基于電流方向搜索法的分布式電源接入配電網故障保護與定位的研究

袁剛++陳奎

摘 要：隨著分布式電源的接入，傳統單電源輻射性配電網的結構必然發生改變。按照傳統單電源輻射性配電網保護與定位方法，已不能完全適用于含分布式電源的配電網。在研究分布式電源接入對現有保護和定位方法影響的基礎上，提出了基于電流方向法的分布式電源接入配電網保護與定位的方法。通過構建仿真模型，仿真驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：分布式電源；配電網；保護與定位；電流方向法；電力系統故障

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0125-04

1 前言

分布式電源作為一種清潔環保，安裝靈活的發電技術，在各個國家都獲得了迅速的發展。近年來，在國家戰略的大力支持下，我國分布式電源得以迅猛發展，裝機容量躍居世界首位。此外，當下我國的配電系統多為傳統的單福射結構，接納能力有限，不適合分布式電源的大規模自由接入，這在某種程度上阻礙了分布式電源在配電網層面的推廣應用。因此也得到了國內外學者的廣泛關注。

廣大繼電保護工作者根據分布式電源接入配電網的特征，分別提出了加裝電壓互感器和方向元件來實現的電流保護；考慮DG分流，采用雙整定方法，適用于系統運行方式變化較小的保護方法；光纖保護、縱聯保護、廣域保護等方法。上述這些方法有效地提高了分布式電源接入配電網的保護準確性、靈敏性和可靠性。但是在應用中還存在一定的局限性，有必要進行更進一步的研究。本文在借鑒上述方法的基礎上，通過分析分布式電源接入對傳統三段式電流保護不同影響的基礎上，提出利用各線路電流綜合比向的方法來實現分布式電源接入配電網的保護，且該方法不受分布式電源滲透率、接入位置等因素的影響。并經仿真驗證了本方法的有效性。

2 分布式電源接入對現有保護與定位方法的影響

傳統單電源輻射性配電網的保護方法主要是電流保護。即當線路發生故障時，流過電流保護的電流增大整定電流和整定時間時保護就會動作，切除發生故障的線路。目前電流保護主要是是三段式電流保護，它們之間相互配合共同完成對配網的保護任務。但是隨著分布式電源的接入原有單電源輻射性配電網的結構也就發生了改變。必然對三段式電流保護產生一定的影響。圖1是原有配電網接入分布式電源后的配電網結構。

如圖2所示，當線路AB的f1點發生故障時，按照繼電保護的選擇性來講，保護1應立即動作切斷故障線路AB，但是該配網含分布式電源，這樣，BC線路仍然會流過短路電流，可能會導致保護2的誤動作。通過分析流過保護2的故障電流可知當故障電流大于其整定值，那么保護2就會誤動，當故障電流小于其整定值，保護2就不會誤動。這主要與分布式電源提供短路電流的大小有關。

當線路BF的f3點發生故障時，如果分布式電源的容量過大，那么流過保護6的電流就會變大，而BC線路也會流過由分布式電源提供的短路電流。這樣也可能導致保護2、保護1的誤動作。

當改變DG接入的位置，如圖3所示，這個時候DG位于保護裝置3的下游，這樣的話，流過3處保護的故障電流值就會變小，這樣導致的結果很可能就是保護3不動作。

當分布式電源位于配電網末端時如圖4所示。當f1點發生故障時DG相當于沒有接入配電網。這樣的話圖中的配電網就變成了傳統的單電源網絡結構。我們觀察各個保護安裝點的情況，其中另一條支路的保護6和保護7不會受影響，因為它們不會感受到故障電流。本支路的保護4雖然流過了短路電流，但是接入DG與未接入DG，對于流過保護4的短路電流來講，基本沒有什么變化（所以在f1點短路的情況發生時，保護4能正確切除故障線路。

當f3點發生故障時，另一條支路的保護6和保護7不會受影響，因為它們無故障電流流過。保護3有故障電流流過，但接入DG與未接入DG相比影響很小可以忽略不計。而保護4會流過DG提供的短路電流，有可能造成保護4會誤動作。

