基于電壓上升限時(shí)檢測(cè)的含新能源配電網(wǎng)自適應(yīng)重合閘

楊 彬，賈 科，李俊濤，劉 淺，畢天姝

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京市 102206）

0 引言

自動(dòng)重合閘是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)供電快速恢復(fù)的重要手段。然而，隨著分布式新能源的高比例接入，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求經(jīng)10（6）～35 kV 電壓等級(jí)并網(wǎng)的分布式新能源具備故障穿越能力［1］。這導(dǎo)致保護(hù)跳閘后下游新能源可能持續(xù)帶故障運(yùn)行，引起重合閘失敗，造成系統(tǒng)二次沖擊［2-4］，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)安全運(yùn)行。亟須研究適用于含高比例新能源配電網(wǎng)的新型重合閘技術(shù)。

現(xiàn)有針對(duì)含新能源配電網(wǎng)的重合閘改進(jìn)研究主要分為3 類：增長(zhǎng)延時(shí)整定［5-7］、增設(shè)檢無壓［8-9］和自適應(yīng)重合閘［10-20］。其中，增長(zhǎng)延時(shí)整定方法通過與新能源孤島保護(hù)、故障穿越配合，固定地增長(zhǎng)重合閘延時(shí)（2.5～3 s）以規(guī)避新能源接入的影響。但該方法耗時(shí)過長(zhǎng)，即使瞬時(shí)性故障也將導(dǎo)致全部新能源脫網(wǎng)，不利于系統(tǒng)快速恢復(fù)。增設(shè)檢無壓方法則通過檢測(cè)電壓辨識(shí)新能源脫網(wǎng)狀態(tài)，但無法與三相金屬性故障的零壓情況進(jìn)行區(qū)分，仍無法解決重合于故障的沖擊問題。

為解決上述問題，提高重合閘成功率，相關(guān)學(xué)者提出了自適應(yīng)重合閘。在斷路器跳閘后首先判斷故障狀態(tài)，如果判別為瞬時(shí)性故障且已清除，加速重合閘；否則閉鎖，防止重合于永久性故障。現(xiàn)有自適應(yīng)重合閘方法主要分為主動(dòng)注入法和被動(dòng)檢測(cè)法兩種?；谥鲃?dòng)注入的自適應(yīng)重合閘利用并網(wǎng)逆變器或外加設(shè)備向跳閘后的下游系統(tǒng)注入高頻信號(hào)［10-11］、特征電壓［12-13］等判斷故障是否清除，該類方法需額外設(shè)備成本投入，且注入信號(hào)對(duì)電力電子變流器和敏感負(fù)荷的安全性影響有待研究；基于被動(dòng)檢測(cè)的自適應(yīng)重合閘通過檢測(cè)跳閘后線路中的自由振蕩頻率［14］、非故障相感應(yīng)電流［15-16］、相電壓［17-19］等信息判斷故障狀態(tài)，然而這些方法均針對(duì)配置單相重合閘和振蕩時(shí)間常數(shù)較大的輸電線路設(shè)計(jì)，不適用于配電饋線振蕩分量短暫、三相跳閘的情況。

本文在分析跳閘后含新能源配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)分布式新能源故障穿越導(dǎo)致傳統(tǒng)重合閘失敗問題，利用電壓差積分反映電壓上升特征，構(gòu)成故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)。進(jìn)一步，考慮保護(hù)動(dòng)作情況與新能源故障穿越時(shí)限設(shè)計(jì)重合閘延時(shí)整定方案，提出適用于含高比例新能源配電網(wǎng)的自適應(yīng)重合閘方法。經(jīng)仿真驗(yàn)證，所提方法能夠有效辨識(shí)故障清除，并根據(jù)故障檢測(cè)結(jié)果與保護(hù)動(dòng)作情況自適應(yīng)地縮短重合閘延時(shí)，極大程度避免了瞬時(shí)性故障后分布式新能源的大量脫網(wǎng)，有利于系統(tǒng)快速恢復(fù)。

