主动配电网的自适应正序电流保护

胡洛铖，杨仁增，李鑫海

(1.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳550025；2.贵州理工学院大数据学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

逆变型分布式电源(inverter-based distributed generator,IBDG)大多数为光伏电源，其并网的情况在当下随处可见,但是并网改变了系统潮流分布和结构，这会影响系统的运行。为防止故障发生时,并网点的电压降低导致IBDG脱网运行对配电网的正常运行和电能质量产生影响,IBDG需具备低电压穿越特性[1-3]。配电网的传统保护整定方法由于故障状态以及IBDG接入情况等因素的影响，无法再根据实时故障量计算出合理的保护动作整定值[4],保护可能误动或拒动。为使配电网的保护在IBDG接入时也能可靠动作,基于通信的保护方案能够实时获取每个保护位置的电气量信息,判断故障发生的位置和类型。但是这种保护方案对通信的要求很高,如果传递信息失败、传递信号缺失,保护将会失去可靠性,无法及时隔离故障,瞬时故障可能会演变成永久故障。因此,基于实时测量的本地电气信息研究适用于IBDG接入的自适应正序电流保护[5]。它能够让保护装置根据系统运行方式、故障类型和位置、分布式电源接入情况实时调整保护整定值,使得保护能够可靠动作，但是，已存在的传统电流保护则无法准确判断并动作，当系统中出现短路故障时,传统保护无法算出正确的系统侧等值阻抗和等值相电势,得不到理想中的保护动作整定值。

短路故障发生时,IBDG只存在正序网络中,它输出的电流量是三相对称量,一般把IBDG视作压控电流源。本文结合IBDG的故障特性,提出并研究适应于IBDG并网的自适应正序电流保护方案。

1 传统三段式电流保护

对于传统三段式电流保护而言，当含有IBDG的配电网出现短路故障时，由于传统的电流保护定值无法跟随故障情况、IBDG接入容量和位置以及系统的运行方式实时的调整保护定值,因此保护可能误动或者拒动。

以图1含IBDG的配电网为例，该配电网的IBDG侧均配有保护装置，用来隔离故障区域和避免反向故障的产生，但是本文中只考虑正向故障情况。两端的保护装置均需配置方向元件以防止反向潮流破坏系统运行。

图1 含IBDG的配电网

对于图1中的保护P1，不含IBDG时，其传统电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护的保护整定值分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

Im为故障相电流；IZDZ为各段保护定值。

当IBDG并网后，系统潮流发生改变，传统保护无法准确判断故障状态并实时给出准确的保护动作定值，使得故障不能及时切除，灵敏度降低，进而有转变成永久故障的风险，在后文仿真中可证明。所以需要应用本文中提到的自适应正序电流保护。

2 适用于IBDG接入的自适应正序电流保护

2.1 IBDG并网时的低电压穿越控制策略

当IBDG的并网点电压降低时，一般希望它能不脱离电网继续运行一段时间，因此，保护动作时IBDG不会离网运行，这会减少其并网次数，避免对电网的冲击。电网的运行可以靠其输出的无功功率来维持，输出的无功量大小取决于电网的故障状况和并网点电压的降落程度，一段时间后，故障排除，IBDG不再输出无功分量，电网恢复正常运行。IBDG输出的无功电流Isq和并网点电压之间的关系[6]满足

(5)

Us为并网点电压标幺值；IN为IBDG输出的额定电流；比例系数K1和K2分别取为2和1.2[7]。

IBDG并网采用双闭环控制策略[8]。当Us大于0.9时，根据IBDG出力情况，输出相应的有功电流，此时IBDG可视为恒功率源[9-10]，即Id=IN；当Us小于0.9时，在IBDG输出电流不超过1.2IN的前提下，输出电流中既含有有功也含有无功分量，它们之间满足

(6)

而且当已知无功电流Isq的情况下也可根据式(6)求出有功电流的值，即

(7)

如果并网点电压标幺值小于0.2，此时IBDG只输出无功电流,即Iq=1.2IN。

本文中IBDG采用恒功率PQ控制策略，q轴电压分量Uq为0，无功功率参考值Qref也为0。

2.2 自适应正序电流速断保护(I段保护)

