考慮逆變類分布式電源特性的有源配電網(wǎng)反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)

李　娟　高厚磊　朱國防

(電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))　濟(jì)南　250061)

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考慮逆變類分布式電源特性的有源配電網(wǎng)反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)

李娟高厚磊朱國防

(電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))濟(jì)南250061)

分析推導(dǎo)了有源配電網(wǎng)電流正序故障分量的分布特征，并基于正序故障分量提出了反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)方案。根據(jù)逆變類分布式電源(DG)故障后電流響應(yīng)特征，建立了有源配電網(wǎng)正序故障分量復(fù)合序網(wǎng)，嚴(yán)格推導(dǎo)了保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量計(jì)算表達(dá)式，定性分析了逆變類DG作用下區(qū)段兩端電流正序故障分量的幅值和相位特征。以此為基礎(chǔ)結(jié)合配電網(wǎng)特有的結(jié)構(gòu)和參數(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)和整定方法。最后利用PSCAD建立有源配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，對(duì)所提動(dòng)作判據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該保護(hù)方案可以有效區(qū)分電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)過程和內(nèi)部輕微故障，可以在保證對(duì)TA飽和足夠制動(dòng)能力的同時(shí)，提高保護(hù)靈敏度，且對(duì)有源配電網(wǎng)中DG出力隨機(jī)性、饋線結(jié)構(gòu)的多樣性等具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

有源配電網(wǎng)逆變類DG不可測(cè)分支電流差動(dòng)保護(hù)反時(shí)限

0　引言

分布式電源并網(wǎng)管理辦法的制定和完善，促進(jìn)了可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展?？稍偕茉窗l(fā)電將成為未來數(shù)十年國內(nèi)電力供應(yīng)的重要組成部分[1]。另一方面，可再生能源的大量接入也為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了諸多問題，所面臨的最大挑戰(zhàn)是如何解決可再生能源接入后引起的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)問題[1]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)為單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)，潮流與故障電流單方向流動(dòng)，分布式電源的大量接入使其變?yōu)槎喽?、多源，潮流與故障電流方向不確定，弱饋問題突出的有源網(wǎng)絡(luò)[2]。常規(guī)三段式電流保護(hù)難以保證保護(hù)的選擇性和靈敏性[3-6]。

分布式電源(Distributed Generation，DG)類型眾多，既有可以直接并網(wǎng)的電機(jī)類DG，又有經(jīng)逆變、升壓并網(wǎng)的逆變類DG；既有微網(wǎng)運(yùn)行方式，又有并網(wǎng)運(yùn)行方式，且具有間歇性、多變性和不確定性。若要保證接入各種類型和模式DG的配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要完善的保護(hù)與控制策略。

為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[6-11]分析了不同類型DG故障時(shí)的響應(yīng)情況、等效方法、故障電流計(jì)算方法以及DG接入電網(wǎng)后的故障電流分布特征，為有源配電網(wǎng)保護(hù)方法的提出奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[12，13]對(duì)距離保護(hù)在有源配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了論證。文獻(xiàn)[14]提出了基于故障線路兩側(cè)電流幅值差異比較的配電網(wǎng)新型保護(hù)方案。文獻(xiàn)[15]指出多電源是導(dǎo)致有源配電網(wǎng)故障定位困難的主要原因，并提出了一種有效的解決方案。文獻(xiàn)[16-18]分析了故障后保護(hù)區(qū)段兩端電流相角的變化特征，提出了基于故障電流相位變化的過電流保護(hù)方案，并討論了關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。文獻(xiàn)[19，20]提出了基于故障電流突變量相位變化方向的縱聯(lián)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[21]綜合考慮了配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種區(qū)域繼電保護(hù)保護(hù)算法。上述算法在理論和技術(shù)方面為分布式電源的并網(wǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但受目前配電網(wǎng)設(shè)備配置情況以及分布式電源不確定性等因素的影響，上述算法仍受以下一個(gè)或多個(gè)因素的制約：①需要電壓信號(hào)的配合，而配電網(wǎng)中TV配置率較低，實(shí)際應(yīng)用投資較大；②原理分析時(shí)，將DG統(tǒng)一等效為電壓源，且忽略逆變類DG接入點(diǎn)電壓相位的變化；③僅利用電流的相位信息，在應(yīng)對(duì)含逆變類DG配電網(wǎng)故障時(shí)，逆變類DG輸出電流的不確定性會(huì)降低保護(hù)的靈敏度；④配電網(wǎng)多不可測(cè)分支，電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)電流會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作可靠性。因此，有必要針對(duì)上述因素，研究更為完善的保護(hù)與控制策略。

