含DG配電網保護的電流方向元件及其在故障定位中的應用

王秋杰，梅李朋，陳國訓

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著時代的發展，越來越多的DG接入了配電網［1］，其網絡結構變成多方向的多源網絡，傳統的三段式保護不再適用，于是方向判別元件的作用越來越重要。但是配電網當中沒有電壓互感器，且節點眾多，給每一個節點都安裝電壓互感器在經濟上不可行，于是傳統的功率方向元件不再適用含DG的配電網。為此提出一種僅基于電流的方向元件成為了首要任務。

目前的研究主要有以下三種方案:第一、以基爾霍夫電流定理為原理，根據配電網多分支節點不同支路的電流幅值不一樣，可以間接的判斷電流方向的方法。但是此方法只適用于多分支節點，對于配網中的兩分支節點不適用［3－4］。第二、提出以故障后的短路電流為相位基準來判斷電流方向的方法，動作可靠，不受DG出力的影響，但是速動性［5］。第三、利用故障前一周期和故障后一周期的電流正序分量相角差來判定故障方向，可靠性高，靈敏度高，但是動作原理幅值，速動性差［6－7］。

基于以上分析，考慮配電網的實際，提出一種新的無電壓方向元件。該方案同時利用故障前的負荷電流和故障后的短路電流，以故障前的負荷電流為參考相量，根據短路電流與參考相量之間的相位差判斷出電流方向。該方向判別算法，速動性好，原理簡單，可靠性高［8－9］，將其應用于含DG配電網故障定位當中，提出一種基于網絡描述矩陣節點方向信息的快速定位方法，可靠性高，工程意義強。

2 動作原理

DG接入到配網以后，輻射型網絡變成多電源網絡，為了分析方便，我們截取部分雙源網絡［10］，如圖1所示。其中VS是母線S電壓，VG是母線G電壓，ZSG是系統電源到分布式電源的阻抗。ZSF、ZSR是系統電源到故障點 F1、F2的阻抗，ZGF、ZGR是 DG到故障點F1、F2的阻抗。

圖1 故障電流方向分析圖

當系統正常運行時，電流由電網流向DG，得出正常的負荷電流Ipre:

當F1點發生故障時，得出故障后的電流Ifwd:

此時電流繼電器采集的總電流值IF:

當F2點發生故障時，得出故障后的電流Irew:

此時電流繼電器采集的總電流值IR:

根據IF、IR的相位差別，可以判斷出F1為正向故障，F2為反向故障，得出方向判據:

其向量圖如圖(2)所示。

圖2 相量圖

3 保護算法

當故障發生時，首先根據式(11)判斷故障電流是否存在，其中N是采樣數目，ia是故障電流，In是額定電流。

方向判別方案可以通過帶微處理器的繼電器實現［11－12］，以 a 相為例來說明，具體流程如圖(3)所示。

圖3 流程圖

4 含DG配電網的故障定位

隨著配電網的DG滲透率越來越來高，傳統的三段式保護已經不能滿足配電網保護的要求，基于多點信息的廣域保護成為研究的熱點。將集中式廣域保護引入到配電網保護當中［13－14］，提出基于網絡描述矩陣和節點方向信息的快速故障定位方法。該方法很好的解決了DG對配電網故障定位的影響，速動性好，原理簡單，可靠性高。具體以圖4為例說明。

圖4 含DG配電網網絡結構圖

首先建立圖4關于饋線節點的網絡描述矩陣D=C+E，其中C為鄰接矩陣，E為單位矩陣，并將網絡矩陣用上三角陣表示:

定義母線流向線路的方向為正方向，(a)當故障發生在非末端線路時，故障饋線路是其兩端方向信息都為正的線路，(b)當故障發生在末端線路，則故障線路的一端的方向信息為正，另一端無方向信息。綜述以上兩點，給出故障區域的判據F(Li):

以圖4為例說明故障定位的具體步驟:

(1)當F1發生故障時，變電站中央處理單元通過IED采集所有節點的方向信息，根據網絡描述矩陣上三角陣，搜索出節點1所鄰接的線路 L1、L2，然后檢查L1、L2兩端的方向信息 L1(+，－)，L2(+，－)，判斷為非故障線路。搜索出節點2所鄰接的線路L4、L9，分別檢查兩條線路兩端的方向信息L4(+，－)，L9(－，+)，判斷為非故障區，同理依次搜索完所有節點，得出所有線路兩端的方向信息，結果如下。

表1 非末端故障線路定位結果

(2)當F2發生故障時，與(1)相同的方法搜索，結果如下:

表2 末端線路故障定位結果

5 結論

隨著越來越多的分布式電源接入到配電網，傳統的電流保護不再滿足配電網保護的要求。本文提出的新型無壓方向元件僅需要采集電流信息就能判別出方向，與傳統的功率方向元件相比，更加適合沒有安裝電壓互感器的含DG配電網。提出一種基于新型方向元件的故障定位算法，該算法很好的解決了DG接入配電網以后方向性問題，且故障定位速動性好，原理簡單，可靠性高。

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