楊秋霞，姜培培，劉同心，魏玲玲

(1.燕山大學電氣學院，河北 秦皇島 066004; 2.國網(wǎng)寧晉縣供電公司, 河北 邢臺 055550)

含光伏電源配電網(wǎng)的復合序網(wǎng)自適應保護

楊秋霞1，姜培培2，劉同心1，魏玲玲1

(1.燕山大學電氣學院，河北 秦皇島 066004; 2.國網(wǎng)寧晉縣供電公司, 河北 邢臺 055550)

含光伏電源(PV)的配電網(wǎng)，因光伏電源容量、并入位置不同，導致傳統(tǒng)的三段式電流保護不能準確動作。針對這一問題，提出根據(jù)保護點復合序網(wǎng)電壓和電流進行自適應電流保護整定的方案。首先，提取故障電壓和正序故障電流相位差來判定故障發(fā)生在光伏電源上游還是下游。然后，由序分量判定故障類型，選定故障區(qū)域。最后，利用復合序網(wǎng)電壓求取保護安裝處的電流整定值，進行自適應保護動作。通過仿真驗證了該保護方案可根據(jù)光伏電源并入位置、容量、發(fā)生故障位置的不同，實現(xiàn)自適應在線保護整定，能夠有效提高本地保護范圍。

光伏電源；配電網(wǎng)；復合序網(wǎng)；自適應電流保護；故障方向判定

0 引言

光伏電源(PV)并入電網(wǎng)后，不僅會改變原有配電網(wǎng)拓撲結構，并且網(wǎng)絡中潮流方向和短路電流會隨著光伏電源容量、并入位置的情況實時變化。這都給現(xiàn)有的三段式電流保護帶來嚴重影響，引起保護拒動或誤動[1-3]。

針對光伏電源對配電網(wǎng)保護的影響，相繼提出了多種解決方案。文獻[4]提出了基于高級饋線終端單元(AFTU)的保護控制技術，根據(jù)本地及臨近的信息，定位故障區(qū)段，實現(xiàn)故障的隔離及孤島運行。

文獻[5]提出了基于通信技術的區(qū)域保護方案，對配電網(wǎng)進行區(qū)域劃分，通過一次和二次兩步定位確定故障區(qū)域實現(xiàn)保護。但若信息傳輸有誤，將直接影響保護動作。文獻[6]通過保護安裝處的正序電壓和正序電流之間的關系，提出了配電網(wǎng)正序電流速斷保護。但沒有針對光伏上下游電流方向進行分析，容易引起多段線路保護同時動作。本文根據(jù)保護處的信息，先判定了 PV 上下游故障方向再進行復合序網(wǎng)的自適應電流保護動作。

1 光伏并網(wǎng)仿真算例

在配電網(wǎng)發(fā)生故障時，光伏電源采用恒功率控制[7-8]，光伏并網(wǎng)逆變器內的限流裝置，可以限制光伏電源輸出電流，使 PV 最大輸出電流限定為 1.2倍的額定電流。因光伏電源輸出為三相正序電流，PV 可等效為存在于正序網(wǎng)絡的壓控電流源

本文以 10 kV 配電網(wǎng)為例，系統(tǒng)基準容量為500 MVA，基準電壓 10.5 kV。主要研究系統(tǒng)發(fā)生最嚴重故障(最大運行方式)時的保護情況，取系統(tǒng)阻抗 為 0.29mH ， 即， 饋 線 負 荷 為。架空線型號選取 LGJ-120/25，電纜線型號選取線路參數(shù)參考表1。搭建模型線路圖如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)算例模型Fig. 1 Distribution network model

表1 算例線路參數(shù)Table 1 Example circuit parameters

在算例中并入等效的光伏電源，研究光伏電源在不同位置以不同容量并入到配電網(wǎng)時，對線路短路電流的影響。本文選用 5 MVA 光伏電源和10 MVA 光伏電源分別并入到饋線的 A 母線和 C 母線上，在 PSCAD 中搭建仿真模型如圖2 所示。

