何 明,楊 琪，陳虹靜，吳 穹，王利平

(1.國網(wǎng)四川省電力公司,四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

分布式電源(distributed generation, DG)是指分散就地接入配電網(wǎng)的小容量電源[1]。DG是利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源的重要途徑，近年來已成為世界各國發(fā)展與推廣的重點[2]。然而，DG就地接入改變了配電網(wǎng)饋線中短路電流的大小和方向，使配電網(wǎng)中傳統(tǒng)的電流保護難以適用；另外，DG的故障電流具有非線性、間歇性的特點，進一步加劇了保護整定與配合的難度[3]。若無法解決繼電保護的問題，則無法在配電網(wǎng)中進一步提高DG滲透率[4-5]。因此，研究適用于含DG配電網(wǎng)的保護方案具有重要意義。

近年來，專家學(xué)者已針對含DG的配電網(wǎng)提出了許多保護方案，主要可分為兩類。第一類方案是采用需要通信通道的縱聯(lián)差動類保護[6-12]。該類保護通過兩端或多端的電氣信息進行故障區(qū)段定位，具有較高的準(zhǔn)確性且受DG出力變化的影響較小。然而縱聯(lián)差動類保護需要建設(shè)通信通道，這將增加配電網(wǎng)保護的成本；另外當(dāng)通信通道故障時，該類保護將會失靈，因此必須配有其他保護方法作為后備保護。第二類方案是無需通信的無通道保護[13-19]。該類保護一般在方向性電流/距離保護的基礎(chǔ)上，根據(jù)DG的故障特性和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整保護定值。文獻[16]提出了一種基于戴維南等效參數(shù)動態(tài)計算的自適應(yīng)保護。文獻[17]提出了一種基于故障復(fù)合序網(wǎng)的自適應(yīng)正序電流速斷保護。文獻[18]提出了一種基于高斯迭代求解的自適應(yīng)電流速斷保護。文獻[19]提出了一種基于復(fù)合故障補償因子的反時限電流保護。上述保護方案不依賴通信通道，易于實現(xiàn)，但并未考慮主保護與后備保護間的配合問題。由于DG出力的間歇性，為保證主保護選擇性而選取的整定值會降低后備保護的保護范圍。

針對上述問題，通過分析DG故障特征提出了一種考慮DG接入的配電網(wǎng)電流保護整定方案。

1 分布式電源故障特征分析

根據(jù)并網(wǎng)方式，DG可分為電機類和逆變類兩種類型[11]?？紤]到逆變類DG的故障特征分析更為復(fù)雜，且是光伏、風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)的主流方式，因此以逆變類DG為主要研究對象。

圖1為以光伏電源為例的逆變類分布式電源結(jié)構(gòu)與控制策略示意圖。圖中：U和I為逆變器的直流側(cè)輸入電壓與電流；C為直流母線等值電容；R和L分別為交流側(cè)等效電阻與電感；ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為交流側(cè)的相電壓和相電流。三相電壓、電流經(jīng)過dq變換后實現(xiàn)對逆變型分布式電源輸出的控制。逆變類DG的主要控制策略包括最大功率跟蹤、低電壓穿越、消除負序和過電流限制等。

圖1 逆變類分布式電源結(jié)構(gòu)與控制策略

在正常運行條件下，DG采用最大功率跟蹤控制以實現(xiàn)有功出力最大化。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，低電壓穿越控制策略要求DG根據(jù)并網(wǎng)點電壓的跌落系數(shù)優(yōu)先輸出無功電流，此時DG輸出的無功電流Iq為

(1)

式中：K為低穿電壓支撐系數(shù)，一般要求不低于1.5；γ為并網(wǎng)點電壓跌落系數(shù)，其值等于故障后電壓與故障前電壓的幅值比；IN為額定輸出電流。

故障條件下，為了維持系統(tǒng)有功功率的平衡，分布式電源也需要發(fā)出更多的有功電流。然而，由于逆變器中的電力電子器件無法承受較大的電流，逆變類DG采用過電流限制的控制策略，通常規(guī)定其輸出短路電流的幅值不能超過額定電流的1.2倍。因此逆變類DG輸出的有功電流Id可表示為

(2)

式中：Imax為逆變類DG輸出電流的幅值上限；Pref為DG的參考有功功率；UPCC為故障后DG并網(wǎng)點處的電壓幅值。

根據(jù)式(1)、式(2)可得出，故障后逆變類DG短路電流的幅值和相角分別為：

(3)

(4)

