生震蕩，只要可靠系數(shù)選取得當(dāng)仍能避免保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，只有故障電流值與原電壓等級(jí)線(xiàn)路對(duì)地電容電流值接近，電容電流含有的直流分量才會(huì)明顯影響|Zcd|的測(cè)量值，此時(shí)對(duì)應(yīng)線(xiàn)路發(fā)生大過(guò)渡電阻故障，直流分量將迅速衰減。因此，線(xiàn)路區(qū)內(nèi)發(fā)生大過(guò)渡電阻故障而受到暫態(tài)分量的影響時(shí)，保護(hù)仍會(huì)快速動(dòng)作。

2.3 受IIDG控制策略的影響分析

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，IIDG的控制策略將影響其輸出電流與接入點(diǎn)電壓的相位。由于本文涉及的IIDG采用正序分量的控制策略，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，其輸出的故障電流只包含正序分量，即IIDG只包含在正序網(wǎng)絡(luò)中。線(xiàn)路區(qū)內(nèi)外無(wú)故障時(shí)，分別采用電壓電流全相量和正序電壓電流相量計(jì)算得到的|Zcd|值將相等。線(xiàn)路區(qū)外一旦發(fā)生故障，電壓電流全相量包含的負(fù)序分量將導(dǎo)致計(jì)算值|Zcd|產(chǎn)生較大波動(dòng)，容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，而采用正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)很好地解決了這一問(wèn)題。

2.4 DG出力干擾分析

由于可再生能源的間歇性，難免造成分布式電源的頻繁投切，而分布式電源出力發(fā)生改變及投切過(guò)程中線(xiàn)路對(duì)地電容不會(huì)發(fā)生改變；因此，對(duì)判據(jù)(11)中的|Zcd|計(jì)算值影響不大，本文提出的正序和商縱聯(lián)保護(hù)原理在DG出力發(fā)生改變及投切過(guò)程中仍具有較好的適用性。

2.5 空載合閘分析

線(xiàn)路空載合閘模型如圖4所示，圖4(a)為合閘于無(wú)故障的線(xiàn)路模型，圖4(b)為合閘于故障的模型。

圖 4 空載合閘系統(tǒng)模型圖

當(dāng)線(xiàn)路無(wú)故障時(shí)，如圖4(a)，正序和商阻抗?jié)M足式(3)，為

|Zcd|=ZC

當(dāng)線(xiàn)路存在故障時(shí)，如圖4(b)，則

式中ZL為線(xiàn)路阻抗。可見(jiàn)：在線(xiàn)路合閘時(shí)，若線(xiàn)路無(wú)故障，|Zcd|與ZC相等；若線(xiàn)路有故障，|Zcd|反映保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的線(xiàn)路阻抗與過(guò)渡電阻之和，其值與線(xiàn)路容抗值相差較大?；诖耍褂没谡蚝蜕套杩沟目v聯(lián)保護(hù)判據(jù)可以區(qū)分線(xiàn)路上是否有故障。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)構(gòu)及參數(shù)

為驗(yàn)證所提保護(hù)原理在復(fù)雜配電網(wǎng)中的適應(yīng)性，采用PSCAD仿真軟件搭建如圖1所示的有源配電網(wǎng)模型。配電網(wǎng)電壓等級(jí)為10 kV，容量為10 MVA， IIDG采用低電壓穿越的PQ運(yùn)行控制策略，IIDG1—IIDG2的額定容量為0.5 MVA。線(xiàn)路采用∏型等效參數(shù)模型，線(xiàn)路Line1、Line2長(zhǎng)度分別為5、4 km，Load1—Load4為三相負(fù)載，視載功率分別為0.9、0.5、1、2 MVA，且功率因數(shù)都為0.9。仿真中，分別在F1—F55個(gè)點(diǎn)模擬不同故障，整定時(shí)k取值為0.5。

仿真模型1：Line1、Line2都為架空線(xiàn)路，單位阻抗和導(dǎo)納分別為0.838+j0.395 Ω/km，1.545×10-8S/km。

仿真模型2：Line1為電纜線(xiàn)路，單位阻抗和導(dǎo)納分別為 0.870+j0.120 Ω/km，5.516×10-7S/km；Line2為架空線(xiàn)路，單位阻抗和導(dǎo)納分別為 0.838+j0.395 Ω/km，1.545×10-8S/km。

