孫景釕，李永麗，李盛偉，金 強

(天津大學(xué)電力系統(tǒng)仿真控制教育部重點實驗室，天津 300072)

含分布式電源配電網(wǎng)的快速電流保護方案

孫景釕，李永麗，李盛偉，金 強

(天津大學(xué)電力系統(tǒng)仿真控制教育部重點實驗室，天津 300072)

為了能更快地切除故障，在對含分布式電源(DG)配電系統(tǒng)進行故障分析的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于含DG配電網(wǎng)的快速電流保護方案．該方案需要在DG的上游區(qū)域為每個保護配置OC、DGOC、AOC、DGAOC 4個獨立的保護模塊，其中加速模塊AOC和DGAOC可以利用跳開端斷路器的動作信息來加速斷開本端斷路器．故障發(fā)生后，根據(jù)方向元件的判斷結(jié)果，相應(yīng)的保護模塊可以自適應(yīng)地啟動并正確動作．仿真結(jié)果表明，該方案能夠在不改變配電系統(tǒng)原有斷路器配置的前提下快速地將故障線路從兩端切除，并且不用將DG退出運行，可以使其繼續(xù)維持對周圍負荷的供電．因此，該保護方案能夠改善含DG配電系統(tǒng)的保護性能．

分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；故障分析；快速電流保護方案

近年來，由于分布式電源(distributed generation，DG)在環(huán)保、經(jīng)濟性等方面有明顯優(yōu)勢，因此受到了人們極大的關(guān)注．大量DG接入配電網(wǎng)以后，會給配電網(wǎng)的保護帶來一定的影響[1-2]．為解決此問題，目前的研究多是集中在基于通訊的保護上[3-5]．這類保護利用了多點信息，與傳統(tǒng)的基于本地信息的保護相比有很多優(yōu)點．但是由于此類保護對通訊可靠性要求很高，一旦通訊出現(xiàn)問題，保護也將失效．因此，對于接有DG的配電網(wǎng)，研究傳統(tǒng)的基于本地信息的保護仍然是非常必要的．為此，文獻[6]指出可以通過對傳統(tǒng)配網(wǎng)保護重新進行整定然后加裝方向元件來消除DG帶來的影響．但是傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護主要是電流保護，其選擇性需要通過時限來配合，越靠近電源點的保護，動作速度越慢．然而，對于接有DG的配電網(wǎng)，一般希望保護能更快地切除故障，以減輕短路對DG造成的影響[7]．因此，有必要對傳統(tǒng)的電流保護加以改進以適應(yīng)含DG配電系統(tǒng)對保護快速動作的要求．

在DG接入配電網(wǎng)之前，為了提高電流保護的動作速度，很多學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究，并提出了相繼速動保護或無通道保護的原理[8-12]，這類保護可以利用對端斷路器的動作信息來加速跳開本端斷路器，從而加速故障的切除．但是傳統(tǒng)的配電網(wǎng)屬于單端電源輻射型網(wǎng)絡(luò)，其所帶的線路是單斷路器線路．DG的接入，改變了配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使DG上游區(qū)域出現(xiàn)雙端電源但每條線路只有單個斷路器的新情況，而且DG的接入也使配電網(wǎng)的故障特征與DG未接入時有所區(qū)別．基于此，筆者在對含DG配電系統(tǒng)進行故障分析的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于含DG的單斷路器配電線路的快速電流保護方案．

1 含DG配電系統(tǒng)的故障分析

分布式電源的種類很多，按照運行方式的不同一般可以將其分為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機型DG和逆變型DG(IIDG)．IIDG通過電力電子裝置與電網(wǎng)并聯(lián)，它是目前DG的主要形式，即使對于風力發(fā)電機、微型燃氣輪機等，很多情況下也是先整流再經(jīng)逆變控制裝置連接到電網(wǎng)，這樣可以彌補傳統(tǒng)電機直接并網(wǎng)帶來的一系列不足．