電流差動(dòng)保護(hù)同時(shí)利用電流的幅值和相位信息，具有絕對(duì)選擇性。由于正序故障分量(Positive Sequence Fault Components，PSFC)可以反映所有的故障類型，消除負(fù)荷對(duì)故障電流的影響，降低通信量，保護(hù)主要應(yīng)對(duì)兩相短路和三相短路情況，作三相重合閘，不需要故障相的判斷，因此采用正序故障分量作為保護(hù)電氣量構(gòu)成電流差動(dòng)保護(hù)。又考慮到不可測(cè)分支電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流的衰減特性，本文基于配電網(wǎng)廣域測(cè)控平臺(tái)[22，23]，基于正序故障分量提出了反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)方案。主要內(nèi)容有：分析不同類型DG的故障響應(yīng)情況，建立DG等效電路模型；建立有源配電網(wǎng)正序故障分量復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)模型，分析區(qū)段兩端電流正序故障分量的幅值和相位關(guān)系；根據(jù)有源配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)和整定方法；搭建有源配電網(wǎng)系統(tǒng)模型，仿真驗(yàn)證所提差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)的可行性。

1　分布式電源故障特征分析

分布式電源種類眾多，可分為電機(jī)類和逆變類，受控制方式的影響，故障后電流響應(yīng)也不盡相同。

1)電機(jī)類DG。

對(duì)于電機(jī)類DG，故障瞬間短路電流可達(dá)(6～10)IN。由于保護(hù)一般只利用故障后1～2周波數(shù)據(jù)，故將電機(jī)類DG統(tǒng)一等效為電壓源與內(nèi)阻抗的串聯(lián)，如圖1a所示。圖中UDG為DG等效電壓，Zdg為等效內(nèi)阻抗，與系統(tǒng)電源相比，電機(jī)類DG內(nèi)阻抗較大。

圖1　分布式電源的等效電路Fig.1　Equivalent circuit of DG

由于故障前后電機(jī)類DG接入點(diǎn)電壓相位基本不變，故障后輸出電流滯后于接入點(diǎn)電壓的角度約等于線路阻抗角，由系統(tǒng)電源與電機(jī)類DG分別作用產(chǎn)生的短路電流相位基本一致。

2)逆變類DG。

逆變類DG受控制策略的影響，故障后DG對(duì)外輸出電流最大不超過1.2(pu)～2(pu)，可將其等效為一電流源與阻抗的并聯(lián)，如圖1b所示。圖中，IDG用于等效不受最大幅值限制時(shí)DG的輸出電流，Idg為受幅值限制時(shí)DG對(duì)外輸出電流，相位與接入點(diǎn)參考電壓的夾角受電壓跌落程度的影響；Zdg為逆變類DG等效阻抗，用于等效因限制最大輸出電流所采取的策略(如卸荷電路等)，受故障點(diǎn)位置、過渡電阻等因素影響，是可變的。

現(xiàn)有并網(wǎng)規(guī)定要求接入中壓配電網(wǎng)的逆變類DG具有一定的低壓穿越能力。當(dāng)電壓跌落后仍在(0.2～0.9)UN范圍內(nèi)時(shí)，DG需保持并網(wǎng)并輸出一定的無功功率以起到電壓支撐的作用。逆變類DG在低電壓穿越運(yùn)行期間向電網(wǎng)提供的有功Id和無功Iq電流(電流幅值低于最大允許值時(shí))可表示為[24]

(1)

Iq=1.5(0.9-γ)IN0.2≤γ≤0.9

(2)

逆變類DG輸出電流幅值和功率因數(shù)角可表示為[24]

(3)

(4)

當(dāng)按式(1)、式(2)計(jì)算所得短路電流的幅值大于電流最大允許值時(shí)，則以保證DG對(duì)電壓的最大支撐作用為第一目標(biāo)，將有功電流變?yōu)?/p>

