含T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方案

0 引 言

随着传统能源的逐渐衰竭以及人们环保意识的不断提高，世界各国开始将目光转向了清洁、高效和灵活的发电方式——分布式发电(Distributed Generation，DG)[1]。然而，大量分布式电源接入配电网使传统单电源辐射式网络变成了多端电源供电网络，导致故障电流大小和方向发生改变[2-3]。此外，逆变型分布式电源(Inverter Interfaced Distributed Generation，IIDG)电流输出方式相比传统电源更加复杂，其输出电流由控制策略决定[4]。上述问题易引起传统电流保护误动、拒动，威胁电网安全。因此，需要一种能适应IIDG并网的故障判据方法，以确保保护可靠动作。

文献[5-6]通过改进传统电流保护方案整定判据，提出适合IIDG接入的自适应保护方案，但由于需要实时获取配网的所有IIDG信息，使得计算量增大，影响保护速动性。基于纵联保护良好的选择性和速动性，大量文献对纵联保护应用于含IIDG配电网的保护方案进行了研究。文献[7]提出了故障同步识别技术，可准确计算线路两端电流相位差，但未涉及线路分支负荷对保护的影响。文献[8]提出了一种基于区内外故障正序阻抗差异的纵联保护，但未考虑IIDG的T形接入方式。随着IIDG在配网中渗透率的提高，T接方式接入位置灵活、投资成本低等优点逐渐显现[9]。文献[10]提出了IIDG以T接方式接入配网后的纵联保护方案，但未涉及多个IIDG接入情况。

在考虑了IIDG输出特性的情况下提出了一种适应多个IIDG以任意位置接入配网的纵联保护原理，该原理考虑了区内分支负荷对保护的影响，采用带有制动特性的保护判据来区分区内外故障，无需各端数据同步采样。同时，引入辅助判据消除了该原理在三相金属性短路故障时的死区[11]。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真分析验证了本方案的正确性。

1 IIDG的控制特性与等值模型

经逆变器间接并网的IIDG普遍采用PQ控制策略，通过调节有功电流和无功电流实现对有功功率和无功功率的控制。由此，IIDG控制方程为：

(1)

式中 Pout和Qout分别为IIDG输出的有功功率和无功功率；Upcc为dq同步旋转坐标系d轴分量的并网点电压；Id和Iq分别为dq同步旋转坐标系d轴分量的有功电流和q轴分量的无功电流。

在配电网发生故障时，电网电压的跌落将不利于电网的稳定运行，根据国内对IIDG的并网要求，IIDG需具备低电压穿越能力。受逆变器短路容量的限制，DG允许输出的最大短路电流一般不超过额定电流的2倍[12]。IIDG优先输出无功电流与系统侧共同支撑电网电压的稳定，其输出的无功电流与并网点电压满足如下关系[13-14]：

(2)

式中 Us为并网点电压标幺值，其基准值为电网额定电压；IN为IIDG额定电流；K为低电压穿越控制策略的支撑系数，K1要求不小于1.5，K2要求不小于1.05。

配电网故障时，若Us>0.9，IIDG效率最高，仅输出有功电流；若Us<0.9，主要输出无功电流以支撑并网点电压。从充分利用清洁能源角度出发，在满足低电压穿越要求的前提下，应尽可能多的输出有功功率。而有功电流的输出受并网点电压跌落情况以及逆变器短路容量的影响，实际的有功电流输出为：

(3)

配网在发生不对称短路故障时IIDG存在负序电流以及大量谐波电流[15]，为改善IIDG输出特性，用IIDG并网点正序电压作为参考量，将IIDG等效为受并网点正序电压控制的电流源。

2 含逆变电源T接配网的纵联保护方案

2.1 基于复合差动阻抗的纵联保护原理

图1为含多个IIDG的配电网模型。其中，含T形接入的分布式电源IIDG1，接在母线上的分布式电源IIDG2、IIDG4，接在线路末端的分布式电源IIDG3，CBj(j=1, 2, 3.....)表示配置相应编号的保护装置，fi(i=1, 2, 3, 4, 5)表示故障位置。以线路AB段作为研究对象，理论分析保护馈线区内外故障差异。