由式(1)—式(4)可以看出，逆變類DG故障電流的幅值和相位由Id和Iq的幅值決定，而Id和Iq與DG并網(wǎng)點的電壓有關(guān)。由于故障后電壓跌落的大小受故障位置、故障類型、過渡電阻等多種因素的影響，逆變類DG輸出的短路電流具有明顯的隨機性、非線性的特征，與傳統(tǒng)電源存在較大差異。

2 考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)保護方案

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電流保護通常僅在各區(qū)段的首端配置保護。然而，對于含DG配電網(wǎng)中位于DG上游的區(qū)段，必須在兩端配置保護，如圖2所示。

圖2 含DG接入的配電網(wǎng)

下面以圖2中的區(qū)段MN為例分析含DG配電網(wǎng)的保護整定方案。需要指出，研究對象為中國配電網(wǎng)中主流的中性點非直接接地(不接地、經(jīng)諧振接地)系統(tǒng)，其單相接地時故障電流不明顯且系統(tǒng)仍被允許短時運行[20]，因此所研究的電流保護配置及整定方案僅針對相間短路。

2.1 基于自適應(yīng)正序電流速斷保護的主保護方案

由前述分析可知，逆變類DG采用消除負序的控制策略，僅輸出正序電流，因此以正序電流構(gòu)造電流保護方案。自適應(yīng)電流速斷保護可根據(jù)電網(wǎng)的運行方式和故障類型對保護定值進行在線實時整定，相較于普通電流速斷保護具有更大的保護范圍?，F(xiàn)有的自適應(yīng)電流速斷保護的整定方法如式(5)所示。

(5)

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.2；Kf為故障系數(shù)，三相短路和兩相短路時分別為1和0.866；ZS和ZL分別為系統(tǒng)和被保護線路的等值阻抗；ES為系統(tǒng)等值電勢的幅值，可按式(6)整定。

(6)

上述自適應(yīng)電流保護整定方案并未考慮DG的接入。對于含逆變類DG的配電網(wǎng)，DG短路電流的非線性與間歇性將使饋線中的短路電流存在較大的隨機性；另外，DG上游區(qū)段中系統(tǒng)側(cè)(首端)保護與DG側(cè)(末端)保護處的電流變化規(guī)律也存在差異。因此，仍采用式(5)所示的整定方案可能導(dǎo)致速斷保護失去選擇性，需要提出新的自適應(yīng)電流速斷保護方案。

在圖2所示的含DG配電網(wǎng)中，若發(fā)生兩相短路故障，此時正序故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 兩相短路故障時的正序故障附加網(wǎng)絡(luò)

(7)

由于逆變類DG受過電流限制控制策略的影響，其可提供的短路電流遠小于系統(tǒng)電源，因此可將其忽略。RM處的自適應(yīng)正序電流速斷保護可按照式(8)整定。

(8)

對于DG側(cè)的保護RN，為了便于分析，可將正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中故障點左側(cè)的部分合并，得到簡化后的附加網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 兩相短路故障時的正序故障簡化附加網(wǎng)絡(luò)

(9)

為優(yōu)先保證選擇性，RN處的自適應(yīng)正序電流速斷保護可按照式(10)整定。

(10)

(11)

式中，Zrf為保護安裝處到故障點的等值阻抗。

因此，對于三相短路故障，兩側(cè)的自適應(yīng)正序電流速斷保護均可按照式(12)整定。

(12)

2.2 線路末端故障時的近后備保護方案

由于電流速斷保護不能覆蓋線路全長，因此必須配有能夠檢測線路末端故障的后備保護[20]。為避免DG接入對傳統(tǒng)電流保護配合的影響，采用兩側(cè)過流互為近后備保護的方法，如圖5所示。

圖5 近后備保護方案原理

圖5中，IfM、IfN分別表示保護RM和RN處的短路電流曲線(不考慮故障類型)，IMZ、INZ分別表示保護RM和RN處的自適應(yīng)正序電流速斷保護整定值。對于保護RM，主保護的保護范圍投影在橫軸上為MM′；保護RN主保護的保護為NN′。若MM′、NN′和被保護線路MN滿足式(13)，則兩側(cè)的主保護可互為對側(cè)的近后備保護。

MN?(MM′∩NN′)

(13)

近后備保護的具體方案為：若某側(cè)保護判斷故障發(fā)生在主保護的動作區(qū)域內(nèi)，則視為區(qū)內(nèi)故障，控制對應(yīng)斷路器跳閘并向?qū)?cè)發(fā)送區(qū)內(nèi)故障命令；若某側(cè)主保護未動作但受到對側(cè)的動作命令，則也視為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。由于兩側(cè)之間的命令信號所需的通信量極小且對延時的要求很低，通過現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)該功能，無需建設(shè)通信通道。

