计及分布式光伏发电低电压穿越能力的主动配电网保护方法

孙玲玲，王 宁，贾清泉，张 弓

(1. 燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004；2. 国网冀北电力有限公司 秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛 066000)

0 引言

随着可再生能源的不断推进发展，以光伏发电为代表的分布式电源DG(Distributed Generator)作为绿色能源发展主体，大量分散地接入中低压配电网[1]。为有效解决大规模DG并网的消纳问题，主动配电网ADN(Active Distribution Network)成为未来智能电网发展的主要形式[2-3]。然而，大规模分布式光伏发电并网改变了原有配电网故障时的潮流分布，使常规三段式电流保护难以保证其选择性及灵敏性。因此，ADN所面临的保护问题是如何解决光伏发电并网带来的保护误动或拒动[4]。

分布式发电并网规定要求故障时DG优先输出无功支撑系统电压，DG输出的无功电流大小与相位随故障条件变化。而现有DG等值模型只能反映故障电流的大小，无法反映相位差异，降低了DG故障分析的准确性。文献[5-6]提出计及低电压穿越控制策略的逆变型DG故障模型，对含逆变型DG的配电网进行精准故障分析，为ADN保护方法提供了理论基础。

近年来，电流相位差动保护原理被广泛应用于低压有源配电网中，根据配电网故障后保护区段两端电流相角变化特征构建保护判据，相关方法有故障电流相位比较法[7-8]、电流相角突变量方向比较法[9]。而基于故障分量的保护方法凭借不受负荷电流及过渡电阻影响的优点，也被广泛应用于有源配电网及微电网保护。文献[10]根据逆变型DG故障后电流相位特征，分析推导了有源配电网电流正序故障分量的分布特征，提出基于正序故障分量的反时限差动保护方案。文献[11]提出基于正序电流故障分量方向过电流保护方法，该方法通过对线路上下游保护动作时限进行自适应整定，实现微电网自适应保护。文献[12]提出基于故障电流正序分量和参考向量相位比较的ADN保护方案，该方案只需要故障后电流量，不需要电压量，具有一定的经济性。文献[13]在分析逆变型DG低电压穿越控制对其故障特性影响的基础上，得出当离故障点较近的母线电压降落较大的情况下，利用正序电流故障分量幅值和相位比较的保护原理将无法正确判断故障线路的结论。目前，对于具有低电压穿越能力的DG并网保护方法仍受以下1个或多个因素制约：

a. 只适用于具有双向保护装置的联络线，对负荷或DG分支馈线没有相应的保护策略；

b. 故障分析时通常将DG等效为常规电压源模型，忽略逆变型DG(如光伏发电)低电压穿越控制策略对故障分量的影响；

c. 利用电流相位信息作为故障判据，忽略发生故障时并网点电压相位变化对DG故障电流相位的影响。

因此，有必要针对上述问题，研究适用于具有低电压穿越能力的光伏发电并网的ADN保护方法。

本文首先分析分布式光伏发电在低电压穿越时的故障特性，并分析配电网不同位置发生故障时各馈线正序电流故障分量特征，结合电压信息，提出基于母线故障前电压正序分量与各馈线正序电流故障分量相位比较的保护方法。最后，在PSCAD/EMTDC环境下对算例进行分析，证明所提方法的有效性。

1 低电压穿越下光伏发电故障等值模型

光伏发电系统并网运行时，逆变器通常采用并网点电压矢量定向控制，控制方程为[14]：

(1)

其中，Pref和Qref分别为光伏发电正常运行时输出的有功功率和无功功率；Ud、Id、Iq分别为光伏发电交流侧的d轴电压分量、d轴电流分量和q轴电流分量。

分布式发电并网技术规定要求接入中低压配电网的光伏电源应具有低电压穿越能力。当电压跌落在0.2UN～0.9UN(UN为额定电压)之间时，光伏电源仍需并网运行并输出无功功率支撑电网电压。

光伏发电在低电压穿越期间输出的有功电流Id和无功电流Iq(电流幅值低于最大允许值)可表示为[14]：

(2)

其中，Upref为光伏并网点电压；λ为电压跌落系数，λ=|Up/Upref|，Up为发生故障后光伏并网点电压幅值；IN为逆变器输出额定电流；θ为电流功率因数角。按式(2)计算出的故障电流幅值小于电流最大允许值Imax时，则以保证光伏发电对并网电压的最大支撑为目标，而有功电流变为：