图1 含IIDG的配电网系统

Fig.1 Distribution network system with IIDG

(1)区外故障。当被保护线路AB下游f3处发生故障时，暂不考虑区内分支负荷对保护的影响，故障正序分量网络如图2所示。其中，Es为系统等值电势，Zs为系统侧等值阻抗；Z1、Z2、Z3分别为保护1与保护2、保护3与保护4、保护4与f3间线路阻抗；ZΣ为故障点右侧等值阻抗；Zf为过渡电阻。

图2 区外f3故障正序分量网络

Fig.2 Positive sequence component network of

external fault f3

规定电流流出母线的方向为正方向，保护1和保护4处的正序电压分别为：

(4)

(5)

式中 Ui+分别为第i处保护正序电压；Ii+分别为第i处保护流过的正序电流(i=1, 2, 3, 4)。

由式(4)、式(5)可知：

(6)

式中 Z12=Z1+Z2。

(2)区内故障。当保护范围内f1处发生短路故障时，故障正序分量网络如图3所示。其中，x为保护1到f1线路长度占保护1到保护2线路长度的比例；Z∑1为保护4右侧等值阻抗。

图3 区内f1故障正序分量网络

Fig.3 Positive sequence component network of

internal fault f1

根据图3，可以得出保护1、保护4以及IIDG1并网点电压分别为：

(7)

(8)

(9)

同样将式(7)～ 式(9)联立求解，可得：

(10)

将式(10)与式(6)比较，式(10)等号右边除了线路AB两端之间阻抗外，还多出一个与过渡电阻Zf有关的附加量。将附加量中与Zf的乘积相看做关于自变量I1+和I2+的函数g=(I1++I2+)2/I1+I2+，暂不考虑电流相位，函数g中分子大于等于四倍分母，函数绝对值|g|的最小值为4。若能确定故障类型，将Zf看做一个常数，则附加量的绝对值大于等于4Zf。

定义：为复合差动阻抗。由以上分析可知：

(1)在某段线路保护内部发生故障时，复合差动阻抗Zd>0；

(2)在某段线路保护区外发生故障时，复合差动阻抗Zd=0。

因此，基于被保护馈线区内外故障时的差异，可根据Zd大小构成纵联保护原理。为躲过最大不平衡电流，同时考虑区内不可测分支负荷对保护的影响，需设置一个门阀值Zset，Zset可由实际情况确定。该原理适用于多个IIDG以T接方式接入配电网。

2.2 三相金属性短路故障辅助判据

在保护馈线区内发生三相金属性短路故障时，式(10)中附加量随过渡电阻一同为零，此时判据Zd大于零不成立，因此会引起保护误动。针对该问题，引入T型线路电流差动保护原理作为辅助判据。

如图4所示，忽略保护区内分支负荷的影响，未发生故障或区外故障时，图中各端电流IA、IB、IS之和接近为零；区内故障，三者之和等于故障电流。将各端故障分量中幅值最大值计为Imax，其余两端电流相量之和计为IΣ。内部故障时，Imax和IΣ接近同相位，外部故障时，两者接近反相。

图4 T型线路示意图

Fig.4 Schematic diagram of T-type transmission line

根据以上特征，引入T型线路电流差动保护判据：

(12)

式中 θ为Imax与IΣ之间的夹角，一般在0～180°之间。

式(12)内部故障时，制动量接近为零，保护可靠动作；外部故障时，制动量接近无穷大，保护可靠不动。与第2.1节构成的纵联保护相配合，共同组成含T接逆变型分布式电源配电网的纵联保护方案。前者采用正序电压控制来改善IIDG的输出特性，通过实际情况给定整定门阀值；后者利用区内外各端故障电流的相角差异，引入作为制动系数，建立辅助判据消除主判据在三相金属性短路故障时的判据死区，提高保护动作可靠性。