1 重合閘前下游新能源孤島系統(tǒng)特性分析

高比例分布式新能源配電網(wǎng)可用如附錄A 圖A1 所示的單饋線輻射狀系統(tǒng)簡(jiǎn)單表示。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作跳閘后，斷路器下游分布式新能源與負(fù)荷將構(gòu)成孤島系統(tǒng)，短時(shí)帶故障運(yùn)行。

深入分析斷路器下游新能源孤島故障清除前后故障特性差異，是自適應(yīng)重合閘的研究基礎(chǔ)。下文將針對(duì)不同控制策略下的新能源孤島特性展開分析。

1.1 跳閘后下游系統(tǒng)故障特性分析

相比于保護(hù)動(dòng)作前，配電網(wǎng)故障特征在跳閘后的改變包括兩方面：1）故障饋流路徑變化，由主網(wǎng)和新能源多源故障路徑變?yōu)閮H由下游新能源饋流；2）故障電流減小，由于新能源并網(wǎng)變流器限幅作用，其故障電流僅為1.2～1.5 倍額定電流，遠(yuǎn)小于主網(wǎng)故障電流（約為20～30 倍負(fù)荷電流）。

因此，伴隨斷路器跳閘，對(duì)于經(jīng)過渡電阻的短路故障，下游系統(tǒng)故障電壓相比跳閘前將大大降低。同時(shí)，主網(wǎng)故障電流在故障上游饋線的壓降消失，斷路器出口故障殘壓近似等于故障點(diǎn)電壓。

1.2 下游新能源孤島系統(tǒng)故障清除后特性分析

故障清除后、新能源未及時(shí)脫網(wǎng)前，下游孤島系統(tǒng)運(yùn)行特性完全由新能源并網(wǎng)變流器控制策略與外接電路特性決定。而孤島系統(tǒng)電壓又反過來影響新能源并網(wǎng)變流器控制，形成耦合。為便于分析，將下游系統(tǒng)中分布式新能源至故障點(diǎn)間的配電變壓器、線路和負(fù)荷電路整體等效簡(jiǎn)化為一個(gè)電阻-電感-電容并聯(lián)支路，則跳閘后孤島系統(tǒng)等值電路如圖1 所示。圖中：IRES為新能源輸出電流；UIsl為孤島系統(tǒng)電壓；Z為新能源外接電路的等值阻抗（其中R為電阻，L為電感，C為電容）；Rf為故障過渡電阻。

圖1 下游新能源孤島系統(tǒng)等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of downstream renewable energy source (RES) island system

由孤島系統(tǒng)外接等值電路的阻性支路分析［21］，可得故障清除后孤島電壓滿足3U=PRESR，而正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓滿足3U=PLoadR，聯(lián)立可得：

式中：PRES為新能源輸出有功功率；PLoad為負(fù)荷額定功率；KP為新能源電源與負(fù)荷有功功率比值；UN為故障前系統(tǒng)額定電壓幅值。

可見，故障清除后新能源孤島系統(tǒng)電壓幅值由有功功率比值KP決定。新能源功率相較負(fù)荷額定功率越大，孤島電壓幅值越高。則對(duì)于斷路器跳閘后下游系統(tǒng)不同功率情況，系統(tǒng)電壓水平不同，新能源可能運(yùn)行于常規(guī)控制、低電壓穿越控制和高電壓穿越控制3 種模式。

1.2.1 常規(guī)控制下新能源孤島特性

當(dāng)下游系統(tǒng)新能源與負(fù)荷功率較為匹配時(shí)（0.81＜KP＜1.21），孤島電壓在0.9～1.1 p.u.之間，新能源電源處于常規(guī)定直流電壓的雙閉環(huán)控制模式，孤島電壓可依據(jù)式（1）計(jì)算。進(jìn)一步對(duì)無功支路分析，由外接等值電路的阻性支路與電感-電容支路并聯(lián)可得：

