電流衰減特性在配電網保護中的應用探討

陳星宇

（國網重慶市電力公司市南供電分公司，重慶 401336）

1 配電網保護面臨的問題

隨著新型電力系統的建設，光伏發電、儲能等逆變型分布式電源（inverter-interfaced distribute generator， IIDG）大量接入電網，改變了傳統配電網絡原有的單一結構特征，短路特性發生較大改變，原有階梯式整定的電流保護存在較高的誤動或拒動風險。針對含有IIDG接入的配網饋線保護問題，國內外專家學者做了大量研究工作，文獻[2]提出自適應地改進電流保護整定方案來保證動作的靈敏性，但是，在含IIDG配電網運用中仍面臨保護延時和上下級保護配合困難的問題。文獻[3]分析并驗證了距離保護在配電網絡的適用性，但電壓信息的同時增加了保護判據的復雜性和配電網資金投入。文獻[4]通過將故障后分布式電源的短路電流發送給對側，實現故障區域的隔離，該類通信方法成本較高且難以準確同步。因此，有必要進一步深入研究適用于含IIDG接入的配電網保護。

本文分析了不同電源暫態故障電流，提出了一種基于電流衰減特性的配電網保護方案，利用內部故障發生后所在線路兩端測量的電流衰減特性應保持一致的特性，以電流衰減參數構建保護判據。

2 不同電源短路電流特征分析

逆變型電源經過逆變器與電網連接，其逆變器控制策略是短路電流特征的主要決定因素。在現場應用中，常使用定電壓矢量控制策略，抑制故障電流和功率波動，實現低電壓穿越。短路故障后，鎖相環需要延遲才能響應，因此暫態過程中檢測角頻率不再是工頻，導致電流主要表現出衰減的非工頻特征。電網主要依靠同步發電機供電，發生短路時的短路電流主要含有基本恒定的工頻分量和衰減的直流分量。

因此，當含IIDG系統正常運行或者發生區外短路時，線路兩側的電流相同，暫態特征基本一致。而對于區內短路，逆變型分布式電源提供的短路電流和傳統電網系統短路電流主要分量有著明顯的衰減特征區別，呈現出較強的非工頻特征。

3 基于電流衰減特性的配電網保護方案

用最小二乘矩陣束算法可以辨識電流的各個頻率分量，可以表示為：

式中，M代表系統階次；k=1，2...，N-1，N為一周期采樣點數；Ts是采樣周期；e是自然常數；對第i次信號分量，Ri代表復幅值，包括信號的幅值Ai和θi初相，即Ri=Aiejθi，代表復頻率，包含衰減因子αi以及相角頻率ωi，即si=-αi+jωi。

在配電網絡中，由饋線開關切分為各個相連的配電區段，圖1所示是一個典型的含IIDG配電網絡拓撲圖。

圖1 含IIDG配電網示意圖

當饋線某處發生短路故障時，線路兩端采樣到的短路電流分別由IIDG與電網系統電源提供，此時，IIDG側的故障電流衰減參數大于系統側故障電流的衰減參數，有：

其中，αS、αR分別為系統側、逆變側故障電流交流主頻分量衰減時間常數。當饋線某處發生短路故障時，線路兩端采樣到的短路電流分別由逆變型DG與電網系統電源提供，此時，含逆變型DG側的故障電流衰減參數大于系統側故障電流的衰減參數，有：

綜上所述，在逆變型分布式電源出力情況下，區內故障的判定，準確性需要依靠兩端電流不同的衰減特性保證，即需要可靠地計算兩端電流中交流分量的衰減因子數值，最小二乘矩陣束法恰能滿足此種要求。

4 結語

本文利用區內外故障時，兩端電流具有不同特性，提出了一種基于電流衰減特性的配電網縱聯保護方案，使得在配電線路區內故障時保持靈敏性和選擇性的同時，在區外故障時仍具有高區分性。同時，該算法對噪聲具有一定耐受度，有良好的應用前景，為含IIDG配電網絡保護提供了新的思路，但該方法的靈敏度校驗原則仍然有待進一步優化。