2.3 保护方案的实现

利用三相电流互感器采集保护区段AB两端电流信息、区内IIDG并网点两侧电流信息；三相电压互感器采集AB两端电压信息以及区内IIDG并网点电压信息。用卡尔曼滤波器对电流电压进行滤波后，提取电流电压正序分量，计算Zd。若Zd大于Zset，则可判定故障发生在保护范围内，保护动作；若Zd大于Zset不成立，而式(12)成立，仍可判定被保护馈线内部故障，保护动作；若两者均不成立，即为系统正常运行或故障发生在保护范围之外，保护不动作。然而对于单相短路故障时故障电流特征不明显，本方案暂时无法进行有效识别，需配置专门的单相故障保护装置进行故障切除。保护方案流程如图5所示。

图5 保护方案流程图

Fig.5 Flow chart of protection scheme

3 仿真结果

3.1 仿真系统及参数

为验证此方案的有效性，利用PSCAD仿真平台搭

建的10 kV含IIDG的配电网模型，如图1所示。其中系统的基准容量为100 MV·A，分布式电源IIDG1、IIDG2、IIDG3及IIDG4采用PQ控制策略，有功功率分别为400 kW、600 kW、500 kW及600 kW。各节点负荷均设定为1 MW，功率因数为0.85。考虑分支负荷对保护策略的影响，在线路AB段接入分支负荷，故障门阀值Zset取20。

3.2 仿真结果

表1显示了除三相金属性短路故障外不同故障类型下不同故障位置f1～f5的仿真结果。在区外发生故障时，不同故障类型对相同故障位置的Zd大小几乎没有影响，均满足Zd小于Zset，保护不动作。在区内发生故障时，即使发生最严重的三相短路故障，依然能保证Zd大于Zset，保护正确动作。即除三相金属性短路外，无论发生何种故障，保护均能准确动作。表2显示了在不同过渡电阻下不同故障位置f1～f5的仿真结果。区外故障时，Zd随过渡电阻的变化不大，Zd远小于Zset，保护不动作。区内故障时，Zd随过渡电阻的增大而减小，但Zd依然大于Zset，保护准确动作。表3显示了区内分支负荷为线路末端负荷量的不同占比在不同故障位置f1～f5的仿真结果。当发生区外故障时，相邻馈线故障影响较大，Zd随着分支负荷的增大而增大，对下游故障Zd大小几乎没有影响，Zd均小于Zset，保护不动作。区内故障时，Zd变化较小，保持Zd大于Zset，保护准确动作。表1～表3分别讨论了不同故障类型、不同过渡电阻和不同区内分支负荷对保护判据的影响。将其中最易误判的三相短路、过渡电阻80 Ω、区内分支负荷占末端总负荷90%三者进行组合并仿真，在合理选择门槛值的情况下，保护依然能准确动作。表4显示了不同位置发生三相金属性短路故障时，辅助判据均能有效区分区内外故障，保护具有较高灵敏性和可靠性，保护准确动作。

表1 不同故障类型下的仿真结果(Zf=1 Ω)

Tab.1 Simulation results under different fault types (Zf =1 Ω)

表2 不同过渡电阻下的仿真结果(A、B两相短路)

Tab.2 Simulation results under different transition resistors (A、B two-phase short circuit)

表3 区内不同分支负荷下的仿真结果(A、B两相短路，Zf=1 Ω)

Tab.3 Simulation results under different branch loads in the area (A、B two-phase short circuit, Zf=1 Ω)

表4 不同位置发生三相金属性短路故障的仿真结果

Tab.4 Simulation results of three-phase gold short circuit fault at different positions

4 结束语

提出了一种含逆变电源T接配网的纵联保护原理，定义了复合差动阻抗并分析其幅值大小进行故障识别，故障特征明显，方法简单易行。同时，引入辅助判据消除了该原理在三相金属性短路故障时的死区。仿真结果表明，该方案不受故障类型、过渡电阻、区内分支负荷等因素的影响，验证了本方案的合理性与有效性。