司新躍，李兆飛，王亮亮，楊 濤，李現忠

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.國網山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271000）

0 引言

近年來風能、太陽能等新能源發(fā)電應用越來越廣泛，其中一部分是以分布式電源的形式并網。但是，分布式電源的接入也給原有配電網的運行以及控制等諸多方面帶來了影響，其中配電網保護是需要考慮的一個重要問題。

傳統的配電網一般是單電源輻射型結構，保護方案相對簡單，通常采用階段式配合的方式來保證保護的選擇性。隨著分布式電源的接入，配電網不再保持輻射型結構。而多數DG 采用風能、太陽能等間歇性能源，故障時所能提供的短路電流大小是隨著環(huán)境而變化的［1-2］。對于DG 大量接入后的配電網，需要研究新型保護方案，已有一些文獻對此進行了探討［3-7］。文獻［3］利用多代理技術，使得區(qū)域內的繼電器能夠相互合作以定位和隔離故障。文獻［4］提出對保護背側網絡進行等值變換，并根據支路貢獻因子矩陣，消除DG 對各支路電流的影響。文獻［5］提出了一種基于“教”與“學”優(yōu)化算法的方向過電流保護方案，利用該算法來實現保護之間的最優(yōu)配合，減小保護的動作時間。

分析DG 接入對傳統配電網保護的影響，通過分析故障時電流相位的變化特點，提出了一種利用電流相位來識別故障區(qū)段的縱聯保護原理。該原理只利用電流信息作為保護判據，不需要電壓信息。然后以此保護原理為主保護提出含DG 配電網的保護方案。最后通過PSCAD 仿真分析，對利用電流相位變化為判據的保護進行了仿真驗證。

1 DG 接入對傳統配電網保護的影響

圖1 所示為含DG 的簡單配電網。G 為主電源，線路上配置有階段式配合的電流保護。C 點接有分布式電源。

圖1 含分布式電源的配電網

由于傳統的配電網是單電源、輻射型結構，如果接入DG，會對傳統的配電網保護產生較大影響。對于圖1 所示配電網，可以主要從以下兩方面考慮DG對保護的影響。

1.1 對短路電流方向影響

對于保護2 來說，在無DG 的情況下，當位于其下游的F2點發(fā)生故障時，能夠感受到短路電流；而當位于其上游的F1點發(fā)生故障時，不能感受到短路電流。當接入DG，F1點故障時，保護2 流過DG 所提供的反向短路電流。此時保護2 可能誤動作，這與短路電流的大小以及保護2 的定值有關。另外，同一母線的其他饋線發(fā)生故障時，DG 所提供的反向短路電流也有可能使位于其上游的保護誤動。

1.2 對短路電流大小影響

當F2點發(fā)生故障時，DG 的存在會使得流過其下游的保護3 處的短路電流增大。這雖然對保護3的動作有利，但會擴大一段保護的動作范圍。如果保護范圍擴大到下一級線路，會使保護動作而失去選擇性。對于位于DG 上游的保護1 和保護2，流過它們的短路電流則會有不同程度的減小，會降低其靈敏度甚至造成保護拒動［8］。

通過分析含DG 配電網故障時電流相位的變化特點，得出利用電流相位的縱聯保護原理。

2 含DG 配電網故障時電流相位變化特點

傳統的電流相位縱聯差動保護，需要比較兩端的故障分量電流，而且要實現兩端電流相位的同步測量。在應用到配電網時，可以在算法中加入故障前的負荷電流，簡化保護算法。

2.1 電流相位變化與參考方向的關系

圖2 所示為一雙端電源網絡及故障附加狀態(tài)網絡［9］。Img、Ing為被保護對象兩端的故障分量電流，α 表示故障點相對位置，-Uf為故障分量電壓，ZL為線路阻抗，Zm和Zn分別為兩側系統等值阻抗。

圖2 雙端電源配電網的故障等值電路

差動保護算法中，通常需要制定一個參考方向。對于m 側電流，電流參考方向選取由節(jié)點指向線路。當配電網正常運行時，流過m 側的負荷電流為［10］

式中：Um和Un分別為線路兩端的電壓。

當F1點發(fā)生故障時，m 側流過的故障全電流為

可以求得流過m 側的故障電流與故障前負荷電流的相位差為

將參考方向選取為由線路指向節(jié)點，流過m 側的負荷電流為

當F1點發(fā)生故障時，流過m 側的故障全電流為

流過m 側的故障電流與故障前負荷電流的相位差為

由式（3）和式（6）可以看出，故障電流與故障前負荷電流的相位差與所選取的參考方向無關。這樣，在實際的保護算法中，電流互感器的安裝不需要整定參考方向。

2.2 利用電流相位變化來反應故障點位置

當發(fā)生區(qū)內故障時，對于線路兩端的電流，分別計算故障電流與故障前負荷電流相位差，并比較兩者的關系。如圖2 所示，故障點為保護區(qū)內的F1點，對于如圖所示的參考方向，可以得到m 側故障電流與故障前負荷電流的相位差為

n 側故障電流與故障前負荷電流的相位差為

線路兩側故障電流與故障前負荷電流相位差不相等。

而區(qū)外F2點故障時，m 側故障電流與故障前負荷電流的相位差為

n 側故障電流與故障前負荷電流的相位差為

線路兩側故障電流與故障前負荷電流相位相等。

通過以上分析可知，區(qū)外故障時，線路兩端保護的故障電流與故障前負荷電流的相位差相等；區(qū)內故障時相位差不相等。這一規(guī)律可以反映出故障點的相對位置。