IIDG一般采用電流型PQ控制方式并網(wǎng)，即通過調(diào)整逆變器輸出的電流使DG輸出的P和Q達到設(shè)定值．當系統(tǒng)發(fā)生故障時，在故障后的瞬間會有一個暫態(tài)過程，DG輸出的功率會變大，但該過程持續(xù)的時間很短，DG輸出的功率會很快又回到設(shè)定值[13]；而且一般認為故障后一段時間內(nèi)，DG輸出功率的設(shè)定值保持不變．因此，在研究帶時限的電流保護時，可以把IIDG看作是一個恒功率源．由于故障后DG接入點的電壓下降，為了維持輸出功率的恒定，其輸出的電流就會變大．對于采用電流型控制方式的DG，其輸出的是三相平衡電流[14]．

圖1(a)所示為一在母線B處接有IIDG的簡單配電系統(tǒng)，當在線路AB的K點發(fā)生短路時，可以用1個電流源來代替IIDG進行故障分析，其值為故障后IIDG輸出的電流，用I表示．將圖1(a)所示的故障狀態(tài)分解為故障前的正常運行狀態(tài)和故障附加狀態(tài)，圖1(b)所示為相應(yīng)的故障附加狀態(tài)，圖中，U˙K

圖1 接有IIDG配電系統(tǒng)的故障分析圖Fig.1 Fault analysis of distribution system with IIDG

與IIDG的故障分析結(jié)果不同，對于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機型DG，由于其性能與傳統(tǒng)的發(fā)電機一樣，可以等效為電勢源與阻抗的串聯(lián)．當發(fā)生兩相短路時，保護安裝處仍然有

圖2 序分量網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Sequence component network

2 含DG配網(wǎng)的快速電流保護配置方案

DG接入配電網(wǎng)以后，將使傳統(tǒng)的單電源配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使配電網(wǎng)變?yōu)殡p電源甚至是多電源系統(tǒng)．以前一般不允許DG孤島運行，均采用反孤島保護即系統(tǒng)故障時主動將DG退出的保護控制方案．在這種情況下線路發(fā)生故障時，由于DG已由反孤島保護切除，不再向故障點提供電流，故此時允許只斷開系統(tǒng)側(cè)的斷路器．但這樣做違背了安裝DG的初衷，有可能導(dǎo)致對DG周邊重要負荷供電的中斷，同時也損害了分布式發(fā)電廠商的利益．隨著DG的快速發(fā)展，尤其是微電網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)以后，在發(fā)生線路故障時，要求DG不能退出運行，即允許其孤島運行，此時就要求將故障線路從兩端進行隔離，而不能只斷開系統(tǒng)側(cè)一端．但是傳統(tǒng)的配電線路一般只在系統(tǒng)側(cè)裝設(shè)斷路器，如果對配電網(wǎng)進行改造，在每段線路的兩側(cè)都安裝斷路器并配置相應(yīng)的保護裝置，那么投資將非常大．

圖3所示為簡單的輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)，當沒有DG接入時，在每段線路的系統(tǒng)側(cè)需要配置傳統(tǒng)的定時限過電流保護，保護之間按照一定的時間階梯進行配合以保證選擇性．當在饋線1的母線E處接入DG以后，如果在DG的上游區(qū)域如K1點發(fā)生短路，為了能從線路的兩端切除故障且不加裝新的斷路器，一般希望斷路器1和2能夠同時動作，此時就需要對DG上游區(qū)域的保護進行改進．以保護2為例，此時保護2必須既能反映線路AB上的故障，又能反映線路BC上的故障．為此DG上游每個斷路器處所配置的保護需要能夠同時反映正反兩個方向的故障，即需要同時配置系統(tǒng)側(cè)的定時限過電流保護OC和DG側(cè)的定時限過電流保護DGOC兩個保護模塊，分別反映保護安裝處下游和上游的故障．這兩個保護模塊設(shè)定的動作時限也不一樣，系統(tǒng)側(cè)的OC模塊需要與DG下游的保護進行時間階梯上的配合；而為了能保證在相鄰饋線2上發(fā)生故障時，饋線1上DG上游的DGOC模塊不會誤動作，其需要與相鄰饋線2上的保護進行時間上的配合．另外，為了能更快地切除故障，還需要為每個保護分別配置系統(tǒng)側(cè)的加速模塊AOC和DG側(cè)的加速模塊DGAOC，它們將根據(jù)與其配合的對端保護的動作信息來加速跳開本端斷路器．因此，DG上游的每個保護需要配置4個獨立的保護模塊以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定時限過電流保護，這4個獨立模塊可以根據(jù)需要選擇投入與否．

