考虑分布式逆变电源特性的距离II段自适应保护整定方案

金甚达，范春菊，郭雅蓉，晁晨栩

考虑分布式逆变电源特性的距离II段自适应保护整定方案

金甚达1，范春菊1，郭雅蓉2，晁晨栩1

(1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100089)

随着新能源的发展与应用，适用于光伏发电的逆变电源越来越多地投入电网中使用。由于分布式逆变电源与传统电源的故障特性和输出特性不同，电网原有的距离保护动作特性将会有所改变。详细分析了分布式逆变电源的故障特性及其对电网距离II段保护的影响。结合不同故障类型下传统距离II段保护的分支系数，对含分布式逆变电源线路的距离II段保护整定的分支系数进行修正。提出适用于含分布式逆变电源的输电线路的距离II段保护整定方案，提高了含新能源电网的距离保护动作的准确性和可靠性。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了含分布式逆变电源的电网模型进行仿真分析，验证了所提出的自适应距离II段保护整定方案的有效性，提高了距离II段保护动作的灵敏性和可靠性。

逆变电源；故障分析；测量阻抗；分支系数；自适应距离保护

0 引言

随着现代环境污染与资源短缺问题的日益严重，太阳能、风能等新能源发电方式受到越来越多的关注和应用。利用太阳能发电的光伏系统应用较为广泛，其通过三相逆变器接入电网的分布式能源一般称为分布式逆变电源(inverter-interfaced distributed generator, IIDG)。

在分布式能源渗透率较高的电网中，当系统发生故障电压暂降时，如果不采取特殊控制手段，会导致大规模光伏电源退出运行，降低电网的稳定性。为了保证电力系统的稳定运行，国家电网明确要求分布式逆变电源具有低压穿越能力[1]。

基于满足并网规程要求的IIDG低压穿越运行的控制策略，可以得到IIDG的输出特性与故障特性。分布式逆变电源的故障特性和传统电源不同，对交流电网的距离保护，特别是逆变电源接入点上游距离II段保护的动作特性有着巨大影响，使得该处距离II段保护的灵敏性不一定满足要求，无法可靠切除距离I段保护范围外的故障。因此研究IIDG接入后交流电网自适应距离II段保护整定方案，对于新能源的大规模接入电网具有至关重要的意义。

对含分布式能源输电线路的继电保护技术，国内外学者开展了大量研究。其中，一部分学者针对逆变电源的故障特性进行分析。文献[2-4]指出了分布式电源对并网点电压跌落时的支撑作用，并对逆变电源故障进行了仿真建模，从而引出了IIDG的低压穿越运行能力。文献[5-8]分析了IIDG在不同故障下短路电流的特性，并且定性地给出了IIDG的故障模型以及特征，但是并没有给出逆变电源的输出特性。文献[9-12]结合IIDG不同目标的控制策略，分析逆变电源在不对称故障下的输出特性，但是没能够定量地给出逆变电源的输出故障电流的表达式。还有一部分学者针对分布式能源对电网继电保护的影响进行分析[13-24]。文献[13]分析了分布式电源接入电网后对电网电压以及短路电流的影响，对光伏系统的接入位置与容量有指导性作用，但对系统继电保护没有提出改进方案。文献[14-18]分析了分布式逆变电源的接入对距离保护、负序保护元件和方向元件的影响，并提出了改进措施，但是并没有提出距离保护的改进整定计算方法。文献[19-21]指出光伏电源对接入系统不同位置的距离保护产生影响，会造成保护的拒动与误动。文献[19]提出利用系统正负序电流消去逆变电源输出电流的方法来整定计算。文献[20-21]基于光伏容量与电流量大小，求得逆变电源的等效阻抗，利用其等效阻抗进行整定计算。现有距离保护II段的研究，都没有考虑到逆变电源特殊的故障特性对分支系数的影响，整定结果与实际结果会存在误差。文献[22-23]针对风力发电的特点，提出基于撬棒电阻的双馈风机风电场等值方法，并提出了含双馈风机电网的距离保护整定计算方案，给出接地故障时分支系数的表达式，但是并不适用于含逆变电源电网的距离保护整定计算。所以，到目前为止，还没有一种适用于含分布式逆变电源电网系统的自适应距离II段保护整定计算方案。

