鞠 非， 樊若楠

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司 常州供電公司，江蘇 常州 213017；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著分布式光伏發(fā)電規(guī)模化的應(yīng)用，越來(lái)越多的光伏（photovoltaic，PV）并入了配電網(wǎng)中，這使得傳統(tǒng)的單電源輻射性配電網(wǎng)變成了雙端甚至多端網(wǎng)絡(luò)，從而改變了網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的潮流分布以及故障時(shí)短路電流的大小、方向、分布及其持續(xù)時(shí)間，而且PV輸出具有一定的間歇性、隨機(jī)性和周期性，從而給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)［1］。隨著PV容量的增大和PV滲透率的提高，傳統(tǒng)保護(hù)已難以適用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)分布式發(fā)電（distributed generation，DG）并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響已有相關(guān)研究，主要有以下2個(gè)方面。

（1）對(duì)三段式電流保護(hù)的影響［2－3］。當(dāng) DG接在保護(hù)的上游時(shí)，保護(hù)下游短路時(shí)，DG將明顯增大流過(guò)保護(hù)的短路電流，使保護(hù)靈敏度增大、保護(hù)范圍延伸，甚至使保護(hù)失去了選擇性；當(dāng)PV接在保護(hù)與短路點(diǎn)之間時(shí)，DG的分流作用使保護(hù)靈敏度降低、保護(hù)范圍縮短，甚至使保護(hù)拒動(dòng)，造成保護(hù)整體動(dòng)作時(shí)間增大；當(dāng)PV接在保護(hù)及短路點(diǎn)下游時(shí)，對(duì)保護(hù)沒(méi)有任何影響。

（2）對(duì)自動(dòng)重合閘的影響［4－6］。當(dāng)故障點(diǎn)下游有DG接入時(shí)，斷路器斷開后，DG系統(tǒng)孤島頻率與系統(tǒng)的頻率出現(xiàn)偏差，即兩者不同步，此時(shí)若自動(dòng)重合閘動(dòng)作，就會(huì)造成非同期合閘，進(jìn)而引起很大的沖擊電流或電壓。在沖擊電流的作用下，饋線保護(hù)可能誤動(dòng)作，使自動(dòng)重合閘失去迅速恢復(fù)瞬時(shí)性故障的能力；同時(shí)，沖擊電流可能對(duì)配電網(wǎng)和DG系統(tǒng)中的設(shè)備造成致命的沖擊。另外，當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路后，原有的保護(hù)將系統(tǒng)電源斷開后，由于DG還在向短路點(diǎn)注入電流，使短路點(diǎn)電弧無(wú)法熄滅，從而造成自動(dòng)重合閘重合失敗。

對(duì)于PV，由于是通過(guò)電力電子裝置（如變換器、逆變器等）并入配電網(wǎng)，所以其輸出的短路電流有一定的限制，最大值一般為PV額定電流的2倍［7］，即小容量的PV并網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響很小，幾乎可以忽略。但隨著PV并網(wǎng)容量越來(lái)越大以及PV在配電網(wǎng)中的滲透率越來(lái)越高，這種影響不容忽視。

針對(duì)上述影響，很多學(xué)者提出了新的保護(hù)方案。文獻(xiàn)［8］提出在配電網(wǎng)故障時(shí)，將所有的DG都從電網(wǎng)解列，以使保護(hù)按照接入DG前的狀況動(dòng)作，這種方法在DG滲透率增大時(shí)，若同時(shí)切除所有的DG，會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［9］提出在DG出口串聯(lián)高值電抗器，以限制DG輸出的短路電流，但是高值電抗器會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行電壓。文獻(xiàn)［10］提出將電抗器換為故障限流器（fault current limiter，F(xiàn)CL），只在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)投入高值電抗，這種方法具有可行性，但是FCL價(jià)格較貴，隨著DG增多，F(xiàn)CL也增多，從而增大了系統(tǒng)的成本。文獻(xiàn)［11］根據(jù)自適應(yīng)的保護(hù)方法，在線整定保護(hù)的動(dòng)作值。文獻(xiàn)［12］根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、短路類型及邊界條件等修改保護(hù)的動(dòng)作特性（整定值或動(dòng)作曲線）。