(5)

式中，Immax為逆變類電源所允許流過電流的最大幅值。

假設(shè)正常情況下，DG接入點(diǎn)電壓為額定電壓，輸出電流為額定電流，Immax取2(pu)，則由式(1)～式(3)可以推出逆變類DG輸出最大電流所對(duì)應(yīng)電壓跌落系數(shù)γ1為0.521 5。當(dāng)γ>γ1時(shí)，DG輸出電流IDG小于最大幅值，逆變類DG對(duì)外輸出電流Idg與DG輸出電流IDG相等，并聯(lián)阻抗Zdg上無分流，Zdg為無窮大，可將逆變類DG可等效為一個(gè)壓控電流源，由式(1)、式(2)可得DG輸出電流的幅值和相位為

(6)

a=arctan(1.5γ(0.9-γ)

(7)

進(jìn)而推出當(dāng)γ∈[0.5215，0.9]時(shí)，DG輸出電流的幅值范圍為1.12(pu)～2.0(pu)，相位滯后于接入點(diǎn)電壓0°～17°，并隨電壓跌落程度的增加而增加。

當(dāng)γ<γ1時(shí)，IDG隨電壓跌落程度的增加，幅值由2.0(pu)增加到5.1(pu)，電流相位滯后接入點(diǎn)電壓11.7°～17°。但DG對(duì)外輸出電流Idg由式(2)、式(5)決定，幅值始終為2(pu)，可將其等效為一個(gè)恒流源，相位滯后接入點(diǎn)電壓17°～31°。此時(shí)Idg≠IDG，流經(jīng)Zdg上的電流即為限流措施上的分流。又因?yàn)镮dg與IDG中無功分量相等，Zdg上的分流為純阻性電流，用于消耗故障前后電源輸出有功功率差，大小受γ影響，是可變的。這與文獻(xiàn)[25]所提及卸荷電路的阻抗特性一致。

結(jié)合上述假設(shè)條件，可以推出，極端情況下DG對(duì)外輸出最大無功功率僅能達(dá)到視在功率的52.5%，在現(xiàn)有并網(wǎng)規(guī)定下逆變類DG不能只輸出無功功率。以接入點(diǎn)電壓為0°，則逆變類DG輸出電流IDG與對(duì)外輸出電流Idg的幅值和相位關(guān)系如圖2所示。

圖2　逆變類DG 輸出電流與對(duì)外輸出電流Fig.2　Internal and external current of IIDG

當(dāng)Immax取1.2(pu)，γ2=0.863。當(dāng)γ>γ2時(shí)，DG輸出電流的幅值范圍為1.1(pu)～1.2(pu)，相位滯后于接入點(diǎn)電壓0°～5.0°；當(dāng)γ<γ2時(shí)，IDG幅值由1.2(pu)增加到5.1(pu)，電流相位滯后接入點(diǎn)電壓5.0°～16.9°；Idg幅值始終為1.2(pu)，相位滯后接入點(diǎn)電壓5.0°～61.1°。

綜上所述，故障后逆變類DG對(duì)外輸出電流受電壓跌落程度和接入點(diǎn)電壓相位的影響。不同于電機(jī)類DG，逆變類DG接入點(diǎn)電壓相位在故障后會(huì)發(fā)生突變，這是因?yàn)槟孀冾怐G的控制始終跟蹤接入點(diǎn)電壓正序分量，而故障后電壓正序分量的相位受故障類型、過渡電阻以及線路阻抗的影響，會(huì)發(fā)生突變?？梢?，逆變類DG的輸出電流相位具有不確定性。

2　有源配電網(wǎng)電流正序故障分量分布

電流差動(dòng)保護(hù)區(qū)段兩端電流的相位差會(huì)直接影響保護(hù)的整定計(jì)算以及靈敏度。而逆變類DG輸出電流的不確定性主要受接入點(diǎn)電壓相位的影響。參考圖3，根據(jù)故障點(diǎn)發(fā)生的位置，可分兩種情況進(jìn)行討論:①當(dāng)f1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，DG接入點(diǎn)電壓將失去鉗制，接入點(diǎn)電壓相位會(huì)發(fā)生變化；②當(dāng)故障發(fā)生在f2點(diǎn)時(shí)，DG接入點(diǎn)電壓相位依然受系統(tǒng)電壓鉗制，接入點(diǎn)電壓相位基本不變。本文主要討論第一種情況。

