基于諧波信號注入的含逆變型分布式電源配電網(wǎng)電流差動保護(hù)

李海鋒，張正剛，2，梁遠(yuǎn)升，梁華敏，王 鋼

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省廣州市 510641；2.深圳供電局有限公司，廣東省深圳市 440304）

0 引言

隨著化石能源日趨枯竭，環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，新能源的開發(fā)利用已然成為“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的必由之路。為此，中國電網(wǎng)以能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型為導(dǎo)向，大力發(fā)展以可再生清潔能源為主體、以分布式電源（distributed generator，DG）為重要形式的新型配電系統(tǒng)［1-3］。以主流的逆變型分布式電源（inverter interfaced distributed generator，IIDG）為例，其輸出特性有異于傳統(tǒng)電源，受外部環(huán)境及控制策略影響存在波動性、間歇性和非線性特征，且并網(wǎng)后會令配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單源輻射狀網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)槎嘣淳W(wǎng)絡(luò)。此外，隨著DG 接入容量的增加，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，T接DG 以及T 接負(fù)荷在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提升，則更是進(jìn)一步加劇了含高比例IIDG 接入配電網(wǎng)故障特征的復(fù)雜性，從而對現(xiàn)有配電網(wǎng)繼電保護(hù)提出了極大的挑戰(zhàn)［4-7］。

配電網(wǎng)通常配置三段式電流保護(hù)作為主保護(hù)。但是，對于含DG 的配電網(wǎng)來說，DG 的接入顯著改變了短路電流水平及其分布路徑，導(dǎo)致電流保護(hù)的靈敏性和可靠性明顯下降。為此，國內(nèi)外學(xué)者以自適應(yīng)算法為基礎(chǔ)提出諸多改進(jìn)方案［8-10］。文獻(xiàn)［8］提出一種計及保護(hù)上游IIDG 實時輸出影響的自適應(yīng)電流保護(hù)整定方法；文獻(xiàn)［9］針對IIDG 下游接入場景，利用報文實時調(diào)整上級線路電流Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)定值以提高靈敏度。受DG 類型及其接入方式影響，上述自適應(yīng)算法在IIDG 高比例接入場景下的定值整定相對復(fù)雜，保護(hù)性能有待驗證。

縱聯(lián)保護(hù)作為輸電網(wǎng)常用主保護(hù)，具備良好的速動性和選擇性，故國內(nèi)外學(xué)者將縱聯(lián)保護(hù)引進(jìn)含IIDG 配電網(wǎng)。文獻(xiàn)［11］利用兩端電流幅值和線路外側(cè)等值阻抗提出了改進(jìn)的縱聯(lián)保護(hù)；文獻(xiàn)［12］提出了一種基于兩端正序故障分量電流幅相特性的有源配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方案。但是，上述方法僅適用于IIDG 通過母線并網(wǎng)的運行場景。針對含T 接IIDG的配電網(wǎng)，文獻(xiàn)［13］提出基于故障電流的虛擬多端電流差動保護(hù)方案，但是當(dāng)區(qū)內(nèi)存在T 接負(fù)荷分支時，其容易在外部故障場景下誤跳閘。隨著配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，T 接分支（DG 或負(fù)荷）的滲透率不斷提升，縱聯(lián)保護(hù)方案仍需進(jìn)一步提高其適用性。

隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，原來依賴附加裝置［14］的主動探測式故障識別方法在技術(shù)實現(xiàn)層面得到便利，引起廣泛關(guān)注?！爸鲃犹綔y”思想主張控保協(xié)同，即在電網(wǎng)受擾情況下，由電力電子設(shè)備主動發(fā)出用于探測故障的特征電氣量，保護(hù)裝置基于所注入的故障電氣量的差異構(gòu)成判據(jù)，以實現(xiàn)故障判別等功能。近年來，主動探測式保護(hù)在直流系統(tǒng)的故障檢測、定位與重合閘等領(lǐng)域［15-17］取得諸多研究成果。但是，在含IIDG 的交流系統(tǒng)中，主動探測式保護(hù)方案仍局限于孤島微電網(wǎng)［18-19］、集中式光伏電站的送出線路［20-22］等特定場景，亟待進(jìn)一步探索與應(yīng)用。為此，本文提出了一種基于諧波信號主動注入的含高比例IIDG 配電網(wǎng)電流差動保護(hù)方案。

