羅竟哲，李杰，王鋼

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

隨著國際化石能源局勢持續(xù)緊張以及我國“雙碳”目標(biāo)的提出，采用清潔能源的分布式發(fā)電技術(shù)受到廣泛關(guān)注，是未來重要發(fā)展方向[1-6]。其中，逆變型分布式電源(inverter-interfaced distributed generator，IIDG)廣泛接入配電網(wǎng)，對可再生能源的消納起到了至關(guān)重要的作用。IIDG能快速響應(yīng)負(fù)荷，及時支撐系統(tǒng)無功，提高配電網(wǎng)運行的韌性與靈活性，大幅增加新型配電網(wǎng)的潛力[7-10]。

IIDG接入配電網(wǎng)的饋線后，傳統(tǒng)的單電源輻射型配電網(wǎng)變成分散、多源供電的復(fù)雜電力系統(tǒng)；可再生能源的隨機特性也給饋線潮流分布帶來不穩(wěn)定因素；由于受到自身控制策略的影響，IIDG的輸出具有極強的非線性。上述因素不僅改變了配電網(wǎng)的短路特性，而且增加了故障過程的復(fù)雜性，常規(guī)饋線保護(hù)方案可能誤動或拒動，現(xiàn)有繼電保護(hù)原理已難以應(yīng)對IIDG接入帶來的挑戰(zhàn)[11-12]。此外，按照就近消納的原則，配電網(wǎng)饋線上還會接入分支負(fù)荷，進(jìn)一步增加了保護(hù)整定及故障功率方向判斷的困難。因此，為了提高配電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性，新型饋線保護(hù)方案必須計及T接IIDG及分支負(fù)荷的影響，從保護(hù)原理和判據(jù)上予以改進(jìn)。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[13-17]提出含DG配電網(wǎng)的過電流保護(hù)改進(jìn)方案，能夠在IIDG出力變化的條件下保持固定的保護(hù)范圍。但是此類基于單端電流的保護(hù)方法，各分段動作延時與保護(hù)整定之間的配合仍存在一定困難，故障動作時延將會影響故障切除后用戶端孤島運行的安全穩(wěn)定。

相較于利用本地信息的保護(hù)方法，縱聯(lián)保護(hù)能夠更好地滿足饋線保護(hù)對于速動性的需求。文獻(xiàn)[18]提出一種利用模量模型識別的線路縱聯(lián)保護(hù)方案，可以不受過渡電阻的影響，但沒有考慮IIDG接入對線路的影響。文獻(xiàn)[19]提出一種適用于含IIDG配電網(wǎng)的正序阻抗差動保護(hù)原理，具有靈敏性高及耐受過渡電阻能力強等優(yōu)點。文獻(xiàn)[20-22]分別利用母線與各饋線之間的正序電壓相位差、電流相位差以及正序補償電壓差形成保護(hù)判據(jù)，均能有效保護(hù)T接IIDG的線路。上述文獻(xiàn)僅考慮了線路T接IIDG的情況，但未討論同時T接負(fù)荷和IIDG的饋線的情況。文獻(xiàn)[23]所提保護(hù)方案研究了同時含IIDG與不可測分支負(fù)荷的線路故障特性，解決了區(qū)內(nèi)外故障識別困難的問題，但是忽略了故障前后IIDG出力的隨機性。文獻(xiàn)[24]中提出一種基于線路兩端電流實測值和T接IIDG支路電流計算值的虛擬多端電流差動保護(hù)方案，但未討論故障后IIDG意外退出運行情況對保護(hù)的影響。由于饋線兩側(cè)保護(hù)與IIDG之間通信受限，IIDG的意外退出會使原有保護(hù)原理不再適用，導(dǎo)致保護(hù)拒動或者區(qū)外故障時保護(hù)誤動。目前針對T接IIDG和負(fù)荷的饋線縱聯(lián)保護(hù)方法仍然存在許多不足，研究有待深入。

本文提出一種T接IIDG和負(fù)荷的饋線縱聯(lián)保護(hù)新原理。首先研究采用PQ控制策略的IIDG故障等值模型，分析T接IIDG及分支負(fù)荷的饋線的故障特性。利用饋線兩側(cè)電壓、電流，構(gòu)建基于推演電壓的故障特征量，并分析不同故障位置、IIDG與負(fù)荷的接入位置對故障特征量的影響，提出基于推演電壓故障特征量的新型縱聯(lián)保護(hù)原理。應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真平臺進(jìn)行仿真測試，以驗證所提保護(hù)原理的有效性。

1 故障特征量的構(gòu)建及其分析

1.1 饋線結(jié)構(gòu)