式中：QRES為新能源輸出無功功率；fIsl為孤島系統(tǒng)頻率；XLC為外接等值電路電感-電容支路的等值電抗。

由式（2）可推得關(guān)于孤島系統(tǒng)頻率的方程為：

解得：

常規(guī)控制下，新能源運(yùn)行于單位功率因數(shù)，即QRES=0，可得：

由以上分析可知，當(dāng)斷路器跳閘后下游分布式新能源與負(fù)荷功率較為匹配時(shí)，故障消失后孤島系統(tǒng)電壓頻率解耦：孤島電壓由KP決定，孤島系統(tǒng)頻率則等于外接電路諧振頻率。

1.2.2 低電壓穿越控制下新能源孤島特性

當(dāng)新能源功率小于負(fù)荷功率（KP≤0.81）時(shí)，孤島電壓低于0.9 p.u.，分布式新能源運(yùn)行于低電壓穿越控制，電壓決定其有功、無功電流控制指令，分別為：

由式（6）可知，低電壓穿越控制下新能源電流指令與孤島電壓呈現(xiàn)分段線性關(guān)系：1）當(dāng)0.72≤KP＜0.81，電流幅值未達(dá)限幅值，有功電流指令呈功率源特性，孤島電壓特性如式（1）所示；2）當(dāng)KP＜0.72，隨電壓減小而增大，由限幅環(huán)節(jié)計(jì)算得到。下面重點(diǎn)分析第2 類情況下的孤島特性。

根據(jù)式（6），該情況下孤島電壓影響新能源無功電流，進(jìn)一步通過限幅環(huán)節(jié)影響有功輸出，最終影響孤島電壓。

當(dāng)并網(wǎng)控制器完成調(diào)節(jié)，新能源輸出電流等于控制指令值，即新能源輸出有功電流分量為Id=，新能源輸出無功電流分量為Iq=，將外接阻性支路方程代入式（6）可得：

整理式（7），并以有功功率替代負(fù)荷電阻可得：

求解上述方程，可得新能源輸出無功電流Iq為：

式中：Δ1為式（8）的方程判別式。

當(dāng)Δ1≥0，KP≥0.559 時(shí)，式（9）有實(shí)數(shù)解，即該情況下新能源輸出電流可達(dá)到指令值，孤島系統(tǒng)存在穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)；當(dāng)KP＜0.559 時(shí)，新能源有功功率較小，引起電壓過低，無功指令值增大，進(jìn)一步限制有功電流輸出，新能源輸出有功功率與系統(tǒng)電壓形成正反饋，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。此時(shí)，有功電流與孤島電壓降至0。

將Iq代入式（6）即可求解孤島系統(tǒng)電壓UIsl：

進(jìn)一步，利用電感-電容支路方程推導(dǎo)孤島頻率fIsl。由基爾霍夫電壓定律可知：

求解上述方程，可得新能源低電壓穿越控制下孤島頻率為：

由上分析，當(dāng)新能源功率小于負(fù)荷功率、新能源運(yùn)行于低電壓穿越控制時(shí)，孤島系統(tǒng)電壓、頻率通過新能源控制產(chǎn)生耦合：孤島系統(tǒng)電壓通過低電壓穿越控制策略決定新能源無功電流值，與外接電路等值電感、電容共同決定系統(tǒng)頻率；無功電流因限幅控制環(huán)節(jié)影響有功電流值，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓。

1.2.3 高電壓穿越控制下新能源孤島特性

在新能源高出力時(shí)段，配電網(wǎng)局部區(qū)域可能存在分布式新能源功率高于負(fù)荷（KP≥1.21），此時(shí)分段/分支斷路器因故障跳閘后，孤島電壓高于1.1 p.u.，分布式新能源運(yùn)行于高電壓穿越控制模式，從系統(tǒng)吸收無功功率試圖降低電壓。此時(shí)，新能源無功電流指令值為負(fù)：

式中：K2為高電壓穿越控制下無功電流系數(shù)，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1］設(shè)為1。

類比1.2.2 節(jié)對(duì)新能源功率較小場(chǎng)景的分析，該場(chǎng)景下無功電流由系統(tǒng)電壓水平?jīng)Q定，又通過限幅控制環(huán)節(jié)影響有功電流，進(jìn)而影響孤島電壓形成閉環(huán)。類比可推導(dǎo)新能源無功電流為：

