含分布式电源配电网的快速电流保护方案

孙景钌，李永丽，李盛伟，金 强

(天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072)

含分布式电源配电网的快速电流保护方案

孙景钌，李永丽，李盛伟，金 强

(天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072)

为了能更快地切除故障，在对含分布式电源(DG)配电系统进行故障分析的基础上，提出了一种适用于含DG配电网的快速电流保护方案．该方案需要在DG的上游区域为每个保护配置OC、DGOC、AOC、DGAOC 4个独立的保护模块，其中加速模块AOC和DGAOC可以利用跳开端断路器的动作信息来加速断开本端断路器．故障发生后，根据方向元件的判断结果，相应的保护模块可以自适应地启动并正确动作．仿真结果表明，该方案能够在不改变配电系统原有断路器配置的前提下快速地将故障线路从两端切除，并且不用将DG退出运行，可以使其继续维持对周围负荷的供电．因此，该保护方案能够改善含DG配电系统的保护性能．

分布式发电；配电网；故障分析；快速电流保护方案

近年来，由于分布式电源(distributed generation，DG)在环保、经济性等方面有明显优势，因此受到了人们极大的关注．大量DG接入配电网以后，会给配电网的保护带来一定的影响[1-2]．为解决此问题，目前的研究多是集中在基于通讯的保护上[3-5]．这类保护利用了多点信息，与传统的基于本地信息的保护相比有很多优点．但是由于此类保护对通讯可靠性要求很高，一旦通讯出现问题，保护也将失效．因此，对于接有DG的配电网，研究传统的基于本地信息的保护仍然是非常必要的．为此，文献[6]指出可以通过对传统配网保护重新进行整定然后加装方向元件来消除DG带来的影响．但是传统的配网保护主要是电流保护，其选择性需要通过时限来配合，越靠近电源点的保护，动作速度越慢．然而，对于接有DG的配电网，一般希望保护能更快地切除故障，以减轻短路对DG造成的影响[7]．因此，有必要对传统的电流保护加以改进以适应含DG配电系统对保护快速动作的要求．

在DG接入配电网之前，为了提高电流保护的动作速度，很多学者已经进行了大量的研究，并提出了相继速动保护或无通道保护的原理[8-12]，这类保护可以利用对端断路器的动作信息来加速跳开本端断路器，从而加速故障的切除．但是传统的配电网属于单端电源辐射型网络，其所带的线路是单断路器线路．DG的接入，改变了配电系统的网络结构，使DG上游区域出现双端电源但每条线路只有单个断路器的新情况，而且DG的接入也使配电网的故障特征与DG未接入时有所区别．基于此，笔者在对含DG配电系统进行故障分析的基础上，提出了一种适用于含DG的单断路器配电线路的快速电流保护方案．

1 含DG配电系统的故障分析

分布式电源的种类很多，按照运行方式的不同一般可以将其分为传统旋转机型DG和逆变型DG(IIDG)．IIDG通过电力电子装置与电网并联，它是目前DG的主要形式，即使对于风力发电机、微型燃气轮机等，很多情况下也是先整流再经逆变控制装置连接到电网，这样可以弥补传统电机直接并网带来的一系列不足．

IIDG一般采用电流型PQ控制方式并网，即通过调整逆变器输出的电流使DG输出的P和Q达到设定值．当系统发生故障时，在故障后的瞬间会有一个暂态过程，DG输出的功率会变大，但该过程持续的时间很短，DG输出的功率会很快又回到设定值[13]；而且一般认为故障后一段时间内，DG输出功率的设定值保持不变．因此，在研究带时限的电流保护时，可以把IIDG看作是一个恒功率源．由于故障后DG接入点的电压下降，为了维持输出功率的恒定，其输出的电流就会变大．对于采用电流型控制方式的DG，其输出的是三相平衡电流[14]．

图1(a)所示为一在母线B处接有IIDG的简单配电系统，当在线路AB的K点发生短路时，可以用1个电流源来代替IIDG进行故障分析，其值为故障后IIDG输出的电流，用I表示．将图1(a)所示的故障状态分解为故障前的正常运行状态和故障附加状态，图1(b)所示为相应的故障附加状态，图中，U˙K