分布式逆变电源的故障特性，即非线性和限流特性，使得含逆变电源线路的距离保护整定计算，特别是距离II段保护整定值的计算变得更为复杂和困难。本文充分考虑分布式逆变电源特殊故障特性对电网距离II段保护动作特性的影响，修正了距离II段保护的分支系数，提出一种适用于含分布式逆变电源电网系统的自适应距离II段保护整定方案。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了含IIDG的电网仿真模型，对自适应距离II段保护整定方案进行仿真验证。

1 分布式逆变电源的故障特性分析

1.1 分布式逆变电源的故障特性

根据低压穿越能力的要求，IIDG通常利用-解耦控制策略的基本原理，通过该控制策略可以得到其输出特性。

当发生不对称故障时，利用延时对消技术和正负序解耦独立控制方法，消除逆变电源的负序分量，所以当发生不对称故障时，IIDG输出的总电流如式(1)所示[25]。

1.2 分布式逆变电源对距离II段保护动作特性的影响分析

图1 含逆变电源的电网结构示意图

1.2.1距离II段保护的传统整定方法

含逆变电源接入电网系统的传统距离II段保护整定方法，是利用复合序网图将外接电源等效为一个电压源与等效阻抗的方法。文献[21]利用光伏场站电池组件的输出电流与电压特性，求得了等效阻抗的表达式，如式(2)所示。

1.2.2逆变电源特性对距离II段保护动作特性的影响

在光伏逆变电源接入的电网发生故障后，其输出电流具有三段式的特性，在电压降落低于0.1 p.u时，逆变电源以恒定有功功率输出电流；在电压降落大于0.1 p.u时，逆变电源以压控电流源特性输出电流；在电压降落更大，电压值跌至低于式(1)中的U后，逆变电源有恒流源特性，即输出2倍逆变器的额定电流。因此，当系统发生的故障类型不同时，逆变电源输出电流特性会发生变化，即使光伏输出功率确定，其等效阻抗还与故障类型和故障点位置相关，不是恒定不变的，不可以将光伏逆变电源简单地等效为电压源与一个恒定不变的阻抗来计算。

所以，按照传统的距离II段保护的整定方法进行整定计算，保护的整定值是具有误差的。保护1处的II段距离保护可能会存在灵敏度不够而拒动，或者保护范围过大而误动的问题。所以，按照逆变电源的输出特性，系统的分支系数如式(4)所示。

此时，保护整定值与测量阻抗的关系如图2所示。

图2 保护整定值与测量阻抗的关系

2 不同故障类型距离II段保护的整定计算

距离保护是反映保护安装处到故障点距离的保护，为了保证保护安装处的测量阻抗与保护安装处到故障点距离成正比，对于不同的故障类型，采用不同的接线方式。

2.1 相间距离保护

2.1.1接线方式

2.1.2分支系数计算

接入传统电源的输电线路结构如图3所示。

图3 含接入电源的电网结构示意图

2.2 接地距离保护

2.2.1接线方式

在系统发生单相接地故障与两相接地故障时，需要考虑零序电流的影响，此时，为了使阻抗继电器的测量阻抗等于短路点到保护安装处的正序阻抗，应该使用零序电流补偿接线方式来进行计算。

2.2.2分支系数计算

表1 系统发生不同故障时的分支系数

从上述分析可以看出，即使是传统电源接入电网的距离保护，在不同故障类型和不同接线方式下，分支系数的差别很大。

3 逆变电源接入后不同故障类型距离II段保护分支系数的修正方法

当接入电源为分布式逆变电源时，逆变电源的故障特性不同于传统的发电机电源。逆变电源有正序电流最大值为2倍逆变器额定电流，且不输出负序电流的特性，对于距离II段保护的分支系数需要作出修正。由于逆变电源的零序阻抗很低[26]，可以忽略不计，且逆变电源不提供负序电流，即负序阻抗无穷大，所以发生各种类型故障的序网图有所改变。

图4 含逆变电源系统QM线路两相相间故障时复合序网图

图5 含逆变电源系统QM线路单相接地故障时复合序网图

此时，各序的分支系数可以表示为

根据分支系数的表达式，含逆变电源电网的分支系数与按照传统整定方法必然有所不同，直接影响到上游II段距离保护的整定值大小。若按照传统整定方法进行整定计算，距离保护可能有灵敏性不够或者误动的情况发生。

为了保证距离II段保护动作的准确性与灵敏性，必须根据逆变电源的故障特性，对正序、负序和零序的分支系数重新进行计算和修正，按照修正后的分支系数进行距离II段保护的整定计算。