首先，本文針對基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的光伏型IIDG，簡述了諧波信號主動注入的實現(xiàn)方法及其參數(shù)選取原則；然后，在諧波信號主動注入的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了含T 接IIDG配電網(wǎng)高頻等效電路，分析了兩端諧波信號電流在區(qū)內(nèi)外故障時所呈現(xiàn)的故障特征，并揭示了T 接負(fù)荷分支對上述特征的影響規(guī)律；緊接著，遵循控保協(xié)同思想，提出了一種基于諧波信號主動注入的含高比例IIDG 配電網(wǎng)電流差動保護(hù)方案及其整定原則；最后，通過PSCAD/EMTDC 仿真軟件，進(jìn)一步驗證所提保護(hù)方案在含高比例IIDG 及區(qū)內(nèi)T 接負(fù)荷分支的配電網(wǎng)場景下的有效性。

1 考慮諧波信號主動注入的IIDG 控制原理

1.1 基本思路

當(dāng)加入諧波信號主動注入的附加控制功能后，光伏型IIDG 的系統(tǒng)拓?fù)浼捌淇刂瓶蚣苋鐖D1 所示。圖中：Cdc為直流母線濾波電容；VSC 采用正弦脈寬調(diào)制（sine pulse width modulation，SPWM），逆變出的交流電經(jīng)濾波電感L和升壓變壓器后于公共連接點（point of common coupling，PCC）并 網(wǎng)；uP，abc和iP，abc分別為PCC 處的電壓和電流，經(jīng)低通濾波（low pass filter，LPF）和派克變換后得到對應(yīng)的d軸和q軸分量（uP，dq和iP，dq）；δ為鎖相環(huán)提取的旋轉(zhuǎn)矢量相角；Pout和Qout分別為IIDG 瞬時輸出的有功功率和無功功率；Pref和Qref分別為最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制器提供的有功功率和無功功率的參考值；u*P為PCC 電壓標(biāo)幺值；id，ref和iq，ref分別為內(nèi)環(huán)電流參考值的d、q軸分 量；iH，abc為PCC 處 的 三 相 諧 波 信 號 電 流；uH，abc為疊加的三相諧波信號電壓。

圖1 計及附加控制的IIDG 系統(tǒng)拓?fù)渑c控制框架Fig.1 System topology and control framework of a IIDG with additional control

根據(jù)PCC 電壓跌落程度，計及諧波信號注入的IIDG 控制模式及其電流輸出特性如下。

1）恒功率模式

正常運行時，Pout=Pref，Qout=Qref。為便于實現(xiàn)PQ解耦，將d軸定向于PCC 電壓旋轉(zhuǎn)矢量（即uP，q=0）。此時，IIDG 電流參考值如下：

2）低 電 壓 穿 越（low voltage ride-through，LVRT）模式

當(dāng)PCC 電壓異常跌落時，IIDG 輸出額外的無功電流以提供電壓支撐。在不超過器件過載能力的前提下，LVRT 期間的IIDG 電流參考值等于（假定q軸超前d軸90°）：

式中：IDG，R為額定電流；K1為電壓支撐系數(shù)；K2為無功電流峰值系數(shù)；Kmax為過載電流倍數(shù)。

3）諧波信號的主動注入模式

當(dāng)PCC 電壓異常跌落時，IIDG 除了向外部系統(tǒng)輸出如式（2）、式（3）所示的工頻電流之外，還將注入一定含量的諧波信號電流。

對于采用VSC 的IIDG 而言，在三相電壓調(diào)制波的基礎(chǔ)上疊加諧波信號電壓uH，abc，即可實現(xiàn)諧波信號電流iH，abc的主動注入［23］，無需安裝額外的信號注 入 裝 置，改 造 成 本 較 低。其 中，iH，abc與uH，abc滿 足以下關(guān)系：