图1 接有IIDG配电系统的故障分析图Fig.1 Fault analysis of distribution system with IIDG

与IIDG的故障分析结果不同，对于传统旋转机型DG，由于其性能与传统的发电机一样，可以等效为电势源与阻抗的串联．当发生两相短路时，保护安装处仍然有

图2 序分量网络Fig.2 Sequence component network

2 含DG配网的快速电流保护配置方案

DG接入配电网以后，将使传统的单电源配电网网络结构发生变化，使配电网变为双电源甚至是多电源系统．以前一般不允许DG孤岛运行，均采用反孤岛保护即系统故障时主动将DG退出的保护控制方案．在这种情况下线路发生故障时，由于DG已由反孤岛保护切除，不再向故障点提供电流，故此时允许只断开系统侧的断路器．但这样做违背了安装DG的初衷，有可能导致对DG周边重要负荷供电的中断，同时也损害了分布式发电厂商的利益．随着DG的快速发展，尤其是微电网技术出现以后，在发生线路故障时，要求DG不能退出运行，即允许其孤岛运行，此时就要求将故障线路从两端进行隔离，而不能只断开系统侧一端．但是传统的配电线路一般只在系统侧装设断路器，如果对配电网进行改造，在每段线路的两侧都安装断路器并配置相应的保护装置，那么投资将非常大．

图3所示为简单的辐射型配电网系统，当没有DG接入时，在每段线路的系统侧需要配置传统的定时限过电流保护，保护之间按照一定的时间阶梯进行配合以保证选择性．当在馈线1的母线E处接入DG以后，如果在DG的上游区域如K1点发生短路，为了能从线路的两端切除故障且不加装新的断路器，一般希望断路器1和2能够同时动作，此时就需要对DG上游区域的保护进行改进．以保护2为例，此时保护2必须既能反映线路AB上的故障，又能反映线路BC上的故障．为此DG上游每个断路器处所配置的保护需要能够同时反映正反两个方向的故障，即需要同时配置系统侧的定时限过电流保护OC和DG侧的定时限过电流保护DGOC两个保护模块，分别反映保护安装处下游和上游的故障．这两个保护模块设定的动作时限也不一样，系统侧的OC模块需要与DG下游的保护进行时间阶梯上的配合；而为了能保证在相邻馈线2上发生故障时，馈线1上DG上游的DGOC模块不会误动作，其需要与相邻馈线2上的保护进行时间上的配合．另外，为了能更快地切除故障，还需要为每个保护分别配置系统侧的加速模块AOC和DG侧的加速模块DGAOC，它们将根据与其配合的对端保护的动作信息来加速跳开本端断路器．因此，DG上游的每个保护需要配置4个独立的保护模块以代替传统的定时限过电流保护，这4个独立模块可以根据需要选择投入与否．

图3 简单的辐射型配电网系统Fig.3 A simple radial distribution system

一般情况下OC和DGOC模块必须投入，它们可以在加速模块拒动时起作用．故障发生后，保护将根据方向元件的判断结果自适应地选择启动OC或者DGOC模块．规定故障电流的正方向为母线指向线路，则当故障方向为正时，表明故障发生在保护安装处下游位置，启动系统侧的OC模块；当故障方向为负时，表明故障发生在保护安装处的上游位置，启动DG侧的DGOC模块．OC和DGOC模块可以按照传统的方法来进行整定，如果DG的出力随机变化较大，用传统方法无法满足保护的灵敏度要求时，可以考虑采用基于本地量信息的自适应电流保护[15]．

AOC、DGAOC模块则需要根据本端OC、DGOC模块和与其配合的对端DGOC、OC模块的动作时间决定投入与否，只有在对端相应保护模块的动作时间比本端短时才会选择投入．如图3中所示的保护2，当故障发生在BC段时，由于其OC模块动作时间为1.5,s，而与其配合的保护3的DGOC模块的动作时间为1.3,s，所以保护2应投入AOC模块；当故障发生在AB段时，保护2的DGOC模块的动作时间为0.9,s，与其配合的保护1的OC模块的动作时间为1.9,s，所以保护2不用再投入DGAOC模块，而保护1则需要投入AOC模块．

