一種計及低電壓穿越的有源配電網繼電保護方案

孫軼超，趙青春，黃濤，熊蕙，徐志科

(1.東南大學 電氣工程學院，南京 210096； 2.南瑞集團有限公司/智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，南京 211106)

0 引 言

隨著新能源的發展，配電網中逆變型分布式電源(Inverter Interfaced Distributed Generator，IIDG)的滲透率不斷提高。分布式電源具備投資小、能耗低、靈活性好、可靠性高等優勢[1]。但當IIDG接入配電網時，配電網變為多電源結構，網絡結構與潮流方向有別于傳統的配電網，傳統保護方案的保護能力受到了影響[2-3]。同時，供電的安全性也對新能源電源低電壓穿越能力有了更多的要求。因此，有必要對接入IIDG后配電網故障特性進行研究，并在此基礎上提出有源配電網繼電保護方案,從而提高配電網抵御風險的能力。

國內外目前主要有三種有源配電網繼電保護方案：(1)限制IIDG的接入容量[4,5]；(2)通過加裝保護裝置形成配電網自適應繼電保護[6]；(3)基于通信技術的配電網保護方案[7]。方案(1)對配電網已有保護資源改變較少，經濟性較好，但對于IIDG在配電網中滲透率的不斷升高的趨勢，該方案無法完成有效應對[8]；方案(2)在配電網已有保護資源的基礎之上，以加裝保護裝置的方式完成對原有方案的優化，具備一定的可行性；方案(3)則在較高通信能力保障的基礎上，對配電網中的量測信息進行多點控制[9]，理論上具有最高的可靠性。

文章提出一種基于故障電流幅值及相位條件的分布式保護方案。首先對逆變型分布式電源進行了建模，在考慮到低電壓穿越(Low voltage ride-through，LVRT)規范的基礎上分析了逆變型分布式電源的故障特性[10]。在此基礎上，對有源配電網故障分析方法進行了研究，通過研究電流幅值和相位在故障線路和非故障線路上的不同特征，確定故障位置。最后，針對僅具備電流量測能力的有源配電網，提出了一種基于電流幅值及相位條件的保護判據及相應的分布式保護方案，并在PSCAD中進行了仿真驗證。此方案可解決傳統電流差動保護相移誤差與判據靈敏度之間的矛盾，同時對配電網量測能力要求較低，僅需三相電流測量信息。

1 含IIDG配電網故障特性分析

以三相短路故障為例，同步電機型分布式電源短時的故障電流可以達到額定運行電流的8倍～10倍，然后逐漸進入4倍～6倍額定運行電流的暫態階段，再逐漸衰減至2倍～3倍的穩態階段，其機電特性導致其暫態狀態的影響不可忽略。對于撬棒不切除的雙饋電機可將其看做異步發電機分析，在短路故障時最大短路電流將達到5倍～7倍額定幅值，在3個～10個周期被逐漸衰減至0，對此可以采用主動式撬棒電路同時定子側加裝動態制動電阻作為雙饋電機低電壓穿越控制初始階段的控制策略，但其在時間尺度上與逆變型電源仍無法媲美。對于采取低電壓穿越策略的逆變型電源來說，限制輸出電流的動作時間往往能限制在半個周期，隨后輸出電流趨向穩定[11-12]。

配電網中的分布式電源通常采用雙閉環的控制結構,通過dq分解將有功輸出、無功輸出解耦分別對應為Id、Iq控制。考慮到低電壓穿越規范的無功補償階段，當并網點發生電壓跌落時，逆變器輸出的無功電流Iq應符合如下的規范[13]：

(1)

式中IN為逆變器額定并網電流；Ug為并網點電壓標幺值。

IIDG輸出電流與并網點電壓的相角差可表示為：

(2)

若IIDG只輸出有功功率，則IIDG輸出電流與并網點電壓相位相近；如果IIDG只輸出無功功率，則并網點電壓相位超前于IIDG輸出電流相位90°。

以三相接地短路故障為例，圖1、圖2分別是0.2 s時三相短路故障后，Ug跌落至0.2 p.u.時逆變器輸出的電流波形以及功率，其中圖1所采用的控制策略中加入了電流限幅的措施保護光伏本體[14]。

圖1 低電壓穿越策略下逆變器電流輸出

圖2 低電壓穿越策略下逆變器功率輸出

相比于非逆變型分布式電源，逆變型分布式電源因為電力電子器件的特性使其故障暫態時間短，過渡過程快。從故障分析的角度來考慮，考慮低電壓穿越的逆變型分布式電源可以忽略其暫態過程，幅值的變化時間以及變化范圍均受到了理想的控制，進而可以直接用穩態輸出進行故障分析。其次，采用低電壓穿越策略的逆變型分布式電源，在故障時的輸出電流往往無需考慮復雜的物理狀態，對故障進行判別、分析時僅需按照相應規范分析其幅值、相角信息。文章所建立的故障分析模型也是建立在考慮到LVRT的逆變型分布式電源基礎上。

