王歸新，郭 藝，童世成

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

分布式電源(DG)的接入可以對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)提供良好的支撐，有利于提高能源利用率，降低傳統(tǒng)配電網(wǎng)電力系統(tǒng)冗余限制，減少經(jīng)濟(jì)損失。但隨著配電系統(tǒng)中分布式電源滲透率的不斷提高，原有配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由單電源供電轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫垂╇?，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的保護(hù)靈敏度，甚至造成保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)[1]。因此，在已有的自適應(yīng)保護(hù)原理基礎(chǔ)上，需要提出新的保護(hù)方案，以保證DG接入配電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)中的保護(hù)可靠動(dòng)作。

1 自適應(yīng)電流速斷保護(hù)方法

1.1 傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)原理

自適應(yīng)保護(hù)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行模式和故障類型實(shí)時(shí)地做出保護(hù)動(dòng)作或調(diào)整整定值。傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)定值主要有以下幾個(gè)步驟：（1）判定等效電勢(shì)；（2）采集數(shù)據(jù)；（3）判斷系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和故障類型；（4）根據(jù)阻抗和電勢(shì)計(jì)算整定值[2-5]。自適應(yīng)電流速斷保護(hù)為克服傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)的缺點(diǎn)，其保護(hù)整定值隨電力系統(tǒng)當(dāng)前實(shí)際的運(yùn)行方式和故障狀態(tài)而實(shí)時(shí)自動(dòng)地改變[6],在各種故障情況下自適應(yīng)電流速斷的保護(hù)范圍均大于傳統(tǒng)電流速斷的保護(hù)范圍，可以保證該保護(hù)對(duì)發(fā)生的各種故障都能提供足夠的保護(hù)范圍，降低傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)造成誤動(dòng)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于含新能源配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方案

根據(jù)如圖1所示的含新能源配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)，提出的自適應(yīng)繼電保護(hù)整定可以自動(dòng)調(diào)節(jié)定值[6]，使保護(hù)在兩相短路與三相短路時(shí)的靈敏度大致相等，避免因故障類型、系統(tǒng)運(yùn)行方式等問題造成的保護(hù)范圍縮減甚至無保護(hù)范圍的問題，能夠更有效地處理故障信息，加強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在整定保護(hù)計(jì)算方面，根據(jù)不同故障位置對(duì)原有配電網(wǎng)保護(hù)帶來的影響，并且根據(jù)分布式電源正序電壓的特點(diǎn)[7-9]，對(duì)含有新能源配電網(wǎng)提出一套完整的保護(hù)方案。

圖1 含新能源配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

2.1 DG上游整定保護(hù)方法

當(dāng)DG上游發(fā)生短路故障，則流經(jīng)故障點(diǎn)處的電流由系統(tǒng)ES和分布式電源DG共同提供，上游系統(tǒng)與分布式電源之間形成雙電源網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，需要先區(qū)分背側(cè)有無DG的情況，即分別對(duì)QF1、QF2開展保護(hù)分析。

圖2 DG上游發(fā)生短路故障

2.1.1 有DG接入的上游保護(hù)方法

（a）兩相短路

在含新能源配電網(wǎng)中F處發(fā)生兩相短路故障，復(fù)合序網(wǎng)簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合序網(wǎng)簡(jiǎn)化圖

根據(jù)電路知識(shí)，可得到：

式中，UQF2為正序電壓；IQF2為正序電流；α為故障點(diǎn)在線路MN的占比，范圍0～1。

一般情況下，考慮到選擇性，仿真時(shí)α取1，則保護(hù)QF2處的新的整定方式為：

（b）三相短路

為了滿足選擇性，可得到三相短路電流整定值為：

2.1.2 無DG接入的上游保護(hù)方法

如圖2所示，此時(shí)DG提供的電流不流經(jīng)QF1，故可按照傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)整定方案。