(3)

由式(2)、(3)可得出，当Imax取2p.u. 时，光伏输出的最大故障电流所对应的跌落系数λ1为0.521 5。进而可以求出光伏输出故障电流的幅值和相角为：

(4)

θ=arctan[1.5λ(0.9-λ)]

(5)

由式(4)、(5)可得光伏发电故障电流特征如下：

a. 当λ≥λ1，也即λ∈[0.5215,0.9]时，光伏输出的故障电流小于电流最大允许值，电流幅值为1.12 p.u.～2.0p.u.，相位滞后于并网点电压0°～17°，且故障电流与并网点电压之间相角差随电压跌落程度增加而增大，可将其等效为压控型电流源；

b. 当λ<λ1，即λ∈[0.2，0.5215)时，光伏并网点电压跌落程度增大，光伏输出故障电流的幅值受限流作用保持在2 p.u.，而电流相位滞后并网点电压17°～31°，可将其视为恒流源。

在相间短路故障下，系统电压存在正序和负序分量，还包含大量的谐波分量。为改善发生故障时光伏的输出特性，同时抑制电流谐波，许多文献提出采用正序分量控制策略[6]，取光伏并网点电压正序分量为电流d轴分量的参考相量，同时滤除负序分量产生的倍频分量，使光伏输出电流中只存在正序电流分量。因此，在正序分量控制下策略，光伏等效为受其并网点正序电压控制的电流源模型，可表示为：

(6)

值得说明的是，可利用式(7)求出故障点电压的相位偏移角φ[15]：

(7)

其中，当电压跌落超过10%时，每1%的电压跌落要求逆变器至少提供2%的无功电流[15]，可知k≥2。由式(7)可求出，当λ=0.5215、k=2时，相位偏移角φ的值为13°，且故障后相位偏移角随电压跌落的增大而减小。

2 光伏发电接入ADN的故障特征分析

大规模光伏发电接入配电网后，系统由单电源供电变为多电源供电，使故障电流大小和相位发生了改变。由第1节分析可知，在对ADN进行故障分析时，光伏故障模型可等效为压控型的电流源。为不失一般性，以图1所示的典型ADN进行具体分析。图1中，PV1—PV5为并网的光伏电源，L1—L4为负荷，在ADN的每条馈线配置保护单元。

图1 ADN结构示意图Fig.1 Schematic diagram of AND structure

在新的并网规定下，光伏输出故障电流的大小和相位由其并网点正序电压决定。参考图1，以ADN中母线B3接入的PV2为例，根据故障发生的位置，可分2种情况对光伏发电接入ADN的故障特征分析进行讨论。

a. 情况1：点f1发生故障时，B3电压由主网支撑，PV2接入点电压跌落较小。

b. 情况2：点f2发生故障时，B3电压失去主网支撑，PV2接入点电压跌落较大。

图2 具有低电压穿越特性的光伏发电故障电流特征Fig.2 Fault current characteristics of PV under low voltage ride-through

综上所述，在低电压穿越过程中，光伏输出的故障电流受并网点电压跌落程度及电压相位影响。而故障后电压正序分量的相位受线路阻抗、故障类型等影响，会发生突变，造成光伏输出故障电流的大小和相位随不同故障条件而变化，直接影响保护整定计算的准确性及灵敏度。但现有DG等值模型只能反映DG输出故障电流的大小，无法反映电流相位的差异，降低了保护方法的有效性。因此，有必要针对光伏电源的这种故障特征构建有效的保护方法。

3 ADN电流正序故障分量的分布

3.1 正序故障网络特征分析

传统配电网主要采用非有效接地方式，故障类型分为相间故障和接地故障，相比而言，相间故障造成的影响更为严重[6]。由第1节分析可知，光伏采用正序分量控制，其输出的故障电流只包含正序故障分量，故障模型可看作受并网点正序电压控制的电流源。因此，本文研究适用于ADN相间故障的保护方法，建立正序故障附加网络进行故障分析，等效模型如图3所示。需要说明的是，ADN故障后的电气量变化是由故障类型及DG的控制策略共同决定，由于本文的故障分析为基于故障附加网络，因此可使用故障分量表示电气量的变化。