圖1 T接IIDG和負(fù)荷的饋線結(jié)構(gòu)

1.2 IIDG故障等值模型

IIDG提供的故障電流由其有功參考功率及故障控制策略共同決定[25]。并網(wǎng)運行的IIDG主要采用PQ控制策略，即通過分別控制輸出電流的有功分量IDG,d與無功分量IDG,q對其有功和無功功率進(jìn)行解耦控制[26]。dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸與PCC電壓同向。在正常運行狀態(tài)下(假設(shè)q軸超前d軸)：

(1)

式中：PDG為IIDG有功功率；QDG為IIDG無功功率；PREF為IIDG跟蹤一次能源出力得到的有功參考功率，具有一定的隨機性。此外，IIDG還具有低電壓穿越運行能力，即當(dāng)故障電壓跌落到一定程度時，IIDG優(yōu)先輸出無功功率，以支撐電網(wǎng)電壓。因此，故障電流的有功、無功分量IDGd,f、IDGq,f分別為：

(2)

IIDG故障電流

j(IDGd,fsinδ-IDGq,fcosδ).

(3)

式中：δ為并網(wǎng)點正序電壓通用相量與系統(tǒng)電壓之間的夾角。由式(1)—(3)可知，IIDG是由UPCC與PREF共同控制的電流源。

1.3 故障特征量構(gòu)建

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，IIDG輸出的負(fù)序電流將會增大設(shè)備損耗，危害系統(tǒng)的穩(wěn)定性[27]，因此IIDG通常采用消除負(fù)序電流的控制策略，即IIDG具有僅輸出正序電流的特性。以下出現(xiàn)的所有相量符號都代表該相量的正序分量。

圖2 饋線故障正序等效電路

(4)

式中：Za為母線M到PCC之間的線路阻抗；上標(biāo)(M)表示該電壓、電流量由母線M側(cè)電壓、電流推演得到。

由式(4)可知：當(dāng)故障點位于區(qū)外或不發(fā)生故障時，該推演電壓與母線N處實際電壓相等；反之，區(qū)內(nèi)故障下的推演電壓與母線N處實際電壓存在差異。

(5)

式中上標(biāo)(N)表示該電壓、電流量由母線N側(cè)電壓、電流推演得到。

定義故障特征量DN(x)、DM(x)為：

(6)

由式(6)和圖2可知：線路發(fā)生某一類型短路故障時，DN(x)是關(guān)于故障位置x的函數(shù)，即DN(x)隨故障位置x的確定存在唯一解；DM(x)同理。

1.4 故障特征量分析

下面分析函數(shù)DM(x)和DN(x)關(guān)于x的變化趨勢。當(dāng)故障點位于母線M與PCC之間時，正序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，由式(4)和式(6)可得

(7)

(8)

進(jìn)而可以得到

(9)

由于阻抗Za、Zb、Zc恒大于0，綜合考慮式(7)—(9)，可知故障點位于母線M與PCC之間時，

(10)

當(dāng)故障點位于PCC與負(fù)荷之間時，相應(yīng)正序網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。根據(jù)式(4)、(6)可得

圖3 故障發(fā)生在PCC與負(fù)荷之間的正序等效電路

(11)

當(dāng)故障點位于負(fù)荷與母線N之間時，故障特征量的表達(dá)式為

(12)

綜合式(7)、(10)—(12)可知，在x∈[0,1]上故障特征量與故障位置x關(guān)系為

(13)

同理，DM(0)=0，且DM(x)在x∈[0,1]上，有

(14)

根據(jù)式(13)、(14),建立輔助函數(shù)GN(x)、GM(x)：

(15)

式中GN(x)≤DN(x)，GM(x)≤DM(x)。

由式(15)可知，GN(x)、GM(x)在[0,1]上分別呈單調(diào)遞減和遞增，而且必存在一交點(x0,G(x0))，有

(16)

由式(16)可知，G(x0)不受IIDG與負(fù)荷接入位置的影響。進(jìn)一步可以得到DN(x)、DM(x)、GN(x)、GM(x)在[0,1]上的函數(shù)圖像，如圖4所示。

圖4 DN(x)、DM(x)、GN(x)、GM(x)函數(shù)圖像

GN(x)≤DN(x)，GM(x)≤DM(x)，因此DM(x)、DN(x)在x∈[0,1]上的曲線位于GM(x)、GN(x)上方。當(dāng)故障發(fā)生在MN上任意一點時，存在恒定關(guān)系：DM(x)>G(x0)或DN(x)>G(x0)。