2.2 DG下游整定保護(hù)方法

當(dāng)DG下游發(fā)生短路故障，則流經(jīng)故障點(diǎn)處的電流由系統(tǒng)ES和分布式電源DG共同提供。如圖4所示，I1為系統(tǒng)向故障點(diǎn)提供的短路電流，I2為DG向故障點(diǎn)提供的短路電流，If為故障點(diǎn)電流。

圖4 DG下游發(fā)生短路故障

根據(jù)電路原理，可得到保護(hù)3處整定值為：

由式（4）整定可知，故障點(diǎn)發(fā)生在DG下游，不考慮背側(cè)等效阻抗和電勢(shì)的問題，只需考慮最大運(yùn)行方式系統(tǒng)等效阻抗ZSmin和最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)等效阻抗ZSmax等因素。

2.3 相鄰饋線整定保護(hù)方法

如圖5所示相鄰饋線處發(fā)生短路故障時(shí)，根據(jù)DG正序電壓的特性，仍可從兩相短路、三相短路分析。

圖5 相鄰饋線發(fā)生短路故障

（1）兩相短路

當(dāng)系統(tǒng)中F處發(fā)生故障，其復(fù)合序網(wǎng)簡(jiǎn)化圖如圖6所示。

圖6 復(fù)合序網(wǎng)簡(jiǎn)化圖

根據(jù)電路知識(shí)，可得到：

式中，UQF1為正序電壓，IQF1為正序電流；α為故障點(diǎn)在線路MN的占比，范圍0～1。

一般情況下，考慮到選擇性，仿真時(shí)α取1，則保護(hù)QF1處的新的整定方式為：

（2）三相短路

當(dāng)系統(tǒng)中F處發(fā)生故障，可得到三相短路電流整定值為：

3 仿真驗(yàn)證

圖7為某含有新能源結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，利用PSCAD軟件，結(jié)合上述保護(hù)方案，搭建含自適應(yīng)保護(hù)的仿真模型，如圖8所示。除了在不同位置加入了自適應(yīng)保護(hù)裝置，并且在母線BC末端加裝了斷路器BRK2_2，作為背側(cè)有DG研究，驗(yàn)證方案的可行性。

圖7 某配網(wǎng)系統(tǒng)含新能源結(jié)構(gòu)圖

圖8 含自適應(yīng)保護(hù)的仿真模型

參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓為ES=10.5 kV，連接到配電網(wǎng)的電壓等級(jí)為10 kV，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的電源電阻為Rmin=0.105，電源感抗為L(zhǎng)min=0.001 96 H；系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的電源電阻為Rmax=0.418，電源感抗為L(zhǎng)max=0.007 52 H。AB、BC、CD、AE、EF均為8 km架空線路，架空線路單位長(zhǎng)度的正負(fù)序電阻分別為R1=0.107 Ω/km，R0=0.23 Ω/km；單位長(zhǎng)度的正負(fù)序電感分別為L(zhǎng)1=1.21 mH/km，L0=5.478 mH/km；單位長(zhǎng)度的正負(fù)序電容分別為C1=0.009 6 μF/km，C0=0.008 μF/km。通常情況下，我國(guó)配電網(wǎng)饋線流經(jīng)的電流不超過200 A，以此電流檢驗(yàn)配網(wǎng)所接負(fù)載是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。在建模時(shí)，采取固定功率的負(fù)載模型用以等效代替負(fù)荷：有功功率2 MW，無功功率為0.4 MW。仿真設(shè)置：DG輸出2 MW，仿真運(yùn)行1 s，在仿真運(yùn)行的0.7 s時(shí)，發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間0.3 s。