式中：ZH，abc為VSC 交流側(cè)的等值諧波阻抗；kT為升壓變壓器的變比，本文取10/0.38。

當(dāng)故障發(fā)生后，為了消除諧波信號電流的實際輸出值與設(shè)定值之間的誤差，諧波源IIDG 需要自適應(yīng)地調(diào)整uH，abc的大小以適應(yīng)ZH，abc的變化（例如，采用比例-積分反饋控制等）。

1.2 諧波控制參數(shù)選取原則

為了實現(xiàn)諧波信號電流的平穩(wěn)注入，需要選取合適的諧波信號相關(guān)控制參數(shù)，例如，注入時長Td、頻 率mH及幅值IH，mg等。

1.2.1 注入時長

為避免諧波長時間注入對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響，諧波源IIDG 在啟動諧波注入后，經(jīng)過固定時長Td后自動閉鎖諧波注入。其中，Td應(yīng)大于區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)方案動作所需最大時長。

1.2.2 頻率

諧波信號的頻率直接影響網(wǎng)架支路等值諧波電抗的大小。隨著頻率的增加，以過渡電阻為主的故障支路對于諧波信號電流的分流作用愈強（即區(qū)內(nèi)外諧波電流特征差異越明顯）。此外，正常調(diào)制過程中IIDG 輸出的諧波以及電網(wǎng)的背景諧波均以奇次分量為主。因此，為凸顯故障特征，理論上諧波源IIDG 應(yīng)注入頻率較大的偶數(shù)次諧波信號電流。但是，當(dāng)諧波含量一定時，諧波信號的頻率越高，不僅其對器件壽命及電網(wǎng)運行的威脅程度越大。同時，為準(zhǔn)確地測量諧波信號，保護(hù)裝置的采樣頻率也需要越高。

綜合考慮上述因素后，本文選擇10 次諧波作為探測信號（本文采樣頻率取5 kHz，諧波信號可被有效測量）。

1.2.3 幅值

為了構(gòu)造清晰的保護(hù)方案動作邊界，理論上諧波信號電流的幅值應(yīng)盡可能大。與此同時，諧波含量越大，對器件自身及電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也將更大。目前，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)對六脈沖逆變器穩(wěn)態(tài)運行時輸出電流的波形畸變率提出了一定要求［24］（10 倍諧波的含有率限值為1%）。但是，對于本文所提方法來說，由于諧波信號電流僅在故障后短時注入，其幅值允許適當(dāng)超過IEEE 所規(guī)定的正常運行時的含有率限值，例如，可取諧波源DG 額定電流的5%～10%［20］。

綜合考慮上述因素后，本文將信號幅值設(shè)置為諧波源DG 額定電流的5%。

2 含高比例IIDG 配電網(wǎng)高頻故障特征分析

2.1 無T 接負(fù)荷場景下的諧波信號電流故障特征

隨著DG 接入容量的增加，T 接IIDG 在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提升。如圖2 所示，配電網(wǎng)采用中性點不接地方式，線路區(qū)段MN內(nèi)部分布配置n個T 接IIDG（DG1至DGn）。當(dāng) 區(qū) 內(nèi)fin處 或 區(qū) 外 相 鄰fout處發(fā)生故障后，DG1開始往電網(wǎng)注入幅值為IH，mg、頻率為mH的諧波信號電流I˙H。

圖2 含T 接IIDGs 的配電網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution network with T-connected IIDGs

在不接地系統(tǒng)中，相間短路故障對系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重，需要保護(hù)準(zhǔn)確識別與動作。因此，本文重點研究三相短路和兩相短路這兩種相間故障類型。以三相短路為例，區(qū)內(nèi)外故障時配電網(wǎng)的高頻等效電 路 如 圖3 所 示。圖 中：和為 線 路MN兩 端保護(hù)裝置所測諧波信號電流，以線路指向母線為正方向（下同）；為故障點所流經(jīng)的諧波信號電流；ZM，H為 上 游 系 統(tǒng) 在M點 的 等 值 諧 波 阻 抗；ZN，H為 下游負(fù)荷分支在N點的等值諧波阻抗；Rf為過渡電阻。為了直觀地揭示諧波信號電流的特征規(guī)律，同時考慮到配電網(wǎng)線路長度通常較短，故在特征分析環(huán)節(jié)忽略線路阻抗。對于采用圖1 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非諧波源IIDG 而言，其輸出特性呈現(xiàn)工頻電流源特征，在高頻等效電路近似斷路。

