基于广域测量技术的含DG配电网保护研究

张翠娟，古　昕，吕飞鹏

(1.国网德阳供电公司，四川 德阳　618000；2.四川大学电气信息学院 ，四川 成都　610065)



基于广域测量技术的含DG配电网保护研究

张翠娟1，古昕1，吕飞鹏2

(1.国网德阳供电公司，四川 德阳618000；2.四川大学电气信息学院 ，四川 成都610065)

随着越来越多分布式电源接入配电网，分布式电源对配电网造成了一系列影响，其中，对分布式电源上游区域的保护影响更大。上游区域故障时或同母线馈线区外故障时，分布式电源上游区域的保护可能会出现拒动或者误动等情况。在已有广域测量技术的前提下，提出了一种新的保护算法。该算法利用广域保护的思想和采集的电流信息值，对上游区域的电流保护整定值实时修改，保证了保护的选择性。仿真验证了该方法的可行性。

WAMS；分布式电源；配电网；电流保护

0　引　言

近年来，随着社会的发展和发电技术的进步，以各种燃油汽轮机、燃料电池、风电、光伏发电等功率较小型的电源为代表的分布式发电(distributed generation，DG)技术开始大量出现[1]。分布式发电技术在能够解决电力供应短缺的问题的同时，也带来了一系列问题，特别是对配电网稳定性以及对保护的影响[2]。

由于传统的配电网功率传输是单方向的，这就导致传统的配电网断路器等保护配置是单端配置的，且大部分保护是没有方向性的，所以，当分布式电源(分布式发电中的发电设备)接入配电网之后对传统配电网的保护整定产生了影响，如果不进行改进的话，传统的保护可能会在线路故障的时候出现拒动或者误动的情况，导致保护失去了选择性，故障范围扩大[3]。

针对DG接入后的保护正确动作的问题，文献[4]对无TV通道的配电网进行了研究，主要是通过故障相关区域的划分，以及矩阵搜索的办法来实现故障定位和保护，这种算法比较复杂且系统太大，搜索步骤将变得繁琐和搜索时间更久。文献[5]充分利用了微网有限广域范围内的数据信息，实现了广域保护性能的完善，但拓扑结构还是过于复杂。

由于配电网馈线上一般不装设电压互感器(TV)，只装有电流互感器(TA)，且一般没有方向性，故电压信息和电流方向信息将无法获取，而仅仅依靠电流量很难对故障方向做出准确的判断[6]。针对分布式电源并入配电网后保护可能会出现的失去选择性的问题，基于广域保护思想[7-8]，提出了基于广域测量技术(wide area measurement system，WAMS)的自适应修改保护整定值的解决方案。

目前来说，对于含DG的配电网的研究主要集中在两个方面：一是为了消除由于DG的接入对传统保护灵敏度的影响所做的研究；二是解决含DG的配电网故障隔离等问题所进行的研究。因此，在含DG的配电网中利用本地信息和远方信息的保护原理的研究与应用层出不穷[9]。

由于基于本地信息的保护简单、可靠性高，所以在对含DG分布式电源保护研究的时候，这方面的研究最多。比如对传统配电网保护进行改进，在传统过电流保护上加装方向元件等，能够弥补在传统配电网中保护没有方向的缺陷。

虽然基于本地信息的保护研究对于解决含DG的配电网的保护问题方面取得了不小的进展，但是仍然存在一些弊端。比如传统配电网过电流保护加装方向元件，虽然能解决方向故障的问题，但是无法解决灵敏度的问题，而且如果全部加装方向元件，其费用问题也是需要考虑的因素之一。

随着通讯技术的发展，借助通讯方式加以改进的保护也得到了很好的应用，特别是WAMS使用之后。由于DG接入之后，多是DG接入点上游区域发生误动。值得一提的是，当DG容量并入配电网的容量特别大的时候，含DG的配电网出现的主要问题是误动；而只有当DG容量非常小的时候，上游区域发生故障时，DG要脱离主网实现孤网运行时，上游区域部分保护才可能出现拒动的情况(上游区域保护整定值高于DG提供的短路电流)。根据后文的仿真可知，要出现拒动的时候，DG的容量会非常小。DG容量太小对电网的稳定是一大挑战，所以主要研究工作就是利用WAMS解决大容量DG接入配电网之后，传统的配电网上游区域部分保护可能会出现的一些误动问题。

