含T接逆變型分布式電源配電網(wǎng)的自適應(yīng)距離保護(hù)

趙建文，張鴻波，胡雨佳

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710600）

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”“碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)，可再生能源發(fā)電得到了重視與應(yīng)用，大量的逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)。分布式電源可以專(zhuān)線(xiàn)或T形方式接入系統(tǒng)[1]。逆變型分布式電源T形接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)潮流方向與短路電流大小均發(fā)生變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)三段式保護(hù)適應(yīng)性變差，保護(hù)的可靠性與靈敏性無(wú)法得到滿(mǎn)足。

為了適應(yīng)含T形接入的IIDG配電網(wǎng)，目前主要有兩類(lèi)保護(hù)方案。一類(lèi)是對(duì)差動(dòng)保護(hù)做出各種改進(jìn)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)逆變型分布式電源T形接后的配電網(wǎng)提出了一種改進(jìn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[3]針對(duì)含有T形接入IIDG配電網(wǎng)提出了一種復(fù)合阻抗差動(dòng)保護(hù)，動(dòng)作門(mén)檻值較大，當(dāng)內(nèi)部故障時(shí)可能拒動(dòng)。文獻(xiàn)[4]提出了基于幅值比的縱聯(lián)保護(hù)，并在含有TT形接IIDG的情況下做出改進(jìn)。文獻(xiàn)[5]利用各類(lèi)電流幅值信息構(gòu)造了充分式判據(jù)，需要采集多種電流信息。此類(lèi)保護(hù)方案需要實(shí)時(shí)獲取線(xiàn)路首末兩端以及DG出口處電氣信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)通信系統(tǒng)要求較高，并且通信存在一定的延時(shí)，例如實(shí)時(shí)性最好的快速報(bào)文仍有著數(shù)毫秒的延時(shí)；除此之外，由于配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，需要大量的投資[6]。另一類(lèi)是在傳統(tǒng)三段保護(hù)的基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)保護(hù)。文獻(xiàn)[7，8]在傳統(tǒng)電流保護(hù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)IIDG接入的配電網(wǎng)提出了一種自適應(yīng)電流速斷保護(hù)。文獻(xiàn)[9]針對(duì)高DG滲透率的配電網(wǎng)提出了一種自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)方案。文獻(xiàn)[10]提出了自適應(yīng)的三段式距離保護(hù)，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，并且精度有限。文獻(xiàn)[11]針對(duì)IIDG接入配電網(wǎng)后提出了一種延時(shí)距離保護(hù)與電流保護(hù)相結(jié)合的方法，保護(hù)構(gòu)成較為復(fù)雜。這類(lèi)方案僅使用保護(hù)本地信息，動(dòng)作速度快，但是如何正確計(jì)算DG電流是保護(hù)正確動(dòng)作的關(guān)鍵。

本文針對(duì)含有T形接入的IIDG配電網(wǎng)，在傳統(tǒng)距離保護(hù)的基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)距離保護(hù)。該保護(hù)方法實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)IIDG輸出電流并用于整定計(jì)算，無(wú)需與遠(yuǎn)方通信，設(shè)備投資少，動(dòng)作速度快，并且在不同的故障條件下均有較高的保護(hù)范圍，通過(guò)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比，證明了該保護(hù)方法的優(yōu)越性。

1 逆變型分布式電源輸出特性分析

并網(wǎng)運(yùn)行的IIDG一般采用PQ控制，通過(guò)雙閉環(huán)控制有功功率和無(wú)功功率的輸出恒定。如果在派克變換中令d軸與電壓矢量同方向，可得到功率輸出[12]的表達(dá)式為

式中：Up為公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）線(xiàn)電壓；Id，Iq分別為IIDG有功參考電流和無(wú)功參考電流。

接入配電網(wǎng)的IIDG應(yīng)具備一定的故障穿越能力[1]，在并網(wǎng)點(diǎn)電壓較低時(shí)，主要輸出無(wú)功功率以支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。故障期間IIDG輸出的無(wú)功電流Iq為