針對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)整定是一個(gè)離散的非線性問(wèn)題，文獻(xiàn)［13］提出通過(guò)粒子群優(yōu)化算法得到故障時(shí)的保護(hù)整定值和動(dòng)作時(shí)間，并保證保護(hù)之間的配合，這種方法會(huì)因?yàn)樗惴ū旧淼娜毕荻荒苓_(dá)到實(shí)際效果，如優(yōu)化時(shí)陷入局部極??；當(dāng)DG增多時(shí)，優(yōu)化的時(shí)間也會(huì)增大，影響保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。文獻(xiàn)［14］提出了一種區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)方案，采用“一主多從”式的繼電器保護(hù)，通過(guò)功率方向元件的層層判斷達(dá)到最終的保護(hù)目的，這種方法不適用于雙回線路，會(huì)造成故障影響的擴(kuò)大化，而且層層判斷會(huì)使系統(tǒng)末端線路故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)。文獻(xiàn)［15］提出將配電系統(tǒng)按照DG容量和負(fù)荷容量的大小進(jìn)行區(qū)域劃分保護(hù)，各區(qū)域間通過(guò)斷路器連接，這種保護(hù)方法能夠保證非故障區(qū)域失去系統(tǒng)電源后可以繼續(xù)得到供電，但是這種方法會(huì)因某一區(qū)域內(nèi)的一個(gè)很小的故障而造成整個(gè)區(qū)域失去供電，從而使下游區(qū)域之間的斷路器動(dòng)作次數(shù)增加，影響其使用壽命。文獻(xiàn)［16－17］采用故障相關(guān)區(qū)域搜索的方法，只是搜索過(guò)程中故障方向的判斷方法以及故障的定位方法與傳統(tǒng)方法不同。而文獻(xiàn)［18］僅利用系統(tǒng)側(cè)的電流幅值、特定的DG和斷路器的電流幅值，在現(xiàn)有的系統(tǒng)保護(hù)和通信條件下對(duì)饋線進(jìn)行故障搜索與保護(hù)。文獻(xiàn)［19］通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來(lái)確定系統(tǒng)電源與DG之間的線路故障位置，但這種方法不適用于其他常規(guī)線路或當(dāng)PV夜間沒(méi)有輸出時(shí)。文獻(xiàn)［20］利用多代理技術(shù)建立繼電器代理、DG代理和其他元件（斷路器等）代理，各代理之間相互通信，根據(jù)傳達(dá)各自的信息，相互之間進(jìn)行邏輯分析和邏輯配合，最終發(fā)出正確的保護(hù)跳閘信號(hào)。

上述保護(hù)方案都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺陷，但大多都沒(méi)有考慮PV自身的輸出特性。本文充分考慮PV的輸出特性，提出了一種原理簡(jiǎn)單的保護(hù)新方案，只需在傳統(tǒng)的功率方向縱聯(lián)保護(hù)的基礎(chǔ)上引入電流量即可。

1 引入電流量的功率方向縱聯(lián)保護(hù)

1.1 PV并網(wǎng)時(shí)功率方向縱聯(lián)保護(hù)存在的問(wèn)題

功率方向規(guī)定：以母線指向線路的方向?yàn)楣β收较颉?/p>

PV正常接入如圖1所示，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，bus1與bus2之間的線路兩端的功率方向元件都動(dòng)作，即可判斷出故障線路從而跳閘。但對(duì)于PV系統(tǒng)，在夜間是沒(méi)有輸出的，相當(dāng)于沒(méi)有PV接入，如圖2所示，此時(shí)，若F1處發(fā)生短路故障，只有B1處的功率方向元件有正方向功率流動(dòng)而動(dòng)作，而B2處方向元件無(wú)功率流動(dòng)而不動(dòng)作，從而兩端的動(dòng)作情況不一致，無(wú)法判斷出故障，保護(hù)不動(dòng)作。

因此，當(dāng)PV并網(wǎng)時(shí)，由于PV晝夜輸出具有周期性的影響，僅依靠功率方向元件來(lái)判斷故障是不可靠的。

圖1 PV正常接入

圖2 PV夜間沒(méi)有輸出

1.2 引入電流量的縱聯(lián)保護(hù)

