基于电流相角差的主动配电网故障定位方法研究

杨海柱，刘向阳，郭一鸣

（河南理工大学，焦作 454000）

0 引言

随着化石能源的过度开采，现在越来越多的清洁能源被利用起来。伴随着国家提倡的走可持续发展道路，目前风能和太阳能被利用的较为广泛这样就促使分布式发电技术在最近几年里快速发展。研究表明配电网中广泛采用分布式电源（distributed generation，DG）可以在产生清洁能源的过程中发挥关键作用，具有巨大的经济和环境效益[1]。分布式发电技术的发展应用，一方面能够充分利用资源，可以把过剩的电能通过并入大电网供应其它用户使用这样就可以提高利用效率创造更多的经济效益；但是，另一方面由于DG的接入改变了电网原来的潮流特性使得原有的配电网继电保护和故障定位不再适用。快速的故障定位可以提高主动配电网的可靠运行能力，文中通过研究了主动配电网的运行特点提出了一种基于电流相量的故障定位方法。

传统的配电网多使用的是重合闸过流保护，在线路发生故障时，通过配电自动化信息确定故障线段[2]，实现故障定位。由于传统的电网是单电源网络，其保护和定位都是基于单相潮流特性，但是随着DG的大量接入改变了原来配电网的潮流特性，使得现在的配电网变成了一个复杂多变的有源网络[3,4]。这使现有的继电保护可能会发生误判或者拒动，因此不再适用。目前可用于主动配电网的故障定位方法有基于配电自动化信息[5]和基于广域信息。基于广域信息又被分为基于独立信息[6,7]和基于联合信息[8,9]，文中提出的方法就是基于广域联合信息[10]的电流相角差值故障定位方法。该方法在电流相位差动保护的基础上[11]，分析了主动配电网的电流相角在故障时的变化特征，提出了基于电流相角差的故障区间定位方法，在该方法的基础上精确了判定阈值的设定公式。使其能够更加准确的进行故障定位，而不再发生误动和拒动的情况。

1 电流相角差值变化分析

我们对区段里的电路相角变换进行分析。我们在分析其故障特性的时候把主动配电网分成简单的双端无分支区间。如图1所示，就是其中一个区段两端的节点分别是m和n。初始负荷功率是从m流向n，我们定义电流的参考方向和功率的流动方向一致，则该区段内的电流正方向就是m节点指向n节点。其节点电流Im和In处的相位角分别是θm和θn，则定义该区段的电流相角差Δθ的表达式为 θ=θm-θn。

1.1 故障前电流相角差值分析

分析主动配电网时可以采用集中参数π型线路模型，对分开的各个区段进行等效分析。考虑到主动配电网络里大多使用的是电缆线路含有分布式电容并且系统里的DG工作导致负荷电流降低，使对地电容电流与负荷电流的比值增大，造成区段两端的节点电流相角有一定的差值。所以，分析时要考虑分布式电容对电流相角的影响。配电网一般为Y型直接接地，文中对研究区段里的其中一相进行故障前后的等效分析操作如下。

图1 研究区段等效示意图

对图1一个长为L的单相双端无分支区段，其等效模型如图2所示，其中节点m和n处的电压分别为Um和Un，电流分别为Im和In，Zmn为线路的串联阻抗，Y是线路的并联导纳。由于有并联导纳的影响，导致对地电容电流对线路里的电路产生影响，所以Im和In之间的幅值和相位不一样，如图3所示，I=Im-In。通过分可知两端电流在电网正常运行的情况下相角会有一个夹角θ，在正常运行时该角较小（θ≤5°）。Im的幅值略大于In的幅值，| I|略大于0，在此情况下有：