綜上所述，區(qū)內(nèi)故障下的故障特征量必有DM(x)>G(x0)或DN(x)>G(x0)；而區(qū)外故障下的故障特征量小于G(x0)。因此，可利用該特征形成保護(hù)判據(jù)。

1.5 IIDG參考有功功率和負(fù)荷阻抗的求取

根據(jù)圖1所示的饋線結(jié)構(gòu)，發(fā)生短路故障前各節(jié)點電壓、電流有如下關(guān)系：

(17)

(18)

(19)

(20)

2 保護(hù)原理

2.1 保護(hù)整定值的選取

由1.3節(jié)所述，DM(x)、DN(x)本身的物理含義為保護(hù)對側(cè)的推演電壓與實際測量值之差，可以表征線路內(nèi)部除已考慮的IIDG電流與負(fù)荷電流之外的不平衡電流所導(dǎo)致的壓降。當(dāng)故障發(fā)生于區(qū)外時，區(qū)內(nèi)無其他不平衡電流產(chǎn)生，DM(x)、DN(x)恒為0。

由式(13)—(16)可知，當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)線路上任意位置時，均有DM(x)或DN(x)大于G(x0)=0.5ZlIf,min，If,min為保護(hù)范圍內(nèi)末端短路時的最小電流。根據(jù)此故障特性，選取保護(hù)整定值

Dset=KrelG(x0).

(21)

式中Krel為可靠系數(shù)。在實際工程中，IIDG提供的故障電流往往含有少量的負(fù)序分量甚至零序分量，其對IIDG 電流計算值和PCC正序電壓計算值均會造成一定的誤差；同時，測量裝置也會產(chǎn)生誤差。為了提高保護(hù)動作的可靠性，防止出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)的情況，引入可靠系數(shù)Krel=0.9。本節(jié)所提保護(hù)的動作判據(jù)為

DM(x)>Dset或DN(x)>Dset.

(22)

當(dāng)特征量關(guān)系滿足式(22)時，判斷為饋線區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動作；否則，判斷為區(qū)外故障或無故障，保護(hù)不動作。本節(jié)所提保護(hù)整定值按照躲開線路故障時的最小故障電流乘以線路總阻抗的1/2的原則進(jìn)行整定。當(dāng)故障發(fā)生在被保護(hù)線路末端時，一側(cè)的故障特征量接近于0，而對側(cè)特征量在區(qū)間內(nèi)恒大于保護(hù)判據(jù)，因此同時使用兩側(cè)特征量進(jìn)行判斷，可以有效避免保護(hù)末端的死區(qū)問題。

2.2 輔助判據(jù)

當(dāng)故障點位于母線M到負(fù)荷之間，假設(shè)IIDG退出運行，有：

(23)

當(dāng)故障點位于負(fù)荷到母線N上時，有：

(24)

綜合分析式(23)、(24)可知：DM(x)′在[0,1]上單調(diào)遞減，且DM(1)′=0；DN(x)′在[0,1]上單調(diào)遞增，且DN(0)′=0；DM(x)′與DN(x)′必交于一點(x0,D(x0)′)。因此，本節(jié)所提保護(hù)的輔助判據(jù)為：

DM(x)′>Dset′或DN(x)′>Dset′,

Dset′=KrelD(x0)′.

(25)

式中Dset′為保護(hù)輔助整定值。

因此，當(dāng)IIDG意外退出運行時：如果滿足式(22)且滿足式(25)，則判斷為區(qū)內(nèi)故障，饋線縱聯(lián)保護(hù)動作；若滿足式(22)，但不滿足(25),即DM(x)′≤Dset′且DN(x)′≤Dset′，則判斷為發(fā)生IIDG退出運行的區(qū)外故障，保護(hù)不動作。

綜上所述，本節(jié)提出的T接IIDG和負(fù)荷的饋線縱聯(lián)保護(hù)原理如圖5所示。

圖5 保護(hù)原理

3 仿真驗證

為驗證本文所提保護(hù)方案的有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺建立圖1所示的10 kV饋線模型，系統(tǒng)和負(fù)荷模型參數(shù)見表1、表2。

表1 線路參數(shù)及負(fù)荷參數(shù)

表2 IIDG主要參數(shù)

通過不同故障情景驗證本文所提特征量的故障特性及饋線縱聯(lián)保護(hù)方法的可行性和準(zhǔn)確性，分別討論區(qū)內(nèi)外故障、線路末端故障、IIDG意外退出運行等條件下的故障特征量和保護(hù)動作情況。

3.1 不同故障位置

為了驗證所提保護(hù)方法的選擇性，設(shè)：故障點f1、f2、f3、f4分別距離M母線1 km、2.5 km、4 km、6 km；f1、f2、f3為區(qū)內(nèi)故障，f4為區(qū)外故障；故障類型均為相間短路。仿真實驗結(jié)果見表3。