我国配电网系统一般采用的是中性点不直接接地方式，所以本方案中加速模块采用的启动判据[9]为

式中0R为启动判据的门槛值．通过第1节中对含IIDG配电系统的故障分析可知，当系统中接有IIDG时，1I会受到DGIΔ的影响，为此可适当减小0R以消除带来的影响．一般情况下，0R可取为0.4，接有IIDG后，0R可取0.1～0.2．当发生不对称故障后，保护也将根据故障方向自适应地启动AOC或DGAOC模块．

本方案加速模块采用的动作判据为

式中：SI为非故障相电流采样值的突变量；ε为突变量门槛值．只有在加速时间段内故障仍然存在，即R仍然大于0R，而且SI满足式(2)时，才认为是对端断路器跳闸，从而加速跳开本端断路器．加速时间段的整定需要考虑其对端相应保护模块的动作时间，如图3中的保护2，由于其对端保护3的DGOC模块动作时间为1.3,s，故保护2的AOC模块的加速时间段可以整定为1.3～1.4,s[9]．由第1节中的分析可知，在故障后的一段时间内，DG的出力不再变化，而本判据只有在故障后的加速时间段内起作用，所以，加速模块一般情况下不会误动作．

图3给出了各保护模块的投入情况及相应的时间整定值．需要说明的是，当线路DE发生故障时，为了能从线路两端切除故障且不使DG退出运行，需要在DG接入点的上游位置加装1个断路器和保护装置6，这可以在安装DG的同时进行，实现比较方便．保护6与馈线1首端的保护1一样，由于不用反映反方向故障，因此只需根据需要投入DGOC模块及相应的加速模块即可．

对于DG下游的保护，如果DG安装的位置离系统侧比较远，在下游发生故障时，由于本身过电流保护的动作时间比较短，且不要求从线路两端切除故障，故此时可仍配置传统的定时限过电流保护．当然，如果DG安装的位置离系统侧较近，为了能更快地切除下游故障，可以参考文献[11]中介绍的保护方案对下游保护进行配置，以加速故障的切除．对于没有接DG的相邻馈线2，处理方法类似．

当配电网接有多个DG或多条馈线时，对于含DG馈线上保护的改进以及配置方法完全类似．

3 仿真验证

以图3所示的10,kV中性点不接地配电网系统为例，利用PSCAD/EMTDC仿真软件对含DG系统的快速电流保护方案进行仿真验证．系统的基准容量为500,MVA，基准电压为10.5 kV．线路AB、BC、

为架空线路，线路参数为x1=0.347为地下电缆，线路参数每个节点处接有额定容量为6,MVA、额定功率因数为0.85的负荷．IIDG接在母线E处，采用PQ控制方式，额定容量为10 MVA．

针对上述系统，本文加速模块启动判据的门槛值取为0.1，动作判据的门槛值根据潮流分布情况取为20,A．系统在0 s时刻发生故障，故障类型为BC两相短路．

3.1 线路AB末端K1点处发生两相短路

当DG上游线路AB末端K1处发生BC两相短路时，保护1的OC模块以及保护2、3、4、6的DGOC模块都将启动，同时保护1的AOC模块以及保护4和保护6的DGAOC模块也将启动，其中各加速模块感受到的R和SI值分别如图4～图6所示．由图可知，在故障发生以后，由于保护2的DGOC模块动作时间最短，它将于0.9,s首先动作断开相应断路器．而在保护2动作以后，只有保护1的AOC模块在加速时间段0.9～1.0,s内仍能感受到故障存在，且非故障相的电流采样值突变量大于门槛值，满足加速条件，从而加速跳开本端断路器，将故障线路AB从两端隔离，这比传统的动作时间1.9,s缩短了将近1,s．如果保护1的AOC模块拒动，其OC模块将作为近后备在延时到达后动作切除故障．保护4和保护6的DGAOC模块在加速时间段内或者两个条件都不满足，或者能感受到故障存在，但是非故障相的电流没有突变，所以它们都不会误动作，能够正确返回．保护3、4、6的DGOC模块也将在故障被切除后正确返回．

图4 K1处发生BC两相短路时保护1的仿真结果Fig.4 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 1

图5 K1处发生BC两相短路时保护4的仿真结果Fig.5 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 4

图6 K1处发生BC两相短路时保护6的仿真结果Fig.6 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 6

在故障线路AB被切除以后，DG将与其周围的一些负荷形成孤岛，继续维持对它们的供电．当然，在形成孤岛之后，为了维持孤岛内功率的平衡以及电压频率的稳定，需要进行孤岛划分．