3 含DG 配電網保護方案的構建

利用提出的縱聯保護原理作為主保護，并考慮通信系統故障的情況，可以構建包含主保護和后備保護的配電網保護方案。保護方案的整體流程如圖3 所示。

圖3 保護方案流程

主保護原理采用縱聯保護原理，可實現全線速動。由于故障電流與故障前負荷電流相位差與所選取的參考方向無關，保護可只計算本側相位差，將計算結果發(fā)送至對側保護，而無需考慮相位測量與計算起始點的同步問題。通過比較本側及對側發(fā)送過來的故障電流與故障前負荷電流的相位差，來判定故障位置。如果相位差相等，則判定故障位于保護區(qū)外，保護不啟動；如果相位差不相等，則判定故障點位于保護區(qū)內，保護啟動并由斷路器切除故障區(qū)段?？紤]到測量誤差等因素，區(qū)外故障時，線路兩端保護所測量到的相位差并不一定完全相等，因此可將區(qū)外故障的判據由θm=θn更改為

式中：σ 為誤差角，可由保護裝置的實際性能決定。

通信通道可采用無線網絡［11］，保護可以將故障位置信息上傳到主站。主站則根據配電網結構，控制相應的聯絡開關動作，為切除的非故障區(qū)域恢復供電。由于分布式電源的存在，需要在聯絡開關處配置準同期設備?；蛘卟捎谜＿\行時閉環(huán)運行的方式［12］，可以提高供電可靠性，并能減少停電區(qū)域。

由于主保護需要通信，當通信系統故障時，需要配置相應的后備保護。后備保護采用無通信的本地保護，可考慮只在饋線出口處配置一過流保護。當主保護因通信等原因無法動作時，由較長延時的后備保護來切除整條線路。

4 仿真分析

20 kV 配電系統結構如圖4 所示。利用PSCAD軟件搭建仿真模型，并對保護原理進行分析。此配電網中接有4 臺分布式電源，具體接入位置及額定功率如圖4 所示。線路采用的是電纜模型，參數為：

其中，R1和R0分別為正序電阻和負序電阻；XL1和XL2分別為正序感抗和負序感抗；XC1和XC0分別為正序容抗和零序容抗。各段線路長度均在圖4 中標示。聯絡開關CP 在正常運行狀態(tài)下，處于斷開狀態(tài)。

圖4 應用于保護算法分析的配電網仿真模型

另外，由于保護算法與電流參考方向無關，因此電流參考方向在本例中隨意取定。

當故障點F1位于KH 段的50%處時，該線路兩端電流I13和I14的相位變化如圖5 所示。

圖5 FG 段的50%處故障時的線路兩端電流相位變化

可以看出，0.50 s 故障發(fā)生后，流過線路兩端保護的電流相位發(fā)生變化，且故障電流與故障前負荷電流的相位差線路兩端不相等。仿真數據如表1 所示。

表1 KH 段的50%處故障時的電流相位變化 （°）

保護13 與保護14 的電流相位變化不相等，因此可以判斷故障位于線路KH 段內，保護動作切除故障；保護11 與保護12 的電流相位變化相等，因此可以判斷故障位于線路HE 段外，保護不動作。

當故障點F2位于DE 段的50%處時，仿真數據如表2 所示。

保護7 與保護8 的電流相位變化相等，因此可以判斷故障位于線路CD 段外，保護不動作；保護9與保護10 的電流相位變化不相等，因此可以判斷故障位于線路DE 段內，保護動作切除故障；保護11與保護12 的電流相位變化相等，因此可以判斷故障位于線路HE 段外，保護不動作。

通過仿真結果可以看出，利用電流相位差的縱聯保護能夠準確地識別出故障區(qū)段。

表2 DE 段的50%處故障時的電流相位變化 （°）

5 結語

對故障時電流相位的變化特性進行了研究，提出了一種基于線路兩端電流相位變化的縱聯保護原理。并以此為主保護，提出了一種應用于含分布式電源配電網的保護方案。通過仿真分析，此差動保護原理可以準確反映區(qū)內故障。本文提出的僅僅是一種保護原理，仍需進一步研究，以滿足現場實際運行的要求。