4 含逆变电源的输电线路自适应距离II段保护整定方案

4.1 故障运行点及其整定值计算

修正分支系数后，需要根据系统电网结构参数进行距离II段保护的整定值计算，进行整定计算，必须详细计算各种故障类型下的分支系数，为了准确计算各序分支系数，就需要根据系统结构计算逆变电源所提供的各序短路电流。

根据各种类型故障的复合序网图，可以得到如式(8)所示的逆变电源外部网络特性[25]。

将逆变电源的外部网络特性与逆变电源的故障特性相结合就可以确定故障运行点，如图6所示。其中交点对应的输出电流与并网点电压既能够满足IIDG的输出特性的关系，也能满足外部网络特性的关系，所以其对应的横坐标值与纵坐标值就是故障时的并网点电压与输出电流。

表2 外部网络特性参数a与b的表达式

在求得分支系数后，代入保护1处的II段距离保护整定值公式，就可以计算出保护1处距离II段保护的整定值。

4.2 含逆变电源的输电线路自适应距离II段保护整定流程

含分布式逆变电源的输电线路发生故障后，考虑逆变电源输出特性的自适应距离II段保护整定计算流程如图7所示。

图7 考虑逆变电源特性的自适应距离II段保护流程

在进行含分布式逆变电源输电线路的距离II段保护整定值的计算过程中，首先，判断系统发生的故障是否接地，接地故障分为单相接地故障与两相接地故障，相间故障分为两相相间故障与三相短路故障；根据故障类型选择本文中对应的分支系数表达式；然后，根据分布式逆变电源故障运行点的确定方法，确定逆变电源的输出电流与并网点电压；再根据本文中对分支系数的修正方法修正对应故障下的分支系数值；最后，将修正的分支系数代入整定值公式，计算出距离II段保护的整定值。

5 仿真分析与验证

5.1 仿真系统及其参数

利用PSCAD/EMTDC仿真平台对图1所示的网络进行仿真，并利用Matlab进行理论数据计算，系统的参数如表3所示。

表3 系统各部分阻抗参数

其中，PQ线路的长度为50 km，QM线路的长度为25 km。系统中性点接地运行，其电压等级为110 kV，光伏逆变电源输送容量为20 MVA，系统短路容量也为20 MVA。故障开始时间为0.5 s，故障持续时间为1 s。

5.2 不同故障类型下距离II段保护的整定值及其动作特性

5.2.1两相相间故障

在PQ线路与QM线路不同位置发生两相相间故障，且光伏容量恒定时，保护1处测量阻抗的仿真结果如表4所示。

表4 发生两相相间故障时测量阻抗的仿真值

在PQ线路与QM线路不同位置发生两相相间故障时，保护1处的测量阻抗与保护整定值的关系如图8所示，测量阻抗轨迹图记录了在故障发生时(= 0.5 s)，从暂态到稳态的过程。

图8 发生两相相间故障时测量阻抗的仿真值与故障点位置的关系

图8中，圆柱体表示动作阻抗的阻抗圆，三维曲线为测量阻抗，若测量阻抗曲线进入圆柱体内，则距离保护装置动作，反之保护不动作。根据计算，在系统发生两相相间短路故障时，传统方案整定结果与按逆变电源输出特性整定方案的整定结果对比如表5与图9所示。图9中距离为故障点位置与母线P的距离。

表5 两相相间故障两种方案整定结果对比

图9 两相相间故障两种方案整定结果对比

由表5与图9可知，两相相间故障情况下，本文所提出的依据逆变电源特性进行II段距离保护的整定值比传统方案的整定值大，保护的灵敏度更高，可以作为保护1处I段距离保护的后备保护，且对QM线路的保护范围约为47%，不超过保护3处I段保护的范围，保护不会发生误动。

5.2.2单相接地故障

在PQ线路与QM线路不同位置发生单相接地故障，且光伏容量恒定时，保护1处测量阻抗的计算结果如表6所示。

在PQ线路与QM线路不同位置发生单相接地故障时，保护1处的测量阻抗与保护整定值的关系如图10所示，测量阻抗轨迹图记录了在故障发生时(= 0.5 s)，从暂态到稳态的过程。