当配电网的馈线上f1、f2处发生两相和三相故障时，通过分析保护处电压和电流的正序分量，得出相应的函数关系，进而验证自适应正序电流保护在IBDG并网或离网状态下的可行性。

2.2.1 两相相间短路故障时的情况

故障发生时,将产生不对称的电气分量,鉴于IBDG只存在于正序网络中，所以采用正序分量进行整定值的计算[11]。

a.当IBDG上游线路f1处发生两相相间短路故障时，复合序网络图如图2所示[12]。

图2 f1点两相相间短路故障时的复合序网络

图2中，Es为系统等值电势，Zs为保护P1背侧等值阻抗；αZAB为保护P1处到故障点之间的阻抗；ZDG为IBDG的阻抗，阻抗分量比较大，流过该条支路的电流很小，所以忽略该阻抗所在的支路。

对于系统侧保护P1而言，流过它的正序电流I11与正序电压U11之间的关系为

(8)

α为比列系数，它表示故障点到保护位置之间的距离与故障点所在线路的比值，取值为[0,1][13]；ZAB为被保护线路AB的阻抗;Zs通过电压、电流故障附加分量求得。

在利用本地信息的基础上，为保证选择性，保护P1的自适应正序电流保护的整定值I11ZDZ为

(9)

根据式(9)可知，系统侧保护P1可以根据当前故障情况对整定值进行实时计算，以保证保护范围在可接受的波动范围内稳定。因为IBDG输出的电流相比于系统输出的短路电流来说很小，所以可以忽略IBDG对于保护的影响。

对于保护P4而言，保护位置的正序电压U14正序电流I14和之间的关系如图3所示。

图3 f1点故障时系统的复合序网络

则保护P4处正序电压与正序电流之间的关系满足

(10)

由式(10)可以得到保护P4的整定值I14ZDZ，为了保证选择性，取值为

(11)

Kk为可靠系数，这里取值为1.2。可以看出保护P4可以实时采样分布式电源的出力和保护处正序电压值，改变其保护整定值，实现自适应。

b.当IBDG下游线路f2处发生两相相间短路，复合序网络如图4所示。

图4 f2点发生两相相间短路故障时的复合序网络

可以求得保护P2的正序电压U12与正序电流I12之间的关系为

(12)

为了保证BC线路保护与AB线路保护之间的配合性以及选择性，取保护P2的整定值为

(13)

由式(13)可以看出保护P2的保护范围因为IBDG的接入而变大，保护P2能够根据系统的运行方式，故障的位置和类型以及IBDG的接入情况实时调整整定值大小，进而调整保护范围，达到自适应。

2.2.2 三相短路故障时的情况

当发生三相短路故障时，保护上正序电压与正序电流之间满足关系为

(14)

Zd为故障点到保护位置之间的阻抗。

为了保证保护的选择性，正序电流整定公式为

(15)

ZL为被保护线路的阻抗。保护的保护范围会随着系统的运行方式、IBDG的出力情况等因素而变化，实现自适应电流保护。

2.3 自适应正序电流限时速断保护(Ⅱ段保护)

当自适应正序电流I段保护无法动作时，这时需要自适应正序电流Ⅱ段保护作为其后备保护来及时切除故障，一般自适应正序Ⅱ段保护的保护范围不会超过下一级线路I段保护的保护范围，而且它能根据系统运行方式和IBDG接入情况实时调整整定值。但它与下一级线路的I段保护的动作时间之间存在着一个时间阶梯Δt，一般取为[0.3,0.6]，以保证保护间的配合性和选择性。本文只在馈线1的线路AB上讨论自适应正序电流Ⅱ段保护且其作为线路BC的I段保护的后备保护。

2.3.1 两相相间短路故障时的情况

根据图4，令式(12)和式(13)相等，即可求得当f2处发生两相相间短路故障时I段保护的保护范围β为

(16)

