基于電流相位變化的有源配電網(wǎng)故障區(qū)段定位

李培培，王湘女，汪 波，張 宸，崔 惠

（1.國網(wǎng)江蘇電力公司揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引言

為了解決能源短缺問題，阻止環(huán)境繼續(xù)惡化，以光伏發(fā)電等為代表的分布式電源（DG）開始加速接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，使配電網(wǎng)變成一個潮流雙向流動的有源網(wǎng)絡(luò)，稱為有源配電網(wǎng)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，故障電流雙向流動，這導(dǎo)致其故障特征與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在較大差異，使得配電網(wǎng)現(xiàn)有的繼電保護(hù)不再適用［1-2］。

文獻(xiàn)［3］利用配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于饋線終端單位（FTU）裝置提出了一種故障區(qū)段判斷隔離的綜合矩陣法，該方法將DG 模型簡化為電壓源與阻抗的串聯(lián)，沒有考慮逆變型DG 的電力電子特性。文獻(xiàn)［4］通過對饋線首端到DG 接入點(diǎn)之間的限時電流速斷保護(hù)和DG 接入點(diǎn)到饋線末端之間的定時限過電流保護(hù)的動作信息進(jìn)行分析，提出一種不借助于電壓量信息的故障定位新方案。文獻(xiàn)［5］提出基于遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位和隔離，能進(jìn)行全局尋優(yōu)求解，并通過對實(shí)時信息進(jìn)行0、1 編碼和構(gòu)造評價函數(shù)實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)。但遺傳算法往往計(jì)算量龐大，并且，在遺傳算法尋優(yōu)過程中，進(jìn)行的是隨機(jī)的、無方向的迭代搜索，往往陷入局部最優(yōu)。

同步測量相量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）從全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）中同步采集次秒極的模擬電壓、電流信號，得到電壓和電流信號的幅值和相角［6］?？紤]到PMU 的經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為在合理經(jīng)濟(jì)的PMU 安置下，全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓及線路電流都可以被有效監(jiān)測。通過PMU 測量線路兩端電流相位，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選，提取有效數(shù)據(jù)的電流相位，建立線路兩端電流相位間的組合關(guān)系模型，獲得電流相位故障前后變化以及故障后兩端電流相位差變量，建立配電網(wǎng)故障區(qū)段和電流相位間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定故障后電流相位變化的主要原因，形成簡明、準(zhǔn)確的保護(hù)動作整定值，進(jìn)而根據(jù)保護(hù)動作整定值，快速、準(zhǔn)確啟動保護(hù)，切除故障，為配電網(wǎng)保護(hù)提供量化信息支持，提升配電網(wǎng)整體穩(wěn)定化、快速性和自適應(yīng)能力，具有廣泛應(yīng)用前景［7-15］。

1 基于恒功率控制策略的逆變器并網(wǎng)型分布式電源模型

電力電子逆變器接口是一種應(yīng)用十分廣泛的分布式電源的并網(wǎng)接口方式，由于電力電子接口的靈活性，逆變型分布式電源在分布式電源中占有重要位置。逆變器接口方式主要分為直流—交流方式以及交流—直流—交流方式［16-17］。直流—交流方式主要用于直流電源的并網(wǎng)，如光伏電源、燃料電池等；交流—直流—交流方式主要用與非工頻交流電的電源，如直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電等。

建立通用于各種故障類型的有源配電網(wǎng)簡化模型的過程中，建立符合實(shí)際的分布式電源簡化模型至關(guān)重要。發(fā)生故障時，逆變型分布式電源的故障輸出特性與傳統(tǒng)的同步機(jī)電源有很大不同，根據(jù)不同的控制目的，有不同的控制方式，故障時出力也不同。目前，常見的逆變器控制方法有功率控制、恒壓恒頻控制以及下垂控制。其中，并網(wǎng)型逆變電源最常見的控制策略是基于電網(wǎng)電壓矢量定向的恒功率控制，恒壓恒頻控制及下垂控制主要在接入微網(wǎng)運(yùn)行時采用。

