主动配电网的故障电流序分量保护方案

徐宏斌，李 梅，闫其路

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000)

0 引言

分布式电源DG(Distributed Generation, DG)是一种清洁型能源，能灵活接入电网中，且能和电网配合对电能输出进行有效调节，因此越来越多的DG接入到配电网当中.这也带来了一系列问题，首先会使配电网的网络结构变得复杂，其次配电网中潮流方向会变成双向流动，导致传统的配电网保护方法不再适用于新型的主动配电网.

国内外学者对含DG配电网保护进行了深入研究.文献[1-2]中主动配电网通过电流突变量的信息构造保护判据，通过比较线路电流和负载电流之间的相位差进行保护.文献[3-5]中采用正序阻抗故障分量来构造保护判据，但此方法对通信的要求较高，经济性不好.文献[6]分析了保护可靠性对并入DG容量进行了限制，保留了传统的三段式电流保护，基于故障电流特征改进了保护方案.文献[7-10]采用自适应电流保护，通过对电流保护原理进行改进达到保护目的，易于实现，但是分段之间的保护延时及整定配合仍存在困难.文献[11]采用高端馈线终端模块实时监控本地信息，且与相邻信息相结合，能有效达到预期目的，但是此方案对资金投入和通信的要求都很高.文献[12]采用自适应保护，通过对配电网参考方向的整定和闭锁方向相配合，构建了保护方案，能提高弱馈侧的动作可靠性，但是对于通信的要求较高.

本文通过分析两种故障类型情况下电流序分量的相位特点，提出了基于故障电流序分量保护方案.针对不对称性故障与对称金属性故障，构造了负序电流相位差保护判据与正序电流相位差保护判据.最后，在MATLAB/Simulink中搭建模型，证明该保护方案的准确性.

1 基于故障电流序分量保护

通过文献[13]可知，当线路发生不对称故障时，由于穿越电流的存在，如果采用正序故障电流相位进行判断，可能会发生误判，因此提出基于故障电流序分量的保护方案，当线路发生不对称故障时，只有故障处一个负序电压源，不会出现电流的双向流动，也就不会有穿越电流，可以用负序电流相位对其进行保护.但是线路发生对称金属性故障时，故障线路没有负序电流，使得负序故障电流保护方法不能对对称金属性短路进行判断.然而当线路发生三相对称金属性短路时，短路电流全部流入故障点，故障电流不会出现穿越现象，从而可以用正序电流相位保护方法进行保护.

1.1 基于负序故障电流不对称性故障保护

通过建立含DG的配电网等效模型来分析本文所提出的保护方案如图1所示，当图1中线路AB发生不对称性故障时，其负序电路如图2所示.

图1 含DG的配电网等效模型

图2 不对称故障负序网络电路图

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(1)～(5)可知，线路AB两端的负序电流相位相同，线路BC、AD两端的负序电流相位相反，因此，可利用负序电流的相位特征设置保护判据.设同一线路两端的负序电流相位分别为φ1-、φ2-，其判据为：

(6)

1.2 基于正序故障电流对称金属性故障保护

当线路发生对称金属性故障时，其故障点电压降为0，此时正序电流会全部流入故障点，不会出现穿越电流情况，因此对于对称金属性故障时，可以采用正序故障电流相位对线路进行判断，图1中线路AB发生三相对称金属性短路时，其正序电路如图3所示.

图3 三相对称金属性故障正序电路图

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.3 基于故障电流序分量保护流程

为保证本文所提保护方案的实用性，需要正确对故障类型进行分类，正如我们所知，三相对称金属性短路中负序电流幅值很小，因此可利用负序与正序电流幅值的比值来建立识别判据.设I-、I+为同一端流过的正、负序电流，故障类型判据如下：

(12)

本文所提的保护方案整个流程如图4所示，首先根据式(12)判断故障类型，再用式(6)或式(11)对不同故障类型进行判别.

图4 保护流程图

2 仿真分析

在MATLAB中Simulink模块中搭建图1的仿真电路，时间为0.5 s，其中统一设置0.2 s～0.3 s为故障发生时间.系统基准容量为200 MVA，基准电压为10.5 kV.线路参数R=0.125 Ω/km，X=0.4 Ω/km.逆变型电源额定功率为4 MW，负荷为(5+j1.4) MVA，线路AB、BC、AD长度分别为6 km、4 km、5 km.表1为线路AB发生A相接地的正序电流相位仿真结果.

表1 A相接地的正序电流相位仿真结果

表2为线路AB发生不对称故障时的负序电流相位仿真结果.

表2 不对性故障的负序电流相位仿真结果

线路AB发生三相对称金属性短路的正序电流相位仿真结果如表3所列.

表3 三相对称金属性故障的正序电流相位仿真结果

由表3可知，当线路AB发生三相对称金属性故障时，仿真得到的结果和本文所提的保护判据结果相一致，验证了本文保护方案的准确性.

综合上述分析可知，无论线路发生了何种故障类型，仿真得到的结果和本文提出的保护判据结果相一致，因此本文所提保护方案能有效判断主动配电网发生的故障，证明了本文保护方案的可靠性.

3 结论

本文提出了基于故障电流序分量保护方案，分别用正、负序电流分量对两种故障类型设置保护判据，最后通过Simulink仿真验证所提保护方案的准确性，该方案具有以下特点：

(1)该方案能正确保护不对称性故障和对称金属性故障，且只需要测量线路两端电流序分量的相位和幅值，使保护的实用性更为经济；

(2)用Simulink模拟了线路的各种故障，通过采集线路两端的正、负序电流相位，得到的数据验证了该保护判据的准确性.