圖3 區(qū)內(nèi)外故障場景下的高頻等效電路Fig.3 High-frequency equivalent circuit with internal or external faults

式中：kin和kout為反映線路兩端諧波信號電流矢量和大小的比值系數(shù)，下標(biāo)in 和out 分別對應(yīng)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。

由圖3 可知，區(qū)外故障時，由于區(qū)內(nèi)沒有分流，kout將恒等于1。而區(qū)內(nèi)故障時，由并聯(lián)支路分流原理可得kin計算公式如下：

由 于 在 高 頻 網(wǎng) 絡(luò) 中，ZM，H和ZN，H均 位 于 第1 象限（前者呈強感性），ZM，HZN，H和Rf(ZM，H+ZN，H)之間的相位差小于90°，因此kin值始終小于1，且當(dāng)發(fā)生金屬性或Rf較小的相間故障時，kin將遠(yuǎn)小于1，即區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時比值系數(shù)將具有以下特點：

2.2 T 接負(fù)荷對故障特征的影響

以圖4 為例進(jìn)行分析，此時線路MN區(qū)段內(nèi)除了T 接IIDG 之外，還存在T 接負(fù)荷分支。圖中：I˙T，H為T 接負(fù)荷分支所流經(jīng)的諧波信號電流；ZT，H為T接負(fù)荷分支等值諧波阻抗，由配電變壓器等值高頻電抗及負(fù)荷高頻阻抗兩部分組成。

圖4 計及T 接負(fù)荷的配電網(wǎng)故障高頻等效電路Fig.4 High-frequency fault equivalent circuit of distribution network with T-connected load

計及T 接負(fù)荷分支對諧波信號電流的分流作用后，區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時I˙M，H和I˙N，H滿足以下關(guān)系：

由式（9）可知，當(dāng)網(wǎng)架阻抗參數(shù)一定時，k始終大于k，且其差值受Rf與各分支阻抗之間的相對大小影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定量分析T 接負(fù)荷及過渡電阻對比值系數(shù)的影響。

假定諧波頻率fH取500 Hz，ZM，H=j20 Ω，ZN，H=（30+j30）Ω。當(dāng)T 接負(fù)荷功率SLT在0～2 MV·A 范圍內(nèi)變化時（功率因數(shù)取0.9），不同Rf取值下的和k變化情況如圖5 所示。

圖5 T 接負(fù)荷及過渡電阻對比值系數(shù)的影響Fig.5 Influence of T-connected load and transition resistance on ratio coefficient

由圖5 可知，當(dāng)Rf一定時，隨著SLT的不斷增大，k和k均有 所下降；當(dāng)SLT一定 時，與k之間的差值隨著Rf的提升有所減小。因此，在考慮一定的過渡電阻耐受能力及區(qū)內(nèi)T 接負(fù)荷功率的前提下，可以選取出滿足＜且k＞k要求的比值系數(shù)分界值k用于區(qū)內(nèi)外故障識別（如圖5 藍(lán)色虛線所示）。

對于繼電保護(hù)而言，要優(yōu)先確保區(qū)外故障“不誤動”的選擇性。為此，k應(yīng)以區(qū)外故障時k的理論最小值kout，min作為參考，通常需要考慮以下因素：

1）T 接負(fù)荷按最大功率運行，其余負(fù)荷按最小功率運行，即ZT，H取最小值，ZM，H和ZN，H取最大值；

2）由對稱分量法可知，當(dāng)Rf一定時，故障點所流經(jīng)的兩相短路電流小于三相短路電流。因此，kTout最小值需以兩相短路結(jié)果為基準(zhǔn)；

3）為了精準(zhǔn)地求解kout，min，在考慮故障位置和T接負(fù)荷接入位置等因素時還需要計及線路阻抗參數(shù)的影響。

2.3 相鄰區(qū)段的諧波信號電流故障特征

假 設(shè)C端 保 護(hù) 裝 置 所 測 諧 波 信 號 電 流 為。對于相鄰區(qū)段NC而言，諧波源DG1所注入的諧波信號電流I˙H具有穿越性質(zhì)。因此，區(qū)段NC兩端測得 的 諧 波 信 號 電 流 之 和在 區(qū) 內(nèi)/外 故 障時呈現(xiàn)不同的特征：