恒功率控制是一種儲能逆變器主從控制策略，當(dāng)儲能逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時采用PQ 控制［18-20］。PQ 控制指對儲能逆變器輸出的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，在保證額定有功功率輸出能力的條件下，具有一定的無功調(diào)節(jié)能力。儲能逆變器PQ 控制方式下輸出電壓及頻率由電網(wǎng)決定。

1.1 考慮恒功率控制的分布式電源故障分析模型

圖1 為逆變器并網(wǎng)控制運(yùn)行框圖，根據(jù)控制框圖得到Pref、Qref數(shù)學(xué)模型。idret和iqref是電流環(huán)給定的有功功率和無功功率，id和iq是電感電流的有功分量和無功分量，反饋電流與給定電流經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)的輸出經(jīng)過反DQ 變換后的值作為SPWM 的調(diào)制波，SPWM 輸出6 路驅(qū)動信號控制開關(guān)管的關(guān)斷，組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)定儲能逆變器輸出電流的目的，從而控制了輸出有功功率與無功功率。鎖相電壓為電網(wǎng)電壓ua、ub、uc，鎖相環(huán)為DQ 變換及反DQ 變換提供角度參考。

圖1 逆變器并網(wǎng)控制運(yùn)行框圖

并網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器交流側(cè)獲取電網(wǎng)電流電壓，輸出端參數(shù)受大電網(wǎng)控制，進(jìn)行Park 變換后，對電流電壓進(jìn)行有功無功的解耦為

可得分布式電源輸出的瞬時有功功率和無功功率。由于Park 變換中，d 軸與并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量重合，可得

可以推得

各種故障情況下的有功功率基本保持不變，只有三相短路時有功功率減少較多，其原因是三相短路時，逆變器的端口電壓降低很多，由于在恒功率輸出的控制框圖中還有端電壓控制，分布式電源不能按照恒功率輸出，輸出功率減少。

在故障電流沒有達(dá)到電力電子器件過流保護(hù)限值時，恒功率控制的分布式電源可以用串聯(lián)電抗后的受控電壓源等效，受控條件是分布式電源輸出功率恒定。由于存在電力電子等非線性元件，其等值電抗可能不是常量，如果忽略電力電子裝置非線性的影響，近似認(rèn)為該電抗為定值。

只有正常運(yùn)行狀態(tài)下或故障點(diǎn)距離分布式電源接入點(diǎn)很遠(yuǎn)時，系統(tǒng)等值阻抗變化很小，才能保證輸出功率控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)故障發(fā)生在分布式電源接入點(diǎn)近端時，分布式電源產(chǎn)生的故障電流達(dá)到過流保護(hù)限值，這時分布式電源相當(dāng)于一個電流源，輸出恒定的故障電流，而一旦超過保護(hù)限值，則逆變器退出工作，即分布式電源退出。

1.2 考慮低電壓穿越的故障分析模型

隨著分布式電源的高速滲透，為了防止由于故障時刻DG 脫網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致的大規(guī)模停電事故，國家電網(wǎng)有限公司要求某些DG 在電網(wǎng)故障期間保持一定時間不脫網(wǎng)，并為電網(wǎng)穩(wěn)定性提供支撐，即采用低電壓穿越（LVRT）控制。具體要求為：當(dāng)故障發(fā)生直到電壓恢復(fù)至0.9 pu 期間，DG 輸出的無功功率應(yīng)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)的電壓變化，并滿足：

式中：ug.f為系統(tǒng)故障時并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；Iq.f為系統(tǒng)故障時光伏電源輸出的無功電流值；IN為電流額定值。實(shí)際工程中，為了提供足夠的無功支撐，ug.f處于區(qū)間［0.2，0.9］時，系數(shù)通常取1.5。因此，考慮低電壓穿越的直接并網(wǎng)型分布式電源可以等效為一個電壓控制電流受控源。