式中：Us為并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為IIDG額定電流；K1與K2為低電壓穿越控制策略的支撐系數(shù)，一般K1不小于1.5，K2不小于1.05。

因此，在系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，IIDG輸出電流由PCC電壓決定，等值為PCC電壓控制的電流源。此外，為了改善系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)IIDG的輸出特性，IIDG采用正序分量的控制策略，在配電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，IIDG仍然只輸出正序故障電流，此時(shí)IIDG等值為PCC正序電壓控制的電流源[13]。

2 T接IIDG對(duì)傳統(tǒng)距離保護(hù)的影響

相較于三段式電流保護(hù)，距離保護(hù)基本不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，有著更優(yōu)秀的保護(hù)性能。然而由于IIDG的T形接入，將導(dǎo)致距離保護(hù)的保護(hù)范圍降低。圖1為配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析IIDG以T形接入后對(duì)距離保護(hù)的影響。

圖1 含T接IIDG的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Distribution network structure diagram including T-connected IIDG

當(dāng)IIDG發(fā)生三相短路時(shí)，得到系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 不同位置故障系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit diagram of fault system at different positions

由圖2（a）可得保護(hù)S2處的電壓為U˙m=I˙mZBC+（I˙DG+I˙m）ZCD。因此，保護(hù)S2處的測(cè)量阻抗為

如果不考慮可靠系數(shù)，則距離保護(hù)S2的整定值為線(xiàn)路BD的阻抗，即：

由于距離保護(hù)為欠量保護(hù)，當(dāng)測(cè)量阻抗小于整定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。對(duì)比式（3），（4）可知，由于IIDG輸出電流的影響，測(cè)量阻抗會(huì)增加一附加阻抗，當(dāng)該附加阻抗與線(xiàn)路阻抗相角差小于90°時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致Zset＜Zm，保護(hù)無(wú)法正確動(dòng)作，保護(hù)可靠性變差。

下面分析IIDG以T形接入后距離保護(hù)的保護(hù)范圍與IIDG滲透率之間的定量關(guān)系。假設(shè)IIDG容量為SDG，系統(tǒng)電源的容量為SS，IIDG滲透率為x%，則根據(jù)滲透率的定義可以得到：

式中：US與IS分別為系統(tǒng)電源的額定電壓與電流；UDG與IDG分別為IIDG的額定電壓與電流。

由于IIDG處于并網(wǎng)狀態(tài)，因此US≈UDG，根據(jù)式（6）可得：

由式（8）可以看出，距離保護(hù)的保護(hù)范圍在不考慮可靠系數(shù)的情況下，已經(jīng)無(wú)法保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)，并且隨著IIDG滲透率的增加，保護(hù)范圍會(huì)進(jìn)一步減小。此時(shí)保護(hù)范圍外的故障需要在一定的時(shí)限以后才能切除，這不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)故障發(fā)生在IIDG上游時(shí)，β為故障點(diǎn)到線(xiàn)路首端占線(xiàn)路BC的比例，此時(shí)保護(hù)S2處的測(cè)量電壓為U˙m=βI˙mZBC，測(cè)量阻抗為因此，當(dāng)IIDG上游發(fā)生故障時(shí)，IIDG不會(huì)影響距離保護(hù)的正常動(dòng)作。

3 自適應(yīng)距離保護(hù)

由前文分析可知，由于T形接IIDG的輸出電流的影響，傳統(tǒng)距離保護(hù)的保護(hù)范圍減小，保護(hù)可靠性與靈敏性變差，并且IIDG的輸出電流受故障位置與控制策略的影響，具有很大的不確定性。如果按IIDG的額定電流進(jìn)行保護(hù)值的整定也同樣不合理，因此有必要提出適用于各種情況的自適應(yīng)距離保護(hù)。