式中：Δ2為該場(chǎng)景下式（8）的方程判別式。

進(jìn)而得到，高電壓穿越控制下孤島系統(tǒng)電壓如式（17）所示。將式（15）、式（17）代入式（13）即可求得孤島頻率。

綜上所述，配電網(wǎng)斷路器跳閘后，伴隨瞬時(shí)性故障的清除，下游新能源孤島系統(tǒng)電阻增大，孤島電壓上升，基于此特性可構(gòu)建跳閘后故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)；孤島系統(tǒng)電壓取決于新能源-負(fù)荷功率比和新能源控制策略，可能在零至較大值間變化（具體呈現(xiàn)如附錄A 圖A2 所示的分段線性化特性），無法僅根據(jù)孤島電壓值區(qū)分故障持續(xù)與清除狀態(tài)。因此，需利用故障清除電壓上升特征檢測(cè)瞬時(shí)性故障，從而縮短重合閘延時(shí)。

2 基于電壓上升的自適應(yīng)重合閘方法

基于上述分析，本章提出自適應(yīng)重合閘方法。首先，提出電壓差積分算法反映故障消失時(shí)的電壓幅值上升特征，構(gòu)成故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)。然后，考慮保護(hù)動(dòng)作情況與新能源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間極限，設(shè)計(jì)根據(jù)電壓值自適應(yīng)調(diào)整的重合閘時(shí)間整定方案，縮短重合閘延時(shí)。

2.1 故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)

自適應(yīng)重合閘方法的核心是故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)，通過辨別故障的清除從而加速重合閘。監(jiān)測(cè)電壓幅值突變量表征故障清除時(shí)的電壓上升簡(jiǎn)單直接，但易受到暫態(tài)波動(dòng)和測(cè)量壞數(shù)據(jù)的影響，引起誤判。本文提出電壓差積分判據(jù)，自斷路器跳閘時(shí)刻起，對(duì)斷路器下游出口電壓幅值與初始時(shí)刻電壓的差值積分，判斷該時(shí)段內(nèi)是否發(fā)生電壓上升。所提電壓差積分計(jì)算原理如圖2 所示。圖中：UInt為電壓差積分計(jì)算值；t為檢測(cè)時(shí)刻（單位取ms 代入計(jì)算）；tf-clear為故障清除時(shí)刻；t1、t2為故障清除后2 個(gè)不同時(shí)刻；||U+（t）||為t時(shí) 刻 斷 路 器 下 游 出 口 正 序 電 壓幅值。

圖2 電壓差積分計(jì)算示意圖Fig.2 Diagram of the proposed voltage difference integral calculation

為適應(yīng)不同類型故障，選擇正序分量電壓幅值計(jì)算電壓差積分，其表達(dá)式如下：

理論上，當(dāng)電壓差積分UInt大于0 時(shí)即可認(rèn)為出現(xiàn)電壓上升、故障清除。但為避免電壓互感器傳變誤差影響和零值的不可靠判別，將誤差值計(jì)入積分計(jì)算，并在0 附近增設(shè)死區(qū)，新能源孤島系統(tǒng)故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)為：

式中：ε為電壓互感器誤差值，在配電網(wǎng)中電壓互感器精度通常為±3%［22］；δ為零點(diǎn)附近一小值，本文設(shè)為5（標(biāo)幺值）。

若計(jì)算UInt滿足式（19），則認(rèn)為下游系統(tǒng)瞬時(shí)故障清除。雖然利用所提電壓判據(jù)可以辨別新能源并網(wǎng)時(shí)的故障狀態(tài)，但對(duì)于永久性故障，新能源達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行極限后脫網(wǎng)，下游系統(tǒng)無壓，持續(xù)檢測(cè)失去意義。因此，需對(duì)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行限定，并閉鎖重合閘，以避免重合于永久性故障造成二次沖擊。

2.2 重合閘延時(shí)自適應(yīng)整定

新能源電源進(jìn)入故障穿越的時(shí)刻早于斷路器跳閘時(shí)刻，而重合閘延時(shí)則以后者為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。因此，跳閘后新能源故障穿越的極限時(shí)間不僅與機(jī)端電壓水平，還與保護(hù)動(dòng)作情況相關(guān)。