1　分布式电源接入对传统配电网保护的影响

传统的配电网系统电流的流向都是从系统侧往馈线侧流动的，如图1所示，图中线路上方的箭头表示正常工作时电流的流向。根据DG接入点的位置和配电系统正常运行时的潮流流向，将馈线首段与DG接入点之间的线路与母线区域定义为DG的上游区域，将DG接入点到馈线末端的线路与母线区域定义为DG的下游区域[6]。

图1　传统配电网系统

为了更方便地说明分布式电源的接入对传统配电网保护的影响，以图1配电网结构为例进行说明。当线路AB发生故障时，断路器1一侧的短路电流是由系统提供的，所以分布式电源的接入对断路器1的动作没有影响；同时，由于分布式电源的接入，断路器2将有电流流过。正常情况下，断路器2应该跳闸，分布式电源实行孤岛运行供电，如果流过断路器2的电流较小，就有可能造成断路器2的拒动作。当故障发生在线路BC上时，流过断路器2的短路电流由系统侧提供的，故对断路器没有影响，断路器不会失去选择性。断路器3由于具有方向性(分布式电源处可以进行电压采集)，故保护可靠性较高，这里不予考虑了。当故障发生在线路CD、DE或EF上时，接入DG后，DG助增了故障电流，所以断路器4、断路器5、断路器6的灵敏性将会有所增强，保护不会失去选择性。当故障发生在分布式电源区外时，即线路AG或GH故障，DG的接入会助增了短路电流，故断路器7、断路器8不会误动，而且灵敏度会得到提高；但是，DG上游区的断路器将会感受到仅由分布式电源提供的电流，如果DG容量特别大的时候，分布式电源反向提供的电流也将非常大，可能会造成分布式上游区域的断路器特别是越靠近分布式电源接入点的断路器越有可能最先误动作(因为越靠近分布式电源接入点的断路器整定值越低)。

2　含DG配电网防误动保护改进研究

2.1DG接入配电网后保护防误动改进原理

针对以上问题，基于广域测量技术(WAMS)对传统配电网保护配置进行改进。对图1中分布式电源接入位置进行改进，如图2所示。

图2　含DG配电网结构

在图1中接入分布式电源的上游区配置具有方向保护功能的断路器f，并且在断路器f处装设电流采集及方向电流测量元件。在各母线处配置有智能电子设备元件(IED)，断路器3采集到的方向电流信息将会通过光纤网络与其他IED元件进行信息交换[7]。

为尽量减小算法的复杂度，减少保护动作时间，提出只利用系统出口处电流大小和DG安装上游区域出口处的正方向电流大小的信息(如图2中，IED1处电流值和IEDf处的正方向电流值)来改进传统配电网的保护，以适应含DG配电网保护特点。当DG接入的馈线发生区外故障时，DG上游区域的电流流向只能是由DG流向区外故障点。且馈线系统电源侧保护安装处测得的电流值小于DG出口处电流值(如图2所示，IED1处电流值小于IEDf处电流值)。当DG上游区域线路故障时，系统电源侧一端保护安装处的电流值将会大于DG出口处的电流值，即图2中IED1处电流值大于IEDf处电流值(系统电源，可以视为无穷大容量，而DG容量很小)。

根据以上分析规律和原则，基于广域测量技术针对DG上游区域修改整定值原则如式(1)所示：

(1)

式中：K表示保护序号，DG上游区域保护编号顺序从近系统电源侧保护以1开始编号；Idz.Kg表示保护K电流整定修改值(适用在速断电流保护与限时电流速断保护)；Zn为线路n的线路阻抗(n为从系统电源侧一端断路器编号所在线路，如图2中，保护2所在线路BC阻抗即为Z2，保护3、保护4所在线路除外，这里只考虑DG上游区域；I1为该馈线首段保护安装处的电流值；If为DG上游区域出口保护安装处正方向电流值。如果该馈线还有其他DG接入，在式(1)的计算公式上，根据以上原则继续叠加修改整定值。

一般来说，由于分布式电源相对系统侧电源来说，容量较小，分布式电源不会向系统提供电流，故IEDf一般不会测到有正方向的电流[10]。当系统侧母线的其他馈线发生故障时，在DG投入运行的情况下，IEDf能感觉到正方向电流。IEDf测量到的电流信息通过通信网向配电网系统决策中心(SCADA)[9]传送。按照式(1)的原则进行计算，修改分布式电源上游区各保护整定值后，将结果重新传送回到分布式电源上游区各IED处，然后IED根据新的整定值对各处对应的保护采取相应的控制，即如果电路电流仍大于修改后的保护整定值，保护动作，跳开相应断路器。如果该线路没有大于的话，保护不动作。

