基于电流方向搜索法的分布式电源接入配电网故障保护与定位的研究

袁刚++陈奎

摘 要：随着分布式电源的接入，传统单电源辐射性配电网的结构必然发生改变。按照传统单电源辐射性配电网保护与定位方法，已不能完全适用于含分布式电源的配电网。在研究分布式电源接入对现有保护和定位方法影响的基础上，提出了基于电流方向法的分布式电源接入配电网保护与定位的方法。通过构建仿真模型，仿真验证了该方法的有效性。

关键词：分布式电源；配电网；保护与定位；电流方向法；电力系统故障

中图分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0125-04

1 前言

分布式电源作为一种清洁环保，安装灵活的发电技术，在各个国家都获得了迅速的发展。近年来，在国家战略的大力支持下，我国分布式电源得以迅猛发展，装机容量跃居世界首位。此外，当下我国的配电系统多为传统的单福射结构，接纳能力有限，不适合分布式电源的大规模自由接入，这在某种程度上阻碍了分布式电源在配电网层面的推广应用。因此也得到了国内外学者的广泛关注。

广大继电保护工作者根据分布式电源接入配电网的特征，分别提出了加装电压互感器和方向元件来实现的电流保护；考虑DG分流，采用双整定方法，适用于系统运行方式变化较小的保护方法；光纤保护、纵联保护、广域保护等方法。上述这些方法有效地提高了分布式电源接入配电网的保护准确性、灵敏性和可靠性。但是在应用中还存在一定的局限性，有必要进行更进一步的研究。本文在借鉴上述方法的基础上，通过分析分布式电源接入对传统三段式电流保护不同影响的基础上，提出利用各线路电流综合比向的方法来实现分布式电源接入配电网的保护，且该方法不受分布式电源渗透率、接入位置等因素的影响。并经仿真验证了本方法的有效性。

2 分布式電源接入对现有保护与定位方法的影响

传统单电源辐射性配电网的保护方法主要是电流保护。即当线路发生故障时，流过电流保护的电流增大整定电流和整定时间时保护就会动作，切除发生故障的线路。目前电流保护主要是是三段式电流保护，它们之间相互配合共同完成对配网的保护任务。但是随着分布式电源的接入原有单电源辐射性配电网的结构也就发生了改变。必然对三段式电流保护产生一定的影响。图1是原有配电网接入分布式电源后的配电网结构。

如图2所示，当线路AB的f1点发生故障时，按照继电保护的选择性来讲，保护1应立即动作切断故障线路AB，但是该配网含分布式电源，这样，BC线路仍然会流过短路电流，可能会导致保护2的误动作。通过分析流过保护2的故障电流可知当故障电流大于其整定值，那么保护2就会误动，当故障电流小于其整定值，保护2就不会误动。这主要与分布式电源提供短路电流的大小有关。

当线路BF的f3点发生故障时，如果分布式电源的容量过大，那么流过保护6的电流就会变大，而BC线路也会流过由分布式电源提供的短路电流。这样也可能导致保护2、保护1的误动作。

当改变DG接入的位置，如图3所示，这个时候DG位于保护装置3的下游，这样的话，流过3处保护的故障电流值就会变小，这样导致的结果很可能就是保护3不动作。

当分布式电源位于配电网末端时如图4所示。当f1点发生故障时DG相当于没有接入配电网。这样的话图中的配电网就变成了传统的单电源网络结构。我们观察各个保护安装点的情况，其中另一条支路的保护6和保护7不会受影响，因为它们不会感受到故障电流。本支路的保护4虽然流过了短路电流，但是接入DG与未接入DG，对于流过保护4的短路电流来讲，基本没有什么变化（所以在f1点短路的情况发生时，保护4能正确切除故障线路。

当f3点发生故障时，另一条支路的保护6和保护7不会受影响，因为它们无故障电流流过。保护3有故障电流流过，但接入DG与未接入DG相比影响很小可以忽略不计。而保护4会流过DG提供的短路电流，有可能造成保护4会误动作。

当f2点发生故障时，由原系统电源和DG提供的短路电流会流过保护6。这样保护3有可能准确动作。但是，DG提供的短路电流会流过保护2和3，这样保护2和3都有可能误动作。

综上所述，在接入DG之后，配电网的结构发生了变化。当DG接入配网的位置固定时。对不同位置发生故障时，分布式电源对其上游线路有分流的作用，对其下游线路有助增的作用。这样会导致保护拒动或者误动，不利于配电网的安全。当分布式电源在不同位置接入配电网时，分布式电源接入配电网会造成配电网保护的不正确动作。因此，我们需要寻求更好的方法来解决分布式电源接入配电网的继电保护问题。

