分布式能源脫網和其本身特性改變對線路限時電流速斷保護的影響及對策

翁漢琍，樊 榮，饒丹青，黃景光，李振興

（1.新能源微電網湖北省協同創新中心（三峽大學），宜昌 443002；2.三峽大學電氣與新能源學院，宜昌 443002；3.國能長源隨州發電有限公司，隨州 441300）

我國于2020年9月提出了“碳達峰”、“碳中和”的奮斗目標，促進了清潔能源和可再生能源的發展[1-2]。分布式能源DER（distributed energy resource）作為集中供電的一種補充，在其并網后，一些特殊運行環境和其本身的特性會導致DER 脫網和DER從電源屬性轉變成負荷屬性，使網絡拓撲結構發生改變，影響網絡中電流的特征分布，從而給線路限時電流速斷保護的正常運行帶來影響。

目前，針對DER產生線路電流的保護研究主要集中在DER 并網所帶來的保護問題。由于它改變了原有系統短路電流的大小，對線路電流保護造成影響[3]，使保護裝置的保護范圍發生變化，導致過電流保護的保護范圍減小[4-5]。文獻[6]分析了在DER下游、相鄰和上游線路的不同位置發生短路時，DER 容量變化對3 段式電流保護選擇性和靈敏度的影響，通過比較不同的短路位置表明，當短路發生在DER 下游線路時，DER 對下游電流Ⅰ段保護選擇性的影響最大；文獻[7]比較了DER 系統的保護與傳統概念保護之間的差異，利用具有反時限特性的定向過流保護構造能夠抵抗短路電流微小變化的保護設置，提出一種基于自適應的具有反時限特性方向過流保護方案；文獻[8]利用故障分量網絡計算DER的等效阻抗，并將其代入電流保護的整定計算中，提出一種DER并網的自適應過電流保護方案；文獻[9-10]分析了逆變型DER 的控制策略和故障電流特性，提出一種基于控制策略的含逆變型DER 配電網自適應電流Ⅰ段保護方案；文獻[11]分析了DER 在下級線路中的助增電流對配電網保護所帶來的影響，利用電壓因子來修正反時限過電流保護，從而改善線路保護間的配合問題。上述文獻主要考慮了DER接入電網所帶來的線路保護問題，而對DER 并網后，DER 脫網和DER 特性改變等特殊運行工況導致的配電網系統結構發生新的改變，使繼電保護可能面臨問題的研究較少。

本文研究DER脫網和其本身特性改變的成因，分析一些特殊運行工況對線路限時電流速斷保護的影響機理；根據在特殊運行工況下電流與功率的分布特征，提出針對性的解決方案，以提高配電網電流保護的可靠性。

1 DER 脫網和其本身特性改變對線路限時電流速斷保護的影響

1.1 DER 脫網的場景及其對電流的影響

根據低電壓穿越要求，在三相短路故障和兩相短路故障的并網線電壓與單相接地短路故障的并網相電壓標幺值下降至0.2 p.u.時，DER 能夠繼續運行0.625 s，在其電壓恢復到0.85 p.u.及以上時保持并網運行，否則DER將會脫網。在3～63 kV的電力系統中，大多數采用小電流接地系統，當該系統發生單相接地故障后，線電壓依然對稱，暫時不會對用戶的連續供電帶來影響[12]；但0.625 s后故障相的相電壓依然小于低電壓穿越所規定的電壓，將導致DER 脫網。此外一些其他因素也可能導致DER脫網，例如，風場內多類型無功設備、多風場與匯集電網之間的不協調[13]、風電場長時間接近滿載運行[14]等。

由于故障后配電網處于非正常運行狀態，極易出現發展性故障，將導致原有的單相接地故障發展成為兩相接地故障或兩相短路故障發展成為三相短路故障[15]。在小電流接地系統發生單相接地故障導致DER脫網后，若此時系統的單相接地故障發展成為兩相接地故障或者三相接地故障，則配電網中各相的電流將會增大，要求線路電流保護繼電器動作將故障切除；但由于DER脫網導致線路的故障電流小于原網絡的故障電流，可能導致按照原配電網網絡拓撲結構整定計算的限時電流速斷保護無法正確動作，給系統的正常運行帶來影響。