圖2 PSCAD 中含光伏并網(wǎng)的仿真模型Fig. 2 Simulation model of PSCAD containing PV grid

1) 由圖3 分析，PV 并網(wǎng)后其下游發(fā)生故障時，PV 對上游電流有汲出作用，對下游電流有助增作用。這將引起 PV 上游流過保護的故障電流小于原有的保護整定值，引起保護拒動，導致不能及時切除故障。PV 下游流過保護的短路電流增加，可能會達到下游保護整定值，導致無故障線路斷開，引起保護誤動。

圖3 C 母線并入光伏前后的電流波形Fig. 3 Current waveform before and after C bus is connected to PV

圖4 光伏并入不同母線后的電流波形Fig. 4 Current waveform when PV is connected into different buses

2 自適應復合序網(wǎng)電流保護方案

為解決配電網(wǎng)因光伏并入而引起保護誤動或拒動問題，本文采用故障下的復合序網(wǎng)進行分析，研究出適用于光伏接入的自適應電流保護方法，并按對稱故障和不對稱故障兩種整定方案進行整定。

2.1 發(fā)生兩相故障時情況

圖5 k1 處兩相短路，A 相不對稱正序網(wǎng)絡Fig. 5 A phase asymmetric positive sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

不對稱負序網(wǎng)絡是將正序網(wǎng)絡中的電壓源短路，電流源開路，此時短路點端口電壓為，圖6為處兩相短路，A 相不對稱負序網(wǎng)絡。

圖6 k1 處兩相短路，A 相不對稱負序網(wǎng)絡Fig. 6 A phase asymmetric negative sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

圖7 k1 處兩相短路，A 相不對稱復合序網(wǎng)絡Fig. 7 A phase asymmetric composite sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

兩相短路電流的不對稱分量中只存在正序和負序分量，并且正序網(wǎng)絡和負序網(wǎng)絡在短路點處的等效端口并聯(lián)，所得復合序網(wǎng)如圖7 所示。其中，

由自適應電流保護整定原則[15]，考慮保護動作選擇性，取。并考慮一定的可靠性而引入可靠系數(shù)，則在保護處，根據(jù)復合序網(wǎng)定義可得的整定電流為

2) 光伏上游 k2 發(fā)生兩相故障

k2 發(fā)生 BC 兩相短路時，A 相單相運行。分別求出正序、負序網(wǎng)絡，再將正序、負序網(wǎng)絡在短路點并聯(lián)，可得兩相短路時的復合序網(wǎng)，如圖8所示。其中，阻抗為復合序網(wǎng)絡的端口等效阻抗，

圖8 k2 處兩相短路，A 相不對稱復合序網(wǎng)絡Fig. 8 A phase asymmetric composite sequence network when k2 occurs two-phase short circuit

在線可測得不同故障、不同位置情況下光伏并網(wǎng)的電流，也可測得保護和的電壓，因此保護裝置動作的整定電流可以實時自適應調整。而動作順序結合下述光伏故障電流方向來判定。

2.2 發(fā)生三相短路故障

三相短路是對稱短路，而光伏電源只能提供三相正序電流，因此，含 PV 的配電網(wǎng)其三相短路電流也是對稱的。并且，系統(tǒng)故障時的等值序網(wǎng)只存在正序網(wǎng)絡，無負序和零序網(wǎng)絡，即三相短路的正序網(wǎng)絡就是系統(tǒng)復合序網(wǎng)絡。處發(fā)生三相短路時，復合序網(wǎng)絡為圖9所示。

圖9 k1 處三相短路，A 相復合網(wǎng)絡Fig. 9 A phase composite sequence network when k1 occurs three-phase short circuit

保護B2的整定電流為

不同故障時，保護處電壓可以取在線測量值，因此保護的整定電流值能實現(xiàn)自適應在線整定。

2) 在 PV 上游 k2 點發(fā)生三相短路

圖10 為 k2 點發(fā)生三相短路時，A 相復合序網(wǎng)。

圖10 k2 處三相短路，A 相復合網(wǎng)絡Fig. 10 A phase composite network when k2 occurs three-phase short circuit

