李瀚霖 ，靳維，梁睿，劉心瑜

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221005；2.中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

為解決當前日益嚴重的能源危機，分布式光伏、風電及儲能等分布式電源(distributed generation,DG)接入配電網(wǎng)的比例越來越高。DG接入配電網(wǎng)對升級能源結(jié)構(gòu)、改善網(wǎng)絡(luò)運行經(jīng)濟性和提高供電可靠性等有積極的推動作用[1—3]。但伴隨著DG的接入，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)簡單的單電源放射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閺碗s的多電源網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的三段式電流保護策略面臨無法克服的選擇性問題[4]。根據(jù)國家2010年頒布出臺的《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[5]和IEEE發(fā)布的《IEEE 1547—2003》標準[6]，當含DG配電網(wǎng)發(fā)生故障時，要求保護裝置迅速隔離相關(guān)DG。傳統(tǒng)的保護策略不僅無法充分發(fā)揮DG配電網(wǎng)的支撐作用，而且嚴重限制了新能源技術(shù)的推廣與應(yīng)用。面對含DG配電網(wǎng)保護存在的諸多問題，研究新的保護方案迫在眉睫。

解決含DG配電網(wǎng)線路保護問題最有效的方案是縱聯(lián)保護方案，但當前配電網(wǎng)的智能化水平和通信條件無法滿足縱聯(lián)保護對數(shù)據(jù)的高同步要求。當前含DG配電網(wǎng)保護方案主要為：利用部分故障分量進行故障識別,主要利用所有故障類型均包含的正序故障分量,使用其所含的電流幅值及相位信息設(shè)定差動保護判據(jù)[7—9]，但未從根本上解決同步性難題，若進行相應(yīng)智能化改造將帶來極大的基礎(chǔ)建設(shè)成本；使用故障自同步時間信息構(gòu)造的差動保護判據(jù)，解決了配電網(wǎng)環(huán)境下的同步問題[10]，但對信息傳遞的準確性要求較高；采用零序分量改進的接地距離保護[11—14]、利用電流比幅值構(gòu)造的縱聯(lián)保護方案，針對不同的饋線結(jié)構(gòu)，給出了適應(yīng)性保護動作判據(jù)，其實現(xiàn)同樣需裝配智能配電終端平臺[15—17]，不符合配電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。因此，將縱聯(lián)保護策略應(yīng)用于含DG配電網(wǎng)應(yīng)解決的主要問題是如何在現(xiàn)有弱同步條件下實現(xiàn)電流同步相位信息獲取，同時保證保護動作的選擇性和靈敏性[18—22]。

文中針對含DG配電網(wǎng)自動化水平較低、難以獲取電流同步相位信息的難題，提出了故障信息自同步技術(shù)。通過此技術(shù)測算得到的時間信息可計算被保護線路兩側(cè)電流相位變化方向的判定值，有效代替了同步采樣環(huán)節(jié)?；诠收闲畔⒆酝郊夹g(shù)，文中提出了含DG配電網(wǎng)弱同步條件下的新型縱聯(lián)保護方案，僅需要比較故障后工頻基波電流相位變化方向判定值，即可實現(xiàn)縱聯(lián)保護可靠動作。仿真結(jié)果表明，故障信息自同步技術(shù)具有較高的準確性，新型縱聯(lián)保護方案可準確識別故障位置，對區(qū)內(nèi)故障可快速、靈敏動作，對區(qū)外故障可靠制動。

1 含DG配電網(wǎng)電流方向變化特性分析

DG接入配電網(wǎng)后，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫淳W(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，等效雙機系統(tǒng)模型如圖2所示，其中系統(tǒng)電源等效為ES,相應(yīng)節(jié)點所帶負荷由箭頭表示。

圖1 含DG配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Distribution network structure diagram with DG

圖2 含DG配電網(wǎng)等效網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2 Equivalent network model with DG distribution network

1.1 區(qū)內(nèi)故障電流方向變化特性

含DG配電網(wǎng)正常運行時，設(shè)定電流由母線流向線路為正方向，根據(jù)圖2可知，正常運行電流為：

(1)

(2)

(3)

則故障后線路兩側(cè)電流為：

(4)

相應(yīng)電壓、電流相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 區(qū)內(nèi)故障電流相量變化圖Fig.3 The phasor variation diagram of fault current in the zone

1.2 區(qū)外故障電流方向變化特性

若在線路區(qū)外靠近N端處發(fā)生故障時，流過線路兩側(cè)的故障電流為：

(5)