根據(jù)不同情況下新能源電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間對(duì)故障狀態(tài)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行差異化限制，可有效縮短重合閘時(shí)間。針對(duì)不同保護(hù)動(dòng)作、系統(tǒng)電壓情況，可具體分為以下4 類場(chǎng)景對(duì)重合閘延時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)整定：

1）當(dāng)孤島電壓幅值||U+||≥0.9 p.u.，表明在保護(hù)出口至斷路器跳閘期間故障清除，計(jì)及斷路器復(fù)歸耗時(shí)和熄弧去游離時(shí)間（記為tmin，取0.3 s［23］）后重合閘。

2）當(dāng)孤島電壓幅值||U+||＜0.9 p.u.，且無時(shí)限保護(hù)（如縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、無時(shí)限電流速斷保護(hù)和距離Ⅰ段保護(hù)等）動(dòng)作時(shí)，斷路器跳閘后新能源可能短時(shí)持續(xù)并網(wǎng)，利用所提判據(jù)檢測(cè)故障狀態(tài)，檢測(cè)持續(xù)時(shí)間Tlim應(yīng)被限制不大于該故障電壓所對(duì)應(yīng)新能源低電壓穿越時(shí)間與保護(hù)跳閘的差值，同時(shí)考慮斷路器跳閘后復(fù)歸耗時(shí)，Tlim整定為：

式中：tTrip為保護(hù)動(dòng)作跳閘時(shí)間，該情況下等于斷路器跳閘的固有時(shí)間；tLVRT為新能源低電壓穿越時(shí)間極限（單位為s），從故障時(shí)刻計(jì)起，與系統(tǒng)電壓水平相關(guān)，有

檢測(cè)期間，若滿足判據(jù)式（19）則故障已清除，再經(jīng)0.3 s 延時(shí)重合閘（躲過電弧去游離時(shí)間）；否則，超出檢測(cè)時(shí)間閉鎖重合閘。

3）當(dāng)孤島電壓幅值||U+||＜0.9 p.u.，且限時(shí)速斷保護(hù)（如限時(shí)電流速斷保護(hù)、距離Ⅱ段保護(hù)等）動(dòng)作時(shí)，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與新能源故障穿越能力又可細(xì)分為以下兩種情況：

（1）若0.2 p.u.≤||U+||＜0.9 p.u.，根據(jù)式（20）計(jì)算檢測(cè)持續(xù)時(shí)間Tlim，檢測(cè)期間若滿足判據(jù)式（19）則經(jīng)0.3 s 延時(shí)重合閘，超出檢測(cè)時(shí)間則閉鎖重合閘；

（2）若||U+||＜0.2 p.u.（定義該電壓幅值為限時(shí)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)故障檢測(cè)最低電壓Umin），新能源低電壓穿越時(shí)間為0.15 s，小于近后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tTrip（約0.4～0.5 s），表明斷路器跳閘前新能源已脫網(wǎng)，重合閘按無源系統(tǒng)整定，從跳閘時(shí)刻計(jì)起0.3 s后重合閘。

4）當(dāng)定時(shí)限保護(hù)（如定時(shí)限過電流保護(hù)、距離Ⅲ段保護(hù)等）動(dòng)作時(shí)，與第3 類情況類似，根據(jù)保護(hù)延時(shí)（tTrip=1 s）和對(duì)應(yīng)的新能源低壓耐受時(shí)間限定判據(jù)檢測(cè)時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，該情況下Umin=0.544 p.u.對(duì)應(yīng)的跳閘后新能源低電壓穿越并網(wǎng)時(shí)間為0.3 s，故低于該電壓水平的情況下可認(rèn)定新能源已脫網(wǎng)，采用0.3 s 延時(shí)后重合閘。

