T接逆变型分布式电源和负荷的馈线纵联保护新原理

罗竟哲，李杰，王钢

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641)

随着国际化石能源局势持续紧张以及我国“双碳”目标的提出，采用清洁能源的分布式发电技术受到广泛关注，是未来重要发展方向[1-6]。其中，逆变型分布式电源(inverter-interfaced distributed generator，IIDG)广泛接入配电网，对可再生能源的消纳起到了至关重要的作用。IIDG能快速响应负荷，及时支撑系统无功，提高配电网运行的韧性与灵活性，大幅增加新型配电网的潜力[7-10]。

IIDG接入配电网的馈线后，传统的单电源辐射型配电网变成分散、多源供电的复杂电力系统；可再生能源的随机特性也给馈线潮流分布带来不稳定因素；由于受到自身控制策略的影响，IIDG的输出具有极强的非线性。上述因素不仅改变了配电网的短路特性，而且增加了故障过程的复杂性，常规馈线保护方案可能误动或拒动，现有继电保护原理已难以应对IIDG接入带来的挑战[11-12]。此外，按照就近消纳的原则，配电网馈线上还会接入分支负荷，进一步增加了保护整定及故障功率方向判断的困难。因此，为了提高配电网运行的安全稳定性，新型馈线保护方案必须计及T接IIDG及分支负荷的影响，从保护原理和判据上予以改进。

针对上述问题，国内外学者开展了相关研究。文献[13-17]提出含DG配电网的过电流保护改进方案，能够在IIDG出力变化的条件下保持固定的保护范围。但是此类基于单端电流的保护方法，各分段动作延时与保护整定之间的配合仍存在一定困难，故障动作时延将会影响故障切除后用户端孤岛运行的安全稳定。

相较于利用本地信息的保护方法，纵联保护能够更好地满足馈线保护对于速动性的需求。文献[18]提出一种利用模量模型识别的线路纵联保护方案，可以不受过渡电阻的影响，但没有考虑IIDG接入对线路的影响。文献[19]提出一种适用于含IIDG配电网的正序阻抗差动保护原理，具有灵敏性高及耐受过渡电阻能力强等优点。文献[20-22]分别利用母线与各馈线之间的正序电压相位差、电流相位差以及正序补偿电压差形成保护判据，均能有效保护T接IIDG的线路。上述文献仅考虑了线路T接IIDG的情况，但未讨论同时T接负荷和IIDG的馈线的情况。文献[23]所提保护方案研究了同时含IIDG与不可测分支负荷的线路故障特性，解决了区内外故障识别困难的问题，但是忽略了故障前后IIDG出力的随机性。文献[24]中提出一种基于线路两端电流实测值和T接IIDG支路电流计算值的虚拟多端电流差动保护方案，但未讨论故障后IIDG意外退出运行情况对保护的影响。由于馈线两侧保护与IIDG之间通信受限，IIDG的意外退出会使原有保护原理不再适用，导致保护拒动或者区外故障时保护误动。目前针对T接IIDG和负荷的馈线纵联保护方法仍然存在许多不足，研究有待深入。

本文提出一种T接IIDG和负荷的馈线纵联保护新原理。首先研究采用PQ控制策略的IIDG故障等值模型，分析T接IIDG及分支负荷的馈线的故障特性。利用馈线两侧电压、电流，构建基于推演电压的故障特征量，并分析不同故障位置、IIDG与负荷的接入位置对故障特征量的影响，提出基于推演电压故障特征量的新型纵联保护原理。应用PSCAD/EMTDC仿真平台进行仿真测试，以验证所提保护原理的有效性。

1 故障特征量的构建及其分析

1.1 馈线结构

图1 T接IIDG和负荷的馈线结构

1.2 IIDG故障等值模型

IIDG提供的故障电流由其有功参考功率及故障控制策略共同决定[25]。并网运行的IIDG主要采用PQ控制策略，即通过分别控制输出电流的有功分量IDG,d与无功分量IDG,q对其有功和无功功率进行解耦控制[26]。dq同步旋转坐标的d轴与PCC电压同向。在正常运行状态下(假设q轴超前d轴)：

(1)

式中：PDG为IIDG有功功率；QDG为IIDG无功功率；PREF为IIDG跟踪一次能源出力得到的有功参考功率，具有一定的随机性。此外，IIDG还具有低电压穿越运行能力，即当故障电压跌落到一定程度时，IIDG优先输出无功功率，以支撑电网电压。因此，故障电流的有功、无功分量IDGd,f、IDGq,f分别为：

(2)

IIDG故障电流

j(IDGd,fsinδ-IDGq,fcosδ).

