含光伏电源配电网的复合序网自适应保护

杨秋霞，姜培培，刘同心，魏玲玲

(1.燕山大学电气学院，河北 秦皇岛 066004; 2.国网宁晋县供电公司, 河北 邢台 055550)

含光伏电源配电网的复合序网自适应保护

杨秋霞1，姜培培2，刘同心1，魏玲玲1

(1.燕山大学电气学院，河北 秦皇岛 066004; 2.国网宁晋县供电公司, 河北 邢台 055550)

含光伏电源(PV)的配电网，因光伏电源容量、并入位置不同，导致传统的三段式电流保护不能准确动作。针对这一问题，提出根据保护点复合序网电压和电流进行自适应电流保护整定的方案。首先，提取故障电压和正序故障电流相位差来判定故障发生在光伏电源上游还是下游。然后，由序分量判定故障类型，选定故障区域。最后，利用复合序网电压求取保护安装处的电流整定值，进行自适应保护动作。通过仿真验证了该保护方案可根据光伏电源并入位置、容量、发生故障位置的不同，实现自适应在线保护整定，能够有效提高本地保护范围。

光伏电源；配电网；复合序网；自适应电流保护；故障方向判定

0 引言

光伏电源(PV)并入电网后，不仅会改变原有配电网拓扑结构，并且网络中潮流方向和短路电流会随着光伏电源容量、并入位置的情况实时变化。这都给现有的三段式电流保护带来严重影响，引起保护拒动或误动[1-3]。

针对光伏电源对配电网保护的影响，相继提出了多种解决方案。文献[4]提出了基于高级馈线终端单元(AFTU)的保护控制技术，根据本地及临近的信息，定位故障区段，实现故障的隔离及孤岛运行。

文献[5]提出了基于通信技术的区域保护方案，对配电网进行区域划分，通过一次和二次两步定位确定故障区域实现保护。但若信息传输有误，将直接影响保护动作。文献[6]通过保护安装处的正序电压和正序电流之间的关系，提出了配电网正序电流速断保护。但没有针对光伏上下游电流方向进行分析，容易引起多段线路保护同时动作。本文根据保护处的信息，先判定了 PV 上下游故障方向再进行复合序网的自适应电流保护动作。

1 光伏并网仿真算例

在配电网发生故障时，光伏电源采用恒功率控制[7-8]，光伏并网逆变器内的限流装置，可以限制光伏电源输出电流，使 PV 最大输出电流限定为 1.2倍的额定电流。因光伏电源输出为三相正序电流，PV 可等效为存在于正序网络的压控电流源

本文以 10 kV 配电网为例，系统基准容量为500 MVA，基准电压 10.5 kV。主要研究系统发生最严重故障(最大运行方式)时的保护情况，取系统阻抗 为 0.29mH ， 即， 馈 线 负 荷 为。架空线型号选取 LGJ-120/25，电缆线型号选取线路参数参考表1。搭建模型线路图如图1所示。

图1 配电网算例模型Fig. 1 Distribution network model

表1 算例线路参数Table 1 Example circuit parameters

在算例中并入等效的光伏电源，研究光伏电源在不同位置以不同容量并入到配电网时，对线路短路电流的影响。本文选用 5 MVA 光伏电源和10 MVA 光伏电源分别并入到馈线的 A 母线和 C 母线上，在 PSCAD 中搭建仿真模型如图2 所示。

图2 PSCAD 中含光伏并网的仿真模型Fig. 2 Simulation model of PSCAD containing PV grid

1) 由图3 分析，PV 并网后其下游发生故障时，PV 对上游电流有汲出作用，对下游电流有助增作用。这将引起 PV 上游流过保护的故障电流小于原有的保护整定值，引起保护拒动，导致不能及时切除故障。PV 下游流过保护的短路电流增加，可能会达到下游保护整定值，导致无故障线路断开，引起保护误动。

图3 C 母线并入光伏前后的电流波形Fig. 3 Current waveform before and after C bus is connected to PV

图4 光伏并入不同母线后的电流波形Fig. 4 Current waveform when PV is connected into different buses

2 自适应复合序网电流保护方案

为解决配电网因光伏并入而引起保护误动或拒动问题，本文采用故障下的复合序网进行分析，研究出适用于光伏接入的自适应电流保护方法，并按对称故障和不对称故障两种整定方案进行整定。

2.1 发生两相故障时情况

图5 k1 处两相短路，A 相不对称正序网络Fig. 5 A phase asymmetric positive sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