1.2 DER 特性改變的場景及其對電流的影響

受環境、天氣及人為等因素的影響，光伏、風力等DER發電存在一定的間歇性與波動性，使其在一段時間內無法向系統提供電能，此時DER處于待機運行狀態，該狀態下DER 相當于負載消耗系統電能，導致DER 由發電性質轉變為用電負荷性質[16]；此時網絡的拓撲結構發生改變，DER原本對下游線路的助增作用變成外汲作用，從而使配電網的電流分布發生改變，造成下級線路電流減小，線路限時電流速斷保護的靈敏度降低，繼而影響線路電流保護的正常運行。另外，一些蓄電池、電動汽車等DER在并網時也存在兩種工作狀態，即充電狀態與供電狀態，當作為負荷消耗系統電能時，由于其本身耗電量較大，對故障后線路電流的影響更加明顯，對保護的運行產生影響。

在上述兩種工況下，DER下游線路的電流均會減小，線路限時電流速斷保護的靈敏度降低，在下級線路發生故障后可能導致該保護無法正確動作。在DER接入電網的容量和規模較小時，對保護的影響不大，但伴隨DER 并網規模和容量的增大，DER 脫網的功率和DER 由電源轉變成負荷的功率將會隨之增大，導致下級線路的電流減小過多，可能給配電網中線路限時電流速斷保護的正常運行帶來影響。

1.3 DER 特殊運行工況下線路限時電流速斷保護的靈敏度校驗

圖1 為配電網模型，以該模型為例來說明DER1特殊運行工況對線路限時電流速斷保護的影響，圖1中配電網為小電流接地系統，線路采用3段式電流保護。

圖1 配電網模型Fig.1 Model of distribution network

保護2的限時電流速斷保護整定值可表示為

通過數學分析可知，Kbr與ZS正相關，即最大運行方式下分支系數最小，將ZS=ZSmin代入式（1）并對其進行化簡可得

利用PSCAD/EMTDC 電磁暫態仿真軟件搭建圖1的仿真模型，仿真分析式（1）、（2）工況對線路限時電流速斷保護靈敏度的影響。該系統電源的額定電壓為110 kV，最大運行方式下的系統電抗XSmin=j0.4 Ω，最小運行方式下的系統電抗XSmax=j0.9 Ω，變壓器接線方式及變比如表1所示。

表1 變壓器各基本參數Tab.1 Basic parameters of transformer

KO、OP、PQ為輸電線路，均采用分布式參數模型，其長度分別為10 km、10 km、33.5 km，線路參數如表2所示。

表2 線路參數Tab.2 Line parameter

DER1 和DER2 是利用一個電流大小和相位均可以控制的受控源來等效逆變型DER，初始相角均為33°，DER2 的容量為5 MV·A，最大負載為35 MW。由于限時電流速斷保護的動作時間一般大于逆變器暫態電流的衰減時間[17]，因此在限時電流速斷保護動作時其已達到穩態，本文不考慮暫態電流的影響。由于DER 脫網將會導致上游線路中的電流增大[18]，使上游線路的靈敏度提高，故DER2脫網會使保護2 的靈敏度增大。為分析DER1 對保護2靈敏度的影響，本文不考慮DER2脫網情況，仿真結果以A相電流和電壓為例顯示。

式中：Ksen為靈敏度系數；Ik,2,min為最小運行方式下線路OP末端發生兩相短路故障時流經保護2的電流值。由式（3）可得靈敏度系數為1.348，滿足靈敏度的校驗要求。

假定線路OP末端1 s時發生單相接地故障，其仿真結果如圖2所示。

圖2 DER1 脫網后電壓、電流的波形Fig.2 Waveforms of voltage and current after DER1 off-grid

由圖2 可以看出，在1 s 末發生單相接地故障后，流經保護2的電流基本未發生改變，但DER1并網點的相電壓急劇減小，并在1.018 s 后小于DER1并網的最低電壓要求，由于DER1 的低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）要求，其將會在1.643 s后脫網。DER1脫網后在最小運行方式下線路OP末端發生兩相短路故障時，流經保護2 的故障電流有效值為6.024 kA，由式（3）可得此時保護2的靈敏度系數為1.281，不滿足靈敏度校驗要求。為了進一步說明DER1脫網對下級線路限時電流速斷保護靈敏度的影響，仿真分析DER1 不同出力時保護2 在系統最大運行方式下的整定值和最小運行方式下的靈敏度系數，其結果如表3所示。