(3)

式中：δ为并网点正序电压通用相量与系统电压之间的夹角。由式(1)—(3)可知，IIDG是由UPCC与PREF共同控制的电流源。

1.3 故障特征量构建

当系统发生不对称故障时，IIDG输出的负序电流将会增大设备损耗，危害系统的稳定性[27]，因此IIDG通常采用消除负序电流的控制策略，即IIDG具有仅输出正序电流的特性。以下出现的所有相量符号都代表该相量的正序分量。

图2 馈线故障正序等效电路

(4)

式中：Za为母线M到PCC之间的线路阻抗；上标(M)表示该电压、电流量由母线M侧电压、电流推演得到。

由式(4)可知：当故障点位于区外或不发生故障时，该推演电压与母线N处实际电压相等；反之，区内故障下的推演电压与母线N处实际电压存在差异。

(5)

式中上标(N)表示该电压、电流量由母线N侧电压、电流推演得到。

定义故障特征量DN(x)、DM(x)为：

(6)

由式(6)和图2可知：线路发生某一类型短路故障时，DN(x)是关于故障位置x的函数，即DN(x)随故障位置x的确定存在唯一解；DM(x)同理。

1.4 故障特征量分析

下面分析函数DM(x)和DN(x)关于x的变化趋势。当故障点位于母线M与PCC之间时，正序网络如图2所示，由式(4)和式(6)可得

(7)

(8)

进而可以得到

(9)

由于阻抗Za、Zb、Zc恒大于0，综合考虑式(7)—(9)，可知故障点位于母线M与PCC之间时，

(10)

当故障点位于PCC与负荷之间时，相应正序网络如图3所示。根据式(4)、(6)可得

图3 故障发生在PCC与负荷之间的正序等效电路

(11)

当故障点位于负荷与母线N之间时，故障特征量的表达式为

(12)

综合式(7)、(10)—(12)可知，在x∈[0,1]上故障特征量与故障位置x关系为

(13)

同理，DM(0)=0，且DM(x)在x∈[0,1]上，有

(14)

根据式(13)、(14),建立辅助函数GN(x)、GM(x)：

(15)

式中GN(x)≤DN(x)，GM(x)≤DM(x)。

由式(15)可知，GN(x)、GM(x)在[0,1]上分别呈单调递减和递增，而且必存在一交点(x0,G(x0))，有

(16)

由式(16)可知，G(x0)不受IIDG与负荷接入位置的影响。进一步可以得到DN(x)、DM(x)、GN(x)、GM(x)在[0,1]上的函数图像，如图4所示。

图4 DN(x)、DM(x)、GN(x)、GM(x)函数图像

GN(x)≤DN(x)，GM(x)≤DM(x)，因此DM(x)、DN(x)在x∈[0,1]上的曲线位于GM(x)、GN(x)上方。当故障发生在MN上任意一点时，存在恒定关系：DM(x)>G(x0)或DN(x)>G(x0)。

综上所述，区内故障下的故障特征量必有DM(x)>G(x0)或DN(x)>G(x0)；而区外故障下的故障特征量小于G(x0)。因此，可利用该特征形成保护判据。

1.5 IIDG参考有功功率和负荷阻抗的求取

根据图1所示的馈线结构，发生短路故障前各节点电压、电流有如下关系：

(17)

(18)

(19)

(20)

2 保护原理

2.1 保护整定值的选取

由1.3节所述，DM(x)、DN(x)本身的物理含义为保护对侧的推演电压与实际测量值之差，可以表征线路内部除已考虑的IIDG电流与负荷电流之外的不平衡电流所导致的压降。当故障发生于区外时，区内无其他不平衡电流产生，DM(x)、DN(x)恒为0。

由式(13)—(16)可知，当故障发生在区内线路上任意位置时，均有DM(x)或DN(x)大于G(x0)=0.5ZlIf,min，If,min为保护范围内末端短路时的最小电流。根据此故障特性，选取保护整定值

Dset=KrelG(x0).

(21)

式中Krel为可靠系数。在实际工程中，IIDG提供的故障电流往往含有少量的负序分量甚至零序分量，其对IIDG 电流计算值和PCC正序电压计算值均会造成一定的误差；同时，测量装置也会产生误差。为了提高保护动作的可靠性，防止出现保护死区的情况，引入可靠系数Krel=0.9。本节所提保护的动作判据为

DM(x)>Dset或DN(x)>Dset.

(22)

当特征量关系满足式(22)时，判断为馈线区内故障，保护动作；否则，判断为区外故障或无故障，保护不动作。本节所提保护整定值按照躲开线路故障时的最小故障电流乘以线路总阻抗的1/2的原则进行整定。当故障发生在被保护线路末端时，一侧的故障特征量接近于0，而对侧特征量在区间内恒大于保护判据，因此同时使用两侧特征量进行判断，可以有效避免保护末端的死区问题。

2.2 辅助判据

当故障点位于母线M到负荷之间，假设IIDG退出运行，有：

(23)

当故障点位于负荷到母线N上时，有：

(24)

综合分析式(23)、(24)可知：DM(x)′在[0,1]上单调递减，且DM(1)′=0；DN(x)′在[0,1]上单调递增，且DN(0)′=0；DM(x)′与DN(x)′必交于一点(x0,D(x0)′)。因此，本节所提保护的辅助判据为：

DM(x)′>Dset′或DN(x)′>Dset′,

Dset′=KrelD(x0)′.