不对称负序网络是将正序网络中的电压源短路，电流源开路，此时短路点端口电压为，图6为处两相短路，A 相不对称负序网络。

图6 k1 处两相短路，A 相不对称负序网络Fig. 6 A phase asymmetric negative sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

图7 k1 处两相短路，A 相不对称复合序网络Fig. 7 A phase asymmetric composite sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

两相短路电流的不对称分量中只存在正序和负序分量，并且正序网络和负序网络在短路点处的等效端口并联，所得复合序网如图7 所示。其中，

由自适应电流保护整定原则[15]，考虑保护动作选择性，取。并考虑一定的可靠性而引入可靠系数，则在保护处，根据复合序网定义可得的整定电流为

2) 光伏上游 k2 发生两相故障

k2 发生 BC 两相短路时，A 相单相运行。分别求出正序、负序网络，再将正序、负序网络在短路点并联，可得两相短路时的复合序网，如图8所示。其中，阻抗为复合序网络的端口等效阻抗，

图8 k2 处两相短路，A 相不对称复合序网络Fig. 8 A phase asymmetric composite sequence network when k2 occurs two-phase short circuit

在线可测得不同故障、不同位置情况下光伏并网的电流，也可测得保护和的电压，因此保护装置动作的整定电流可以实时自适应调整。而动作顺序结合下述光伏故障电流方向来判定。

2.2 发生三相短路故障

三相短路是对称短路，而光伏电源只能提供三相正序电流，因此，含 PV 的配电网其三相短路电流也是对称的。并且，系统故障时的等值序网只存在正序网络，无负序和零序网络，即三相短路的正序网络就是系统复合序网络。处发生三相短路时，复合序网络为图9所示。

图9 k1 处三相短路，A 相复合网络Fig. 9 A phase composite sequence network when k1 occurs three-phase short circuit

保护B2的整定电流为

不同故障时，保护处电压可以取在线测量值，因此保护的整定电流值能实现自适应在线整定。

2) 在 PV 上游 k2 点发生三相短路

图10 为 k2 点发生三相短路时，A 相复合序网。

图10 k2 处三相短路，A 相复合网络Fig. 10 A phase composite network when k2 occurs three-phase short circuit

考虑一定的可靠性，由保护3和保护5处电压电流关系，可分别求得各保护处的整定电流。

不同故障、不同位置光伏并网情况下可在线测得保护 B3 和 B5 处的电压，由式(6)和式(7)计算得到保护装置的整定电流进行在线实时整定。

3 算例仿真

3.1 保护实现的方向判定

配电网现有的方向元件是功率方向元件，主要根据非故障相相间电压与保护安装处电流的夹角范围判定故障方向。但光伏电源在任何故障均输出三相对称正序电流，这将影响到保护点的故障特性，尤其是不对称故障电压电流特性。

本文中光伏电源处于恒功率模式，仅输出有功电流，即光伏并网点电压标幺值大于结合文献[17]，本文提出在正序网络中，采取正序故障电流和故障前电压相位信息来判定故障方向，再判断故障类型进行保护动作的方案。设定保护 B1，B2，B3 和 B4 为系统正向保护(光伏反向保护)，保护B5为光伏正向保护。

1) PV 下游 k1 点故障

由式(8)可得：

考虑故障前配电网线路各点电压相位近似相等，可用故障前各保护安装处电压相量的相位代替的相位。则保护处电压和正序电流相角关系按 PV 下游故障考虑，满足式(10)。

2) PV 上游 k2 点故障

本文采用正序网络分析光伏电源供出的故障电流相位特征。k2点对称和不对称故障情况下系统正序网络均为图10 所示，利用戴维南定理，将图10进行等效代换，如图11所示。

图11 k2 处故障，A 相等效正序网络Fig. 11 A phase equivalent positive sequence network when k2 fault

不考虑无功功率，由电压降落公式可推导出 PV输出有功功率时纵分量满足式(14)。

因此，光伏电源上游发生故障时，其正向保护的故障电流主要由 PV 提供。同样，用故障前各保护安装处电压相量的相位代替的相位。从 PV角度研究故障发生位置，判定故障方向，其正向保护处故障前电压和正序电流相角关系按 PV上游故障考虑，满足式(16)。

然而，PV 反向保护的故障电流主要由系统提供。从PV角度研究故障发生位置，判定故障方向，则 保 护处 故 障 前电 压和 正 序电 流相角关系按PV上游故障考虑，满足

结合式(10)、式(16)和式(17)，本文根据保护处故障前电压和正序故障电流的相角判定上下游故障方向，再按两种整定值进行自适应电流保护动作。判定流程如图12所示。