表3 DER1 脫網的靈敏度校驗Tab.3 Sensitivity verification of DER1 off-grid

由表3可以看出，伴隨DER1供電功率的增大，DER1對線路OP的助增電流也隨之增加，導致保護2限時電流速斷保護的整定值增大；在DER1向系統供電時，保護2的限時電流速斷保護的靈敏度均大于1.3，滿足保護靈敏度校驗要求，伴隨DER1供電功率的增大，其靈敏度系數也隨之增大；在DER1脫網后，保護2的限時電流速斷保護靈敏度系數在DER1功率較小時滿足靈敏度的校驗要求，隨著DER1 功率的增大，將會出現靈敏度系數小于1.3的情況，不滿足靈敏度校驗要求，使保護存在拒動風險。

在DER1 的輸出功率為15 MW 時，仿真分析DER1 特性變化對下級線路保護靈敏度系數的影響，設置0 s時DER1由于一些因素導致其由電源轉變成負荷，其負荷的功率為10 MW，最小運行方式下線路OP末端1 s 時發生兩相短路故障的仿真結果如圖3所示。

圖3 DER1 由電源轉變成負荷后的故障電流Ik,min 波形Fig.3 Waveform of fault current after DER1 is transformed from power supply to load

由圖3 可以看出，發生故障后流經保護2 的電流增大，其穩態故障電流有效值為6.007 kA，由式（3）可求得此時限時電流速斷保護的靈敏度系數為1.278，低于靈敏度校驗所要求的1.300，不滿足運行要求。進一步仿真分析DER1在不同供電出力情況下，DER1轉變成不同負載時的靈敏度系數，其結果如表4所示。

表4 DER1 由電源轉變成負荷的靈敏度校驗Tab.4 Sensitivity verification when DER1 is transformed from power supply to load

由表4 可以看出，在DER1 供電出力一定的情況下，DER1轉變成負荷的功率越大，其靈敏度降低的越多；在DER1 供電功率大于10 MW 以后，表中的靈敏度系數均低于1.300，并隨DER1 作為電源供電功率越大，轉變成負荷的功率越大，則保護的靈敏度系數越小，最終可能不滿足繼電保護運行的要求。

綜上可知，在DER1 脫網和其特性改變兩種工況下，網絡的拓撲結構將會發生改變，使DER1下游線路的電流減小，導致線路限時電流速斷保護的靈敏度降低，并在DER1 脫網功率及DER1 轉變成負荷的功率較大時，線路限時電流速斷保護的靈敏度系數將小于1.300，從而使線路限時電流速斷保護存在拒動的風險，給繼電保護的正常運行帶來影響。

2 線路限時電流速斷保護的優化方案

2.1 DER 特殊運行工況下電氣量的特征分析

DER 特殊運行工況是指DER 脫網和其本身特性改變的運行工況。由圖1可以看出，正常運行時系統和DER1的功率流經線路OP向負荷進行供電，此時DER1支路的功率流向為DER1指向線路。在DER1 脫網后，其下級線路上游的雙電源供電系統變成單電源供電系統，導致流經下級線路的電流減小，在該工況下系統的整體潮流流向未發生大的變動，此時DER1無法向負荷提供電能，其傳輸功率為零，負荷所需的功率將由系統電源和DER2 供給。在DER1 由電源屬性轉變成負荷屬性時，DER1 分支轉變成負載消耗系統電能，使原本的三電源單負荷系統變成雙電源雙負荷系統，導致下級線路OP上的電流減小，配電網原潮流流向發生改變，系統的功率將流向DER1 支路，此時DER1 支路的功率流向為線路指向DER1。