3 基于电流方向搜索法的分布式电源接入配电网故障保护与定位

一个含分布式电源的配电网如图5所示，当线路发生故障时，其等效电路如图6所示。

图中Zs是系统阻抗，Z1….Zk，Zn是各分支线路的阻抗。是故障短路电流的故障电流分量，是发生故障时母线电压正序故障分量，因此可得：

（1）

由式（1）可知电流之间的关系主要取决于、之间的关系。在配电网线路阻抗角一般为，也就是说Zs，Zi之间的阻抗角约为，那么、之间的角度约为。由于、之间的夹角小于，所以也位于之间，并且其幅值大于每一个向量的模值，即满足：

（2）

当母线发生故障时根据基尔霍夫电流定律可得：

（3）

根据公式（2）可以发现故障支路故障分量电流的幅值大于未发生故障支路的故障分量电流，并且故障分量电流的相位也与其余未发生故障支路的电流相位差异较大，所以，我们可以根据这些特征制定出故障方向判据。

4 实例仿真与结论

如图7所示，一较复杂多个分布式电源接入配电网。

如图7所示，首先规定电流由线路流向母线为正方向，电流由母线流向线路为负方向。每一级的母线上的智能电力监测装置IED负责比较采集的故障分量电流的大小，比如对于第一级母线IED来讲，需要将采集的各支路故障分量电流值进行比较确定出故障支路。沿着该支路正方向，向前搜索。endprint

当进行完第一级故障分量电流幅值比較后，立即进行第二级故障分量电流幅值比较（故障线路进行，非故障线路不用进行比较），如果IED对第二级故障分量电流进行分析比较后发现故障发生在母线时，则故障区域落在第一级母线与第二级母线之间。

如果IED对第二级故障电流分量幅值进行分析比较后发现故障发生在支路上则继续进行搜索，直到确定故障位置。

当线路EF发生故障时，首先IED对支路AB、AH、AK支路进行故障电流检测，发现AB支路故障电流分量值最大，那么沿着AB支路正方向继续向前寻找故障。IED对BC、BE支路进行故障电流检测发现BE支路故障电流分量值最大。那么系统则判断AB支路未发生故障，继续沿着BE支路正方向继续向前搜索。IED对EF和含分布式电源支路的故障电流进行检测，发现EF支路的故障电流分量值最大，并且利用判据得出表1的数据，系统判断故障发生在母线F的上游。此时，系统可以确定故障发生在EF处，停止向前搜索。系统确定故障位置在EF处，控制保护装置动作切断线路EF，起到保护线路的作用。

从表中的数据可以看出利用式（2）可以准确的判断出故障方向的，利用式（3）可以准确的帮助系统确定故障点位置。且离故障点越近，故障特征越明显，所以离电源越近的地方对电力智能检测装置的精度要求也越高。同样模拟其它位置的故障都可以有效地定位故障区间。当改变配电网的结构、分布式电源接入的位置等，径仿真都可以准确实现故障定位。

综上所述该方法可对分布式电源接入配电网故障实现有效定位，为解决分布式电源接入配电网的保护和故障定位提供有效地帮助。

参考文献

[1]韩奕，张东霞.含逆变型分布式电源的微网故障特征分析[J].电网技术，2011，35（10）：147-152.

[2]鲍薇.分布式电源并网标准研究[J].电网技术，2012，36（11）：46-52.

[3]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配电网建设中的继电保护问题讲座六有源配电网保护技术[J].供用电，2012（6）：15-25.

[4]Yiming Mao.Protection system design for distribution systemsin the presence of distributed generation[D].China：PHD dissertation，2005.

[5]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：1-13.

[6]张艳霞，代凤仙.含分布式电源配电网的馈线保护新方案[J].电力系统自动化，2009（12）：71-74.

[7]刘颖.DG并网条件下配电网继电保护问题研究[D].河南理工大学，2001.

[8]EI-Khattam W，Salama M M A.Distributed generation technologies，definitions and benefits.Electric Power System Research，2004，71：119-128.

[9]许促轩，陆于平，章愤，等.分布式发电配电网新型充分式保护原理及方案[J].电网技术，2014（9）：2532-2537.

[10]徐岩，卫狐张锐.距离保护在含分布式电源配网中的应用[J].华北电力技术，2013（6）：31-35.

[11]谢臭，夏冬平，卢继平.距离保护在具有分布式电源的配电网系统中的应用[J].电气应用.2006（12）：56-60.

[12]Willis Scott. Distributed power generation planning and evaluation[M].New York：Marcel Dekker，2007.

[13]Firouz Y，Farhadkhani S，Lobry J.Numerical comparison of the effects of different types of distributed generation units on overcurrent protection systems in MV distribution grids[J].Renewable Energy，2014， 69（3）：271-283.

[14]Javadian S A M，Haghifam M R，Bathaee S M T.Adaptive centralized protection scheme for distribution systems with DG using risk analysis for protective devices placement[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2013，44（1）：337-345.

[15]张立梅，唐巍，赵云军.分布式发电接入配电网后对系统电压及损耗的影响分析[J].电力系统保护与控制，2011，39（5）：91-94.

[16]BenjaminKroposki，Thomas Basso，Richard DeBlasio.Microgrid standards and technologies[C]，IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century，2008：14.endprint