含DG配电网保护的电流方向元件及其在故障定位中的应用

王秋杰，梅李朋，陈国训

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

随着时代的发展，越来越多的DG接入了配电网［1］，其网络结构变成多方向的多源网络，传统的三段式保护不再适用，于是方向判别元件的作用越来越重要。但是配电网当中没有电压互感器，且节点众多，给每一个节点都安装电压互感器在经济上不可行，于是传统的功率方向元件不再适用含DG的配电网。为此提出一种仅基于电流的方向元件成为了首要任务。

目前的研究主要有以下三种方案:第一、以基尔霍夫电流定理为原理，根据配电网多分支节点不同支路的电流幅值不一样，可以间接的判断电流方向的方法。但是此方法只适用于多分支节点，对于配网中的两分支节点不适用［3－4］。第二、提出以故障后的短路电流为相位基准来判断电流方向的方法，动作可靠，不受DG出力的影响，但是速动性［5］。第三、利用故障前一周期和故障后一周期的电流正序分量相角差来判定故障方向，可靠性高，灵敏度高，但是动作原理幅值，速动性差［6－7］。

基于以上分析，考虑配电网的实际，提出一种新的无电压方向元件。该方案同时利用故障前的负荷电流和故障后的短路电流，以故障前的负荷电流为参考相量，根据短路电流与参考相量之间的相位差判断出电流方向。该方向判别算法，速动性好，原理简单，可靠性高［8－9］，将其应用于含DG配电网故障定位当中，提出一种基于网络描述矩阵节点方向信息的快速定位方法，可靠性高，工程意义强。

2 动作原理

DG接入到配网以后，辐射型网络变成多电源网络，为了分析方便，我们截取部分双源网络［10］，如图1所示。其中VS是母线S电压，VG是母线G电压，ZSG是系统电源到分布式电源的阻抗。ZSF、ZSR是系统电源到故障点 F1、F2的阻抗，ZGF、ZGR是 DG到故障点F1、F2的阻抗。

图1 故障电流方向分析图

当系统正常运行时，电流由电网流向DG，得出正常的负荷电流Ipre:

当F1点发生故障时，得出故障后的电流Ifwd:

此时电流继电器采集的总电流值IF:

当F2点发生故障时，得出故障后的电流Irew:

此时电流继电器采集的总电流值IR:

根据IF、IR的相位差别，可以判断出F1为正向故障，F2为反向故障，得出方向判据:

其向量图如图(2)所示。

图2 相量图

3 保护算法

当故障发生时，首先根据式(11)判断故障电流是否存在，其中N是采样数目，ia是故障电流，In是额定电流。

方向判别方案可以通过带微处理器的继电器实现［11－12］，以 a 相为例来说明，具体流程如图(3)所示。

图3 流程图

4 含DG配电网的故障定位

随着配电网的DG渗透率越来越来高，传统的三段式保护已经不能满足配电网保护的要求，基于多点信息的广域保护成为研究的热点。将集中式广域保护引入到配电网保护当中［13－14］，提出基于网络描述矩阵和节点方向信息的快速故障定位方法。该方法很好的解决了DG对配电网故障定位的影响，速动性好，原理简单，可靠性高。具体以图4为例说明。

图4 含DG配电网网络结构图

首先建立图4关于馈线节点的网络描述矩阵D=C+E，其中C为邻接矩阵，E为单位矩阵，并将网络矩阵用上三角阵表示:

定义母线流向线路的方向为正方向，(a)当故障发生在非末端线路时，故障馈线路是其两端方向信息都为正的线路，(b)当故障发生在末端线路，则故障线路的一端的方向信息为正，另一端无方向信息。综述以上两点，给出故障区域的判据F(Li):

以图4为例说明故障定位的具体步骤:

(1)当F1发生故障时，变电站中央处理单元通过IED采集所有节点的方向信息，根据网络描述矩阵上三角阵，搜索出节点1所邻接的线路 L1、L2，然后检查L1、L2两端的方向信息 L1(+，－)，L2(+，－)，判断为非故障线路。搜索出节点2所邻接的线路L4、L9，分别检查两条线路两端的方向信息L4(+，－)，L9(－，+)，判断为非故障区，同理依次搜索完所有节点，得出所有线路两端的方向信息，结果如下。

表1 非末端故障线路定位结果

(2)当F2发生故障时，与(1)相同的方法搜索，结果如下:

表2 末端线路故障定位结果

5 结论

随着越来越多的分布式电源接入到配电网，传统的电流保护不再满足配电网保护的要求。本文提出的新型无压方向元件仅需要采集电流信息就能判别出方向，与传统的功率方向元件相比，更加适合没有安装电压互感器的含DG配电网。提出一种基于新型方向元件的故障定位算法，该算法很好的解决了DG接入配电网以后方向性问题，且故障定位速动性好，原理简单，可靠性高。

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