由于保护P1的Ⅱ段保护需要用到保护自身实测的正序电压值来确定其保护定值，所以需要把式(12)中的U12进行替换，此时流过保护P2的电流值为

(17)

将式(16)代入式(17)中，可得P1的Ⅱ段保护整定值为

(18)

根据此式(18)可以在f2处发生短路故障时，根据正序电压值和IBDG出力情况实时调整保护P1的Ⅱ段保护整定值，保证自适应的特性。在本级线路或下级线路的I段保护拒动时可靠动作，保证配合性。

2.3.2 三相短路故障时的情况

同理，根据下一级线路BC的f2处发生三相短路时的情况来确定保护P1的Ⅱ段保护范围，可得整定值为

(19)

该自适应正序电流Ⅱ段保护能弥补I段保护的不足，与I段保护一起组成了线路AB的主保护。保证了保护动作的可靠性和选择性，能有效应对两相和三相短路故障。

2.4 自适应正序电流定时限过电流保护(Ⅲ段保护)

相对于I段、Ⅱ段保护，它能充当线路主保护也能作为相邻线路后备保护，但是它的整定值小于I段和Ⅱ段保护，一般传统保护的三段保护定值为恒定的，但是本文中考虑到IBDG的接入情况，实时计算其保护定值，以实现自适应，保证保护动作可靠性。本文也只讨论线路AB的Ⅲ段保护。Ⅲ段保护的动作时限在Ⅱ段保护的动作时限上增加了一个时间阶梯Δt,这就保护了三段自适应正序电流保护之间的选择性。

2.4.1 两相相间短路故障时的情况

因为Ⅲ段保护可以保护相邻线路全长，当线路BC末端发生两相相间短路时，可由此保护范围实时整定Ⅲ段保护的保护定值，所以由图4和式(17)可得此时流过保护P2的电流为

(20)

由式(25)可得保护P1的Ⅲ段保护整定值为

(21)

在系统不同的运行状态和不同的故障状态时，其和Ⅱ段保护一样，测量实时正序电压值和IBDG的出力及时调整保护定值，保证其动作的可靠性和与I、Ⅱ段保护的配合性，体现了自适应的优越性。

2.4.2 三相短路故障时的情况

同理，当线路BC末端发生三相短路故障时，根据式(18)和式(19)可得整定值为

(22)

可见Ⅲ段保护能有效应对三相短路故障，根据故障位置和IBDG的实时出力情况调整定值保证保护间的选择性和配合性，实现自适应。

3 仿真验证

本文利用PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建如图1所示的具有双IBDG的配电网模型，来证明自适应正序电流保护的优越性。取系统的基准容量为100 MVA，基准电压为10.5 kV;线路单位长度阻抗为(0.27+j0.346) Ω/km。线路AB、BC、AE的长度分别为5 km、4 km、5 km;馈线末端的2个负载额定功率各为1 MW，功率因数均为0.85。在不同的故障位置和故障类型、不同的IBDG出力以及IBDG并网或者未并网的情况下，分析保护安装处已存在的自适应保护和本文中所介绍的自适应正序电流保护的整定值和测量值之间的关系。

表1 线路AB、BC末端BC两相相间短路故障时仿真结果

当在f1和f2这2点处出现两相相间短路故障时，α分别取为0.3、0.6、0.9，取IBDG的并入容量为8 MW、4 MW和未接入情况。对以上情况进行仿真，仿真结果如表2和表3所示。