考慮一定的可靠性，由保護3和保護5處電壓電流關系，可分別求得各保護處的整定電流。

不同故障、不同位置光伏并網(wǎng)情況下可在線測得保護 B3 和 B5 處的電壓，由式(6)和式(7)計算得到保護裝置的整定電流進行在線實時整定。

3 算例仿真

3.1 保護實現(xiàn)的方向判定

配電網(wǎng)現(xiàn)有的方向元件是功率方向元件，主要根據(jù)非故障相相間電壓與保護安裝處電流的夾角范圍判定故障方向。但光伏電源在任何故障均輸出三相對稱正序電流，這將影響到保護點的故障特性，尤其是不對稱故障電壓電流特性。

本文中光伏電源處于恒功率模式，僅輸出有功電流，即光伏并網(wǎng)點電壓標幺值大于結合文獻[17]，本文提出在正序網(wǎng)絡中，采取正序故障電流和故障前電壓相位信息來判定故障方向，再判斷故障類型進行保護動作的方案。設定保護 B1，B2，B3 和 B4 為系統(tǒng)正向保護(光伏反向保護)，保護B5為光伏正向保護。

1) PV 下游 k1 點故障

由式(8)可得：

考慮故障前配電網(wǎng)線路各點電壓相位近似相等，可用故障前各保護安裝處電壓相量的相位代替的相位。則保護處電壓和正序電流相角關系按 PV 下游故障考慮，滿足式(10)。

2) PV 上游 k2 點故障

本文采用正序網(wǎng)絡分析光伏電源供出的故障電流相位特征。k2點對稱和不對稱故障情況下系統(tǒng)正序網(wǎng)絡均為圖10 所示，利用戴維南定理，將圖10進行等效代換，如圖11所示。

圖11 k2 處故障，A 相等效正序網(wǎng)絡Fig. 11 A phase equivalent positive sequence network when k2 fault

不考慮無功功率，由電壓降落公式可推導出 PV輸出有功功率時縱分量滿足式(14)。

因此，光伏電源上游發(fā)生故障時，其正向保護的故障電流主要由 PV 提供。同樣，用故障前各保護安裝處電壓相量的相位代替的相位。從 PV角度研究故障發(fā)生位置，判定故障方向，其正向保護處故障前電壓和正序電流相角關系按 PV上游故障考慮，滿足式(16)。

然而，PV 反向保護的故障電流主要由系統(tǒng)提供。從PV角度研究故障發(fā)生位置，判定故障方向，則 保 護處 故 障 前電 壓和 正 序電 流相角關系按PV上游故障考慮，滿足

結合式(10)、式(16)和式(17)，本文根據(jù)保護處故障前電壓和正序故障電流的相角判定上下游故障方向，再按兩種整定值進行自適應電流保護動作。判定流程如圖12所示。

3.2 故障類型的確定

在圖12 中，對稱故障類型的確定可以通過序分量來判定。首先得到保護處各序電流分量當零序分量和負序分量均等于零則說明發(fā)生了三相對稱故障；當零序分量不為零則說明發(fā)生了不對稱接地故障。故障類型判定流程如圖13所示。

3.3 算例仿真

繼續(xù)采用圖1的模型進行仿真分析，為了驗證不同位置、不同光伏容量下發(fā)生不同類型的故障時，各保護裝置整定值可以自適應設定。仿真時，分別在線路a=0.3，0.6，0.9 處設定故障點，而在 C 母線并入光伏電源，容量取 5 MVA 和 10 MVA，仿真數(shù)據(jù)如表2、表3所示。其中a為故障發(fā)生位置占保護線路的百分比。

