基于相电流工频变化量极性的微电网纵联保护方案

武剑，薛玉石，山春凤，檀青松

(国网石家庄供电公司， 河北, 石家庄 050051)

0 引言

微电网是由分布式电源(distributed generator, DG)、储能装置、负荷、控制与保护装置等单元构成的小型电力系统。微电网能够充分利用DG提供的电能，具有较高的供电可靠性与较低网络损耗，是智能电网的重要组成部分[1]。

微电网保护中面对的问题是限制其大规模推广的一大挑战。传统中低压电网采用三段式电流保护，然而微电网具有并网运行与孤岛运行2种模式，不同运行模式下故障电流的幅值与相位均存在较大差异，常规的保护方法已不再适用[2]。

目前，针对微电网的保护方案主要可分为单端量保护和纵联保护[3]。单端量保护以方向性电流/距离保护为基础，并根据DG故障特性和网络拓扑结构自适应调整保护定值[4-6]。该类保护无需通信、易于实现，但需先通过孤岛检测手段判断微电网的运行状态，动作速度较慢；另外，风电、光伏等DG出力受自然环境影响，具有较大间歇性，DG渗透率较高时，单端保护在灵敏度与后备保护配合等方面仍存在不足之处。

一些学者将用于高压输电线路的纵联保护运用到中低压配电系统中[7-9]。电流差动保护不受微电网运行模式的影响，具有较好的选择性与速动性。然而上述保护方法对两侧数据的同步性要求较高，需要光纤通信才可实现，难以在微电网中大规模推广。文献[10]提出了一种无需数据严格同步的微电网纵联保护方案，通过比较母线电压和馈线电流的相位差判断故障方向，但该方法需要各节点安装电压互感器，而现有中低压电网中通常不具备该条件。

本文提出了一种基于相电流工频变化量极性的微电网纵联保护方案。首先根据本地测量相电流中工频变化量的确定电流总极性;然后基于两侧的电流总极性定位故障区段,该方案无需电压信息以及两侧数据严格同步，具有较高的经济性;最后，利用仿真软件PSCAD搭建了微电网模型，验证所提方案在各种情况下的有效性。

1 微电网电流工频变化量特征分析

由于工频变化量仅在故障发生后出现，因此基于工频变化量构造的保护原理不受负荷状态、系统电动势、过渡电阻等因素的影响，具有较高的灵敏度与可靠性[11]。然而，由于中低压电网普通节点处通常不安装电压互感器导致微电网中缺少电压信息，且拓扑结构变化会导致保护背侧阻抗改变，输电线路中常用的工频变化量距离保护难以直接用于微电网。因此，本文首先对微电网中电流的工频变化量特征进行分析。

图1为一个4节点简单微电网，其中节点M与系统电源相连，其余三处节点中各接有一个DG。

图1 简单微电网示意图

本节以图1中线路MN作为被保护区段，f1点为区内故障，f2点为区外故障(为便于后续分析，设f2点位于线路NP中靠近节点N的位置)。首先寻找环网中的功率分点将其解环，然后通过叠加定理将其等值网络分为故障前网络与故障附加网络，如图2所示。虽然光伏电源等逆变类DG中含有非线性控制模块，严格来讲不能使用叠加定理进行分析，但由于保护需要在故障后极短时间内切除故障，在该时间段内仍可将电网近似视为线性系统[12]。

(a) 故障前网络

(b) 区内故障的故障附加网络

(c) 区外故障的故障附加网络

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

为简化分析，假定两侧线路阻抗角和系统阻抗角均相同并忽略线路电阻，则由上述公式可推出区内外故障时电压电流的相量关系如图3所示。

(a) 区内故障

(b) 区外故障

图3中，Φm和Φn分别为故障后M侧与N侧工频电流变化量的角度。由图3可知，定义顺时针旋转为正，区内故障时Φm为正，Φn为负；区外故障时，Φm与Φn均为正。

(a) 区内故障

(b) 区外故障

由图4可以看出，此时发生区内故障Φm为负，Φn为正；发生区外故障Φm与Φn均为负。与图3对比可知，无论发生区内还是区外故障，故障前负荷电流的流向改变时，两侧工频电流变化量的旋转方向将会改变，但均存在以下特征：区内故障时Φm和Φn一正一负;区外故障时Φm和Φn同为正或同为负。因此，可利用该特征构造保护。