圖3　含分布式電源接入的簡(jiǎn)單配網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3　Distribution network with DG integrated

逆變類DG輸出電流由電力電子器件控制，故障瞬間即可完成突變，因此認(rèn)為逆變類DG仍滿足疊加原理，在故障附加網(wǎng)絡(luò)中用電流源來等效，幅值為故障前后逆變類DG輸出電流的變化量。則以圖3簡(jiǎn)單拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為例，假設(shè)f1點(diǎn)發(fā)生故障，又因?yàn)轲伨€上負(fù)荷等效阻抗遠(yuǎn)大于變壓器阻抗，則其正序故障分量復(fù)合序網(wǎng)如圖4所示。

圖4　簡(jiǎn)化的正序故障分量復(fù)合序網(wǎng)Fig.4　Simplified positive-sequence fault component complex network of short-circuit fault

圖中，-Uf1為正序故障分量虛擬電源；點(diǎn)劃線框內(nèi)為逆變類DG等效電路，其中ΔIDG為不考慮限流策略時(shí)DG輸出電流的變化量；ΔIdg為DG向電網(wǎng)輸出電流的變化量；ΔIm1、ΔIn1分別為保護(hù)區(qū)段兩端檢測(cè)點(diǎn)M、N電流正序故障分量；ZTm1為故障點(diǎn)到電源的等效阻抗；ZL1為分布式電源下游線路和負(fù)荷的正序阻抗；Zn1為故障點(diǎn)分支電源間正序阻抗；Zdg1為分布式電源的正序阻抗；ΔZ為附加阻抗，與故障類型有關(guān)。

當(dāng)DG為電機(jī)類時(shí)，則以內(nèi)阻抗Zdg1等效，可認(rèn)為是圖4的特殊情況，則在忽略負(fù)荷阻抗ZL1后，保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量的相位與ZTm1和Zn1+Zdg1的阻抗角有關(guān)。以架空線路(線路阻抗角為72°)為例，保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量的夾角φmn約為

φmn∈(0°，18°)

即當(dāng)保護(hù)區(qū)段兩端分別由電機(jī)類DG和系統(tǒng)電源提供電流時(shí)，兩端電流相位差較小。

當(dāng)DG為逆變類DG時(shí)，根據(jù)疊加原理，圖4中保護(hù)區(qū)段兩端檢測(cè)點(diǎn)的電流由兩部分構(gòu)成：一部分由虛擬電源產(chǎn)生；一部分由逆變類DG等效電流源產(chǎn)生。對(duì)于電流源支路，外電路為負(fù)荷阻抗ZL1與DG接入點(diǎn)上游等效阻抗的并聯(lián)，則忽略ZL1上的分流，兩端電流的正序故障分量可表示為

(8)

(9)

對(duì)于虛擬電源支路，由于內(nèi)阻抗Zdg1對(duì)外表現(xiàn)為無窮大，外電路阻抗為ZTm1//(ZL1+Zn1)，忽略故障點(diǎn)下游等效阻抗，式(8)、式(9)可簡(jiǎn)化為

(10)

ΔIn1=ΔIdg

(11)

根據(jù)逆變類DG輸出電流的大小，分兩種情況討論區(qū)段兩端電流正序故障分量幅值和相位關(guān)系。

1)逆變類DG輸出電流大于2倍額定電流。

以三相短路為例，假設(shè)DG額定電流小于等于該饋線額定電流，則當(dāng)DG輸出電流小于2倍額定電流時(shí)，故障點(diǎn)到DG接入點(diǎn)電壓降最大不超過20%。若要使DG接入點(diǎn)電壓跌落系數(shù)為0.2～0.521 5，則過渡電阻不為0。又因?yàn)榫€路上壓降有限，因此故障點(diǎn)電壓較大，相位上滯后系統(tǒng)電壓0～90°，進(jìn)而推出DG接入點(diǎn)電壓滯后系統(tǒng)電壓0～90°。則區(qū)內(nèi)故障兩端檢測(cè)點(diǎn)電流正序故障分量相量域如圖5所示。