2.2防误动保护改进仿真算例分析

如图3所示，某10 kV中性点不接地配电网，系统视为无穷大系统，基准电压为10.5 kV，在最大与最小运行方式下的系统阻抗值分别为XS.min=0.091 Ω，XS.max=0.126 Ω。线路AB、BC、AF为架空线路，线路参数为r1=0.270 Ω/km，x1=0.270 Ω/km；线路CD、DE、FG为电缆线路，线路参数为r2=0.259 Ω/km，x2=0.093 Ω/km。DG接在节点D处，只有DG容量比较大的时候，DG上游区域保护才有可能出现误动的情况，所以这里DG容量选择为86 MVA，下面运用PSCAD/EMTDC软件对此系统进行仿真分析。

图3　某10 kV含DG配电网

在未接入DG的情况下，各保护电流速断保护和限时电流速断保护整定值及相应灵敏度系数分别如表1和表2所示。由表1和表2可知，各保护灵敏度均满足要求。

表1　各保护电流速断整定值

表2　各保护限时电流速断保护整定值及灵敏度系数

通过PSCAD/EMTDC仿真，由于区外馈线故障时，随着故障点离母线越远，DG提供的短路电流也就越小。当线路AF或者FG末端故障时，DG向接入点上游区域提供的短路电流可能已经不会使上游区域的保护误动了。所以，仿真考虑了误动最有可能发生的情况，即故障为三相短路故障，故障点设置在线路AF近母线A侧。

经PSCAD/EMTDC仿真得出线路AF系统母线出口处发生三相短路故障时，各保护安装处短路时刻电流值如表3所示(电流值取整数值)。

表3　仿真线路AF故障时流过各保护的电流有效值

同时由仿真可得线路AF故障前的各保护测量到的正常工作电流值如表4所示(电流值取整数值)。

表4　仿真故障前流过各保护电流有效值

由表4可知，大容量DG接入10 kV配电网后，正常工作时流过保护1电流值I1大于流过保护f的电流值If，值得一提的时候，保护1处的电流值小于保护f处的电流，说明了DG向上一级电网传输的电能，正常工作时If也不为0。当I1>If时，由式(1)保护动作值修改原则可知，保护不做修改，各保护不动作。

由表1、表2、表3可知，线路AF近保护安装处发生故障时，保护5的电流值大于保护5的电流速断保护与限时电流速断保护整定值，保护5能正确动作；同时，流过保护3处的电流大于保护3的电流速断保护与限时电流速断保护动作电流值：因此在不采取任何措施的情况下，保护3将出现误动作。为了防止保护3误动作，I1

表5　DG上游区域各保护修改后电流速断

由表3、表5对比可知，保护3将不会再误动了，故障切除后，经过调节，恢复到原有正常工作水平，此时，I1>If，分布式电源上游区域各保护整定值将恢复成原来的保护整定值。

2.3防误动保护改进后灵敏度分析

为防止误动，按照式(1)所述原则修改保护整定值后，DG上游区域各保护整定值变大，这势必影响了保护的灵敏度，如果在区外故障还未消除的同时，DG上游区域线路再次发生故障，这时会有几种情况，下面将基于PSCAD/EMTDC仿真所得数据，进行分析。

仿真模型仍采用前面的仿真模型，故障设置在3 s的时候线路AF发生三相短路故障，故障持续时间为3 s，线路AB在5 s时发生三相短路故障，经仿真后得出以下结论：

线路AF发生三相短路故障后，DG上游区域流过保护的电流值均增大，为防误动按式(1)修改相应保护整定值后，保护不误动。此时在线路AF故障没有消除的情况下，线路AB也发生了短路故障，I1电流反而变小了，电流值大小与正常工作时电流大小差不多了，I2、I3、If电流值几乎不受影响。当线路AF故障消除，线路AB故障仍然存在，I1电流值大幅拉升，瞬间超过If，即I1>If，各保护恢复成原有整定值，各保护灵敏度也恢复成原来正常值。故按照式(1)原理防误动后，虽然DG上游区域各保护灵敏度变小了，但在上游区域再次发生故障时(发生故障位置为保护f所在线路之前的线路)对保护f的动作情况几乎没有任何影响。

线路AF故障没有消除时，线路CD故障后，流过保护1、保护2、保护3的电流值均变小，保护f电流值几乎没有变化。当线路AF故障消除后，保护1、保护2、保护3、保护f的电流值明显增大；但是由于流过保护f的电流值能够更快速的增大，流过保护f的电流值迅速超过保护f的动作整定值，DG上游区域各保护整定值恢复原有保护整定值。恢复后，流过保护3的电流值大于保护3的电流整定值，保护3与保护f都能相应动作。