由表3可知，本文提出的基于故障特征量的饋線縱聯(lián)保護(hù)方案有較好的選擇性，對于不同條件下的區(qū)內(nèi)故障都能準(zhǔn)確可靠動作，對于區(qū)外故障能保證不誤動。

表3 不同故障位置下保護(hù)動作情況

3.2 線路末端故障

饋線保護(hù)末端發(fā)生故障時，單側(cè)特征量DM(x)或DN(x)接近于0。為了驗證同時使用兩端故障特征量判別能夠消除保護(hù)死區(qū)、有效保護(hù)線路全長，設(shè)饋線末端M、N處發(fā)生故障，仿真實驗結(jié)果見表4。

表4 饋線末端故障下保護(hù)動作情況

由表4可知：當(dāng)故障發(fā)生在M側(cè)保護(hù)末端時，故障特征量DM趨于0；當(dāng)故障發(fā)生在N側(cè)保護(hù)末端時，故障特征量DN趨于0。若僅使用單側(cè)故障特征量進(jìn)行判別，會在線路末端出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，保護(hù)拒動。本文所提保護(hù)方案利用兩側(cè)特征量進(jìn)行保護(hù)判斷，可以有效保護(hù)線路全長。

3.3 IIDG意外退出運行

區(qū)外故障可能導(dǎo)致IIDG的意外退出運行，為了驗證保護(hù)在IIDG意外退出時的可靠性，設(shè)置IIDG在故障時刻退出運行。當(dāng)故障分別發(fā)生在負(fù)荷兩側(cè)f1、f3及區(qū)外f4時，仿真結(jié)果見表5。

表5 IIDG退出運行時保護(hù)動作情況

由表5可知，當(dāng)IIDG因故障而退出運行時，對于區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)均可以正常動作。當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，故障特征量DM、DN仍計及IIDG故障電流的影響，導(dǎo)致故障特征值明顯大于0，在整定值較小的情況下存在較大的誤動風(fēng)險。而添加的輔助特征量DM′、DN′則近似為0，確保由于區(qū)外故障而導(dǎo)致IIDG退出運行時線路保護(hù)不誤動。

3.4 與傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)的比較

表6為區(qū)內(nèi)發(fā)生不同類型故障(接地短路過渡電阻為10 Ω)時，本文所提保護(hù)方法與傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)方法的動作情況對比。由表6可以看出，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，測量得到的差動電流已經(jīng)小于不平衡電流(0.42 kA)，導(dǎo)致傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)拒動。而本文所提保護(hù)方法由于保護(hù)原理受過渡電阻影響較小，在不同故障情況下均能正確動作，靈敏性較高。

表6 不同故障類型的動作情況對比

表7為區(qū)外f4位置發(fā)生相間故障時，在不同負(fù)荷大小的情況下，本文所提保護(hù)方法與傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)的動作情況對比。由表7可知，當(dāng)負(fù)荷阻抗較大時，區(qū)內(nèi)差動電流較小，主要由IIDG的輸入電流所造成，區(qū)外故障時2種保護(hù)均不會誤動作。隨著負(fù)荷阻抗的減小，區(qū)內(nèi)不平衡電流增大，不平衡電流接近整定值時，傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)方法容易誤動作，而本文所提方法不受接入負(fù)荷大小的影響。

表7 不同負(fù)荷大小的動作情況對比

4 結(jié)論

為了有效保護(hù)同時T接有IIDG和負(fù)荷的饋線，本文提出一種基于正序電壓故障特征量的縱聯(lián)保護(hù)新方法。該方法利用饋線兩端電壓、電流值構(gòu)建出一種推演電壓量，再根據(jù)基于該推演量的保護(hù)特征值構(gòu)建新的縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)。通過理論分析與仿真驗證，得到以下結(jié)論：

a)當(dāng)區(qū)內(nèi)無故障發(fā)生時，本文所定義推演電壓與實際電壓相等，故障特征值能正確反映區(qū)內(nèi)是否故障。

b)保護(hù)動作情況不受故障位置、IIDG和負(fù)荷接入的影響，能夠有效保護(hù)饋線全長。

c)在IIDG故障意外退出時，通過輔助判據(jù)使保護(hù)不發(fā)生誤動或拒動。

測試結(jié)果驗證了本方法能夠較好適應(yīng)IIDG、分支負(fù)荷與保護(hù)之間沒有通信的應(yīng)用場景，且無需加裝額外的保護(hù)裝置，具有一定價值。