則可得故障后線路兩側(cè)電流為：

(6)

相應(yīng)電壓、電流相量關(guān)系如圖4所示。

圖4 區(qū)外故障電流相量變化圖Fig.4 Out-of-area fault current phasor variation diagram

當故障點在故障區(qū)外靠近M點時，電流相位變化特性與靠近N點區(qū)外故障類似，但其電流向量變化方向均為正。

2 有源配電網(wǎng)環(huán)境下的故障信息自同步技術(shù)

2.1 故障信息自同步技術(shù)原理

在配電網(wǎng)無法實現(xiàn)兩側(cè)同步對時的情況下，文中提出了故障信息自同步技術(shù)，基本原理為：配電線路容抗要遠大于輸電線路阻抗，對地電容電流對線路電流相位變化影響極小，因此，故障發(fā)生前被保護線路兩端基波電流相位相差180°，即線路兩端基波電流波形峰值點間隔半個周期，兩相鄰相同趨勢峰值點間隔一個周期。對于被保護線路兩端，故障是同時發(fā)生的。以故障發(fā)生時刻為時間參考點，分別測量線路兩側(cè)工頻基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的時間間隔。通過此時間間隔計算得到線路兩側(cè)電流變化方向，即可替代同步采樣環(huán)節(jié)。故障同步識別技術(shù)實現(xiàn)原理見圖5。

圖5 故障信息自同步技術(shù)原理Fig.5 Schematic diagram of fault information self-synchronization technology

圖5中，兩側(cè)基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的時間間隔分別為TM，TN，根據(jù)時間信號可得故障后線路兩端電流相位變化量為：

(7)

式中：T為工頻基波電流信號周期。T取0.02 s，則式(7)變化為：

(8)

通過上述故障信息自同步技術(shù)可以很好地克服配電網(wǎng)無法獲取同步信息的困難，為新型縱聯(lián)保護方案應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)信息支持。

2.2 峰值點計算與誤差分析

電流采樣數(shù)據(jù)均為正弦波上的值，正弦波在峰值點斜率為0，則電流峰值點前一個采樣點的采樣值變化斜率為正，在電流峰值點后一個采樣點的采樣值變化斜率為負。根據(jù)峰值點前后采樣值變化斜率異號的特性，可通過對峰值點前后2個采樣點進行線性擬合來計算得到峰值點。

設(shè)定在Tk時刻對應(yīng)的采樣值為Dk，則峰值點前后2個采樣點Tk-1，Tk，Tk+1，Tk+2時刻對應(yīng)的電流采樣值分別為Dk-1，Dk，Dk+1，Dk+2。通過采樣值線性擬合，使用線性插值法可得峰值點時刻為：

(9)

若系統(tǒng)采樣周期為TS，計算峰值點產(chǎn)生的誤差小于TS/2，在計算基波電流相位變化時產(chǎn)生的誤差也很小。系統(tǒng)采樣頻率越高，電流峰值點計算精度越高，故障信息自同步技術(shù)識別精度越高，所以應(yīng)在裝置允許條件下提高采樣頻率。

3 新型有源配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案

根據(jù)基爾霍夫電流定律，含DG配電網(wǎng)區(qū)內(nèi)、外故障時，線路兩側(cè)電流相位變化特性不同，可得新型縱聯(lián)保護原理為：

(1)當線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，線路兩側(cè)電流相位變化方向相反；

(2)當線路發(fā)生區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流相位變化方向相同。

根據(jù)新型含DG配電網(wǎng)縱聯(lián)保護原理，只需使用故障信息自同步技術(shù)測取線路兩側(cè)電流相量變化方向，即可判定故障位置。若故障發(fā)生在被保護線路內(nèi)部，則保護動作將被保護線路從系統(tǒng)中切除；若故障發(fā)生在線路區(qū)外則保護不動作。

設(shè)定基波電流變化方向為正時判定值為1；基波電流變化方向為負時判定值為-1；若未識別出變化則判定值為0。當兩節(jié)點電流變化方向判定值異號時即可判定其區(qū)內(nèi)發(fā)生故障。

文中提出了故障位置判定表來完成故障位置判定。以圖1所示的含DG配電網(wǎng)為例，若EF范圍內(nèi)發(fā)生故障，基于故障信息自同步技術(shù)可得判定表，如表1所示。

表1 基于故障信息自同步技術(shù)的故障位置判定Table 1 Fault location determination based on fault information self-synchronization technology