圖5　區(qū)內(nèi)故障兩端檢測(cè)點(diǎn)電流正序故障分量相量域Fig.5　PSFC phasor of detection points with internal fault

圖5中Us為系統(tǒng)電壓；Uf1為故障點(diǎn)電壓；Up.pre為故障前DG接入點(diǎn)電壓；Upref為故障后DG接入點(diǎn)電壓；Idg.pre為故障前DG輸出電流。

假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)電源提供的短路電流隨過渡電阻的大小，變化范圍是6(pu)～12(pu)，根據(jù)式(10)、式(11)可以推出

arg(ΔIm1)∈(-147.8°,-91.1°)

arg(ΔIn1)∈(-118.8°,-73.4°)

進(jìn)而推出，當(dāng)保護(hù)區(qū)段兩端短路電流分別由系統(tǒng)電源和逆變類電源提供時(shí)，兩端電流正序故障分量的夾角φmn1約為

φmn1∈(0°，75°)

2)逆變類DG輸出電流小于2倍額定電流。

當(dāng)DG輸出電流較小，可能是過渡電阻較大，或者故障點(diǎn)距DG接入點(diǎn)較大，假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)電源提供的短路電流隨過渡電阻的大小，變化范圍是3(pu)～12(pu)，系統(tǒng)電壓為0°，則可以推出

arg(ΔIm1)∈(-147.8°,-18.1°)

arg(ΔIn1)∈(-118.8°,-18.1°)

可以推出，當(dāng)保護(hù)區(qū)段兩端短路電流分別由系統(tǒng)電源和逆變類電源提供時(shí)，兩端電流正序故障分量的夾角φmn2范圍約為

φmn2∈(0°，130°)

同理，當(dāng)發(fā)生兩相短路故障時(shí)，亦存在兩端電流正序故障分量相角相差較大的結(jié)論。

由此可見，對(duì)于含DG的有源配電網(wǎng)，由于逆變類DG故障后接入點(diǎn)電壓相位以及電流相位的不確定性，導(dǎo)致僅利用相位信息保護(hù)方案具有局限性，因此本文采用電流差動(dòng)保護(hù)方案，同時(shí)利用幅值和相位信息，以提高保護(hù)對(duì)不同故障情況的適應(yīng)性。

3　不可測(cè)分支的影響

不同于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備配置不齊，需額外考慮不可測(cè)分支。對(duì)于非故障區(qū)段，不可測(cè)分支上的電流即為兩端電流差流。雖然饋線上的分支有電源分支和負(fù)荷分支，但考慮到大中型分布式電源均裝設(shè)保護(hù)裝置，本節(jié)主要分析不可測(cè)負(fù)荷分支的情況。

1)非故障區(qū)段不可測(cè)分支分流對(duì)保護(hù)的影響。

當(dāng)故障點(diǎn)位于保護(hù)區(qū)段下游時(shí)，各檢測(cè)點(diǎn)與不可測(cè)分支負(fù)荷上電流正序故障分量分布圖6所示。

圖6　區(qū)外故障不可測(cè)分支的影響Fig.6　Impact of non-measurable branch with a downstream external fault

圖6中，Zsm1為電源到檢測(cè)點(diǎn)M的等效阻抗；ZuL1為不可測(cè)分支負(fù)荷的正序阻抗；ZmL1為檢測(cè)點(diǎn)M到分支負(fù)荷的正序阻抗；ZnL1為檢測(cè)點(diǎn)N到分支負(fù)荷間正序阻抗；Znf1為故障點(diǎn)下游正序等效阻抗；ΔIuL1為流經(jīng)分支負(fù)荷電流的正序故障分量。

由圖6可得出

(12)

當(dāng)故障點(diǎn)位于保護(hù)區(qū)段上游，各檢測(cè)點(diǎn)與不可測(cè)分支負(fù)荷上電流正序故障分量分布如圖7所示。

圖7　區(qū)外故障不可測(cè)分支的影響Fig.7　Impact of non-measurable branch with an upstream external fault

區(qū)段兩端電流正序故障分量為

(13)