圖3 簡單的輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.3 A simple radial distribution system

一般情況下OC和DGOC模塊必須投入，它們可以在加速模塊拒動時起作用．故障發(fā)生后，保護將根據(jù)方向元件的判斷結(jié)果自適應(yīng)地選擇啟動OC或者DGOC模塊．規(guī)定故障電流的正方向為母線指向線路，則當故障方向為正時，表明故障發(fā)生在保護安裝處下游位置，啟動系統(tǒng)側(cè)的OC模塊；當故障方向為負時，表明故障發(fā)生在保護安裝處的上游位置，啟動DG側(cè)的DGOC模塊．OC和DGOC模塊可以按照傳統(tǒng)的方法來進行整定，如果DG的出力隨機變化較大，用傳統(tǒng)方法無法滿足保護的靈敏度要求時，可以考慮采用基于本地量信息的自適應(yīng)電流保護[15]．

AOC、DGAOC模塊則需要根據(jù)本端OC、DGOC模塊和與其配合的對端DGOC、OC模塊的動作時間決定投入與否，只有在對端相應(yīng)保護模塊的動作時間比本端短時才會選擇投入．如圖3中所示的保護2，當故障發(fā)生在BC段時，由于其OC模塊動作時間為1.5,s，而與其配合的保護3的DGOC模塊的動作時間為1.3,s，所以保護2應(yīng)投入AOC模塊；當故障發(fā)生在AB段時，保護2的DGOC模塊的動作時間為0.9,s，與其配合的保護1的OC模塊的動作時間為1.9,s，所以保護2不用再投入DGAOC模塊，而保護1則需要投入AOC模塊．

我國配電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用的是中性點不直接接地方式，所以本方案中加速模塊采用的啟動判據(jù)[9]為

式中0R為啟動判據(jù)的門檻值．通過第1節(jié)中對含IIDG配電系統(tǒng)的故障分析可知，當系統(tǒng)中接有IIDG時，1I會受到DGIΔ的影響，為此可適當減小0R以消除帶來的影響．一般情況下，0R可取為0.4，接有IIDG后，0R可取0.1～0.2．當發(fā)生不對稱故障后，保護也將根據(jù)故障方向自適應(yīng)地啟動AOC或DGAOC模塊．

本方案加速模塊采用的動作判據(jù)為

式中：SI為非故障相電流采樣值的突變量；ε為突變量門檻值．只有在加速時間段內(nèi)故障仍然存在，即R仍然大于0R，而且SI滿足式(2)時，才認為是對端斷路器跳閘，從而加速跳開本端斷路器．加速時間段的整定需要考慮其對端相應(yīng)保護模塊的動作時間，如圖3中的保護2，由于其對端保護3的DGOC模塊動作時間為1.3,s，故保護2的AOC模塊的加速時間段可以整定為1.3～1.4,s[9]．由第1節(jié)中的分析可知，在故障后的一段時間內(nèi)，DG的出力不再變化，而本判據(jù)只有在故障后的加速時間段內(nèi)起作用，所以，加速模塊一般情況下不會誤動作．

圖3給出了各保護模塊的投入情況及相應(yīng)的時間整定值．需要說明的是，當線路DE發(fā)生故障時，為了能從線路兩端切除故障且不使DG退出運行，需要在DG接入點的上游位置加裝1個斷路器和保護裝置6，這可以在安裝DG的同時進行，實現(xiàn)比較方便．保護6與饋線1首端的保護1一樣，由于不用反映反方向故障，因此只需根據(jù)需要投入DGOC模塊及相應(yīng)的加速模塊即可．