3.1 DG上游保護(hù)仿真驗(yàn)證

設(shè)置F1點(diǎn)BC兩相短路故障，上游仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。由圖9～圖10可知，在設(shè)定的0.7 s后發(fā)生兩相短路故障，短路電流增大，檢測(cè)到的電流超過保護(hù)1整定值，所以保護(hù)1可靠動(dòng)作。加入上游保護(hù)后，發(fā)生故障后保護(hù)2也隨之調(diào)整，但由于故障前整定值偏大，故障后迅速調(diào)整保護(hù)范圍。由圖11可知，發(fā)生故障后保護(hù)2_2整定值迅速調(diào)整，由于保護(hù)2_2屬于背側(cè)有DG接入，由分布式電源產(chǎn)生的電流沖擊更加直接，所以需要一定時(shí)間調(diào)整。綜上所述，BRK1可靠動(dòng)作，切除故障，BRK2和BRK2_2不動(dòng)作。加入自適應(yīng)保護(hù)方案后，保護(hù)2和保護(hù)2_2整定值能隨故障電流而迅速調(diào)整，提高靈敏度。

圖9 保護(hù)1的整定值和檢測(cè)到的電流

圖10 保護(hù)2（背側(cè)無DG）的整定值和檢測(cè)到的電流

圖11 保護(hù)2_2（背側(cè)有DG）的整定值和檢測(cè)到的電流

設(shè)置F1點(diǎn)ABC三相短路故障，仿真結(jié)果如圖12～14所示。分析仿真結(jié)果可得，保護(hù)1檢測(cè)到超出整定值的故障電流，BRK1動(dòng)作，切除故障。BRK2和BRK2_2不動(dòng)作。保護(hù)2和保護(hù)2_2根據(jù)自適應(yīng)保護(hù)方案，整定值能隨故障電流迅速調(diào)整，提高靈敏度。

圖12 保護(hù)1的整定值和檢測(cè)到的電流

圖13 保護(hù)2（背側(cè)無DG）的整定值和檢測(cè)到的電流

圖14 保護(hù)2_2（背側(cè)有DG）的整定值和檢測(cè)到的電流

3.2 DG下游保護(hù)仿真驗(yàn)證

設(shè)置F3點(diǎn)BC兩相短路故障，下游仿真結(jié)果如圖15。設(shè)置F3點(diǎn)故障ABC三相短路故障，下游仿真結(jié)果如圖16。F3故障點(diǎn)發(fā)生短路故障，由圖15和圖16可知，保護(hù)3檢測(cè)到的短路電流迅速增大，超出整定值的故障電流?？梢姡掠喂收习l(fā)生后，BRK3保護(hù)可靠動(dòng)作，切除故障。

圖15 保護(hù)3的整定值和檢測(cè)到的電流

圖16 保護(hù)3的整定值和檢測(cè)到的電流

3.3 相鄰饋線保護(hù)仿真驗(yàn)證

3.3.1 故障點(diǎn)設(shè)置在F4

設(shè)置F4點(diǎn)BC兩相短路故障，相鄰饋線仿真結(jié)果如圖17和圖18所示。設(shè)置F4點(diǎn)ABC三相短路故障，相鄰饋線仿真結(jié)果如圖19和圖20所示。

圖17 保護(hù)4的整定值和檢測(cè)到的電流

圖18 保護(hù)5的整定值和檢測(cè)到的電流

圖19 保護(hù)4的整定值和檢測(cè)到的電流

圖20 保護(hù)5的整定值和檢測(cè)到的電流

F4故障點(diǎn)發(fā)生短路故障，保護(hù)4檢測(cè)到的短路電流迅速增大，超出整定值的故障電流；保護(hù)5的整定值隨故障電流變化，靈敏度提高?？梢姡現(xiàn)4點(diǎn)故障時(shí)，BRK4可以可靠切除故障。

4 結(jié)論

在分析傳統(tǒng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)存在的問題后，提出基于含新能源配電網(wǎng)的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)方案，當(dāng)不同位置發(fā)生故障時(shí)，分析各種故障情況下保護(hù)的動(dòng)作特性，通過理論推導(dǎo)與仿真驗(yàn)證，證明了自適應(yīng)電流保護(hù)的有效性與可靠性。自適應(yīng)電流速斷保護(hù)在整定時(shí)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)整定值且其保護(hù)范圍不隨不同故障類型而改變，保證了各保護(hù)對(duì)發(fā)生的各種故障都能提供足夠的保護(hù)范圍的要求，具有一定的實(shí)用性。