考慮從逆變器過流能力以及無功電流優(yōu)先調(diào)整，有功電流的指令為

式中：Id.f為系統(tǒng)故障時輸出的有功分量；Pm為故障點(diǎn)輸出有功功率；Imax為逆變器允許流過的最大電流。

因此考慮低電壓穿越的分布式電源等效模型為由接入點(diǎn)電壓控制的電流源，如圖2 所示。

圖2 考慮低電壓穿越的DG 等效模型

因此，綜合考慮配電網(wǎng)故障時LVRT 控制策略及逆變器限流約束條件以及電壓跌落程度較大時提供較大無功支撐，逆變器輸出故障電流與并網(wǎng)點(diǎn)電壓的關(guān)系為

由式（6）可知，存在邊界電壓ux使得逆變器輸出電流恰好達(dá)到邊界約束條件。即

令Pm＝1，Imax＝2IN，則ux＝0.537 時逆變器達(dá)到限流約束條件邊界。此時，故障電流的相位角為

當(dāng)ug.f處于區(qū)間［0.537，0.9］時，逆變器調(diào)節(jié)無功輸出的同時能夠保證有功功率輸出不變，處于并網(wǎng)控制階段；當(dāng)ug.f處于區(qū)間［0.2，0.537］時，逆變器受控制策略以及逆變器限流條件制約，無法保證有功功率輸出不變，處于低電壓穿越控制階段。

以上分析均在系統(tǒng)發(fā)生對稱故障的前提下進(jìn)行，發(fā)生不對稱故障時，故障輸出電流有功分量定向于并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓分量，即光伏電源等效為受并網(wǎng)點(diǎn)正序故障電壓控制的電流源，即：

2 故障區(qū)段定位電流相角差分析

當(dāng)配電網(wǎng)區(qū)段發(fā)生故障時，區(qū)段兩端的電壓變化極小，一般在0.2°～0.5°之間，基本可以忽略不計(jì)。因此，主要考察配電網(wǎng)發(fā)生故障后，電流相角的變化，總結(jié)基于電流相角變化的區(qū)段故障定位規(guī)律。由于配電網(wǎng)中系統(tǒng)接地方式一般為Y 形直接接地，因此可以對其區(qū)段中的某一相在故障前后進(jìn)行等效分析，對該相區(qū)段內(nèi)的電流相角差進(jìn)行分析。以PMU為界劃分線路區(qū)段，認(rèn)為一條線路上可以安裝多臺PMU 裝置測量線路上相關(guān)數(shù)據(jù)，以每2 個PMU 裝置之間的線路段為一個線路區(qū)段，取相鄰2 臺PMU 裝置測得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2.1 故障前電流相位計(jì)算

圖3 為配電網(wǎng)中一段10 kV 線路的某一相故障前狀態(tài)。線路一端連接電網(wǎng)，一端連接分布式電源。比較該線路中2 個相鄰PMU 的測量數(shù)據(jù)。

圖3 故障前雙電源電路

基于電流相位的故障特征分析方法是根據(jù)電流相量的相角在故障前后的變化特征，得出了電流相角突變量方向與故障位置的關(guān)系。假定電流參考方向?yàn)楣?jié)點(diǎn)指向被保護(hù)區(qū)段，認(rèn)為區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端電流相角突變量的方向相反，區(qū)外故障時，線路兩端電流相角突變量的方向相同，采用的相角區(qū)間為［-180°，180°］。

基于電流相位的故障特征分析方法認(rèn)為故障前后分布式電源的輸出電壓保持不變，因此，可以采用故障疊加的方法，將故障后的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分解為正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)和故障附加網(wǎng)絡(luò)。由上一節(jié)可知，當(dāng)接入分布式電源為直接并網(wǎng)型分布式電源且不考慮低電壓穿越時，可以直接等效為恒定電壓源和阻抗的串聯(lián)，符合上述假設(shè)，因此當(dāng)接入直接并網(wǎng)型分布式電源時，故障區(qū)段兩端電流相角突變量相反。