綜上所述，理論上利用本區(qū)段所注入的諧波信號電流即可構(gòu)建相鄰區(qū)段的電流差動保護(hù)判據(jù)以實現(xiàn)故障判別，即無需額外設(shè)置另一個諧波源DG。限于篇幅等原因，本文后續(xù)主要探討諧波源DG 所在區(qū)段MN的保護(hù)方案。

3 保護(hù)方案

3.1 信號注入啟動判據(jù)

為充分發(fā)揮控保協(xié)同的優(yōu)勢，本文根據(jù)IIDG 利用低壓特征啟動故障穿越的控制特點，進(jìn)而構(gòu)造出適用諧波信號主動注入的啟動判據(jù)：

式 中：uP，L為 諧 波 源IIDG 的PCC 線 電 壓；ρ為 閾 值，為確保一定裕度，本文取額定電壓的90%，實際ρ可根據(jù)靈敏性要求而適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)uP.L滿足啟動判據(jù)后，諧波源IIDG 切換為諧波信號主動注入模式。

3.2 故障識別判據(jù)

由于所提方法基于穩(wěn)態(tài)，考慮到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本文設(shè)置一定的延時約束以確保區(qū)段MN兩端保護(hù)裝置在測量三相電流時諧波源IIDG已經(jīng)實現(xiàn)諧波信號電流的定量輸出。當(dāng)傅里葉分解后的兩端諧波信號電流滿足以下判據(jù)時，即可判別為區(qū)內(nèi)故障：

式中：IK，H為測量電流；IK，H，set為整定電流；tset為啟動延時，本文取40 ms，實際可根據(jù)逆變器的響應(yīng)速度自 適 應(yīng) 調(diào) 整；I˙M，H，y、I˙N，H，y分 別 為M、N兩 端y相 諧 波測量電流，y∈{a，b，c}表示a 相、b 相、c 相；ΔIunb，H為電流互感器傳變誤差所導(dǎo)致的最大不平衡諧波信號電流；Ker為電流互感器的比誤差，本文取10%，實際可根據(jù)保護(hù)電流互感器的準(zhǔn)確級靈活調(diào)整；KSS為電流互感器的同型系數(shù)，本文取0.5。

3.3 保護(hù)方案動作流程與動作時序

本文所提保護(hù)方案的動作流程及其動作時序如附錄A 圖A1 和圖A2 所示。由于M、N兩端所流經(jīng)的電流以工頻分量為主，在使用全波傅里葉算法提取諧波分量時，頻譜分解的時間窗長度取1 個工頻周期（20 ms）。此外，為確保一定的可靠裕度，諧波源IIDG 的注入時長Td應(yīng)大于保護(hù)方案動作所需最大時長，本文取80 ms。

4 算例驗證

在PSCAD/EMTDC 仿真平臺中搭建含高比例IIDG 配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，如圖6 所示。其中，保護(hù) 區(qū) 段MN內(nèi) 部 分 布 配 置3 個T 接IIDG（DG1至DG3，額定容量分別為4、1.5 和1 MW），選取容量最大的DG1作為諧波源，在故障后主動注入幅值IH，mg為16 A（約為5%IDG，R）、頻率fH為500 Hz 的諧波信號電流。需要指出的是，在工程應(yīng)用中，當(dāng)滿足諧波注入條件的DG 有多個時，可以優(yōu)先選擇容量最大的DG 作為諧波源，但這不是必要條件。

圖6 含高比例IIDG 配電網(wǎng)仿真模型Fig.6 Simulation model of distribution network with high penetration of IIDG