圖12 保護實現(xiàn)流程圖Fig. 12 Flow chart of protection implementation

圖13 故障類型判定流程圖Fig. 13 Flow chart of fault type judgement

按照流程圖12進行仿真，并進行整定。兩相故障時，仿真結果如表2 所示?？紤] PV 下游 CD 線段 k1 發(fā)生故障情況。無 PV 時，保護 B2 的保護范圍最大為 79.1%，最小保護范圍為 66.0%。在 C 母線上并入 5 MVA 的光伏電源，但不改變傳統(tǒng)保護整定原則，保護 B2 的保護范圍降低為 47%。但是，采用本文中的復合序網(wǎng)整定原則，在光伏容量和故障位置不同時，保護 B2均能準確動作，大大提高了保護范圍。當 PV 上游 BC 線路 k2 發(fā)生兩相短路故障，保護B3和保護B5的動作整定值會隨著光伏并網(wǎng)容量和短路位置的不同，而自適應地改變，并大于測量值，進而實現(xiàn)保護動作。

三相故障時，仿真結果如表3所示。k1發(fā)生三相故障，在光伏容量和故障位置不同時，按本文方案進行整定，B2的保護范圍大約維持在線路全長的 84.2%，受其他因素影響較小。當 k2 發(fā)生三相短路故障時，無 PV 時，BC 線路最大保護范圍為77.9%，最小保護范圍為 62.1%。在 C 母線上并入光伏電源，k2 在線路不同位置時，線路首端保護B3 的保護范圍大約為 85.9%，無法保護線路全長，但相比于原有保護范圍有所提高。而末端保護 B5隨著并入光伏容量，和 BC線段故障位置不同，整定值自適應整定變動，可以實現(xiàn)保護準確動作。

表2 BC 兩相短路時的仿真結果Table 2 Simulation results of BC phase short circuit

表3 三相短路時的仿真結果Table 3 Simulation results of the three phase short circuit

綜上，采用本文提出的上下游不同保護整定值公式，可以自適應改變整定值，有效提高保護動作的準確性。

4 結語

含光伏電源配電網(wǎng)的故障特性和傳統(tǒng)輻射式配電網(wǎng)有很大不同。為改善保護性能，本文通過分析不同位置、不同類型故障情況下，保護安裝處的復合序網(wǎng)電壓和流過保護的復合序網(wǎng)電流之間的關系，研究出適用于 PV 接入的自適應復合序網(wǎng)電流保護方案。仿真驗證結果表明， PV 容量、故障類型和故障位置的不同會引起保護范圍的變化，而本文所提出的自適應保護方案可有效改善系統(tǒng)的保護性能。

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(編輯 周金梅)

Photovoltaic power distribution network in composite sequence network adaptive protection

YANG Qiuxia1, JIANG Peipei2, LIU Tongxin1, WEI Lingling1
(1. School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. State Grid Ningjin County Power Supply Company, Xingtai 055550, China)

Traditional three-step current protection in distribution network containing photovoltaic power (PV) power can't operate accurately due to different PV supply capacity and incorporated position. In order to solve this problem, this paper puts forward to proceed with adaptive current protection setting according to the composite sequence network voltage protection point. First of all, it extracts the fault voltage and positive sequence fault current phase difference to determine the fault occurred in the PV power supply upstream or downstream. Then, it selects sequence component to judge fault type and fault zone. Finally, it uses the composite sequence network voltage to obtain the current setting value in protection installation, to carry out adaptive protection setting movement. The protection scheme is verified by the simulation. It can realize adaptive on-line protection setting and effectively improve the scope of local protection based on different incorporated position, capacity, and failure location of PV power.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61573303).

photovoltaic power; distribution network; composite sequence nets; adaptive current protection; fault direction judgement

10.7667/PSPC151666

：2015-11-26

楊秋霞(1972-)，女，博士，副教授，研究方向為光伏發(fā)電技術；E-mail: yangqx_fly@163.com

姜培培(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向為光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)保護；E-mail: jiangpeipei90@163.com

劉同心(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為含新能源發(fā)電的優(yōu)化調度。

國家自然科學基金(61573303)