3.1 三相短路

為了正確反應(yīng)各種相間短路故障，阻抗繼電器采用0°接線(xiàn)，由于三相對(duì)稱(chēng)，以反應(yīng)A相故障的繼電器為例，接入繼電器的電壓為U˙m=U˙AB，電流為I˙m=I˙A-I˙B。當(dāng)IIDG上、下游線(xiàn)路末端發(fā)生三相短路故障時(shí)，阻抗關(guān)系如圖3所示。

圖3 阻抗關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of impedance relationship

當(dāng)IIDG下游線(xiàn)路末端發(fā)生三相短路故障時(shí)，可得A相與B相電壓為

因此，保護(hù)處的測(cè)量阻抗為

由于故障發(fā)生在IIDG下游，系統(tǒng)電流I˙A與IIDG輸出電流I˙DGA均從上游流向下游的短路點(diǎn)，K為正，ZBD與KZCD兩者相角差小于90°。當(dāng)IIDG上游發(fā)生三相短路故障時(shí)，系統(tǒng)電流I˙m從上游流向短路點(diǎn)，而I˙DG則從下游流向上游的短路點(diǎn)，K為負(fù)。因此，ZBD與KZCD兩者相角差大于90°。如果仍按式（10）計(jì)算整定值，則阻抗整定值偏小，Zset＜ZBD，當(dāng)DG輸出的電流較大，甚至有可能Zset＜Zm，從而導(dǎo)致保護(hù)的拒動(dòng)。而由前文分析可知，當(dāng)故障發(fā)生在IIDG上游時(shí)，傳統(tǒng)距離保護(hù)不受影響，可以正確動(dòng)作。綜上，可令自適應(yīng)距離保護(hù)的整定值為

3.2 兩相短路

IIDG下游發(fā)生AB兩相短路故障時(shí)，其等效圖如圖4所示。

圖4 兩相短路示意圖Fig.4 Schematic diagram of two-phase short circuit

由圖4可得A相與B相電壓為

同樣，令U˙m=U˙AB，I˙m=I˙A-I˙B，可得保護(hù)的測(cè)量阻抗同式（9）。因此，兩相短路距離保護(hù)的整定值與三相故障相同。不同的是，當(dāng)發(fā)生AB兩相短路時(shí)，由于U˙C=E˙C，將導(dǎo)致B相與C相的繼電器不能正確反應(yīng)保護(hù)處到故障處的阻抗，無(wú)法正確動(dòng)作。

3.3 IIDG輸出電流的實(shí)時(shí)計(jì)算

自適應(yīng)保護(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)及故障類(lèi)型，實(shí)時(shí)計(jì)算出被保護(hù)線(xiàn)路末端短路時(shí)的整定值，然后按照避開(kāi)該整定值的原則對(duì)保護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，因此具有更高的可靠性與靈敏性。為了實(shí)時(shí)獲得IIDG的輸出電流，如果在IIDG出口處加裝電流互感器，并且將IIDG的電流實(shí)時(shí)傳輸至保護(hù)處，無(wú)疑增加了設(shè)備投資與通信負(fù)擔(dān)。因此，利用保護(hù)處故障信息得到IIDG的輸出電流成為關(guān)鍵。隨著微控制器與微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力不斷提高，本文提出了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)IIDG電流的方法，系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hardware structure diagram of adaptive distance protection

由前文分析可知，IIDG在配電網(wǎng)發(fā)生三相短路時(shí)等效為受并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制的電流源，IIDG的電流為

由圖2可知：故障發(fā)生在IIDG下游時(shí)，U˙pcc=U˙m-αI˙mZL2，I˙DG=f（U˙m，I˙m）；故障發(fā)生在IIDG上游時(shí)，U˙PCC-I˙DGZL2=U˙m-I˙mZL2，同樣可得I˙DG=f（U˙m，I˙m）。即無(wú)論故障發(fā)生在IIDG上游或下游，I˙DG都與I˙m和U˙m存在著一定的函數(shù)關(guān)系。但是，由于IIDG的控制策略復(fù)雜多變，難以通過(guò)一具體的函數(shù)公式表示該關(guān)系。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠無(wú)限逼近任意連續(xù)函數(shù)，因此使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)IIDG的電流。