基于電流相位的故障特征分析方法認(rèn)為故障前后分布式電源的輸出電壓保持不變，因此，可以采用故障疊加的方法，將故障后的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分解為正常運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)和故障附加網(wǎng)絡(luò)考慮低電壓穿越的分布式電源接入后，由上一節(jié)分析可知，當(dāng)線路上發(fā)生故障時，分布式電源輸出電壓發(fā)生變化，且由于低電壓穿越控制的影響，輸出電壓變化情況復(fù)雜，不能簡單地等效為一個恒電壓源。

如圖4 所示，對配電網(wǎng)故障網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，主電網(wǎng)側(cè)故障網(wǎng)絡(luò)分析依然采用正常運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)疊加的方法進(jìn)行分析。IAP、IBP分別為正常運(yùn)行狀況下主電網(wǎng)側(cè)及分布式電源側(cè)的輸出電流；IA、IB為故障狀況下主電網(wǎng)側(cè)的輸出電流；ΔIA為故障附加電流。

圖4 配電網(wǎng)故障分析網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)所接分布式電源為考慮低電壓穿越的直接并網(wǎng)型分布式電源時，不考慮故障電流限幅，故障發(fā)生后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降，分布式電源輸出無功電流阻止并網(wǎng)點(diǎn)電壓，在有功分量的基礎(chǔ)上，輸出超前于有功分量的無功分量，相量變化情況如圖6 所示。

當(dāng)所接分布式電源為逆變器并網(wǎng)型分布式電源時，正常運(yùn)行狀況下，分布式電源出口電壓EDG＝1 pu。

當(dāng)ug.f≥0.9 pu 時，

此時，由于輸出電流依然沒有無功分量。由式（3）可知，Pm＝IAP·EDG，IAP與EDG同相位，因此，分布式電源側(cè)故障輸出電流相位與分布式電源出口電壓相位保持一致，此時，故障前后分布式電源出口正序電壓相位變化較小，相量變化情況如圖5（a）所示。

當(dāng)0.2 pu＜ug.f＜0.9 pu 時，

有功分量方向與出口正序電壓保持一致，在有功分量的基礎(chǔ)上增加了超前于有功分量的無功分量，相量變化情況如圖5（b）所示。

圖5 電流相量

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，流過區(qū)段兩端的電流相同，電流相位幾乎不發(fā)生變化。當(dāng)ug.f≤0.2 pu 時，IB＝j(luò)Imax，超前故障前電流90°，相量變化情況如圖5（c）所示，此時，相位變化角度最大，Δφ＝180°-arctan2≈116.5°。

由以上分析可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，當(dāng)分布式電源出口處電壓降落較小，如故障點(diǎn)距離分布式電源接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時，分布式電源側(cè)故障電流相角幾乎不發(fā)生變化，但一般而言，配電網(wǎng)中線路距離較短，一旦發(fā)生接地故障，分布式電源出口電壓一般都會受到較大的影響。當(dāng)分布式電源出口電壓跌落時，分布式電源側(cè)的電流相位變化方向與功率方向無關(guān)，始終為正向，當(dāng)功率由主電源側(cè)流向分布式電源側(cè)時，分布式電源側(cè)電流相位變化與主電源側(cè)電流相位變化方向相反。當(dāng)初始功率流向?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)B 流向節(jié)點(diǎn)A 時，即由分布式電源側(cè)流向主電源側(cè)時，主電源側(cè)電流相位故障前后變化方向?yàn)檎藭r，分布式電源側(cè)電流相位變化與主電源電流相位方向相同。發(fā)生區(qū)外故障時，線路兩端電流相位變化相同，因此，相位變化方向相同。

3 故障區(qū)段定位方法

3.1 故障定位

綜上，發(fā)生故障后，逆變型分布式電源側(cè)電流相位變化方向始終為正；而直接并網(wǎng)型分布式電源與主電源側(cè)的電流相位變化方向與功率流向有關(guān)，當(dāng)電流相位變化方向?yàn)樨?fù)時，故障發(fā)生在測點(diǎn)下游，當(dāng)電流相位變化方向?yàn)檎龝r，故障發(fā)生在測點(diǎn)上游。