图3 正序故障分量附加网络Fig.3 Superposition network of positive-sequence fault component

图3中，箭头表明馈线正序电流故障分量，正方向为母线指向线路；ΔI1—ΔI5为光伏输出的等效正序附加电流；Zs为系统等效正序阻抗；Z20、Z40、Z50、Z60为负荷等效正序阻抗；Z56、Z12、Z1F、Z34、Z3F、Z15、Z56为线路等效正序阻抗；当发生故障时，在故障点处产生正序附加电压源ΔUF，ZF为故障点的过渡阻抗；F1、F2、F3为ADN内不同的故障位置。本文将详细分析ADN不同位置发生故障时各馈线电流正序故障分量特征。

3.2 ADN馈线处故障

设ADN馈线点F1处发生故障，母线B1、B2、B5、B6电压由主网支撑，电压跌落较小，而母线B3、B4由于没有主网支撑，发生故障时电压跌落较大。由第2节结论可知，上述母线出口各馈线电流故障分量与故障前母线电压之间夹角小于90°。

由正序故障分量网络知，对于母线2出口各馈线的电流故障分量，有：ΔI22=-ΔI1、ΔI20=ΔU2/Z20、ΔI21=-(ΔI22+ΔI20)，其中，ΔU2为母线B2的正序电压故障分量，Z20为感性。由第2节结论可推导出母线B2出口馈线电流故障分量特征如图4(a)所示。母线B3、B4、B5、B6与母线B2的推导过程类似，这里不再赘述。以母线B2为例，母线出口各馈线的故障电流正序分量有如下特征：

(8)

对于母线B1，有：ΔI12=-ΔI21、ΔI11=ΔU1/Zs、ΔI15=-ΔI51、ΔI51=-(ΔI12+ΔI15+ΔI11)(ΔU1为母线B1的正序电压故障分量)，可得母线B1出口各馈线的故障电流正序分量有如下特征：

(9)

ADN内各母线出口馈线电流故障分量特征见图4。由上述分析可得：当ADN内馈线处发生故障时，检测到正方向故障的各馈线正序电流故障分量与其所连接的母线故障前正序电压之间相角差θ∈(-90°，0°)；其余各馈线的正序电流故障分量与其母线故障前正序电压间夹角范围为(90°，180°)。

图4 点F1发生故障时正序电流故障分量特征Fig.4 Positive-sequence fault component characteristics when fault occurs at F1

3.3 DG或负荷处故障

设PV2出口处点F2发生故障，母线B4电压跌落较大，其余母线电压跌落较小。对于母线B3有：ΔI31=-ΔI13、ΔI34=-ΔI43、ΔI33=-(ΔI31+ΔI34)，由第2节结论可推导出母线B3出口馈线电流故障分量特征如图5(a)所示，并有如下特征：

(10)

此时，DG馈线检测到正方向故障，ΔI33与U3之间的夹角范围为(-90°，0°)；其余各馈线的正序电流故障分量与其母线故障前正序电压间夹角为(90°，180°)。

设负荷处点F3发生故障，电流故障分量关系为：ΔI22=-ΔI1、ΔI21=-ΔI12、ΔI20=-(ΔI22+ΔI21)。由第2节结论可推导出此时母线B2出口各馈线的正序电流故障分量特征见图5(b)，并有如下特征：

(11)

图5 DG及负荷故障时正序电流故障分量特征Fig.5 Positive-sequence fault component characteristics when fault occurs in DG or load

此时，负荷馈线检测到正方向故障，ΔI20与U2之间的夹角范围为(-90°，0°)；其余各馈线的正序电流故障分量与其母线故障前正序电压间的夹角为(90°，180°)。由本节分析所得ADN故障特征见表1。表中，θij为故障前母线电压与其各馈线正序电流故障分量之间夹角(i为母线编号，j为馈线编号)。

表1 不同位置故障时馈线故障特征Table 1 Fault characteristic of feeders when fault occurs at different location

综上所述，当F1处发生故障时，检测到正向故障的保护中只有S13、S31应动作于跳闸切除故障，即当2条母线之间的馈线发生故障时，只有位于同一线路的对端保护同时检测到正向故障时，可将故障定位于本线路；而当F2或F3处发生故障时，其对应的馈线保护应切除故障，因此，需根据上述特征构建保护判据。