可見，不可測(cè)分支分流對(duì)電流幅值的影響較大，對(duì)相位影響較小，存在兩端電流相位始終接近180°的特點(diǎn)。

2)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷投切對(duì)保護(hù)的影響。

正常情況下，負(fù)荷投切時(shí)，兩端差流為負(fù)荷分支電流。該負(fù)荷分支電流的大小與負(fù)荷性質(zhì)密切相關(guān)。當(dāng)負(fù)荷分支上存在電動(dòng)機(jī)時(shí)，負(fù)荷的瞬間投入會(huì)導(dǎo)致較大的電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流。又因?yàn)楣I(yè)用大型電動(dòng)機(jī)多通過專線上網(wǎng)，一般可測(cè)，因此在保護(hù)判據(jù)整定過程中，主要考慮中小型電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流對(duì)保護(hù)的影響。

4　保護(hù)動(dòng)作判據(jù)設(shè)計(jì)

與輸電網(wǎng)不同，配電網(wǎng)直接面向用戶，負(fù)荷頻繁波動(dòng)，且峰谷差較大，為防止保護(hù)裝置的頻繁起動(dòng)，本文結(jié)合電流差動(dòng)保護(hù)絕對(duì)選擇性的特點(diǎn)，以最大不可測(cè)分支的額定電流設(shè)計(jì)起動(dòng)方程

(14)

式中，kset1為保護(hù)起動(dòng)系數(shù)，按考慮非周期分量的影響及TA檢測(cè)誤差等因素整定，為保證輕微故障保護(hù)動(dòng)作靈敏度，此處不考慮電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)系數(shù)，可取1.2～1.3；IuLN為該保護(hù)區(qū)段最大不可測(cè)負(fù)荷分支額定電流。

由式(14)可以看出，保護(hù)起動(dòng)方程無法從幅值上區(qū)分電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)與輕微故障。而反時(shí)限電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間隨故障電流的增大而降低，具有自適應(yīng)反應(yīng)故障嚴(yán)重程度以及區(qū)分電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)過程的能力。因此本節(jié)考慮引入反時(shí)限電流保護(hù)。又考慮到逆變類DG輸出電流的不確定性以及非故障區(qū)段不可測(cè)負(fù)荷分支電流的幅值和相位特征，選擇以幅值和相位信息構(gòu)成獨(dú)立約束判據(jù)，最大限度地增大動(dòng)作區(qū)，則基于正序故障分量的反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作方程為

(15)

判據(jù)式(15)中差動(dòng)保護(hù)判據(jù)ρ-平面動(dòng)作特性如圖8所示。

圖8　反時(shí)限差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.8　Operation characteristic of inverse-time current differential protection

對(duì)于反時(shí)限方程參數(shù)中時(shí)間常數(shù)k的整定主要考慮電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流的衰減時(shí)間以及與保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限要求，反時(shí)限曲線形狀系數(shù)α與曲線平移系數(shù)β的整定參照非常反時(shí)限曲線，分別取2和1。

對(duì)于幅值判據(jù)ρset的整定主要是考慮非故障區(qū)段不可測(cè)分支分流，TA檢測(cè)誤差和一定的裕度等因素取0.7。

對(duì)于相位判據(jù)的整定，結(jié)合常規(guī)比例制動(dòng)判據(jù)最大相移制動(dòng)能力(150°)、區(qū)外故障不可測(cè)分支負(fù)荷上分流對(duì)相位的影響、TA檢測(cè)誤差和裕度角等因素時(shí)，相位判據(jù)選為140°。

結(jié)合圖8可以看出：

4)對(duì)于區(qū)外故障，電流互感器嚴(yán)重飽和的情況，通過相位判據(jù)可以有效應(yīng)對(duì)。

5)對(duì)于含不可測(cè)分支的非故障區(qū)段，兩端電流正序故障分量的相位差約為180°，最大幅值比約為0.5，保護(hù)可靠不誤動(dòng)。

6)對(duì)于不可測(cè)分支電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)的情況，雖然差動(dòng)保護(hù)判據(jù)可以滿足，但受保護(hù)反時(shí)限方程的限制，保護(hù)可靠不誤動(dòng)。