3.2 仿真結(jié)果

設(shè)定t=0.3 s時(shí)發(fā)生故障，此時(shí)系統(tǒng)電壓下降將會(huì)導(dǎo)致IIDG的出力發(fā)生改變，從而對(duì)正序和商阻抗的計(jì)算產(chǎn)生影響。圖5與圖6表示母線(xiàn)A出口F5處發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，線(xiàn)路Line1為不同線(xiàn)路種類(lèi)，分別采用電壓電流正序分量和全相量得到的|Zcd|測(cè)量值。

從圖5可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于IIDG失去了系統(tǒng)電壓的支撐，IIDG將進(jìn)行低電壓穿越，因此在故障發(fā)生一個(gè)周期內(nèi)|Zcd|發(fā)生較大的震蕩，隨后測(cè)量值超過(guò)穩(wěn)態(tài)值并繼續(xù)震蕩。圖5(a)和圖5(b)中的最小值分別為349.31 kΩ和5.739 kΩ，都能滿(mǎn)足保護(hù)不誤動(dòng)。

圖6為采用電壓電流全相量計(jì)算得到的|Zcd|值。與圖5對(duì)比可知：系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，2種方法計(jì)算得到的|Zcd|值相等；區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)|Zcd|也會(huì)發(fā)生震蕩，但是采用全向量計(jì)算得到|Zcd|的震蕩幅度遠(yuǎn)大于采用正序分量計(jì)算得到|Zcd|的震蕩幅度，容易導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)作。仿真驗(yàn)證了采用正序分量和商阻抗保護(hù)的穩(wěn)定性。

圖 5 采用正序分量|Zcd|的測(cè)量值

圖 6 采用全相量時(shí)|Zcd|的測(cè)量值

圖7表示在F4點(diǎn)發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，Line1為不同線(xiàn)路種類(lèi)時(shí)|Zcd|的測(cè)量值。與圖5所示情況不同，雖然系統(tǒng)電壓也會(huì)有所下降，但Line1靠近系統(tǒng)側(cè)，受分布式電源出力影響較小，|Zcd|值震蕩較小，因此在較短時(shí)間內(nèi)|Zcd|值接近穩(wěn)定值。

圖 7 F4點(diǎn)故障時(shí)|Zcd|的測(cè)量值

表2列出了當(dāng)Line1為電纜線(xiàn)路時(shí)，在系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障時(shí)|Zcd|的穩(wěn)態(tài)測(cè)量值。從表2可以看出，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)大過(guò)渡電阻接地故障時(shí)，故障線(xiàn)路|Zcd|的測(cè)量值與第1節(jié)理論分析符合，基本接近2Rf或4Rf，|Zcd|值相對(duì)于ZC較小，最大值為2 025 Ω。當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，其數(shù)值大于5 kΩ。可見(jiàn)，使用判據(jù)式(11)可以很容易地區(qū)分線(xiàn)路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，因此基于正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)原理可以應(yīng)用于含IIDG的配電網(wǎng)線(xiàn)路。

圖 8 F2點(diǎn)故障時(shí)|Zcd|的測(cè)量值

故障類(lèi)型Rf/ΩZcd1/ΩZcd2/Ω無(wú)故障-252 9246 974區(qū)外故障F2F3F4F5ABCABCBCACGABCABCBCACGABCABCBCACGABCABCBCACG0.01110200.01110200.01110200.0111020249 606249 614251 374250 916249 932249 371251 380251 068249 496249 478251 062250 819>349 310252 679252 733252 4466 9566 9576 9786 9766 9616 9566 9766 9686 9576 9596 9786 974>5 7396 9366 98396 9739區(qū)內(nèi)故障F1ABCBCBCGABCGACGABCG0.011101005005000.053.0139.571972 0251 0010.053.0239.771981 936990

注：|Zcd|1、|Zcd|2分別為模型1和模型2中|Zcd|的測(cè)量值

4 結(jié)論

本文提出一種基于正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)新原理，并進(jìn)行了理論分析和PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證。理論分析和仿真結(jié)果表明：區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，新原理的動(dòng)作量反映線(xiàn)路容抗，其數(shù)量級(jí)為kΩ；區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，忽略線(xiàn)路電阻時(shí)動(dòng)作量反映2倍或4倍的過(guò)渡電阻值，二者數(shù)值差別較大，保證了基于正序和商阻抗的縱聯(lián)保護(hù)的靈敏性。該原理適用于含IIDG的配電網(wǎng)保護(hù)，具有容易整定、動(dòng)作靈敏、抗過(guò)渡電阻能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了新原理的有效性。