2.2 基于修正參數的線路限時電流速斷保護優化方案

針對DER1 不同的運行工況，利用DER1 支路的測量電流來對限時電流速斷保護的門檻值進行實時修正，從而得到一種自適應的保護門檻值，以適應DER1 的復雜運行工況，繼而提高系統運行的穩定性。

保護2 的限時電流速斷保護的整定值可表示為

式中，I2,min為系統最大運行方式下線路PQ末端三相短路故障時流經保護2的電流值。

修正后的線路限時電流速斷保護的整定值可表示為

圖4為DER1單獨工作時的等效網絡，以圖4為例來說明修正參數ΔIx在網絡中的變化情況。圖4（a）為系統最大運行方式下線路PQ末端三相短路故障DER1 單獨作用時的等效網絡圖；在DER1 特性改變工況下，DER1 支路由原本的助增分支變成外汲分支，從而導致DER1下級線路的電流減小，此時DER1支路的電流改變量如圖4（b）所示。因此，可以利用最大運行方式下的網絡拓撲結構及DER1支路的實時電流來計算線路電流的變化量，并根據該變化量對原線路限時電流速斷保護的門檻值進行實時修正，修正值的計算公式可表示為

圖4 DER1 單獨作用時等效網絡Fig.4 Equivalent network with DER1 operating alone

式中，IDERx為并網點處DER1 支路實時測量的電流有效值。

同理，在DER 脫網運行工況下，DER1 支路電流的改變量如圖4（c）所示，通過最大運行方式下的網絡拓撲結構及DER1支路的實時測量電流來計算保護的修正值，從而實時更新門檻值，達到適應其運行工況的目的，修正值的計算公式可表示為

式（6）和式（7）的計算是將DER1支路電流在線路OP上的變化量與式（4）相結合而得到的，分別計算在DER1 特性改變及DER 脫網工況下，線路PQ末端三相短路故障時DER1支路電流的變化量。其中DER1 特性改變工況下的變化量為IDERx+IDER1，DER脫網工況下的變化量為IDERx-IDER1。

DER1特性變化將原網絡拓撲結構中的電源轉變成負荷，導致DER1 支路的功率流向發生改變。因此可根據DER支路的潮流流向來識別DER特性變化工況與除DER特性變化外的其他工況，然后對線路限時電流速斷保護門檻值進行修正，達到優化保護性能的目的。

利用DER1支路的功率流向可以識別DER1特性改變工況與DER脫網運行工況，規定DER1支路功率的正方向為DER1指向母線，將數據代入式（6）與式（7），則修正值ΔIx的計算公式可表示為

式中，P為DER1支路的實時功率。

保護動作時限的整定和靈敏度系數的校驗與傳統限時電流速斷保護相同。采集DER1支路的功率信息，通過式（8）計算ΔIx，從而根據式（5）得到限時電流速斷保護的實時門檻值。當線路保護安裝處的實際測量電流IS持續大于IIIset,2x時，經過一定延時后保護動作；反之，判據閉鎖保護。基于DER1特殊運行工況的線路限時電流速斷保護的優化方案流程如圖5所示。

需要指出的是，在整定及修正的過程中并沒有監測新能源是否退出，只是根據DER支路的實時測量電流來對門檻值進行修正（不管DER是否退出均會進行修正），以適應DER的不同運行工況。

3 方案驗證

為驗證本文所提優化方案在DER 脫網后的有效性，仿真DER1 輸出15 MW 時，在最大運行方式下線路PQ末端0.5 s 時發生三相接地故障，并假定在1 s時DER1脫網，保護2限時電流速斷保護修正門檻值的仿真結果如圖6所示。

圖6 DER1 脫網的修正門檻值Fig.6 Modified threshold value of DER1 off-grid

進一步仿真驗證DER1不同出力時線路限時電流速斷保護的靈敏度，其結果如表5所示。DER1未脫網時線路限時電流速斷保護的靈敏度系數調整前后對比如圖7所示；DER1 脫網后線路限時電流速斷保護的靈敏度系數調整前后對比如圖8所示。

表5 優化方案下DER1 脫網前后保護門檻值與靈敏度系數Tab.5 Protection threshold and sensitivity coefficient before and after DER1 off-grid under the optimization scheme