其中，Ti為含DG網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的時間間隔；Δφi為根據(jù)故障信息自同步技術(shù)得到相應(yīng)節(jié)點的基波電流的相位變化量。由故障位置判定表，判定值在EF兩相鄰節(jié)點為異號，其他相鄰節(jié)點判定值均為同號，即可判定故障發(fā)生在EF范圍內(nèi)。EF線路兩側(cè)保護動作，即可靠切除故障。保護方案邏輯如圖6所示，圖中線路流變用CT表示。

圖6 保護方案邏輯Fig.6 Protection scheme logical diagram

4 仿真分析

為驗證故障信息自同步技術(shù)的準確性和縱聯(lián)保護方案的有效性，文中利用Matlab/Simulink仿真平臺搭建200 MV·A的10 kV含DG配電網(wǎng)模型。配電網(wǎng)模型中逆變型DG(inverter interfaced DG，IIDG)采用PQ控制策略，有功、無功出力值分別為4.73 MW，2.30 Mvar。DG接入容量均為國家標準允許最大值的25%。帶有負荷的節(jié)點負荷均設(shè)定為5.40 MW，功率因數(shù)為0.85。

線路AB，AD，AH，DE為架空線路，單位線路參數(shù)為0.17+j0.38 Ω/km，線路BC，EF，F(xiàn)G，HI為電纜線路，單位線路參數(shù)為0.035+j0.088 Ω/km，線路長度如圖7所示。

圖7 含DG配電網(wǎng)仿真模型Fig.7 Distribution network simulation model with DG

4.1 區(qū)內(nèi)故障仿真分析

首先，文中仿真了線路DE距D端50%處發(fā)生三相金屬性接地故障，分別記錄含DG網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的時間間隔Ti，并根據(jù)故障信息自同步技術(shù)得到相應(yīng)節(jié)點的基波電流相位變化量Δφi。其中以a相基波電流Ia為例，線路DE兩端電流變化如圖8所示，DE節(jié)點電流相位變化信息如表2所示。

表2 區(qū)內(nèi)故障時系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點電流相位變化信息Table 2 The current phase change information of the relevant nodes in the system during the fault

由仿真結(jié)果可知，故障信息自同步技術(shù)可準確獲得系統(tǒng)各節(jié)點電流相位變化方向，新型含DG配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案可準確判定線路DE區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，保護動作將線路DE從系統(tǒng)中切除，保護具有良好的選擇性和可靠性。

4.2 區(qū)外故障仿真分析

區(qū)外故障仿真了線路EF距E端50%處發(fā)生三相金屬性接地故障，分別記錄含DG網(wǎng)絡(luò)中各相關(guān)節(jié)點基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的Ti，并根據(jù)故障信息自同步技術(shù)得到相應(yīng)節(jié)點基波電流Δφi。其中以a相基波電流Ia為例，線路DE兩端電流變化如圖9所示，DE節(jié)點電流相位變化信息如表3所示。

圖9 線路DE區(qū)外發(fā)生三相短路時兩端電流變化波形Fig.9 Waveforms of current variation at both ends when three-phase short circuit occurs outside DE area

表3 區(qū)外故障時系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點電流相位變化信息Table 3 The current phase change information of the relevant nodes in the system in case of out-of-area fault

當發(fā)生區(qū)外故障時，故障信息自同步技術(shù)依然可以準確獲得系統(tǒng)各節(jié)點電流相位變化方向，新型含DG配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案可準確判定線路DE區(qū)外發(fā)生故障，保護可靠不動作。

由仿真結(jié)果可以看出，故障信息自同步技術(shù)可準確識別故障并獲取線路各相關(guān)節(jié)點的電流相位變化信息。當被保護線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時，新型含DG配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案具有良好的選擇性和靈敏性，可準確判定故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)并快速切除故障。當被保護線路區(qū)外發(fā)生故障時，文中提出的保護方案可實現(xiàn)可靠制動。

5 結(jié)語

文中首先提出了適用于有源配電網(wǎng)的故障信息自同步技術(shù)，以兩側(cè)基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的時間間隔數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流同步相位數(shù)據(jù)，解決了當前配電網(wǎng)因難以獲取同步采樣數(shù)據(jù)導致縱聯(lián)差動保護方案無法應(yīng)用于有源配電網(wǎng)的難題。

基于故障信息自同步技術(shù)，文中提出了新型含DG配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案。新型縱聯(lián)保護方案只需使用故障信息自同步技術(shù)測得的電流相位變化方向判定值，即可完成故障位置判定，具有良好的選擇性、靈敏性和可靠性，可在有源配電網(wǎng)環(huán)境下有效應(yīng)用。