配電網(wǎng)電壓等級為10 kV，中性點采取不接地運行方式。上游系統(tǒng)在A點的等值諧波阻抗為j5 Ω，主變壓器容量取20 MV·A。線路的等值諧波阻抗及其對地電容參數(shù)分別為（0.13+j3.4）Ω/km 和0.009 6 μF/km。負(fù)荷分支LM、LN、LC和LT（T 接）的額 定功率 分別為2、3、3 和2 MV·A，功率因數(shù)取0.9。DG 控制參數(shù)K1、K2和Kmax分別取1.5、1.05 和1.2。DG 的滲透率是反映其接入比例的重要標(biāo)志，通常定義為配電系統(tǒng)中DG 容量與負(fù)荷容量相除后得 到 的 百 分 值［25］，本 文 為65%。k1、k2和k3為 故障點。

保護(hù)區(qū)段MN兩端的保護(hù)裝置具有數(shù)據(jù)測量與通信功能，仿真采樣頻率為5 kHz。通過導(dǎo)出三相電流仿真數(shù)據(jù)的方式，在MATLAB 平臺實現(xiàn)頻譜分解及保護(hù)算法性能的驗證。遵循2.2 節(jié)和3.2 節(jié)的 整 定 原 則，動 作 電 流IK，H，set取10.32 A（kout，min=0.695）。

4.1 諧波信號電流注入效果

假設(shè)并網(wǎng)點電壓于10 ms 發(fā)生故障跌落，諧波源IIDG 切換為諧波信號主動注入模式。此時，PCC處流經(jīng)的（正序）諧波信號電流幅值如附錄A 圖A3所示。在控制器的作用下（暫態(tài)過程約40 ms），諧波源IIDG 向外部電網(wǎng)穩(wěn)定注入一定含量的10 次諧波信號電流，電流實際值與設(shè)定值之間的相對誤差很小，具有較高的控制精度。

4.2 區(qū)內(nèi)故障保護(hù)動作特性驗證

假設(shè)保護(hù)區(qū)段MN內(nèi)部k1點發(fā)生Rf=0～40 Ω的相間短路故障，所提保護(hù)方案的動作結(jié)果如表1所示。表中：“T”表示“區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動作”，“ABC”和“BC”分別對應(yīng)“三相短路”和“兩相短路”，下文同。

表1 區(qū)內(nèi)相間故障下的測試結(jié)果Table 1 Test results with internal phase-to-phase faults

以Rf=10 Ω 的BC 相 短 路 為 例，的各相仿真結(jié)果（故障時刻為0.2 s，下同）如附錄A 圖A4 所示。

由表1 和附錄A 圖A4 的測試結(jié)果可知，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生金屬性或經(jīng)過渡電阻的各類相間短路故障時，保 護(hù) 裝 置 所 測 量 的IK，H小 于IK，H，set，所 提 保 護(hù) 方 案 能夠可靠跳閘。

4.3 區(qū)外故障保護(hù)動作特性驗證

假設(shè)保護(hù)區(qū)段外部上游k2點或下游k3點發(fā)生Rf=0～40 Ω 的相間短路故障，所提保護(hù)方案的動作結(jié)果如表2 所示。表中：“NT”表示“區(qū)外故障，保護(hù)返回”，下文同。以k3點發(fā)生Rf=10 Ω 的兩相短路故障為例，的各相仿真結(jié)果如附錄A 圖A5所示。由表2 和圖A5 的測試結(jié)果可知，當(dāng)區(qū)外發(fā)生金屬性或經(jīng)過渡電阻的各類相間短路故障時，保護(hù)裝 置 所 測 量 的IK，H大 于IK，H，set，所 提 保 護(hù) 方 案 能 夠 實現(xiàn)不誤動，即實現(xiàn)故障的選擇性切除。

表2 區(qū)外相間故障下的測試結(jié)果Table 2 Test results with external phase-to-phase faults

4.4 負(fù)荷功率對保護(hù)的影響

假設(shè)區(qū)內(nèi)k1和區(qū)外k2處發(fā)生Rf=20 Ω 的兩相短路故障。若T 接負(fù)荷分支（LT）和其他負(fù)荷分支（LM、LN和LC）的運行功率在0～1.2 倍額定功率內(nèi)變動，所提保護(hù)方案的動作結(jié)果如表3 所示。