2.3 基于定時限過電流保護的遠后備保護方案

對于含DG配電網(wǎng)中可能發(fā)生的絕大多數(shù)故障，所提出的主-后備保護方案均能正確、可靠地識別。在此背景下，遠后備保護僅作為最不利情況下的備選方案，因此可以適當(dāng)擴大保護范圍并延長動作時限。所提方案中，在每條出線的首端采用基于定時限的過電流保護作為遠后備保護，保護定值按躲過最大負荷電流且覆蓋整條饋線全長整定。為了與主保護有所區(qū)分，遠后備保護可設(shè)置0.5 s的延時。

3 仿真分析

3.1 仿真模型參數(shù)

為驗證所提保護整定方案在各種故障條件下的有效性，利用PSCAD搭建了如圖6所示的含DG配電網(wǎng)模型。該模型的基準(zhǔn)電壓為10.5 kV，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100 MVA；DG的額定容量為4 MVA，低穿電壓支撐系數(shù)為1.5；線路和負荷參數(shù)與文獻[17]中的模型一致。仿真以饋線段B1B2作為故障區(qū)段，研究在不同故障距離發(fā)生不同故障類型時保護R1和R2的動作情況。

圖6 含DG接入的配電網(wǎng)模型

3.2 兩相短路時的仿真結(jié)果

當(dāng)f點發(fā)生兩相短路故障，保護R1和R2分別按式(8)和式(10)確定自適應(yīng)電流速斷保護的整定值。當(dāng)f點位于饋線段B1B2中的不同位置時，保護R1和R2處的電流測量值和計算整定值如表1所示。

表1 f點發(fā)生兩相短路故障時的電流仿真結(jié)果

按表1中數(shù)據(jù)繪制電流測量值與整定值曲線，保護R1和R2處的曲線分別如圖7、圖8所示。

由圖7可以看出，故障位置系數(shù)α為0.8時，電流的測量值仍大于整定值，因此兩相短路故障發(fā)生時，R1的保護范圍能夠覆蓋被保護線路首端的80%；同理，由圖8可以看出，R2的保護范圍能夠覆蓋被保護線路末端的40%。由于二者的保護范圍覆蓋了被保護線路的全長，因此所提的近后備方案能夠在主保護拒動時正確識別區(qū)內(nèi)故障。

圖7 兩相短路時保護R1處的電流測量值與整定值曲線

圖8 兩相短路時保護R2處的電流測量值與整定值曲線

3.3 三相短路時的仿真結(jié)果

當(dāng)f點發(fā)生三相短路故障，保護R1和R2均按照式(12)確定自適應(yīng)電流速斷保護的整定值。當(dāng)f點位于饋線段B1B2中的不同位置時，保護R1和R2處的電流測量值和計算整定值如表2所示。

由表2可以看出，對于三相短路故障，使用所提主保護方案時R1的保護范圍能夠覆蓋被保護線路首端的80%，R2的保護范圍能夠覆蓋被保護線路末端的40%。因此，所提的主-后備保護方案在被保護線路任何位置發(fā)生故障時均能正確動作。

表2 f點發(fā)生三相短路故障時的電流仿真結(jié)果

3.4 饋線末端故障時遠后備保護的仿真結(jié)果

仿真采用定時限過流保護作為最不利情況下的遠后備保護。以饋線1為例，保護R1處配置保護整條線路全長的遠后備保護。遠后備保護的整定值可設(shè)為正常情況下最大負荷電流的兩倍，此時保護R1的整定值為240 A。在饋線1的末端(母線B4)設(shè)置兩相短路和三相短路時R1處的測量電流分別為1 027.5 A和2 044.7 A，均遠大于遠后備保護的整定值。因此以定時限過流保護構(gòu)造的遠后備能夠可靠保護線路全長。

4 結(jié) 論

針對DG的非線性和間歇性對配電網(wǎng)電流保護的整定配合帶來的挑戰(zhàn)，分析了逆變類DG的控制策略及故障特征，并結(jié)合正序故障附加網(wǎng)絡(luò)提出了一種適用于含DG配電網(wǎng)的電流保護整定方案。該方案包括基于自適應(yīng)正序電流速斷保護的主保護、基于兩側(cè)信息互為后備的近后備保護和基于定時限過流保護的遠后備保護?；赑SCAD的仿真驗證表明，所提方案能夠很好地適用于含DG的配電網(wǎng)，主-后備保護方案的配合可實現(xiàn)對DG接入點上游線路全長的可靠保護。