分布式微電網的自調節接地故障自愈算法?

孫為兵 吳志堅 張豐豐 李培培 賀 琰

（國網揚州供電公司 揚州 225009）

1 引言

微電網（MG）設計具有連接分布式發電（DG）的功能，如光伏，風力發電機組，燃料電池和水電站等［1～3］。其中，電池和超級電容器也可用作能量存儲［4～5］。這些類型的電源和儲能裝置可以產生具有不同幅度和頻率的直流電壓或交流電壓，并且通過轉換器連接到智能電網應用接口［6］。近年來，對于MG 的研究受到了國內外學者高度關注［7～9］，并將電能分銷系統帶入了一個全新的時代。功率潮流對于故障分析來說是一個非常重要的技術工具［10］，它可用于分布式微電網管理（MGDN）的運營和規劃。在MG 中，電網拓撲結構靈活且連接具有動態性［11］，因此，接地故障電流（GFC）可能會不斷發生改變。此外，故障自愈是智能電網研究的主要方向，分布式微電網（MGD）的繼電器在識別和定位故障后自動進行配電網重構時，也應具備自動協調和設置能力。

面向操作領域的實時故障分析應用程序可使得MGDN 系統具有混合補償和自主驅動。這些研究的結果可用于執行MGD 在故障自愈時的分布式微電網管理自適應中繼調整和設置，這將是未來智能電網應用的趨勢。另外，可靠和快速的故障分類技術也需要有效的GFC 分析方法。正確地判斷故障信息不僅需要利用故障定位算法，還需要繼電器的合適操作和正確識別故障類型。對于分布式微電網傳輸線路進行有限的故障電路分析而言，Z-矩陣判斷［12］是最有效的解決方法，其中故障電路分析可通過使用具有零序，正序和負序列的網絡來執行。與被監控的序列線路相關的Z-矩陣元素通常與預應急負載潮流結合使用，以控制切換操作后MG的電流變化。

本研究基于實際MGD 和故障邊界條件，設計了一種新的自調節接地故障分析自愈算法。利用電網拓撲特性構建了三種接地故障電流（GFC）分析模式，通過等效驅動點（EDP）分析分布式微電網的阻抗和電壓，從而可以有效地進行故障電流分析及自愈調節。

2 EDP矩陣建立

通過等效驅動點（EDP）方法［13］建立具有分支電流注入總線的MG 模型，如圖1 所示。其中，VEDP，i和ZEDP，i是連接總線i 的等效驅動點電壓和阻抗。

圖1 利用EDP的MGD總線模型

在MG 中網絡拓撲結構靈活，DG 的連接具有動態性。因此，所提出的方法可以被整合到MG中：

其中，V 是MGD 的電壓矩陣，I 是總線注入電流矩陣，ZMGD是阻抗矩陣。MGD 潮流的解決方案可以通過直接使用帶電阻的ZEDP矩陣迭代求解來獲得：

其中，V0是空載電壓或所參考總線的電壓。

MG 由大量分布式發電機（DG）組成，其可包括微型渦輪發電機（MTG）、電池儲能系統（BESS）、光伏發電、柴油發電機、風力發電轉換系統和燃料電池等［14-15］。本研究開發了的分布式微電網利用靜態開關（SS）控制DG 之間連接到智能電網的500KVA 變壓器中。電網連接和獨立運行配置由SS 控制。在獨立運行的情況下，獨立DG 電源組成的MG用作電壓頻率控制。

對于帶有DG 接入總線的MG 由動態阻抗YD-G1的內部可變電流源iDG建模，如圖2所示。

圖2 DG連接到MG中的總線的模型

3 自調節接地故障電流分析

針對MGD 的接地故障電流（GFC）分析，可以基于邊界條件和迭代過程采用混合補償方法來解決。對于各種故障，需要獲得適當的故障邊界條件［16］，并且使用ZEDP矩陣計算它們對分支電流和總線電壓的影響。

3.1 單線接地故障

當帶有阻抗Zf的單線接地（SLG）故障發生在總線i 的單相上時，SLG的故障電流可以描述為

其中，故障前的潮流解決方案Vi，a(（k）i，f。用迭代初始條件?Va(k)i,f。YaEDPf，i用1×1 矩陣[ZEDP]-1表示故障發生瞬間的位置。

3.2 雙線接地故障

類似地，對于帶有阻抗Zf的雙線接地（DLG）故障發生在總線i 的a 和b 雙相上時，DLG 的故障電流可以表示為

故障前的負載電流和電壓用于解決上述電壓不匹配的初始條件，并且YEaDbPf，i用2×2 矩陣[ZEDP]-1表示故障發生瞬間的位置。

3.3 三線接地故障

類似于前面敘述，對于帶有阻抗Zf的三線接地（TLG）故障發生在總線i 的所有相上時，故障點處TLGF的邊界條件和迭代過程使得故障電流必須滿足：

其中，YEaDbcPf，i用3×3矩陣[ZEDP]-1表示故障發生瞬間的位置。

多數配電系統具有放射狀結構，由于分布式發電機的集成性和微電網連接的可利用性，未來的電力分配系統將變成弱網狀結構。因此，當MGD 電力系統處于弱網狀結構時，所提出的方法可用于獲得接地故障分析的解決方案。

4 仿真分析

圖3 給出了IEEE-7 的分布式微電網系統，它由智能電網、靜態開關（SS）、渦輪發電機（MTG）、電池儲能系統（BESS）、高濃度光伏電池（HCPV）、負載（L1和L2）、部分三相線路和總線組成。

圖3 IEEE-7的MGD系統

如圖3 所示，對總線系統的三個階段線段接地故障進行大量的試驗。對于總線4和總線6給出了各種DG建模方案。GFC仿真在并網模式下進行測試，其中每個繼電器的GFC通過所提出的迭代過程和邊界條件來計算，如圖4 所示。獲得ZEDP和Zf后可計算出GFC。測試結果表明，該方法系統、高效、準確。

圖4 每個繼電器的GFC故障自愈

當圖3所示的MGD系統接入IEEE-30系統時，總線2 上發生接地故障分析收斂性測試如圖5 所示。可以看出，所提出的算法僅在前幾次迭代中快速收斂，這是由于雅可比矩陣的病態問題會導致潮流程序發散，這種現象通常發生在系統包含一些非常短的線路或接地故障時。

圖5 接地故障分析的收斂性試驗

5 結語

本文針對分布式微電網自調節接地故障問題，提出了基于三階段模型的混合補償自愈平衡算法。該算法的輸入數據可利用智能儀表的簡單總線EDP數據。結合微電網系統動態特性的優點，有效地解決接地故障自愈保護。