直觀表達(dá)上述不同情況下重合閘延時(shí)整定方案如附錄A 圖A3 所示。

2.3 自適應(yīng)重合閘方法流程

本文所提面向分布式新能源高比例接入配電網(wǎng)的自適應(yīng)重合閘方法，以電壓上升特征作為故障清除狀態(tài)判據(jù)，并計(jì)及新能源并網(wǎng)時(shí)間極限與保護(hù)動(dòng)作情況形成自適應(yīng)延時(shí)整定方案，具體方法流程如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)重合閘方法流程圖Fig.3 Flow chart of adaptive reclosing method

所提方法在配電網(wǎng)傳統(tǒng)無檢重合閘［24］基礎(chǔ)上引入下游出口電壓測(cè)量，并借助智能終端設(shè)備實(shí)時(shí)修改重合閘延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)，無須新增設(shè)備，對(duì)測(cè)量精度和軟件算力需求較低。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證故障特征解析結(jié)論與所提基于電壓上升限時(shí)檢測(cè)的自適應(yīng)重合閘方法，在PSCAD/EMTDC 中搭建含2 座100 kW 的分布式光伏電站接入10 kV 配電饋線的仿真系統(tǒng)（見附錄A 圖A1），變電站出口斷路器配置三段式電流保護(hù)，光伏電站均依照國(guó)標(biāo)具備故障穿越能力。所有仿真實(shí)驗(yàn)中故障均發(fā)生于斷路器下游饋線上，其他參數(shù)設(shè)置見附錄B。

自適應(yīng)重合閘電壓測(cè)點(diǎn)在斷路器下游出口處，電壓信號(hào)采樣頻率為1.2 kHz（常規(guī)保護(hù)采樣頻率），跳閘后采用20 ms 窗長(zhǎng)移窗快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算下游正序電壓幅值，計(jì)算電壓差積分判據(jù)判定故障狀態(tài)。

3.1 計(jì)及故障穿越控制的新能源孤島特性驗(yàn)證

以F1（斷路器下游出口）處發(fā)生經(jīng)5 Ω 過渡電阻的三相短路故障為例，調(diào)整負(fù)荷功率使KP=0.64，對(duì)故障后至重合閘前全過程下游孤島系統(tǒng)電壓特性進(jìn)行仿真，故障發(fā)生于0 時(shí)刻，斷路器30 ms 時(shí)跳閘，70 ms 時(shí)故障清除。電壓波形與電壓差積分計(jì)算值曲線如圖4 所示。由圖4（a）、（b）可知，當(dāng)斷路器跳閘，故障點(diǎn)電流減小，下游電壓幅值出現(xiàn)明顯跌落特征；當(dāng)故障清除后經(jīng)過16.45 ms，電壓差積分計(jì)算值超過預(yù)設(shè)值5，判定故障清除。

改變下游負(fù)荷的有功功率，使功率比KP在0.45～1.5 范圍內(nèi)變化；調(diào)整負(fù)荷容抗值使其諧振頻率為50 Hz，新能源孤島系統(tǒng)特性驗(yàn)證結(jié)果如附錄A圖A4 所示?？梢姡诟?低電壓穿越控制下，孤島系統(tǒng)特性與KP存在分段線性關(guān)系，與第1 章分析結(jié)論一致。

3.2 不同故障類型下自適應(yīng)重合閘性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提自適應(yīng)重合閘對(duì)于不同類型故障的檢測(cè)能力，考慮功率比KP=0.64 情況（下同），在饋線F1 處設(shè)置不同類型的瞬時(shí)性故障（持續(xù)70 ms）與永久性故障，故障發(fā)生后30 ms 由主保護(hù)動(dòng)作斷路器跳閘。故障類型分別為兩相相間故障（AB）、兩相接地故障（ABG）、三相故障（ABC），在不同類型瞬時(shí)性故障場(chǎng)景下，所提自適應(yīng)重合閘故障檢測(cè)時(shí)間與重合閘情況如附錄A 表A1 所示。其中檢測(cè)時(shí)間從斷路器跳閘為零時(shí)刻計(jì)起。瞬時(shí)性故障清除后對(duì)應(yīng)孤島電壓幅值為0.67 p.u.，此時(shí)故障檢測(cè)時(shí)限為1.55 s；對(duì)于永久性AB 和ABG 故障情況，系統(tǒng)正序電壓為0.265 p.u.，對(duì)應(yīng)故障檢測(cè)時(shí)限為0.75 s，永久性三相金屬性故障下檢測(cè)時(shí)限為0.2 s，在對(duì)應(yīng)時(shí)限內(nèi)未檢測(cè)到判據(jù)則認(rèn)定為永久性故障，隨即閉鎖重合閘。