3.2 线路EF末端K2点处发生两相短路

当DG下游线路EF末端K2处发生BC两相短路时，保护1、2、3、4的OC模块以及保护1、2的AOC模块均将启动，各加速模块感受到的R和SI值如图7和图8所示．由图可知，当故障发生后，保护5的定时限过电流保护将在0.3,s的时刻率先动作切除故障，从而保护1和保护2的AOC模块在各自的加速时间段内不会再感受到故障，且非故障相的电流也没有突变，所以它们不会误动作，能够正确返回．同样，保护1～4的OC模块也将在故障切除以后正确返回．

图7 K2处发生BC两相短路时保护1的仿真结果Fig.7 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 1

3.3 线路AG首端K3点处发生两相短路

当相邻馈线2的线路AG首端K3处发生BC两相短路时，保护2、3、4、6的DGOC模块以及保护4、6的DGAOC模块均将启动，各加速模块感受到的R和SI值如图9、图10所示．由图可知，当故障发生后，保护7的定时限过电流保护在0.5 s的时刻率先动作，将故障切除，因此保护4和保护6的DGAOC模块在各自的加速时间段内将不会再感受到故障，且非故障相的电流也不会有突变，所以它们也不会误动作，能够正确返回．保护2、3、4、6的DGOC模块也将在故障切除以后正确返回．

通过上面的仿真可以看出，在DG上游发生故障时，本电流保护方案都能够正确地动作，且动作时间大大缩短；而在DG下游或相邻馈线发生故障时，保护都能可靠不误动．

4 结 语

图8 K2处发生BC两相短路时保护2的仿真结果Fig.8 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 2

图10 K3处发生BC两相短路时保护6的仿真结果Fig.10 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 6

图9 K3处发生BC两相短路时保护4的仿真结果Fig.9 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 4

考虑到本方案中加速模块动作判据门槛值的选取与实际的潮流分布有关，而DG出力的变化会影响到潮流的分布，所以笔者还对DG出力发生变化时的情况进行了大量仿真，仍然能够得到上述结论．当然，实际系统要比上述的仿真系统复杂得多，为了能可靠躲开电流扰动的影响，门槛值可以适当取得高一点，经此处理以后即使加速模块拒动，但是由于OC、DGOC模块的存在仍然能够保证保护的正确动作，所以采用本文提出的保护方案仍能在一定程度上改善含DG配电系统保护的性能．

在DG接入配电网以后，配电网的辐射型网络结构将发生改变，而且短路后的故障特性也与传统配电网的故障分析结果有所不同．考虑到我国配电网一般只在系统侧装设断路器，但是接入DG后在线路发生故障时又要求能从两端快速切除故障线路，所以本文在对含DG配电系统进行故障分析的基础上，提出一种适用于含DG的单断路器配电线路的快速电流保护方案．本方案需要在DG的上游区域为每个保护配置OC、DGOC、AOC和DGAOC 4个独立的保护模块，其中加速模块AOC和DGAOC可以根据跳开端引起的非故障相电流的突变来决定是否加速断开本端断路器．通过对具体系统的大量仿真，验证了本保护方案的正确性．

需要指出的是，本文提出的保护方案中加速模块的判据并不适用于三相短路的情况，当发生三相短路时，仍需按照传统的定时限过电流保护模块来切除故障．但是在实际的配电网运行情况中，不对称短路发生的几率要比三相短路高得多，所以对于含DG的配电网，本文提出的保护方案仍具有较高的实用价值．

［1］ Li Yongli，Li Shengwei，Liu Sen. Effects of inverter-based distributed generation on distribution feeder protection[C]//The 8th International Power Engineering Conference. Singapore，2007：1386-1390.

［2］ Girgis A，Brahma S. Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system[C]//Proceedings of 2001 Large Engineering Systems Conference on Power Engineering. Halifax，Canada，2002：115-119.

［3］ Wan Hui. Protection Coordination in Power System with Distributed Generations[D]. Hong Kong：Hong Kong Polytechnic University，2006.

［4］ Perera N，Rajapakse A D. Agent-based protection scheme for distribution networks with distributed generators[C]//Power Engineering Society General Meeting. Montreal，Canada，2006：3793-3798.