在区段里对地电容电流与线路电流的比值小于10%的情况下，可以根据式(1)对夹角θ进行估算得：

图2 研究区段电路等效模型

图3 电流相量图

1.2 故障后电流相角差值分析

当区段内发生故障时，其等效模型如图4所示，Lm和Ln分别为m和n点据故障点F的距离。Umf和Unf为故障后两端节点处的电压，Imf和Inf分别为故障后两端的节点电流，Zmf和Znf分别为两端点到故障点的串联阻抗，Uf为故障处的等效电压，Zf为故障点处的等效阻抗，Ym和Yn为线路的并联导纳。此时电路两端节点处电流Imf和Inf的相量图如图5所示。

图5 故障时电流相量图

当发生的为相间短路时，Zf等效为相间短路过渡阻抗，Uf等效为其他相对该故障相的影响；当发生的为接地短路故障时Uf为零，Zf为短路过渡阻抗对线路进行等效。推导出故障时故障电流Imf和Inf的通用公式：

式(3)、式(4)里的参数分别为：

当区段内发生故障后由式(3)、式(4)分析得如果区段两端都有电源时，Imf和Inf之间相角差θf变大，成为一个钝角，此时θf>θ；如果该段线路仅有一端有电源，则在故障点处的等效电压Uf和等效阻抗Zf的共同作用下使故障区段的并联导纳增大，同样导致夹角θf增大θf>θ。

经过上述的分析可知，当主动配电网线路正常工作时由于线路里面并联导纳的影响Imf和Inf之间有一个小的夹角θ这个时候由于电路里面没发生故障不需要电路里的保护元件进行动作；当电路里发生故障时造成夹角变大，这时候需要电路保护进行动作，我们就需要快速准确的定位出故障区间。我们需要考虑由于正常工作时的电流相角度差值发生误判的动作，在文中里采取了设定闭锁角的方法来避免这个情况[12,13]。

2 故障判断与闭锁角整定

在主动配电网的单相区段里可根据电流相角差值来判断是否发生故障，即当相角差的绝对值|θf|在多个采样点都有|θf|＞δ，则表明该段有故障发生，如果不是则没有故障。实际采样时，采样点N的值需要适当的选取，以实现快速准确的定位故障。N值较小时，定位就会快速、灵敏，但是可靠性型就会降低。δ是判定阀值[14]，其取值由由多种因素决定具体分析如下：

考虑到电流互感器根据10%的误差曲线选取，其角度误差≤7°，一般取互感器的相位误差角为7°；高频电流从线路的一端相另一端传送所需延时相角差α，一般取值，其中l为高频通道长度，km；考虑到未计及误差等因素，取一个裕度角一般取值为15°。由此可得δ的整定公式为：

δ的取值一般整定为30°。以Im的方向为参考方向，若N端电流In落在δ的范围内，则不发出故障指示；如果落在δ的范围外则会发出故障指示，如图6所示。此时，我们就能准确定位出故障区段。

图6 闭锁角与故障动作范围

主动配电网络里面含有单相、两相和三相线路。其中单相和两相线路一般用于负载供电的分支线路，可等效为对应的单相负荷；重要的供电线路为三相的并且含有DG。我们可根据这把主动配电网等效为三相系统。把单相故障判定方式用到三相线路区段的每一相，可根据判断各相线路是否发生故障进而完成故障定位，不受三相电流不平衡的影响。

3 故障区间定位

3.1 定位方法的原理

为了在快速的定位出主动配电网的故障区间，文中里面提出的一种基于电流相角差的定位方法。其原理结构图如图7所示。

图7 定位原理图

文中提出的主动配电网故障定位方式只需要对电流信息进行测量，为了保证可以准确定位，要求测量时同步测量。通过各区段线路里安装的设备，实现区段内的故障判断，控制中心综合各区段的信息进行故障定位。通过快速傅里叶变换来获取区段两端点的电流相角，根据采集到实时相角来进行故障定位。

