基于故障信息自同步的有源配電網縱聯保護

李瀚霖 ，靳維，梁睿，劉心瑜

(1.國網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)接入配電網的比例越來越高。DG接入配電網對升級能源結構、改善網絡運行經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，配電網結構由傳統簡單的單電源放射狀網絡變為復雜的多電源網絡，傳統的三段式電流保護策略面臨無法克服的選擇性問題[4]。根據國家2010年頒布出臺的《分布式電源接入電網技術規定》[5]和IEEE發布的《IEEE 1547—2003》標準[6]，當含DG配電網發生故障時，要求保護裝置迅速隔離相關DG。傳統的保護策略不僅無法充分發揮DG配電網的支撐作用，而且嚴重限制了新能源技術的推廣與應用。面對含DG配電網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配電網線路保護問題最有效的方案是縱聯保護方案，但當前配電網的智能化水平和通信條件無法滿足縱聯保護對數據的高同步要求。當前含DG配電網保護方案主要為：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定差動保護判據[7—9]，但未從根本上解決同步性難題，若進行相應智能化改造將帶來極大的基礎建設成本；使用故障自同步時間信息構造的差動保護判據，解決了配電網環境下的同步問題[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]、利用電流比幅值構造的縱聯保護方案，針對不同的饋線結構，給出了適應性保護動作判據，其實現同樣需裝配智能配電終端平臺[15—17]，不符合配電網應用現狀。因此，將縱聯保護策略應用于含DG配電網應解決的主要問題是如何在現有弱同步條件下實現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。通過此技術測算得到的時間信息可計算被保護線路兩側電流相位變化方向的判定值，有效代替了同步采樣環節。基于故障信息自同步技術，文中提出了含DG配電網弱同步條件下的新型縱聯保護方案，僅需要比較故障后工頻基波電流相位變化方向判定值，即可實現縱聯保護可靠動作。仿真結果表明，故障信息自同步技術具有較高的準確性，新型縱聯保護方案可準確識別故障位置，對區內故障可快速、靈敏動作，對區外故障可靠制動。

1 含DG配電網電流方向變化特性分析

DG接入配電網后，配網結構變為多電源網絡，如圖1所示，等效雙機系統模型如圖2所示，其中系統電源等效為ES,相應節點所帶負荷由箭頭表示。

圖1 含DG配電網結構示意Fig.1 Distribution network structure diagram with DG

圖2 含DG配電網等效網絡模型Fig.2 Equivalent network model with DG distribution network

1.1 區內故障電流方向變化特性

含DG配電網正常運行時，設定電流由母線流向線路為正方向，根據圖2可知，正常運行電流為：

(1)

(2)

(3)

則故障后線路兩側電流為：

(4)

相應電壓、電流相量關系如圖3所示。

圖3 區內故障電流相量變化圖Fig.3 The phasor variation diagram of fault current in the zone

1.2 區外故障電流方向變化特性

若在線路區外靠近N端處發生故障時，流過線路兩側的故障電流為：

(5)

則可得故障后線路兩側電流為：

(6)

相應電壓、電流相量關系如圖4所示。

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

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

2 有源配電網環境下的故障信息自同步技術

2.1 故障信息自同步技術原理

在配電網無法實現兩側同步對時的情況下，文中提出了故障信息自同步技術，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，故障是同時發生的。以故障發生時刻為時間參考點，分別測量線路兩側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電流變化方向，即可替代同步采樣環節。故障同步識別技術實現原理見圖5。

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

圖5中，兩側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可以很好地克服配電網無法獲取同步信息的困難，為新型縱聯保護方案應用提供了數據信息支持。

2.2 峰值點計算與誤差分析

電流采樣數據均為正弦波上的值，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。

設定在Tk時刻對應的采樣值為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)

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

3 新型有源配電網縱聯保護方案

根據基爾霍夫電流定律，含DG配電網區內、外故障時，線路兩側電流相位變化特性不同，可得新型縱聯保護原理為：

(1)當線路發生區內故障時，線路兩側電流相位變化方向相反；

(2)當線路發生區外故障時，線路兩側電流相位變化方向相同。

根據新型含DG配電網縱聯保護原理，只需使用故障信息自同步技術測取線路兩側電流相量變化方向，即可判定故障位置。若故障發生在被保護線路內部，則保護動作將被保護線路從系統中切除；若故障發生在線路區外則保護不動作。

設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。當兩節點電流變化方向判定值異號時即可判定其區內發生故障。

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配電網為例，若EF范圍內發生故障，基于故障信息自同步技術可得判定表，如表1所示。

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

其中，Ti為含DG網絡中各節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為根據故障信息自同步技術得到相應節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兩相鄰節點為異號，其他相鄰節點判定值均為同號，即可判定故障發生在EF范圍內。EF線路兩側保護動作，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的準確性和縱聯保護方案的有效性，文中利用Matlab/Simulink仿真平臺搭建200 MV·A的10 kV含DG配電網模型。配電網模型中逆變型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%。帶有負荷的節點負荷均設定為5.40 MW，功率因數為0.85。

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

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

4.1 區內故障仿真分析

首先，文中仿真了線路DE距D端50%處發生三相金屬性接地故障，分別記錄含DG網絡中各節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，并根據故障信息自同步技術得到相應節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節點電流相位變化信息如表2所示。

表2 區內故障時系統相關節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

由仿真結果可知，故障信息自同步技術可準確獲得系統各節點電流相位變化方向，新型含DG配電網縱聯保護方案可準確判定線路DE區內發生故障，保護動作將線路DE從系統中切除，保護具有良好的選擇性和可靠性。

4.2 區外故障仿真分析

區外故障仿真了線路EF距E端50%處發生三相金屬性接地故障，分別記錄含DG網絡中各相關節點基波電流故障時刻前后兩相鄰相同趨勢峰值點的Ti，并根據故障信息自同步技術得到相應節點基波電流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節點電流相位變化信息如表3所示。

圖9 線路DE區外發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 區外故障時系統相關節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

當發生區外故障時，故障信息自同步技術依然可以準確獲得系統各節點電流相位變化方向，新型含DG配電網縱聯保護方案可準確判定線路DE區外發生故障，保護可靠不動作。

由仿真結果可以看出，故障信息自同步技術可準確識別故障并獲取線路各相關節點的電流相位變化信息。當被保護線路區內發生故障時，新型含DG配電網縱聯保護方案具有良好的選擇性和靈敏性，可準確判定故障發生在區內并快速切除故障。當被保護線路區外發生故障時，文中提出的保護方案可實現可靠制動。

5 結語

文中首先提出了適用于有源配電網的故障信息自同步技術，以兩側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據代替傳統的電流同步相位數據，解決了當前配電網因難以獲取同步采樣數據導致縱聯差動保護方案無法應用于有源配電網的難題。

基于故障信息自同步技術，文中提出了新型含DG配電網縱聯保護方案。新型縱聯保護方案只需使用故障信息自同步技術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，可在有源配電網環境下有效應用。