5　電流差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方案

故障數(shù)據(jù)同步是電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于配電網(wǎng)沒有架設(shè)專用對(duì)時(shí)信道且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多變，現(xiàn)有高壓輸電網(wǎng)中應(yīng)用較為成熟的對(duì)時(shí)同步方法不能直接應(yīng)用于配電網(wǎng)中。根據(jù)配電網(wǎng)特點(diǎn)，可以采用基于故障時(shí)刻的故障數(shù)據(jù)自同步方法[27]，不需要增加額外成本，有利于電流差動(dòng)保護(hù)的推廣及應(yīng)用，其工作原理如下：當(dāng)配電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)虛擬電源會(huì)產(chǎn)生電磁波，并由故障點(diǎn)向線路兩端傳播，兩端保護(hù)起動(dòng)元件經(jīng)一定延時(shí)后檢測(cè)到線路發(fā)生了故障。當(dāng)忽略電磁波在線路上的傳播時(shí)間(配電線路較短，電磁波傳播時(shí)間短)，兩端保護(hù)裝置的故障檢測(cè)延時(shí)(保護(hù)起動(dòng)元件檢測(cè)到故障的時(shí)刻和真正故障時(shí)刻的時(shí)間差)時(shí)間差在允許范圍內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為兩端保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障時(shí)刻為同一時(shí)刻，標(biāo)記該時(shí)刻，并以該時(shí)刻為對(duì)時(shí)同步標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的近似同步。

由此可以看出，通過故障時(shí)刻的準(zhǔn)確識(shí)別，并以故障時(shí)刻作為對(duì)時(shí)同步標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，即可實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的近似同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流差動(dòng)保護(hù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

6　仿真分析

6.1仿真模型

利用PSCAD軟件建立有源配電網(wǎng)模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。變壓器容量為50 MV·A，變壓器電壓比為110/10.5 kV，YNd11接法，負(fù)載損耗182.44 kW，短路阻抗16.64%，空載損耗30.95 kW，空載電流0.140%。其線路參數(shù)為：R=0.13 Ω/km，X=0.402 Ω/km。饋線1的線路長度為20 km，饋線2的線路長度為6 km。保護(hù)檢測(cè)點(diǎn)M位于母線處，N距母線10 km，DG接于饋線1，距母線14 km，容量為3.6 MW。饋線1上負(fù)荷分支load1距母線4 km，容量為3.6 MW；末端負(fù)荷大小為3.6 MW。假設(shè)電流方向由節(jié)點(diǎn)流向線路為正。區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)f1點(diǎn)距母線4 km，區(qū)外故障點(diǎn)f2距母線17 km，故障點(diǎn)f3距母線100 m。

保護(hù)區(qū)段內(nèi)不可測(cè)負(fù)荷分支電流的幅值約為260 A，則保護(hù)起動(dòng)門檻約為310 A。

6.2仿真數(shù)據(jù)

1)區(qū)內(nèi)故障。

通過在f1點(diǎn)設(shè)置不同故障類型和故障電阻，得到的仿真結(jié)果見表1。

由表1可以看出，逆變類DG接入點(diǎn)電壓相位會(huì)發(fā)生突變。而接入點(diǎn)電壓相位的不確定性直接導(dǎo)致了DG輸出電流相位的不確定，可能出現(xiàn)故障區(qū)段兩側(cè)檢測(cè)點(diǎn)電流正序故障分量夾角較大的情況。如發(fā)生兩相短路時(shí)，兩端電流正序故障分量較大，此時(shí)僅依靠相位信息進(jìn)行故障判斷會(huì)出現(xiàn)靈敏度低的情況。

表1　區(qū)內(nèi)故障仿真表Tab.1　Simulation data with internal fault

本文所提反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)算法在不同故障類型、不同過渡電阻的區(qū)內(nèi)故障情況下，均能夠可靠動(dòng)作，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2)區(qū)外故障。

通過在f2和f3點(diǎn)設(shè)置不同故障類型和故障電阻，得到的保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量仿真結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，當(dāng)故障點(diǎn)位于保護(hù)區(qū)段下游時(shí)，不可測(cè)分支負(fù)荷上的分流較小，兩端電流幅值基本相等，相位接近反向；當(dāng)故障點(diǎn)位于保護(hù)區(qū)段上游時(shí)，不可測(cè)負(fù)荷分支上的分流較大，兩端幅值相差較小，相位接近180°，該仿真結(jié)果與理論分析基本一致。本文所提出反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)在不同故障點(diǎn)、不同過渡電阻情況下，均能夠正確判斷為區(qū)外故障。