對于DG下游的保護，如果DG安裝的位置離系統(tǒng)側(cè)比較遠，在下游發(fā)生故障時，由于本身過電流保護的動作時間比較短，且不要求從線路兩端切除故障，故此時可仍配置傳統(tǒng)的定時限過電流保護．當然，如果DG安裝的位置離系統(tǒng)側(cè)較近，為了能更快地切除下游故障，可以參考文獻[11]中介紹的保護方案對下游保護進行配置，以加速故障的切除．對于沒有接DG的相鄰饋線2，處理方法類似．

當配電網(wǎng)接有多個DG或多條饋線時，對于含DG饋線上保護的改進以及配置方法完全類似．

3 仿真驗證

以圖3所示的10,kV中性點不接地配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對含DG系統(tǒng)的快速電流保護方案進行仿真驗證．系統(tǒng)的基準容量為500,MVA，基準電壓為10.5 kV．線路AB、BC、

為架空線路，線路參數(shù)為x1=0.347為地下電纜，線路參數(shù)每個節(jié)點處接有額定容量為6,MVA、額定功率因數(shù)為0.85的負荷．IIDG接在母線E處，采用PQ控制方式，額定容量為10 MVA．

針對上述系統(tǒng)，本文加速模塊啟動判據(jù)的門檻值取為0.1，動作判據(jù)的門檻值根據(jù)潮流分布情況取為20,A．系統(tǒng)在0 s時刻發(fā)生故障，故障類型為BC兩相短路．

3.1 線路AB末端K1點處發(fā)生兩相短路

當DG上游線路AB末端K1處發(fā)生BC兩相短路時，保護1的OC模塊以及保護2、3、4、6的DGOC模塊都將啟動，同時保護1的AOC模塊以及保護4和保護6的DGAOC模塊也將啟動，其中各加速模塊感受到的R和SI值分別如圖4～圖6所示．由圖可知，在故障發(fā)生以后，由于保護2的DGOC模塊動作時間最短，它將于0.9,s首先動作斷開相應(yīng)斷路器．而在保護2動作以后，只有保護1的AOC模塊在加速時間段0.9～1.0,s內(nèi)仍能感受到故障存在，且非故障相的電流采樣值突變量大于門檻值，滿足加速條件，從而加速跳開本端斷路器，將故障線路AB從兩端隔離，這比傳統(tǒng)的動作時間1.9,s縮短了將近1,s．如果保護1的AOC模塊拒動，其OC模塊將作為近后備在延時到達后動作切除故障．保護4和保護6的DGAOC模塊在加速時間段內(nèi)或者兩個條件都不滿足，或者能感受到故障存在，但是非故障相的電流沒有突變，所以它們都不會誤動作，能夠正確返回．保護3、4、6的DGOC模塊也將在故障被切除后正確返回．

圖4 K1處發(fā)生BC兩相短路時保護1的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 1

圖5 K1處發(fā)生BC兩相短路時保護4的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 4

圖6 K1處發(fā)生BC兩相短路時保護6的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 6

在故障線路AB被切除以后，DG將與其周圍的一些負荷形成孤島，繼續(xù)維持對它們的供電．當然，在形成孤島之后，為了維持孤島內(nèi)功率的平衡以及電壓頻率的穩(wěn)定，需要進行孤島劃分．

3.2 線路EF末端K2點處發(fā)生兩相短路

當DG下游線路EF末端K2處發(fā)生BC兩相短路時，保護1、2、3、4的OC模塊以及保護1、2的AOC模塊均將啟動，各加速模塊感受到的R和SI值如圖7和圖8所示．由圖可知，當故障發(fā)生后，保護5的定時限過電流保護將在0.3,s的時刻率先動作切除故障，從而保護1和保護2的AOC模塊在各自的加速時間段內(nèi)不會再感受到故障，且非故障相的電流也沒有突變，所以它們不會誤動作，能夠正確返回．同樣，保護1～4的OC模塊也將在故障切除以后正確返回．

圖7 K2處發(fā)生BC兩相短路時保護1的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 1

3.3 線路AG首端K3點處發(fā)生兩相短路

當相鄰饋線2的線路AG首端K3處發(fā)生BC兩相短路時，保護2、3、4、6的DGOC模塊以及保護4、6的DGAOC模塊均將啟動，各加速模塊感受到的R和SI值如圖9、圖10所示．由圖可知，當故障發(fā)生后，保護7的定時限過電流保護在0.5 s的時刻率先動作，將故障切除，因此保護4和保護6的DGAOC模塊在各自的加速時間段內(nèi)將不會再感受到故障，且非故障相的電流也不會有突變，所以它們也不會誤動作，能夠正確返回．保護2、3、4、6的DGOC模塊也將在故障切除以后正確返回．