典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般為變電站多出線結(jié)構(gòu)，分布式電源多接于變電站出線上。若配電網(wǎng)出線中接入分布式電源為直接并網(wǎng)型分布式電源，線路兩端電流相位變化方向相同時，判斷發(fā)生區(qū)外故障，當(dāng)線路兩端電流相位變化方向相反時，判斷區(qū)內(nèi)故障。

若配電網(wǎng)出線中接入分布式電源為逆變器并網(wǎng)型分布式電源時，首先判斷各節(jié)點(diǎn)上功率流向，根據(jù)故障前后電流相位變化特征，判斷故障區(qū)段。當(dāng)功率由主電源流向分布式電源時，當(dāng)線路兩端電流相位變化方向相反時，判斷區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)功率由分布式電源流向主電源時，故障后，出線上測點(diǎn)測得的電流相位變化方向均為正，僅依靠電流相位變化方向無法確定故障區(qū)段。

3.2 故障類型判斷

利用介紹的單相電流故障區(qū)段判定方法，可以分別判斷出區(qū)段中A、B、C 三相是否發(fā)生故障，從而判斷出故障區(qū)段為單相故障、兩相故障或三相故障。其中，還需要區(qū)分兩相故障是否為兩相相間故障或兩相接地故障。認(rèn)為流過節(jié)點(diǎn)i 和j 節(jié)點(diǎn)的零序電流分別為，當(dāng)發(fā)生兩相相間故障時，，當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時，中至少有一個不為0。

4 算例分析

為驗(yàn)證所提方法的正確性，在PSCAD／EMTDC中對含5 節(jié)點(diǎn)的20 kV 有源配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行仿真。故障仿真模型如圖6 所示。

圖6 典型配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖6 所示的配電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，母線電壓為10.5 kV，系統(tǒng)總負(fù)荷為1.3 MW，設(shè)計(jì)2 個配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，分別將分布式電源全部用逆變器并網(wǎng)型分布式電源、直接并網(wǎng)型分布式電源，考慮多種分布式電源類型接入的情況下，電流相位的變化，通過改變分布式電源出力改變線路中功率流動方向。

分別設(shè)置分布式電源為小型同步機(jī)以及直驅(qū)式風(fēng)機(jī)，當(dāng)分布式電源出力為0.16 MW 時，功率流動方向?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)3 流向節(jié)點(diǎn)4，當(dāng)分布式電源出力為0.64 MW 時，功率流動方向?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)4 流向節(jié)點(diǎn)3，故障f2為區(qū)內(nèi)故障時，故障f3為區(qū)外故障。可得故障前后電流正序分量相位變化如表1—4 所示。

表1 含逆變型分布式電源時區(qū)內(nèi)故障的電源正序分量相位 （°）

表2 含逆變型分布式電源時區(qū)外故障的電源正序分量相位 （°）

表3 含直接并網(wǎng)型分布式電源區(qū)內(nèi)故障時的電源正序分量相位 （°）

表4 含直接并網(wǎng)型分布式電源區(qū)外故障時的電源正序分量相位 （°）

由表1—4 可以看出，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，逆變型分布式電源側(cè)相位變化方向與功率方向無關(guān)，始終為正方向；直接并網(wǎng)型分布式電源與主電源相位變化方向與功率方向有關(guān)，可以得到當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，兩端電流相位變化相同，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，兩端電流變化方向相反。

5 結(jié)語

提出一種適用于主動配電網(wǎng)的故障定位方法。分析配電線路兩端電流相位差在故障前后的變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障后，逆變型分布式電源側(cè)電流相位變化方向始終為正；而直接并網(wǎng)型分布式電源與主電源側(cè)的電流相位變化方向與功率流向有關(guān)，當(dāng)電流相位變化方向?yàn)樨?fù)時，故障發(fā)生在測點(diǎn)下游，當(dāng)電流相位變化方向?yàn)檎龝r，故障發(fā)生在測點(diǎn)上游。配電網(wǎng)中PMU 的應(yīng)用為該方案提供了廣泛的適用前景。