圖1中，當(dāng)F1發(fā)生短路故障時(shí)，I1、I2均不為0，bus1與bus2之間的線路兩端的功率方向元件都動(dòng)作；I3、I4均不為0，bus2與bus3之間的線路兩端的功率方向元件動(dòng)作不一致。

圖2中，當(dāng)F1發(fā)生短路故障時(shí)，I1≠0，I2＝0，bus1與bus2之間的線路兩端的功率方向元件只有B1處的動(dòng)作，B2處的不動(dòng)作；I3、I4均為0，bus2與bus3之間的線路兩端的功率方向元件都不動(dòng)作。

對(duì)比這2種情況下故障線路與非故障線路上的電流值和功率方向元件的動(dòng)作情況可以得到故障判斷方法為：①若線路兩端的電流值均為0，則線路肯定為非故障線路；②若只有一端電流為0，而另一端不為0，則再檢測(cè)線路兩端的功率方向元件是否動(dòng)作，有一個(gè)動(dòng)作即說(shuō)明該線路為故障線路；③若兩端電流均不為0，再檢測(cè)線路兩端的功率方向元件是否都動(dòng)作，都動(dòng)作即為故障線路。

按照上述方法，將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)，采用邏輯判斷就可以對(duì)保護(hù)發(fā)送動(dòng)作信號(hào)。以bus1與bus2之間的線路保護(hù)為例，其判斷流程圖如圖3所示。

圖3 引入電流量后的動(dòng)作邏輯流程圖

其中，以Q1、Q2的方向分別表示功率方向元件的動(dòng)作情況。Q1為正，取邏輯信號(hào)為1，表示方向元件動(dòng)作。

1.3 保護(hù)方案的完善

由于PV接入后，配電網(wǎng)中的線路各自情況不完全相同，所以可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)完善。PV接入配電網(wǎng)后的典型系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PV接入配電網(wǎng)后的典型系統(tǒng)

對(duì)于系統(tǒng)電源和PV之間的線路，如bus1與bus2之間、bus2與bus3之間的線路都要裝設(shè)斷路器，保護(hù)邏輯如前所述。另外，斷路器處要裝設(shè)自動(dòng)重合閘，為了防止非同期合閘，靠近系統(tǒng)側(cè)的重合閘要配設(shè)檢定線路無(wú)電壓和同步的繼電器，靠近PV側(cè)的重合閘要配設(shè)檢定同步的繼電器。

對(duì)于下游沒(méi)有PV接入的線路，如bus3與bus4之間的線路，為了減少配電網(wǎng)的成本投入，只需在線路靠近系統(tǒng)側(cè)配備斷路器，無(wú)需裝設(shè)方向元件，只需比較兩端電流，兩端同時(shí)有電流或同時(shí)沒(méi)有電流即可判斷該線路為非故障線路。所以通過(guò)1個(gè)異或邏輯即可正確發(fā)出保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)。另外，斷路器處裝設(shè)自動(dòng)重合閘。

對(duì)于末端線路，如bus4與bus5之間的線路，因?yàn)槠渲苯优c負(fù)荷連接，所以只裝設(shè)過(guò)電流保護(hù)，按躲過(guò)最大負(fù)荷電流來(lái)整定保護(hù)的啟動(dòng)值，無(wú)需測(cè)兩端電流進(jìn)行比較。斷路器處裝設(shè)自動(dòng)重合閘。

2 保護(hù)方案的PSCAD／EMTDC仿真

仿真系統(tǒng)圖如圖4所示，圖4中Ia1、Ia2分別為B1、B2處測(cè)得的電流大小值；Q1、Q2分別為B1、B2處測(cè)得的功率方向。

采用10kV的配電網(wǎng)絡(luò)，S為無(wú)窮大電源，PV1、PV2容量為2MV·A，接在各母線上的負(fù)荷為（10＋2.5）MV·A，bus1與bus2之間的線路長(zhǎng)為8km，bus2與bus3之間的線路長(zhǎng)為6km，bus3與bus4之間的線路長(zhǎng)為4km，bus4與bus5之間的線路長(zhǎng)為2km，線路參數(shù)x1＝0.409Ω／km，r1＝0.17Ω／km，各線路間的保護(hù)采用圖5的保護(hù)邏輯或方法。仿真中bus1與bus2之間、bus2與bus3之間的線路的保護(hù)邏輯控制圖相同，以控制斷路器B1、B2為例，其邏輯控制圖如圖5所示。