通過上面的仿真可以看出，在DG上游發(fā)生故障時，本電流保護方案都能夠正確地動作，且動作時間大大縮短；而在DG下游或相鄰饋線發(fā)生故障時，保護都能可靠不誤動．

4 結(jié) 語

圖8 K2處發(fā)生BC兩相短路時保護2的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 2

圖10 K3處發(fā)生BC兩相短路時保護6的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 6

圖9 K3處發(fā)生BC兩相短路時保護4的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 4

考慮到本方案中加速模塊動作判據(jù)門檻值的選取與實際的潮流分布有關(guān)，而DG出力的變化會影響到潮流的分布，所以筆者還對DG出力發(fā)生變化時的情況進行了大量仿真，仍然能夠得到上述結(jié)論．當然，實際系統(tǒng)要比上述的仿真系統(tǒng)復(fù)雜得多，為了能可靠躲開電流擾動的影響，門檻值可以適當取得高一點，經(jīng)此處理以后即使加速模塊拒動，但是由于OC、DGOC模塊的存在仍然能夠保證保護的正確動作，所以采用本文提出的保護方案仍能在一定程度上改善含DG配電系統(tǒng)保護的性能．

在DG接入配電網(wǎng)以后，配電網(wǎng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，而且短路后的故障特性也與傳統(tǒng)配電網(wǎng)的故障分析結(jié)果有所不同．考慮到我國配電網(wǎng)一般只在系統(tǒng)側(cè)裝設(shè)斷路器，但是接入DG后在線路發(fā)生故障時又要求能從兩端快速切除故障線路，所以本文在對含DG配電系統(tǒng)進行故障分析的基礎(chǔ)上，提出一種適用于含DG的單斷路器配電線路的快速電流保護方案．本方案需要在DG的上游區(qū)域為每個保護配置OC、DGOC、AOC和DGAOC 4個獨立的保護模塊，其中加速模塊AOC和DGAOC可以根據(jù)跳開端引起的非故障相電流的突變來決定是否加速斷開本端斷路器．通過對具體系統(tǒng)的大量仿真，驗證了本保護方案的正確性．

需要指出的是，本文提出的保護方案中加速模塊的判據(jù)并不適用于三相短路的情況，當發(fā)生三相短路時，仍需按照傳統(tǒng)的定時限過電流保護模塊來切除故障．但是在實際的配電網(wǎng)運行情況中，不對稱短路發(fā)生的幾率要比三相短路高得多，所以對于含DG的配電網(wǎng)，本文提出的保護方案仍具有較高的實用價值．

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A Fast Current Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations

SUN Jing-liao，LI Yong-li，LI Sheng-wei，JIN Qiang
(Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on fault analysis of the distribution system with distributed generations(DGs)，a fast current protection scheme has been proposed to clear the fault quickly. In the scheme four independent protection modules OC，DGOC，AOC and DGAOC are configured for each relay at the upstream side of DG，among which the acceleration modules AOC and DGAOC can speed up the operation of relays following the operation of the circuit breaker at the remote end. After a fault occurs，the relevant protection modules can startup adaptively and operate correctly according to judgement of the direction component. Simulation results show that，with the proposed scheme，the fault line can be cut off quickly at two ends without changing the original configuration of the circuit breakers or disconnecting DG，so that it continues to supply power for loads around. Therefore，the proposed protection scheme can improve the protection performance of the distribution system with DG.

distributed generation；distribution system；fault analysis；fast current protection scheme

TM773

A

0493-2137(2010)02-0102-07

2008-12-19；

2009-03-23.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2009CB219704)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2007AA05Z241)；天津市自然科學(xué)基金資助項目(08JCYBJC13500).

孫景釕（1983— ），男，博士研究生，sunjingliao@163.com.

李永麗，lyltju@163.com.