［5］ 张青杰，陆于平. 基于故障相关区域自适应划分的分布式保护新原理[J]. 电力系统自动化，2008，32(7)：39-43. Zhang Qingjie，Lu Yuping. A new distributed protection principle based on adaptive division for relevant fault area[J]. Automation of Electric Power Systems，2008，32(7)：39-43(in Chinese).

［6］ Brahma S. Development of an Adaptive Protection Scheme for Power Distribution Systems with High Penetration of Distributed Generation[D]. America：Clemson University，2003.

［7］ Salman S K，Tan S F. Investigation into protection of active distribution network with high penetration of embedded generation using radial and ring operation mode[C]//Proceedings of the 41st International Universities Power Engineering Conference. Newcastle，UK，2006：841-845.

［8］ 施慎行，董新洲，刘建政，等. 配电线路无通道保护研究[J]. 电力系统自动化，2001，25(6)：31-34. Shi Shenxing，Dong Xinzhou，Liu Jianzheng，et al. Noncommunication protection for power lines in distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems，2001，25(6)：31-34(in Chinese).

［9］ 刘建凯，董新洲，薄志谦. 有分支配电线路无通道保护研究[J]. 电力系统自动化，2003，27(1)：37-41. Liu Jiankai，Dong Xinzhou，Bo Zhiqian. Non-communication protection for distribution systems with the tapped-load[J]. Automation of Electric Power Systems，2003，27(1)：37-41(in Chinese).

［10］ 陈 飞，董新洲，薄志谦. 快速有选择性的辐射状配电网无通道保护[J]. 电力系统自动化，2003，27(22)：45-49. Chen Fei，Dong Xinzhou，Bo Zhiqian. Fast and selective non-communication protection for radial connected distribution systems[J]. Automation of Electric Power Systems，2003，27(22)：45-49(in Chinese).

［11］ 张 梅，董新洲，薄志谦，等. 实用化的配电线路无通道保护方案[J]. 电力系统自动化，2005，29(12)：68-72. Zhang Mei，Dong Xinzhou，Bo Zhiqian，et al. Practical non-communication protection for distribution feeders[J]. Automation of Electric Power Systems，2005，29(12)：68-72(in Chinese).

［12］ Yuan Dingding，Zhang Ning，Dong Xinzhou，et al. An adaptive noncommunication protection for distribution systems[C]//Proceedings of the 42nd International Universities Power Engineering Conference. Brighton， UK，2007：257-261.

［13］ Baran M，El-Markaby I. Fault analysis on distribution feeders with distributed generators[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2005，20(4)：1757-1764.

［14］ 陈 理. 分布式发电装置控制系统的设计和研究[D].杭州：浙江大学电气工程学院，2006. Chen Li. Researching on Designing the Control System of Distributed Generation Units[D]. Hangzhou：School of Electrical Engineering，Zhejiang University，2006(in Chinese).

［15］ 葛耀中. 新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，2007. Ge Yaozhong. New Types of Protective Relaying and Fault Location Theory and Techniques[M]. Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2007(in Chinese).

A Fast Current Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations

SUN Jing-liao，LI Yong-li，LI Sheng-wei，JIN Qiang
(Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on fault analysis of the distribution system with distributed generations(DGs)，a fast current protection scheme has been proposed to clear the fault quickly. In the scheme four independent protection modules OC，DGOC，AOC and DGAOC are configured for each relay at the upstream side of DG，among which the acceleration modules AOC and DGAOC can speed up the operation of relays following the operation of the circuit breaker at the remote end. After a fault occurs，the relevant protection modules can startup adaptively and operate correctly according to judgement of the direction component. Simulation results show that，with the proposed scheme，the fault line can be cut off quickly at two ends without changing the original configuration of the circuit breakers or disconnecting DG，so that it continues to supply power for loads around. Therefore，the proposed protection scheme can improve the protection performance of the distribution system with DG.

distributed generation；distribution system；fault analysis；fast current protection scheme

TM773

A

0493-2137(2010)02-0102-07

2008-12-19；

2009-03-23.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB219704)；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z241)；天津市自然科学基金资助项目(08JCYBJC13500).

孙景钌（1983— ），男，博士研究生，sunjingliao@163.com.

李永丽，lyltju@163.com.