4 基于正序电流和故障前电压相位关系的ADN保护方法

4.1 保护判据

为了改善具有低电压穿越控制策略的光伏电源发生故障时并网点电压相位变化对其输出故障电流相位的影响，本文结合电压信息，提出基于正序电流和故障前并网点电压相位比较的保护方法。发生故障前母线电压与其各馈线正序电流故障分量之间夹角为：

θij=arg(Ui0)-arg(ΔIij)

(12)

其中，i为母线编号；j为馈线编号；Ui0为故障前并网点电压。当ADN发生故障时，检测到正向故障的保护单元有θij∈(-90°,0°)，对应sinθij<0；其余馈线保护的θij∈(90°,180°)，对应sinθij>0。

本文构建的保护策略为：在ADN各馈线分别配置智能保护单元IED(Intelligent Electronic Device)；依靠ADN先进的通信控制技术，实现各IED间的通信。首先，将两母线间馈线IED、DG及负荷IED定义为不同属性的节点，并进行编号：2条母线间馈线IED定义为A型节点，DG及负荷的IED定义为B型节点。当A型节点检测到正向故障时，应与其在同一线路对端的A型节点进行通信，若其对端A型IED同样检测到正向故障信号，则同时动作于跳闸；若B型节点检测到正向故障，则立即动作于跳闸切除故障。由上述思想得出保护方法实现过程如下。

a. 建立IED节点结构体，定义结构体单元为：

k[i]=[ki1,ki2，…，kij]

(13)

将k[i]中元素定义如下：

(14)

其中，i为母线编号，i=1，2，…，6；j为馈线编号。

b. 设置保护装置启动判据，根据故障判据，判别正向故障节点。

为避免ADN弱馈侧故障电流较小导致保护装置不能启动的问题，本文利用母线电压幅值变化作为保护装置启动判据，当母线任一相电压幅值降低超过10%时，保护装置启动，检测流过保护装置的正序电流故障分量与故障前母线电压之间的夹角θij。如果sinθij>0，则该馈线为非故障线路；如果sinθij<0，则该馈线保护检测到正向故障，但是否为故障线路还需进一步判断。

c. 判别节点类型，实现最终故障定位隔离。

对于检测到正向故障的节点，利用式(12)判断节点类型。对于A型节点，与其位于同一线路对端的A型节点进行通信，若两节点同时检测到正向故障，立即动作跳闸。对于B型节点，若检测到正向故障，则立即动作隔离故障。

本文提出的ADN保护方法，不仅适用于具有双向保护的馈线，且适用于DG及负荷分支馈线；结合电压信号使得保护方法更加适用于具有低电压穿越能力的光伏发电并网的ADN，保护的有效性及可靠性得到了提高。

4.2 ADN保护实现方案

本文设置的ADN保护方案中，馈线保护检测到正向故障后，本端需延时速动跳闸，同时需使用单端通信以检测对端保护是否检测到正向故障，通过对端通信，实现全线速动；保护动作跳闸后，还需向网内其他保护发送闭锁信号。因此，ADN通信架构的设计需要充分考虑通信的实时性、可靠性、可扩展性及经济性。针对上述AND通信需求，本文提出采用区域保护决策的保护系统结构，系统结构如图6所示。

图6 ADN区域故障定位系统结构Fig.6 Structure of ADN regional fault location system

ADN采用IEC61850规范下的通信系统及智能化设备，通过在区域内进行信息的物理融合、本地信息共享实现保护功能及性能的提升[16]。以母线及其出口馈线为单元对ADN进行分区，每个区域内设置区域保护决策单元RDU(Region Decision Unit)及本地智能保护单元IED。RDU内设置故障定位算法，实时测量母线电压并接受各馈线IED采集到的电流信息，以实现集中决策并下达故障切除命令。相邻的IED可以直接通信，以便有选择性地切除故障。

5 算例分析

5.1 仿真模型及参数

为验证本文所提保护方法的有效性，利用PSCAD软件建立如图1所示的ADN模型。其中，系统电压为10.5kV，系统内阻抗为j0.32Ω，线路单位正序电阻r1、单位正序电抗x1、单位零序电阻r0、单位零序电抗x0分别为0.38、0.17、1.72、0.4Ω/km，线路阻抗角为42°。光伏电源采用具有低电压穿越特性的PQ控制策略，其中PV1—PV5的额定输出功率均为500 kW，最大故障电流为额定电流的2倍。负荷L1—L4的容量分别为2kV·A、2.5kV·A、3kV·A、3.5kV·A，功率因数为0.85[17-19]。