根據(jù)附錄A 表A1 可知，在斷路器跳閘后，所提故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)可有效辨別瞬時(shí)性/永久性故障。在瞬時(shí)性故障情況下，相比目前需2.5～3 s 時(shí)延的工程方法，所提方法可有效縮短重合閘延時(shí)在0.5 s以內(nèi)。尤其對(duì)于瞬時(shí)性三相短路故障，所提故障檢測(cè)判據(jù)可在故障清除后14.6 ms 完成判別，并將重合閘延時(shí)縮短至354.6 ms。

3.3 不同故障位置下自適應(yīng)重合閘性能

由前文分析可知，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間影響斷路器跳閘后下游新能源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，所提自適應(yīng)重合閘通過融合保護(hù)動(dòng)作信息，合理縮短故障檢測(cè)時(shí)間。對(duì)于饋線上不同位置故障，保護(hù)動(dòng)作情況不同，需要對(duì)這些情況下的自適應(yīng)重合閘性能進(jìn)行驗(yàn)證。本節(jié)設(shè)置F1、F2（本線路末端）和F3（下級(jí)線路10%長(zhǎng)度處）3 種故障位置，分別對(duì)應(yīng)無時(shí)限保護(hù)、限時(shí)速斷保護(hù)和定時(shí)限保護(hù)動(dòng)作情況，以經(jīng)過5 Ω 過渡電阻的瞬時(shí)性三相金屬性短路故障為例，設(shè)置不同故障持續(xù)時(shí)間進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所提自適應(yīng)重合閘動(dòng)作性能如表1 所示。

表1 不同故障位置下所提自適應(yīng)重合閘性能Table 1 Performance of the proposed adaptive reclosing with different fault locations

對(duì)于限時(shí)速斷保護(hù)和定時(shí)限保護(hù)動(dòng)作情況，在斷路器跳閘前故障已持續(xù)0.5～1 s，由表1 可知，對(duì)于故障殘壓水平較低的情況，跳閘前已超出新能源故障穿越極限時(shí)間，跳閘后下游為無源系統(tǒng)。此時(shí)，無法根據(jù)下游系統(tǒng)電氣特征判斷故障狀態(tài)，根據(jù)所提重合閘方法經(jīng)0.3 s 延時(shí)后重合閘。

3.4 經(jīng)過渡電阻故障下自適應(yīng)重合閘性能

配電網(wǎng)短路故障往往存在過渡電阻，其阻值甚至可能高達(dá)1 000 Ω 以上，即高阻故障。自適應(yīng)重合閘也需在非金屬性故障發(fā)生后，正確判別瞬時(shí)性故障清除，可靠重合閘。以10 kV 饋線F1 處故障為例，分別設(shè)置故障類型為瞬時(shí)兩相短路、瞬時(shí)兩相接地短路和瞬時(shí)三相短路故障（故障持續(xù)70 ms），過渡電阻分別設(shè)置為50、100、500、1 000、1 500 Ω，附錄A 表A2 給出了不同過渡電阻故障下，所提自適應(yīng)重合閘的故障檢測(cè)時(shí)間和重合閘指令。

隨著過渡電阻的增大，網(wǎng)側(cè)故障電流幅值減小，甚至在過渡電阻大于500 Ω 時(shí)，傳統(tǒng)過流保護(hù)甚至面臨拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。但值得注意的是，即使過渡電阻高達(dá)1 500 Ω，所提自適應(yīng)重合閘依然能夠正確辨識(shí)斷路器跳閘后瞬時(shí)性高阻故障的清除。因此，在保護(hù)正確動(dòng)作的前提下，所提重合閘方法在高阻故障場(chǎng)景下仍然有良好的性能。