3.2 故障类型的确定

在图12 中，对称故障类型的确定可以通过序分量来判定。首先得到保护处各序电流分量当零序分量和负序分量均等于零则说明发生了三相对称故障；当零序分量不为零则说明发生了不对称接地故障。故障类型判定流程如图13所示。

3.3 算例仿真

继续采用图1的模型进行仿真分析，为了验证不同位置、不同光伏容量下发生不同类型的故障时，各保护装置整定值可以自适应设定。仿真时，分别在线路a=0.3，0.6，0.9 处设定故障点，而在 C 母线并入光伏电源，容量取 5 MVA 和 10 MVA，仿真数据如表2、表3所示。其中a为故障发生位置占保护线路的百分比。

图12 保护实现流程图Fig. 12 Flow chart of protection implementation

图13 故障类型判定流程图Fig. 13 Flow chart of fault type judgement

按照流程图12进行仿真，并进行整定。两相故障时，仿真结果如表2 所示。考虑 PV 下游 CD 线段 k1 发生故障情况。无 PV 时，保护 B2 的保护范围最大为 79.1%，最小保护范围为 66.0%。在 C 母线上并入 5 MVA 的光伏电源，但不改变传统保护整定原则，保护 B2 的保护范围降低为 47%。但是，采用本文中的复合序网整定原则，在光伏容量和故障位置不同时，保护 B2均能准确动作，大大提高了保护范围。当 PV 上游 BC 线路 k2 发生两相短路故障，保护B3和保护B5的动作整定值会随着光伏并网容量和短路位置的不同，而自适应地改变，并大于测量值，进而实现保护动作。

三相故障时，仿真结果如表3所示。k1发生三相故障，在光伏容量和故障位置不同时，按本文方案进行整定，B2的保护范围大约维持在线路全长的 84.2%，受其他因素影响较小。当 k2 发生三相短路故障时，无 PV 时，BC 线路最大保护范围为77.9%，最小保护范围为 62.1%。在 C 母线上并入光伏电源，k2 在线路不同位置时，线路首端保护B3 的保护范围大约为 85.9%，无法保护线路全长，但相比于原有保护范围有所提高。而末端保护 B5随着并入光伏容量，和 BC线段故障位置不同，整定值自适应整定变动，可以实现保护准确动作。

表2 BC 两相短路时的仿真结果Table 2 Simulation results of BC phase short circuit

表3 三相短路时的仿真结果Table 3 Simulation results of the three phase short circuit

综上，采用本文提出的上下游不同保护整定值公式，可以自适应改变整定值，有效提高保护动作的准确性。

4 结语

含光伏电源配电网的故障特性和传统辐射式配电网有很大不同。为改善保护性能，本文通过分析不同位置、不同类型故障情况下，保护安装处的复合序网电压和流过保护的复合序网电流之间的关系，研究出适用于 PV 接入的自适应复合序网电流保护方案。仿真验证结果表明， PV 容量、故障类型和故障位置的不同会引起保护范围的变化，而本文所提出的自适应保护方案可有效改善系统的保护性能。

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(编辑 周金梅)

Photovoltaic power distribution network in composite sequence network adaptive protection

YANG Qiuxia1, JIANG Peipei2, LIU Tongxin1, WEI Lingling1
(1. School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. State Grid Ningjin County Power Supply Company, Xingtai 055550, China)

Traditional three-step current protection in distribution network containing photovoltaic power (PV) power can't operate accurately due to different PV supply capacity and incorporated position. In order to solve this problem, this paper puts forward to proceed with adaptive current protection setting according to the composite sequence network voltage protection point. First of all, it extracts the fault voltage and positive sequence fault current phase difference to determine the fault occurred in the PV power supply upstream or downstream. Then, it selects sequence component to judge fault type and fault zone. Finally, it uses the composite sequence network voltage to obtain the current setting value in protection installation, to carry out adaptive protection setting movement. The protection scheme is verified by the simulation. It can realize adaptive on-line protection setting and effectively improve the scope of local protection based on different incorporated position, capacity, and failure location of PV power.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61573303).

photovoltaic power; distribution network; composite sequence nets; adaptive current protection; fault direction judgement

10.7667/PSPC151666

：2015-11-26

杨秋霞(1972-)，女，博士，副教授，研究方向为光伏发电技术；E-mail: yangqx_fly@163.com

姜培培(1990-)，女，通信作者，硕士研究生，研究方向为光伏并网的配电网保护；E-mail: jiangpeipei90@163.com

刘同心(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为含新能源发电的优化调度。

国家自然科学基金(61573303)