综上所述，为了防止DG接入后区外馈线故障时保护的误动，按照式(1)原理进行保护整定值修改后，灵敏度较小对DG上游区域再次发生故障所产生的影响很小，保护仍然能够识别故障线路，能正确动作。

3　分布式电源上游区域线路故障情况分析

当故障发生在DG接入点上游区域时，理论上来说，DG的接入容量过小对DG上游区域保护造成的影响，是对故障靠近DG一侧保护由于分布式电源提供的短路电流不能满足达到保护动作的动作值要求，这就造成保护不能断开，DG不能脱离主网进入孤岛微网运行阶段。值得一提的是，随着控制技术的不断进步，非计划内孤岛微网运行将越来越可靠。这里将视为能够实现非计划孤岛微网运行。为了解决此问题，这就要求降低保护动作的门槛。但实际上，同样采用上面仿真参数可知，DG容量变为5 MVA，设置线路AB发生故障，DG接入点相邻线路的保护会优先动作，这也是DG微网运行方式只存在DG上游区域相邻的一条线路以及DG下游区域，这也符合小容量DG供电需要，因为小容量DG不能满足过多负荷供电，且目前接入位置都在重要负荷处。在上游区域出现故障后，能够保证重要负荷电能即可。仿真得到DG上游区域电流值如表6所示。

表6 小容量DG接入后线路AB发生故障时

由表6可知，上游区域非保护f所在线路发生故障后，保护3会动作，使DG脱离主网，形成微网，对重要负荷进行供电。通过仿真实验得知，DG容量在2 MVA以下时，保护仍不会拒动。由于2 MVA容量的DG接入配电网后，对配电网的实际意义不大，故认为，特别小容量的DG接入配电网后，配电网保护不会出现拒动情况。

4　分布式电源下游区域线路故障情况分析

针对馈线下游区域再没有分布式电源接入的馈线结构，形如图2相似结构。由于分布式电源对下游区域的故障电流起助增的作用，所以下游区域的保护不会出现误动或者拒动的情况；但是灵敏度会有所调整，所以为了保证保护的灵敏度，可以根据情况，适当的增大电流保护的可靠系数，保证保护的可靠性。

图4　馈线上接有多个DGs的情况

针对馈线分布式电源下游区域末端还有分布式电源接入的馈线结构，形成如图4所示结构。研究DG1下游区域的时候，分布式电源(DG1)连接节点当作系统接入点，这样研究两个分布式电源之间的线路保护，就可用前面所述原则研究分布式电源接入点之间的线路保护了，只是，IED4电流相当于式(1)中的I1，If此时则为IED6处测量到的正方向电流。

由于研究方法相同，故主要研究上游区域的保护失去选择性的情况，不再详细阐述下游区域的改进方案。

5　结　语

随着越来越多的分布式电源接入配电网，传统的电流保护已经受到很大的影响。DG接入配电网后，DG下游区域保护的灵敏度得到了提高，但是DG接入点的上游区域会出现保护误动或者拒动的可能。根据分析，DG在容量很大的时候，DG上游区域主要会出现保护误动的问题。针对这种情况，利用WAMS对DG接入点反向出口处的电流值进行采集，通过研究，对上游区域各保护进行在线修改，以达到防止保护误动的目的。该方法相较于文献[11]提出的广域自适应保护，利用的数据量少，原则简单，计算量小，能更快地做出判断，更有利于防止保护误动。

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张翠娟(1986)，工程师，长期从事电力系统继电保护工作；

古昕(1989)，硕士、助理工程师，研究方向为电力系统继电保护；

吕飞鹏(1968)，教授、硕士生导师，研究方向为电力系统继电保护和故障信息处理智能系统等。

As more and more distributed generation integrated with distribution network, it has a series effect on the distribution network, among which it influences the protection of the upstream area of distributed generation greatly. When there is the fault in upstream area or out-area fault of busbar and feeder, the protection of upstream area of distributed generation may fail to operation or have misoperation. Under the premise of the existing wide-area measurement technology, a new algorithm of protection is proposed. The algorithm is using the ideas of wide-area protection and the information of the collected current value, which modifies the current protection setting value of the upstream area timely so as to ensure the selectivity of protection. The simulation proves the feasibility of this method.

wide area measurement system (WAMS); distributed generation (DG); distribution network; current protection

TM732

A

1003-6954(2016)04-0024-05

2016-04-11)