3.2 实用性分析

文中提出的方法把主动配电网系统中的电路分成多条双端无分支的区段，如果区段内存在分支，同样对其进行分割。该方法适用于含多种DG的主动配电网中，同时也适用于DG渗透率高的系统。该方法要求采样频率不低于5kHz，同步误差小于0.2ms[15]。信号采集可以使用全球定位系统（global position system，GPS）或计算机网络同步测量[16]。使用GPS同步测量时误差在0.1us以内[17]。目前用于配电网里的同步采样频率也超过了25kHz，所以该方式要求的采样频率目前的技术可以满足。

4 仿真分析

为了验证所提出的方法在主动配电网发生故障时对故障定位的准确性，利用PSCAD/EMTDC软件建立了系统仿真模型对该方法进行验证。

4.1 案例分析

使用PSCAD软件建立如图1所示，带有分布式电源的配电网仿真模型，接下来分析该配电网线路在发生短路故障时的电流相量角度变化，通过对故障时电流相量角度差和判断阀值进行比较来验证文中所提的方法的准确性。故障发生时刻设置为0.1s，持续时间为0.01s。

当发生单相接地短路故障时，测得故障电流如图8所示，经过快速傅里叶变换可得在故障时刻采集到的电流Im的相角为79.2°，In的相角为-85.9°相角差的绝对值为165.1°，大于整定值δ。

图8 单相接地故障电流波形图

当发生两相故障时有两相短路故障和两相接地故障两种，此时可以通过测量线路的零序电流幅值来辨别。当发生的是两相短路故障时，线路端口的零序电流im=in=0；当发生的是两相接地故障时，im和in至少有一个不为零。发生两相短路故障时故障电流波形如图9所示，通过快速傅里叶变化得到电流Im的相角为-57.5°，In的相角为18.7°相角差的绝对值为76.2°，大于整定值δ，零序电流幅值如图10所示。

图9 两相短路故障电流波形图

图10 两相短路故障零序电流幅值

当发生两相接地故障时故障电流波形如图11所示，通过快速傅里叶变化得到电流Im的相角为-45.4°，In的相角为20.8°相角差的绝对值为66.2°，大于整定值δ，零序电流幅值如图12所示。

图11 两相接地故障电流波形图

图12 两相短接地故障零序电流幅值

电路发生三相短路故障时故障电流波形如图13所示，通过快速傅里叶变化得到电流Im的相角为-55.6°，In的相角为16.2°相角差的绝对值为71.8°，大于整定值δ。

图13 三相短路故障电流波形图

通过案例分析可知，当仿真电路发生不同类型的故障时，故障电流的相角差都大于整定值δ，通过这可以准确的判断出故障的发生。

4.2 系统仿真

利用PSCAD软件搭建如图14所示的主动配电网。系统变压器选取的容量为500MVA，电压为10.5kV。DG1、DG2和DG3分别是三个容量为2MVA的分布式电源，线路1、3、4是架空线路，参数为x1=0.347Ω/km、r1=0.27Ω/km；线路2、5是电缆线路，参数为x1=0.093 Ω/km、r1=0.259Ω/km。在每个节点处接有额定容量为1.5MVA，额定功率因数为0.85的负荷。

表1是当线路发生不同类型故障时，保护装置采集到的端口电流信息其中Im是线路左端口电流，In是线路右端口电流，Δθ是相角差。

图14 系统仿真模型示意图

表1 系统仿真结果

在发生单相接地故障时电流相角差为-232.4°超出规定范围（-180°～+180°]，所以加上360°。通表1可以得出，当仿真系统发生不同类型的故障时,利用文中所提出的方法仍然可以对其进行准确定位。

5 结语

文中通过研究线路故障时两端电流相角的变化特性，提出了采用电流相角差值进行故障定位的方法。该方法不需要采集电压信息，减少了同步信息采集的同时也减少了经济投资。通过仿真可以得到该方法可以准确的用于主动配电网的故障定位，在不同的故障类型下该方法都具有较高的准确性和鲁棒性。