表2 IBDG离网故障时的仿真结果

表3 BC两相短路故障时的仿真结果

可以得到，当IBDG的容量分别为0、4 MW、8 MW时，保护P1正序电流保护的保护范围分别为83%、65.5%和61.6%，而且IBDG离网时的保护范围不会因为故障的位置而发生改变。由此可见，当IBDG并网后，由于分流作用，上游线路系统侧保护的保护范围会减小，减小的幅度会随着IBDG出力不断增大[15-16]而逐渐增大。对于保护P4而言，当IBDG容量分别取为4 MW和8 MW时，其保护范围分别为63.2%和66.2%，IBDG出力增大，P4的保护范围会略微增加，其受IBDG的影响大于保护P1。对于下游线路保护P2，可靠系数Kk取1.2，它的保护范围近似为80.1%。当IBDG离网时，其保护范围为73.1%。可以看出由于IBDG并网后对下游线路的助增作用，保护P2的保护范围略微增加。可以看到保护P1的Ⅱ段保护可以覆盖到下一级线路，当IBDG 取为8 MW时，其保护范围为62.5%，随着IBDG容量的增大，保护范围会逐渐减小；线路AB的Ⅱ段保护能与AB段I段保护配合运行，而且未超过BC段I段保护的保护范围；AB的Ⅲ段保护在本级线路或相邻线路的任何位置发生故障时均能准确动作，它能根据故障时保护处的正序电压和IBDG出力情况实时调整其保护定值。由此可见I、Ⅱ、Ⅲ段保护能可靠动作。

取IBDG容量为4 MW，当线路AB末端出现三相短路故障后，流过保护P1的电流为1 698 A，保护P1的传统保护定值为I1DZ=KkId=1.2×1 698=2 038 A。当发生BC两相相间短路故障时，由表3可以看出故障位置α为0.6时，此时的传统保护定值远大于计算得到的短路电流有效值I11，保护范围难以达到要求的70%～80%，所以传统电流保护不适用。对于正序电流保护来说，如果使用传统电流保护定值，当α=0.24时，I11=1 419 A<2 038 A，此时正序电流保护不能动作，达不到保护的动作和保护范围要求。而且，由表3可知，保护P4的定值在α=0.9时很小，线路AB末端出现两相相间短路故障时,通过快速傅里叶算法[17]采样计算，可得P4的定值为551 A，故障相电流为IB=577 A,IC=422 A,由此，本级线路出口处故障时保护P4也能动作，这会导致保护失去选择性，这是不被允许的。由此看来，在两相相间短路和IBDG并网的情况下时，本文提到的自适应正序电流保护拥有更好的性能。根据仿真数据表4可以知道，当按照式(15)进行整定运算时， 所有保护的保护范围都是82.1%，保护P1的Ⅱ段保护在线路BC段的保护范围为70.5%，未超过下一级I段保护的保护范围，Ⅲ段保护的保护范围则能覆盖相邻线路的全长。由此可见I段和Ⅱ段、Ⅲ保护均不受IBDG接入容量以及故障位置等因素的影响，保护均可根据IBDG接入情况、系统的运行状态、故障发生的位置自适应的调整定值，保证保护动作的可靠性。自适应正序电流保护能够适应IBDG接入时的情况，这能弥补传统电流保护的不足。

由表2可知，当IBDG未并网时，将公式中IDG置为0,可见自适应正序电流保护在短路故障发生时也能可靠切除故障。从表2中数据可以看出各保护在短路故障时均可可靠动作，而且保护范围也在要求的范围内，保护P1的I、Ⅱ、Ⅲ段保护之间能够完成配合，且Ⅱ段保护未超过下一级线路I段保护的范围，Ⅲ段保护也能作为相邻线路及本级线路的后备保护。所以三段保护均能自适应调整保护定值，灵敏度也满足要求。

4 结束语

分布式电源接入配电网的现象已经非常普遍，但随着IBDG数量规模和出力的逐步扩大，配电网潮流计算也变得越来越复杂，控制难度也逐步扩大，在IBDG并网后，现有的传统三段式电流保护将难以实时调整保护定值，及时有效隔离故障，失去了灵敏性和可靠性。本文中，整定公式通过故障时保护位置上电压和电流的正序分量之间的关系来定义，又根据IBDG的实时出力情况，进而确定每个保护的定值和保护范围，实现自适应。经过仿真验证，IBDG接入时保护在两相相间和三相短路故障的情况下均能可靠动作，也能应对IBDG并网点电压降低的情况，在IBDG离网时，保护也能可靠动作，保证了系统的电能质量和稳定运行。可以考虑将已有的自适应电流保护和本文中的正序电流保护配合运行，以获得更好的性能。

表4 三相短路故障时的仿真结果