bus3與bus4之間的保護(hù)邏輯很簡(jiǎn)單，只需要將兩端的電流邏輯值通過(guò)1個(gè)異或門作用即可。bus4與bus5之間的保護(hù)采用1個(gè)過(guò)流繼電器即可。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 B1和B2的邏輯控制圖

圖6 B1、B2處電平及該處電流、功率變化情況

由圖6可看出，在PV1、PV2均接入的情況下，F(xiàn)2發(fā)生短路，此時(shí)系統(tǒng)電源和PV1、PV2向短路點(diǎn)貢獻(xiàn)短路電流，B1、B2斷路器測(cè)量到的功率方向均為1，且電流大于0，滿足保護(hù)動(dòng)作條件。當(dāng)PV1、PV2均不接入時(shí)，Q1功率方向?yàn)?、且IB2滿足電流為0判據(jù)，IB2＝0，功率方向元件Q2為0，滿足保護(hù)動(dòng)作條件。同理適用于F3發(fā)生三相短路接地故障的情況。PV1、PV2都接入或都不接入時(shí)，F(xiàn)4處發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，斷路器B5、B6能夠正確斷開切除故障；F5處發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，斷路器B7能夠正確斷開切出故障；F6處發(fā)生三相短路接地故障時(shí)，斷路器B8能夠正確斷開切除故障。

3 保護(hù)方案的改進(jìn)

在實(shí)際運(yùn)行中，PV輸出會(huì)因?yàn)樘鞖庠蚨哂须S機(jī)性和間歇性，可能某段時(shí)間內(nèi)輸出很小，若此時(shí)發(fā)生故障，故障線路兩端可以測(cè)量到電流值，但是靠近PV側(cè)的功率方向元件會(huì)因?yàn)镻V提供的短路電流太小而不能動(dòng)作，從而造成保護(hù)失效。因此在將電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換為邏輯值時(shí)，可以將比較的電流基準(zhǔn)量由0變?yōu)榉较蛟淖钚?dòng)作電流值，以保證保護(hù)在PV任何運(yùn)行方式下都能準(zhǔn)確動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著PV在配電網(wǎng)中的滲透率增大，傳統(tǒng)的保護(hù)已經(jīng)難以滿足要求，且由于單端電源線路發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)開關(guān)位置兩側(cè)故障所可能引起的保護(hù)誤動(dòng)的情況，因此如果不引入電流量，只采用功率縱差保護(hù)，可以通過(guò)方向元件的投退控制和保護(hù)定值的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)單端電源線路的保護(hù)。本文提出了一種引入電流量的功率方向縱聯(lián)保護(hù)方法，這種保護(hù)方法原理簡(jiǎn)單，充分考慮了PV運(yùn)行時(shí)的輸出特點(diǎn)，不受PV運(yùn)行方式的影響，電流大小的同步測(cè)量可以通過(guò)同步相量測(cè)量裝置（phasor measurement unit，PMU）測(cè)得，功率方向元件就是傳統(tǒng)的方向元件，動(dòng)作邏輯利用邏輯元件就可以實(shí)現(xiàn)，加之現(xiàn)有的配電網(wǎng)通信，保護(hù)最終是可以實(shí)現(xiàn)的。隨著PV容量的增大以及PV滲透率的提高，這種保護(hù)的靈敏度也越高?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)不一定需要配備PMU，特別是在配電網(wǎng)架多變的情況下?，F(xiàn)有配電線路通信回路還無(wú)法滿足差動(dòng)保護(hù)的需求，可結(jié)合配電自動(dòng)化建設(shè)的開展，完善差動(dòng)保護(hù)通道的建設(shè)。但該保護(hù)方案缺乏有效的后備保護(hù)。另外，保護(hù)采用縱聯(lián)保護(hù)，對(duì)通信依賴性較大，成本投入也較高。

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