2 基于電流幅值及相位的保護方案

理想狀況下，故障線路兩端電流的幅值情況與線路的分布情況、IIDG接入位置、IIDG容量等因素有關，故障線路兩端電流的相位近似同向；非故障線路兩端電流的幅值情況與故障點位置、線路分布情況以及分布式電源接入情況等因素有關，非故障線路兩端電流的相位近似反向。在實際情況中，線路兩端電流的幅值及相位信息與理想情況下有類似特征，因此可以通過對比線路兩端電流的幅值及相位情況，對線路是否發生故障進行判別。

文章規定電流互感器的安裝方式為同名端均位于靠近母線一側。分析所用系統結構示意圖見圖3。

圖3 有源配電網系統結構圖

2.1 IIDG接入后線路端電流幅值及相位關系

圖4 系統側與IIDG側短路電流關系圖

在系統側與IIDG側電流關系的基礎上，考慮線路端電流幅值及相位關系。將線路分為故障區段和非故障區段，非故障區段又分為故障點上游和故障點下游兩種情況。故障點上游的非故障區段有系統提供的短路電流，而故障點下游的非故障區段僅存在IIDG提供的短路電流。故障分析暫且不計負荷電流的影響。

(1)故障區段

圖5 故障區段線路兩端電流

(2)故障外區段

(a)故障點上游非故障區段

圖6 故障點上游非故障區段

圖7 故障點上游非故障區段電流相量圖

(b)故障點下游非故障區段

圖8 故障點下游非故障區段

2.2 基于電流幅值及相位條件的保護判據

在單位圓繪制帶有幅值和相角信息的線路運行狀態，通過合理的判斷條件可以確定保護范圍。

以保護線路兩側電流中較大值為基準值[16]，進行分析：

(3)

表示兩端電流幅值及相位關系的“點”表征線路不同的運行狀態。當線路處于正常運行狀況時，理想情況下(忽略分支線路及負荷的分流作用)，線路兩端電流幅值相等，相位差180°，即運行點位于(-1,0)；當故障位于保護區外時，理想情況下(忽略線路兩端電流互感器的傳變誤差)，線路兩端電流的幅值和相位情況與正常運行狀態下相同，即運行點仍然位于(-1,0)；當故障位于保護區內時，理想狀況下線路兩端電流幅值和相位均相同，即運行點位于(1,0)。

當考慮線路中負荷電流對于故障電流的影響以及電流互感器的傳變誤差時，可以認為，當線路正常運行或故障位于保護區外時，運行點均位于(-1,0)附近的制動區域；當故障位于保護區內時，運行點位于制動區域以外，即動作區域。如圖9所示，表征線路所有運行狀態的運行點均位于單位圓內，左側的圓是根據制動判據繪出的，即圓內為制動區域，圓外為動作區域。因此，圖9中陰影部分區域即為線路保護動作的運行狀態，無陰影區域為線路保護制動的運行狀態。

圖9 幅相平面上的保護特性

2.2.1 基礎判據

實際測量過程中，電流互感器的誤差會同時體現在電流幅值和相位信息中;線路兩端保護裝置間通信的同步誤差體現在電流的相位信息中。因此，文章考慮從電流幅值和相位兩方面形成獨立的保護判據，使其同時具有對電流幅值誤差和相位誤差的控制能力，提升保護判據的可靠性。

基礎保護判據的數學表達式為：

(4)

式中R代表保護判據中幅值約束條件，當線路兩端電流幅值比小于R時，保護動作；φ代表保護判據中相位約束條件，當線路兩端電流絕對相位差小于φ時，保護動作。兩個約束條件為邏輯或關系。

理想情況下，保護制動區域僅為圓周上位于180°的一個點處，考慮到電流互感器的傳變誤差，故陰影面積為保護制動區域，如圖10所示。

圖10 基礎判據下的保護區域

2.2.2 改進判據

圖11 考慮到負載電流的正常運行狀態

(5)

在正常運行時負載不可忽略，若靠近系統側饋線處負載電流過大則會使得幅值判據的檢測結果偏小從而落入保護誤動作的范圍，基礎判據可能存在失效。

為提升保護判據的靈敏度，需要在發生區內故障時減小制動量，提升保護動作可靠性；在發生區外故障時增大制動量，降低保護誤動的可能性。幅值判據改進為：

(6)

式中C1，C2為自適應的常數。

(7)

當發生區外故障時，此時幅值判據為：

(8)

如圖12所示，當發生區內故障時，線路兩側電流幅值比降低到C1+C2以下，保護即動作，根據上文所述的電流相位條件，此時保護判據的制動區域為區域Ⅰ；當發生區外故障時，線路兩側電流幅值比需要降低到C1-C2以下時，保護才可動作，上文所述的電流相位條件，此時保護判據的制動區域為區域Ⅰ+區域Ⅱ。