仿真需得出故障前各母线电压相位及故障后流过各保护装置的正序电流故障分量的相位，考虑到故障前配电网内各母线电压相位近似相等(电压幅值差在 ±7%时相位差不超过4.02°)[20]，因此，可将故障前线路各点电压相量Upre作为参考相量。故障发生后及故障隔离期不再计算该电压量，直到配电网恢复正常运行。取故障发生时刻起20ms后(即躲过故障暂态过程)流过各保护装置的正序电流作为电流量[21]。

5.2 具有低电压穿越能力的光伏发电故障特性仿真

以图1为例的ADN模型，仿真分析点F1发生故障时，光伏电源并网点电压变化及输出的正序电流故障分量情况，结果如表2所示。

表2 光伏发电故障特性Table 2 Fault characteristics of PV generation

由表2结果分析可知，当ADN发生故障时，PV2、PV3并网点电压跌落较大，输出故障电流达到逆变器最大允许电流；PV1、PV4、PV5由于有主网支撑，电压跌落较小，输出的故障电流略微增加。总体可以看出，光伏发电输出电流故障分量与故障前电压夹角均在(-90°，0°)范围内，与第1节的分析一致。因此，发生故障时光伏输出电流的大小和相位由其并网点电压决定，且输出电流的故障分量相位与不考虑低电压穿越时输出电流的故障分量相位区别较大。

5.3 ADN保护仿真

5.3.1 算例1

设母线B1、B3之间馈线点F1发生A相接地故障，过渡电阻为2Ω，取故障前各母线电压相量Upre为参考相量，仿真得出各馈线故障特征如表3所示。其中，θij为流过各保护单元的正序电流故障分量与故障前母线电压相量之间的夹角。

由表3结果分析可知，母线B1馈线保护S13的θij∈(-90°,0°)，区域保护单元RTU1计算出的k13值为1，需进一步确定其对端保护是否具有同样故障特征；对于B3的保护S31，计算出的θij∈(-90°，0°)，且k31值为1，根据故障定位判据，S13、S31同时动作与跳闸，切除故障并向其他保护单元发送闭锁信号。而对于同样检测到正向故障的保护单元，如S15、S43等，由于其对端保护没有检测到正向故障，因此不会跳闸。

表3 点F1故障保护动作结果Table 3 Operation result of protection when fault occurs at F1

5.3.2 算例2

当PV2出口F2处发生过渡电阻为1Ω的BC相间故障时，取故障前各母线电压相量Upre为参考相量，仿真得出母线B3各馈线故障特征信息如表4所示。

表4 PV出口故障保护动作结果Table 4 Operation result of protection when fault occurs on PV

由表4结果分析可知，B3处的保护S33计算得到的θij∈(-90°,0°)，且k33=-1，根据故障定位判据可知，S33立即动作于跳闸。

5.3.3 算例3

当点F3处发生三相故障时，过渡电阻为2Ω，仿真得出母线B2出口各馈线故障特征如表5所示。

表5 负荷处故障保护动作结果Table 5 Operation results of protect when fault occurs on load

由表5可知，母线B2负荷保护S20的θij∈(-90°，0°)，且k20=-1，可将故障直接定位于本馈线上，S20跳闸切除故障。

综上所述，本文提出的保护方法在具有低电压穿越能力的光伏发电接入ADN不同位置发生不同类型故障时均能够准确切除故障，实现保护功能，且保护方法具有选择性，能够避免设备不必要的退出运行。

6 结论

本文考虑具有低电压穿越能力的光伏电源故障特性，提出基于保护安装处故障前电压与正序电流故障分量相位比较的ADN保护方法，经理论推导分析与仿真验证，得到以下结论：

a. 本文所提保护方法不仅适用于具有双向保护的馈线，且适用于DG及负荷的单分支馈线；

b. 结合电压信号使得保护方法更加适用于具有低电压穿越能力的光伏发电并网的ADN，提高保护的有效性及可靠性;

c. 仿真算例结果证明了本文方法的正确性及有效性。

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