圖7 DER1 脫網前保護靈敏度系數Ksen,1 修正前后對比Fig.7 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification when DER1 is not off-grid

圖8 DER1 脫網后保護靈敏度系數Ksen,2 修正前后對比Fig.8 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification under DER1 offgrid

由表5 及圖7、8 可以看出，在DER1 未脫網時，修正后的線路限時電流速斷保護的門檻值伴隨DER1 出力的增大而增大，其對應的靈敏度系數均大于1.300，滿足靈敏度校驗的要求；在DER1 脫網后，修正后的保護門檻值為定值，不受DER1出力的影響，其靈敏度系數滿足要求。對比修正前后保護的門檻值與靈敏度發現，在DER1未脫網時，所提優化方案對保護門檻值的影響較小，修正前后門檻值的變化較小，其對應的保護靈敏度系數變化也較小，修正后的靈敏度系數大于修正前的靈敏度系數，修正前后保護靈敏度系數均滿足校驗要求；在DER1 脫網后，伴隨DER1 供電功率的增大，修正前的靈敏度系數逐漸減小，在增大到一定程度后將會導致保護的靈敏度系數小于1.300，從而不滿足靈敏度校驗要求，而修正后的靈敏度系數不受DER1脫網的影響，能夠保證系統繼電保護的正常運行。

為分析DER 特性改變對本文所提優化方案的影響，仿真在DER1 輸出15 MW 時，系統最大運行方式下線路PQ末端0.5 s 時發生三相接地故障，并假定在1 s 時DER1 由于一些因素導致其由電源轉變成負荷，負荷的功率為10 MW，保護2 限時電流速斷保護修正門檻值的仿真結果如圖9所示。

圖9 DER1 特性變化的修正門檻值Iset,2x,1Fig.9 Modified threshold value of DER1 attribute change

由圖9 可以看出，在1 s 時DER1 特性改變后，保護2的修正門檻值減小，其后穩定在4.494 kA，最小運行方式下線路OP末端發生兩相短路故障時的電流有效值為6.007 kA，則保護2 的靈敏度系數為1.337，大于1.300滿足校驗要求。

仿真驗證在DER1 轉變成不同負荷功率時，線路限時電流速斷保護的靈敏度系數，其結果如表6所示。DER1特性改變后線路限時電流速斷保護的靈敏度調整前后對比如圖10所示。

表6 DER1 特性變化后修正的保護整定值與靈敏度系數Tab.6 Modified protection threshold and sensitivity coefficient after DER1 attribute change

圖10 DER1 特性變化后保護靈敏度系數Ksen,3 修正前后對比Fig.10 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification under DER1 attribute change

由表6可以看出，在DER1特性變化后，伴隨其轉變成負荷功率的增大，修正后線路限時電流速斷保護的門檻值逐步減小，其靈敏度系數逐漸增大，從而適應線路的運行工況，滿足運行的要求。

由圖10可以看出，伴隨DER1轉變成負荷功率的增大，未修正門檻值的保護靈敏度系數逐漸減小，在DER1供電功率大于15 MW，且轉變成負荷的功率大于5 MW 后，其靈敏度系數將小于1.300，不滿足靈敏度校驗要求；而利用本文所提優化方案來對保護的門檻值進行修正后，保護的靈敏度系數隨DER1 轉變成負荷功率的增大而增大，且其靈敏度系數均大于1.300，滿足運行的要求，修正后的保護門檻值不受DER1 供電功率的影響，而與DER1 轉變成負荷的功率有關。

4 結 語

本文結合DER 脫網和其本身特性改變的生成場景及DER下級線路電流的分布特征，研究線路限時電流速斷保護所受到的影響。結果表明，DER脫網和其本身特性改變將會使DER 下游線路中的電流減小，線路限時電流速斷保護的靈敏度降低；根據DER 脫網和其本身特性改變時網絡中電流和功率的特征，利用DER支路的功率流向來識別上述工況，并通過該支路的實時測量電流來修正保護的門檻值，從而得到一種基于修正參數的線路限時電流速斷保護優化方案。仿真結果表明，所提優化方案能夠有效提高DER 在脫網和其本身特性改變工況下線路限時電流速斷保護的靈敏度。