表3 不同負(fù)荷功率下的測試結(jié)果Table 3 Test results with different load powers

由表3 中仿真測試結(jié)果可知，在不同的負(fù)荷運行功率（空載或滿載）下，所提保護(hù)方案仍能正確識別區(qū)內(nèi)/區(qū)外故障。

4.5 方法對比

4.5.1 對比常規(guī)雙端工頻電流差動保護(hù)方案

對于適用于含T 接IIDG 配電網(wǎng)的常規(guī)雙端工頻電流差動保護(hù)方案而言，為確保選擇性，其在整定動作電流時除了躲開不平衡電流之外，還需要額外計及IIDG 最大輸出電流的影響，其保護(hù)動作判據(jù)為：

式 中：I˙M，1和I˙N，1為 線 路MN兩 端 保 護(hù) 裝 置 所 測 工 頻電流（下標(biāo)1 表示工頻分量，下同）；Id和Id，set分別為常規(guī)方案中的差動電流及其動作電流整定值；I˙IIDG，max為IIDG 允 許 輸 出 的 最 大 電 流；Iunb，max為 區(qū) 外或正常運行時保護(hù)裝置流經(jīng)的最大不平衡電流。

假設(shè)區(qū)內(nèi)k1和區(qū)外k2處發(fā)生三相短路故障，常規(guī)方法的測試結(jié)果如表4 所示。

表4 常規(guī)電流差動保護(hù)方案的測試結(jié)果Table 4 Test results of conventional current differential protection scheme

由表4 的測試結(jié)果表明，常規(guī)方法雖然能夠可靠避免誤動，但是當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生經(jīng)過渡電阻的相間故障時容易拒動。

4.5.2 對比虛擬多端工頻電流差動保護(hù)方案

文獻(xiàn)［13］提出了一種利用線路兩側(cè)電氣信息實時估算IIDG 電流的方法，并將估算電流納入差動保護(hù)判據(jù)：

式 中：Id，V和IK，set，V分 別 為 虛 擬 多 端 工 頻 電 流 差 動 保護(hù)方案中的差動電流及其動作電流整定值；I˙IIDG，est為各個IIDG 實時輸出電流的估算值；Ktol為誤差系數(shù)，數(shù)值與電流估算方法的準(zhǔn)確性有關(guān)，取0.05。

假設(shè)區(qū)內(nèi)k1和區(qū)外k3處發(fā)生兩相短路故障，文獻(xiàn)［11］所提方法的測試結(jié)果如表5 所示。

表5 文獻(xiàn)[13]所提保護(hù)方案的測試結(jié)果Table 5 Test results of protection scheme proposed in reference [13]

由表5 中仿真測試結(jié)果可知，若保護(hù)區(qū)段內(nèi)部存在T 接負(fù)荷分支，文獻(xiàn)［13］所提方法雖然能夠可靠避免拒動，但是當(dāng)區(qū)外發(fā)生相間故障時容易出現(xiàn)誤動。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于諧波信號主動注入的含高比例IIDG 配電網(wǎng)電流差動保護(hù)，并通過PSCAD/EMTDC 仿真驗證了所提保護(hù)方法的動作性能，結(jié)論如下：

1）針對基于VSC 的IIDG，通過疊加諧波調(diào)制電壓并自適應(yīng)修正的方式，實現(xiàn)一定含量諧波信號電流的主動注入，具有較高控制精度的同時無須安裝額外的信號注入設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較好；

2）利用諧波源DG 所在保護(hù)區(qū)段兩端諧波信號電流矢量和的幅值特征，所提保護(hù)方法能夠可靠識別不同故障類型、不同過渡電阻下的區(qū)內(nèi)外相間短路故障，理論上該思路還可延伸用于相鄰區(qū)段的故障識別；

3）相比于常規(guī)雙端和虛擬多端電流差動保護(hù)方法，當(dāng)區(qū)內(nèi)存在T 接IIDG（高比例）或者T 接負(fù)荷分支時，所提保護(hù)方案仍能正確動作。

在后續(xù)的研究中，除了可以分析探測信號的其他故障特征，如阻抗、功率等之外，還可進(jìn)一步研究探測信號與原有工頻分量在故障特征方面的關(guān)聯(lián)互補性，進(jìn)而構(gòu)成更多新的保護(hù)判據(jù)。

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