2 基于相电流工频变化量极性的保护原理

由上一节分析可知，通过线路两侧工频电流变化量的方向可识别区内外故障。为进一步降低纵联保护通信量，定义两侧电流工频变化量极性分别为PM和PN，以M侧为例，PM的表达式如下：

(11)

式中，θ为裕度角，可防止保护误动。

上述分析是以单相系统为基础的，在实际三相电网中应用时，应根据上述规则进一步定义各相电流的工频变化量极性。以M侧为例，定义三相电流的极性分别为PM.a、PM.b、PM.c，三者的取值规则与单相系统中的PM相同。在三相系统中M侧的总极性P3M可由三相电流的极性确定，具体表达式如下：

(12)

同理，可求出N侧电流总极性P3N。线路两侧的保护装置通过本地相电流工频变化量极性判断出本侧的电流总极性后，仅需向对侧装置发送总极性信号。各侧的保护装置收到对侧总极性信号后，由两侧总极性的乘积判断是否发送区内故障：若P3M·P3N的值为-1，则判定发生区内故障；否则，判定未发生区内故障。

3 仿真分析

3.1 仿真系统参数

为验证所提保护方案在微电网各种运行模式下的有效性，利用仿真软件PSCAD搭建了如图1所示的微电网模型。该模型为10 kV中性点非有效接地系统，系统变压器的短路容量为100 MVA；DG1为一台额定功率为4 MW的风力发电机，DG2、DG3均为额定功率为2 MW的光伏电源；节点M、N所接负荷的容量为2 MVA，节点P、Q所接负荷容量为3 MVA，各负荷的功率因数均为0.95。各条线路的长度均为2 km。本文中裕度角θ取5°。

3.2 并网运行时的仿真结果

当微电网处于并网运行时，在f1点设置金属性三相短路故障，利用离散傅里叶变换和全周相减法，可得线路MN、NP两侧的相电流工频变化角度，如图5所示(故障发生于0.2 s)。

由图5可以看出，故障发生前各保护处的三相电流的变化角度均接近于0，小于裕度角，保护不会误动作；对于故障区段MN，故障发生后保护R1处三相电流的工频变化角度均大于0，保护R2处均小于0；对于非故障区段NP，保护R3和R4处的角度均大于0(由于非故障区段两侧变化曲线相同，图5(b)中虚线与实线重合)。由于0.23 s后各角度曲线均趋于稳定，因此记录该时刻各保护处的三相电流工频变化角度和电流极性关系，如表1所示。

(a) 线路MN

表1 并网时f1点三相短路的仿真结果

由表1可以看出，除故障线路MN外其余线路两侧的电流总极性均相同，因此所提保护方案能够正确识别故障区段。

3.3 孤岛运行时的仿真结果

在孤岛运行模式下，断开保护R0处对应的断路器，并将各节点处的负荷缩小为原容量的80%。此时设置不同条件的故障，其中f2点发送三相短路时的仿真结果如表2所示。

表2 孤岛时f2点三相短路的仿真结果

由表2可以看出，与并网运行相比，孤岛运行时部分线路的负荷电流方向发生了变化，但在故障发生后所有线路仍满足故障区段两侧极性相反、非故障区段两侧极性相同的规律。因此，所提保护方案能够在孤岛运行时正确识别故障区段。

4 总结

针对微电网特殊的运行方式及故障特性，本文分析了微电网中电流工频变化量的特征，并提出了一种基于相电流工频变化量极性的纵联保护方案。通过理论分析与仿真验证，可得出以下结论：所提方案在微电网并网运行和孤岛运行时均能正确识别各类故障，不受负荷电流方向的影响；该方案中，本地保护装置判断出本侧电流总极性后，仅需向对侧传递一个表征极性的简单信号，无需数据严格同步，对通信要求较低；该方案仅利用电流信息，无需在微电网各个节点安装电压互感器，易于实现。