圖12 改進判據下的保護區域

由上可知，改進型保護判據在區內故障時制動區域明顯小于區外故障時的制動區域，因此通過合理整定C1與C2的值可提升保護判據靈敏度。

綜上所述，將保護判據改進為：

(9)

在本節所提的分布式保護方案中，每段配電網線路的首末兩端分別安裝有一個本地保護單元(Local Protection Unit，LPU)采集電壓、電流和開關狀態；每個LPU分別控制一個斷路器，接收上級下達的動作命令。對配電網線路上所有LPU分組，使線路兩端LPU為一個互聯組，只有同互聯組的LPU才相互聯絡并獲取對方電流幅值和相位信息。滿足保護判據的動作條件時，對應斷路器動作，切除故障線路。

3 實驗結果與分析

仿真模型如圖13所示。文章以10 kV輻射狀配電網為算例進行仿真驗證，線路參數采用典型的截面積為185 mm2、幾何間距為1 250 mm的LJ185鋁導體架空線路，每公里阻抗幅值為0.36 Ω，阻抗角為62.5°，母線之間距離設為1 km。正常運行負載為：母線1與母線2之間、母線2與IIDG2之間的負荷大小均為(0.6+j 0.12) MVA；當重載運行時候保持母線2與IIDG2之間的負荷大小不變，母線1與母線2之間變為原來的兩倍。圖13中所示IIDG均為PQ控制型IIDG，正常工作情況下IIDG容量為0.6 MVA。

圖13 仿真模型電路結構

基礎判據相位整定：當保護區段外發生故障時，線路兩端電流相位差大于160°；當保護區段內發生故障時，線路兩端電流相位差小于70°。取其平均值，令φ為115°。

基礎判據幅值整定：當保護區段外發生故障時，線路兩端電流幅值比大于0.5；當保護區段內發生故障時，線路兩端電流幅值比小于0.5。考慮由故障電流導致線路兩端電流互感器飽和引起的幅值誤差在10%之內，取系數R=0.4。

綜上得到基礎判據的動作特性表達式為：

(10)

(1)正常負載狀態運行

圖14為正常負載運行狀態且無故障時斷路器處的A相電流。斷路器1-2和斷路器2-1處A相電流幅值比約為0.3，基礎判據失效。當配電網某段線路相對于下游區域重載時，線路兩端負荷電流幅值相差較大,考慮采用式(9)的形式令C2=0.1，C1=0.3，結合式(10)，可得改進判據：

圖14 重載且無故障時斷路器處A相電流

(11)

根據改進判據，保護正確制動。

(2)區內故障

圖15為重載運行下f1處發生故障時斷路器處的A相電流。兩斷路器處A相電流幅值比遠小于0.1，相位相差60°，此時保護動作判據為：

圖15 重載時f1處故障時斷路器處A相電流

(12)

根據改進判據，保護正確動作。

(3)區外故障

圖16為重載運行下f2處發生故障時斷路器處的A相電流。t=0.2 s時在f2處引入AB兩相短路故障，兩斷路器處A相電流幅值約為1，相位差約為180°，保護判據與式(11)相同。根據保護判據，保護正確動作。

圖16 重載時f2處故障時斷路器處A相電流

信息處理基本單元在現實中往往會遭遇意外工況，例如拒動和信息丟失等。針對LPU拒動時(斷路器失靈按照LPU拒動處理)給出的處理方案是：構建互聯后備組，即將某LPU與其相鄰的非同一互聯組內的LPU組成后備互聯組，若本LPU發生拒動現象，則令該LPU的互聯組內LPU與該LPU的后備互聯組內LPU進行通信。對LPU信息丟失同樣采取后備互聯的處理，當發生某LPU發現同互聯組內對側LPU發生信息丟失現象時，與對側LPU后備互聯組的LPU進行電流幅值和相位信息的通信，當發現故障位于兩LPU之間時，由兩LPU分別控制相應的斷路器完成故障的隔離工作。

4 結束語

文章以IIDG接入的交流配電網為研究對象，重點研究了適應IIDG接入的交流配電網繼電保護方案，研究的主要內容和結果如下：

(1)建立了考慮到本體及控制策略的分布式電源仿真模型,對考慮低電壓穿越策略的IIDG故障特性進行了分析；

(2)對有源配電網兩端線路區段端部電流之間的相位與幅值關系進行了分類與分析；

(3)提出了基于電流幅值及相位信息的分布式保護方案，并在PSCAD中進行了仿真驗證。

傳統電流差動保護相移誤差與判據靈敏度之間存在矛盾，提出一種基于電流幅值及相位條件的分布式保護方案，其中改進型的判據具備較高的可靠性。同時，本方案對配電網量測能力的要求較低，僅需電流信息，具備一定的工程實踐價值。后續的工作將繼續研究有源配電網差動保護參數的自適應調節以及研究多端線路區段端部電流之間的幅相關系，完成復雜電網條件下考慮到各種實際問題對保護帶來的綜合影響研究。