當f2點發生故障時，由原系統電源和DG提供的短路電流會流過保護6。這樣保護3有可能準確動作。但是，DG提供的短路電流會流過保護2和3，這樣保護2和3都有可能誤動作。

綜上所述，在接入DG之后，配電網的結構發生了變化。當DG接入配網的位置固定時。對不同位置發生故障時，分布式電源對其上游線路有分流的作用，對其下游線路有助增的作用。這樣會導致保護拒動或者誤動，不利于配電網的安全。當分布式電源在不同位置接入配電網時，分布式電源接入配電網會造成配電網保護的不正確動作。因此，我們需要尋求更好的方法來解決分布式電源接入配電網的繼電保護問題。

3 基于電流方向搜索法的分布式電源接入配電網故障保護與定位

一個含分布式電源的配電網如圖5所示，當線路發生故障時，其等效電路如圖6所示。

圖中Zs是系統阻抗，Z1….Zk，Zn是各分支線路的阻抗。是故障短路電流的故障電流分量，是發生故障時母線電壓正序故障分量，因此可得：

（1）

由式（1）可知電流之間的關系主要取決于、之間的關系。在配電網線路阻抗角一般為，也就是說Zs，Zi之間的阻抗角約為，那么、之間的角度約為。由于、之間的夾角小于，所以也位于之間，并且其幅值大于每一個向量的模值，即滿足：

（2）

當母線發生故障時根據基爾霍夫電流定律可得：

（3）

根據公式（2）可以發現故障支路故障分量電流的幅值大于未發生故障支路的故障分量電流，并且故障分量電流的相位也與其余未發生故障支路的電流相位差異較大，所以，我們可以根據這些特征制定出故障方向判據。

4 實例仿真與結論

如圖7所示，一較復雜多個分布式電源接入配電網。

如圖7所示，首先規定電流由線路流向母線為正方向，電流由母線流向線路為負方向。每一級的母線上的智能電力監測裝置IED負責比較采集的故障分量電流的大小，比如對于第一級母線IED來講，需要將采集的各支路故障分量電流值進行比較確定出故障支路。沿著該支路正方向，向前搜索。endprint

當進行完第一級故障分量電流幅值比較后，立即進行第二級故障分量電流幅值比較（故障線路進行，非故障線路不用進行比較），如果IED對第二級故障分量電流進行分析比較后發現故障發生在母線時，則故障區域落在第一級母線與第二級母線之間。

如果IED對第二級故障電流分量幅值進行分析比較后發現故障發生在支路上則繼續進行搜索，直到確定故障位置。

當線路EF發生故障時，首先IED對支路AB、AH、AK支路進行故障電流檢測，發現AB支路故障電流分量值最大，那么沿著AB支路正方向繼續向前尋找故障。IED對BC、BE支路進行故障電流檢測發現BE支路故障電流分量值最大。那么系統則判斷AB支路未發生故障，繼續沿著BE支路正方向繼續向前搜索。IED對EF和含分布式電源支路的故障電流進行檢測，發現EF支路的故障電流分量值最大，并且利用判據得出表1的數據，系統判斷故障發生在母線F的上游。此時，系統可以確定故障發生在EF處，停止向前搜索。系統確定故障位置在EF處，控制保護裝置動作切斷線路EF，起到保護線路的作用。

從表中的數據可以看出利用式（2）可以準確的判斷出故障方向的，利用式（3）可以準確的幫助系統確定故障點位置。且離故障點越近，故障特征越明顯，所以離電源越近的地方對電力智能檢測裝置的精度要求也越高。同樣模擬其它位置的故障都可以有效地定位故障區間。當改變配電網的結構、分布式電源接入的位置等，徑仿真都可以準確實現故障定位。

綜上所述該方法可對分布式電源接入配電網故障實現有效定位，為解決分布式電源接入配電網的保護和故障定位提供有效地幫助。

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