(25)

式中Dset′为保护辅助整定值。

因此，当IIDG意外退出运行时：如果满足式(22)且满足式(25)，则判断为区内故障，馈线纵联保护动作；若满足式(22)，但不满足(25),即DM(x)′≤Dset′且DN(x)′≤Dset′，则判断为发生IIDG退出运行的区外故障，保护不动作。

综上所述，本节提出的T接IIDG和负荷的馈线纵联保护原理如图5所示。

图5 保护原理

3 仿真验证

为验证本文所提保护方案的有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真平台建立图1所示的10 kV馈线模型，系统和负荷模型参数见表1、表2。

表1 线路参数及负荷参数

表2 IIDG主要参数

通过不同故障情景验证本文所提特征量的故障特性及馈线纵联保护方法的可行性和准确性，分别讨论区内外故障、线路末端故障、IIDG意外退出运行等条件下的故障特征量和保护动作情况。

3.1 不同故障位置

为了验证所提保护方法的选择性，设：故障点f1、f2、f3、f4分别距离M母线1 km、2.5 km、4 km、6 km；f1、f2、f3为区内故障，f4为区外故障；故障类型均为相间短路。仿真实验结果见表3。

由表3可知，本文提出的基于故障特征量的馈线纵联保护方案有较好的选择性，对于不同条件下的区内故障都能准确可靠动作，对于区外故障能保证不误动。

表3 不同故障位置下保护动作情况

3.2 线路末端故障

馈线保护末端发生故障时，单侧特征量DM(x)或DN(x)接近于0。为了验证同时使用两端故障特征量判别能够消除保护死区、有效保护线路全长，设馈线末端M、N处发生故障，仿真实验结果见表4。

表4 馈线末端故障下保护动作情况

由表4可知：当故障发生在M侧保护末端时，故障特征量DM趋于0；当故障发生在N侧保护末端时，故障特征量DN趋于0。若仅使用单侧故障特征量进行判别，会在线路末端出现保护死区，保护拒动。本文所提保护方案利用两侧特征量进行保护判断，可以有效保护线路全长。

3.3 IIDG意外退出运行

区外故障可能导致IIDG的意外退出运行，为了验证保护在IIDG意外退出时的可靠性，设置IIDG在故障时刻退出运行。当故障分别发生在负荷两侧f1、f3及区外f4时，仿真结果见表5。

表5 IIDG退出运行时保护动作情况

由表5可知，当IIDG因故障而退出运行时，对于区内故障，保护均可以正常动作。当发生区外故障时，故障特征量DM、DN仍计及IIDG故障电流的影响，导致故障特征值明显大于0，在整定值较小的情况下存在较大的误动风险。而添加的辅助特征量DM′、DN′则近似为0，确保由于区外故障而导致IIDG退出运行时线路保护不误动。

3.4 与传统纵联保护的比较

表6为区内发生不同类型故障(接地短路过渡电阻为10 Ω)时，本文所提保护方法与传统纵联保护方法的动作情况对比。由表6可以看出，当发生单相接地故障时，测量得到的差动电流已经小于不平衡电流(0.42 kA)，导致传统纵联保护拒动。而本文所提保护方法由于保护原理受过渡电阻影响较小，在不同故障情况下均能正确动作，灵敏性较高。

表6 不同故障类型的动作情况对比

表7为区外f4位置发生相间故障时，在不同负荷大小的情况下，本文所提保护方法与传统纵联保护的动作情况对比。由表7可知，当负荷阻抗较大时，区内差动电流较小，主要由IIDG的输入电流所造成，区外故障时2种保护均不会误动作。随着负荷阻抗的减小，区内不平衡电流增大，不平衡电流接近整定值时，传统纵联保护方法容易误动作，而本文所提方法不受接入负荷大小的影响。

表7 不同负荷大小的动作情况对比

4 结论

为了有效保护同时T接有IIDG和负荷的馈线，本文提出一种基于正序电压故障特征量的纵联保护新方法。该方法利用馈线两端电压、电流值构建出一种推演电压量，再根据基于该推演量的保护特征值构建新的纵联保护判据。通过理论分析与仿真验证，得到以下结论：

a)当区内无故障发生时，本文所定义推演电压与实际电压相等，故障特征值能正确反映区内是否故障。

b)保护动作情况不受故障位置、IIDG和负荷接入的影响，能够有效保护馈线全长。

c)在IIDG故障意外退出时，通过辅助判据使保护不发生误动或拒动。

测试结果验证了本方法能够较好适应IIDG、分支负荷与保护之间没有通信的应用场景，且无需加装额外的保护装置，具有一定价值。