3.5 不同測(cè)量噪聲下自適應(yīng)重合閘性能

配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中不可避免地存在隨機(jī)噪聲，影響電壓測(cè)量精度，所提自適應(yīng)重合閘的故障狀態(tài)檢測(cè)算法應(yīng)具備一定抗噪能力。通常配電網(wǎng)中噪聲最大為25 dB［25］（信噪比為17.783），本節(jié)分別設(shè)置35、30、25 dB 噪聲場(chǎng)景驗(yàn)證所提重合閘方法。以斷路器出口發(fā)生瞬時(shí)性故障為例進(jìn)行分析，自適應(yīng)重合閘動(dòng)作情況如附錄A 表A3 所示。

由于本文采用電壓差積分構(gòu)成故障狀態(tài)檢測(cè)判據(jù)，同時(shí)為避免零點(diǎn)抖動(dòng)誤判增設(shè)了死區(qū)，可以有效避免測(cè)量噪聲影響。由附錄A 表A3 可知，不同噪聲水平僅導(dǎo)致瞬時(shí)性故障判別時(shí)間輕微增加，在各類型瞬時(shí)性故障下依然能夠正確重合閘。

3.6 與現(xiàn)有重合閘改進(jìn)方法性能的對(duì)比

本文所提出的自適應(yīng)重合閘與現(xiàn)有增長(zhǎng)延時(shí)的重合閘改進(jìn)方法［5-7］對(duì)比如表2 所示。

表2 所提重合閘與現(xiàn)有方法對(duì)比Table 2 Comparison of the proposed adaptive reclosure with existing method

對(duì)于瞬時(shí)性故障情況，所提方法可加速重合閘，延時(shí)比現(xiàn)有方法短；對(duì)于后備保護(hù)動(dòng)作前新能源已脫網(wǎng)的情況，所提方法也可按無源系統(tǒng)方案經(jīng)0.3 s延時(shí)重合。利用電氣特征檢測(cè)與延時(shí)自適應(yīng)整定的方法極大提高了新能源配電網(wǎng)重合閘性能。

此外，對(duì)于故障持續(xù)時(shí)間超過判據(jù)檢測(cè)時(shí)限的情況，大概率為永久性故障，對(duì)于安全性要求較高的配電網(wǎng)，建議閉鎖重合閘或增加主動(dòng)注入式故障檢測(cè)輔助辨別，以避免系統(tǒng)遭受二次沖擊；而對(duì)于安全性要求較低的配電網(wǎng)，可設(shè)置超過時(shí)限后重合，縮短系統(tǒng)失電時(shí)間。

4 結(jié)語

針對(duì)高比例新能源接入下傳統(tǒng)配電網(wǎng)重合閘易重合于故障、導(dǎo)致二次沖擊的問題，本文提出了基于電壓上升限時(shí)檢測(cè)的自適應(yīng)重合閘方法，通過檢測(cè)瞬時(shí)性故障清除加速重合閘。經(jīng)仿真驗(yàn)證表明，所提方法能夠可靠檢測(cè)新能源配電系統(tǒng)跳閘后不同位置、類型的瞬時(shí)性故障清除，具有較強(qiáng)的耐受過渡電阻能力和抗噪聲干擾能力；同時(shí)，可根據(jù)故障狀態(tài)與保護(hù)動(dòng)作信息實(shí)現(xiàn)重合閘延時(shí)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。相比于工程中固定增長(zhǎng)延時(shí)的重合閘改進(jìn)方法，所提方法可有效避免瞬時(shí)性故障下的新能源脫網(wǎng)，有利于系統(tǒng)快速供電恢復(fù)。

本文所提自適應(yīng)重合閘方法在下游電壓較低、分布式新能源并網(wǎng)極限時(shí)間較短的情況下，在檢測(cè)限時(shí)結(jié)束前可能無法檢測(cè)到電壓上升特征，影響故障狀態(tài)判別，后續(xù)將針對(duì)此問題展開進(jìn)一步研究。

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