為了得到I˙DG與I˙m，U˙m間的關(guān)系，在IIDG上游與下游分別設(shè)置100次故障，選擇95%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5，分別為U˙m，I˙m的幅值與相位，DG容量5個(gè)變量作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為2，分別為IIDG電流的幅值與相位，隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取3。在故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)保護(hù)處的電氣量信息實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)IIDG的輸出電流并代入整定公式中。DG容量為1 MW，不同位置發(fā)生三相故障的幅值與相位預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出IIDG的輸出電流，最大幅值相對(duì)誤差為1.12%，最大相角相對(duì)誤差為1.37%。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障時(shí)，由于IIDG采用正序分量控制，仍然輸出三相對(duì)稱(chēng)的電流，此時(shí)IIDG等效為受并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓控制的電流源，即：

式中：U˙pcc（1）為PCC電壓正序分量。

因此，發(fā)生兩相短路時(shí)，使用對(duì)稱(chēng)分量法提取U˙m和I˙m正序分量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)

本文在MATLAB中建立含IIDG的10 kV配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ停鐖D7所示。

圖7 含IIDG配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure diagram of distribution network including IIDG

圖中,線(xiàn)路阻抗Z=0.110 0+j0.163 3 Ω/km，線(xiàn)路L1～L5長(zhǎng)度分別為5，10，5，5，3，3 km。負(fù)荷有功功率均為5 MW，各IIDG均采用正序分量的PQ控制及低電壓穿越控制，其中IIDG2有功功率參考值為2 MW，IIDG1以T形接于距離線(xiàn)路首段25%處，有功參考值分別取1，4 MW，以驗(yàn)證不同容量的IIDG對(duì)保護(hù)的影響。阻抗繼電器采用比幅式方向阻抗繼電器，動(dòng)作特性為

4.2 仿真結(jié)果

表1～4為自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比結(jié)果。

表1 自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比結(jié)果（ABC三相故障，DG=1 MW）Table 1 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=1 MW）

表2 自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比結(jié)果（ABC三相故障，DG=4 MW）Table 2 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=4 MW）

表3 自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比（AB兩相故障，DG=1 MW）Table 3 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（AB two-phase fault，DG=1 MW）

表4 自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)的對(duì)比（AB兩相故障，DG=4 MW）Table 4 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC two-phase fault，DG=4 MW）

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，由于IIDG的接入，傳統(tǒng)距離保護(hù)的保護(hù)范圍減小，且減小的程度與IIDG容量有關(guān)。因此，在IIDG下游部分線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)距離保護(hù)將無(wú)法動(dòng)作，無(wú)法滿(mǎn)足保護(hù)的可靠性。而自適應(yīng)距離保護(hù)在不同的條件下可以保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)的80%左右，并且在IIDG上游發(fā)生故障時(shí)，自適應(yīng)保護(hù)退出，不影響保護(hù)的正確動(dòng)作。因此，本文提出的自適應(yīng)距離保護(hù)與傳統(tǒng)距離保護(hù)相比，有著更高的靈敏性與可靠性。

5 結(jié)論

針對(duì)大量IIDG接入配電網(wǎng)后，傳統(tǒng)繼電保護(hù)的不足，本文提出了一種自適應(yīng)距離保護(hù)方案。該保護(hù)方案根據(jù)IIDG的輸出電流，實(shí)時(shí)整定保護(hù)動(dòng)作值，在最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)限切除故障；保護(hù)僅利用本地信息，保護(hù)速動(dòng)性與經(jīng)濟(jì)性較好；保護(hù)范圍基本不受故障類(lèi)型與IIDG容量影響，保護(hù)可靠性較好。由于考慮了可靠系數(shù)，該保護(hù)方案仍無(wú)法保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)，需要與距離Ⅱ段與距離Ⅲ段保護(hù)配合，整定方法類(lèi)似。該保護(hù)方案有利于提高含IIDG配電網(wǎng)的供電可靠性，促進(jìn)可再生能源就近消納。