3)負(fù)荷投切。

以不可測(cè)分支(負(fù)荷分支1)上不同容量電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)為例進(jìn)行驗(yàn)證，保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量仿真數(shù)據(jù)見表3。

表2　區(qū)外故障仿真表Tab.2　Simulation data with external fault

表3　負(fù)荷投切仿真表Tab.3　Simulation data with load switching

結(jié)合表3數(shù)據(jù)和電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流衰減時(shí)間(約為0.1 s)以及與其他保護(hù)(熔斷器等)的時(shí)間配合，查詢非常反時(shí)限曲線，確定k取0.18。此時(shí)即使保護(hù)起動(dòng)，也可以保證保護(hù)可靠不動(dòng)作。

綜上所述可以得出，該反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)同時(shí)利用電流的幅值和相位信息，可以有效應(yīng)對(duì)逆變類DG輸出電流不確定性對(duì)保護(hù)的影響，且靈敏度較高，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

7　結(jié)論

本文結(jié)合有源配電網(wǎng)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)特點(diǎn)，提出了基于正序故障分量的反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)算法，經(jīng)理論分析和仿真驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

1)故障后逆變類DG所提供短路電流的相位受接入點(diǎn)電壓相位和電壓跌落系數(shù)的影響，具有不確定性。

2)當(dāng)保護(hù)區(qū)段兩端分別由系統(tǒng)電源和逆變類DG提供短路電流時(shí)，某些情況下存在保護(hù)區(qū)段兩端電流正序故障分量相位差較大的情況，當(dāng)為電機(jī)類DG時(shí)，相位差較小。

3)配電網(wǎng)中多分支，對(duì)于非故障區(qū)段不可測(cè)分支的分析結(jié)果表明，分支負(fù)荷上會(huì)出現(xiàn)較大分流，但保護(hù)區(qū)段兩端電流相位差始終接近180°。

4)本文根據(jù)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流會(huì)衰減的特征，將反時(shí)限過電流保護(hù)與電流差動(dòng)保護(hù)相結(jié)合構(gòu)成反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)，并給出了相應(yīng)的保護(hù)判據(jù)整定方法。該方法不需要電壓信息，可以有效應(yīng)對(duì)未來電網(wǎng)DG大量接入的情況，且具有靈敏度高，受負(fù)荷分支、DG隨機(jī)、分散接入的影響較小的優(yōu)點(diǎn)。

5)仿真結(jié)果表明，該反時(shí)限電流差動(dòng)保護(hù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

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Inverse-Time Current Differential Protection in Active Distribution Network Considering Characteristics of Inverter-Interfaced Distributed Generations

Li JuanGao HouleiZhu Guofang

(Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education Shandong UniversityJi’nan250061China)

The positive-sequence fault components (PSFC) in the distribution network are analyzed and an inverse-time current differential protection scheme using the PSFC is discussed.According to the current responses of distributed generations (DGs) during fault，positive-sequence fault component complex network of short circuit fault is established.Secondly，the PSFC currents of two monitoring points of protection section are inferred rigorously.And the amplitude and phase characteristics of the PSFC current distribution are invested qualitatively.Combining with the configuration and parameters of the distribution networks，the inverse-time differential protection criterion and setting principle are proposed.Finally，simulations modeled by PSCAD are used to verify the effectiveness of the proposed protection criterion.Simulation results demonstrate that：(1) the scheme presented in this paper can distinguish motor self-starting and slight fault efficiently.(2) it can also solve the contradiction between enough ability for braking saturation current of the current transformer and improving sensitivity to internal faults.(3) it can adapt to multiple situations，e.g.output randomness of DG，variety configuration of feeders.

Active distribution network，inverter-interfaced distributed generations，unmonitored branch，current differential protection，inverse-time

2016-01-22改稿日期2016-04-14

TM773

李娟女，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)橛性磁潆娋W(wǎng)保護(hù)與控制。

E-mail：lijuandan@126.com

高厚磊男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

E-mail：houleig@sdu.edu.cn(通信作者)

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012AA050213)、國家自然科學(xué)基金(51177096)和國網(wǎng)山東省電力公司科技項(xiàng)目(SGSDWF00YJJS1400563)資助。