表6 发生单相接地故障时测量阻抗的仿真值

图10 发生单相接地故障时测量阻抗的仿真值与故障点位置的关系

图10中，圆柱体表示动作阻抗的阻抗圆，三维曲线为测量阻抗，若测量阻抗曲线进入圆柱体内，则距离保护装置动作，反之保护不动作。根据计算，在系统发生单相接地故障时，传统方案整定结果与按逆变电源输出特性整定方案的整定结果对比如表7与图11所示。图11中的距离为故障点与母线P的距离。

表7 单相接地故障两种方案整定结果对比

图11 单相接地故障两种方案整定结果对比

由表7与图11可知，单相接地故障情况下，本文所提出的依据逆变电源特性进行II段距离保护的整定值比传统方案的整定值大，保护的灵敏度更高，可以作为保护1处I段距离保护的后备保护，且对QM线路的保护范围约为73%，不超过保护3处I段保护的范围，保护不会发生误动。

5.2.3两相接地故障

在PQ线路与QM线路不同位置发生两相接地故障，且光伏容量恒定时，保护1处测量阻抗的计算结果与仿真结果如表8所示。

表8 发生两相接地故障时测量阻抗的仿真值

在PQ线路与QM线路不同位置发生两相接地故障时，保护1处的测量阻抗与保护整定值的关系如图12所示，测量阻抗轨迹图记录了在故障发生时(= 0.5 s)，从暂态到稳态的过程。

图12中，圆柱体表示动作阻抗的阻抗圆，三维曲线为测量阻抗，若测量阻抗曲线进入圆柱体内，则距离保护装置动作，反之保护不动作。根据计算，在系统发生两相接地故障时，传统方案整定结果与按逆变电源输出特性整定方案的整定结果对比如表9与图13所示。图13中距离为故障点与母线P的距离。

图12 发生两相接地故障时测量阻抗的仿真值与故障点位置的关系

表9 两相接地故障两种方案整定结果对比

图13 两相接地故障两种方案整定结果对比

由表9与图13可知，两相接地故障情况下，本文所提出的依据逆变电源特性进行II段距离保护的整定值比传统方案的整定值大，保护的灵敏度更高，可以作为保护1处I段距离保护的后备保护，且对QM线路的保护范围约为52%，不超过保护3处I段保护的范围，保护不会发生误动。

6 结论

分布式逆变电源已经广泛地接入电网中使用，但是逆变电源的故障特性与传统发电机的故障特性有着较大区别，从而影响接入电网距离保护，特别是距离II段保护的动作特性。本文对分布式逆变电源的故障特性进行了分析，结合逆变电源故障特性对距离II段保护的整定计算进行修正。可以得到以下结论：

1) 分布式逆变电源的输出特性与传统电源不同，对接入电网的距离保护会产生影响，直接影响到系统距离保护的分支系数，进一步影响距离保护II段的整定值与保护的动作特性。

2) 可以结合逆变电源的故障特性，找到逆变电源的故障运行点，再通过对电网系统分支系数的修正，进行多种故障情况下距离保护整定值的计算流程，进一步给出含逆变电源输电线路的自适应距离II段保护整定方案。

3) 在多种故障类型情况下，含逆变电源输电线路的自适应整定计算方法比传统保护整定计算方法下距离II段保护的整定值更大，灵敏度更高，可以作为保护1处I段保护的后备保护，并且能够保护部分长度下游路线，且不超过下游路线的I段保护范围。

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Adaptive distance section II protection setting scheme considering the characteristics of an inverter-interfaced distributed generator

JIN Shenda1, FAN Chunju1, GUO Yarong2, CHAO Chenxu1

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100089, China)

With the development and application of renewable energy, an increasing number of inverter-interfaced distributed generators (IIDG) suitable for photovoltaic power generation are connected to the power grid. Because the fault characteristics and output characteristics of the IIDG are different from traditional power generation, the original operational characteristics of distance protection of the power grid will be changed. The fault characteristics of IIDG and their impact on network distance protection are analyzed. Combined with traditional branch coefficients of distance section II protection, the branch coefficient of the distance section II protection with IIDG is corrected. In addition, this paper proposes an adaptive distance protection scheme for power grids with IIDG to improve the accuracy and reliability of distance section II protection. Finally, a grid model with IIDG is built in PSCAD/EMTDC, verifying the validity of the proposed scheme and the improvement of sensitivity and reliability of distance section II protection action through the simulation.

inverter generator; fault analysis; measured impedance; branch coefficient; adaptive distance protection

10.19783/j.cnki.pspc.210929

国家重点研发计划项目资助(2017YFB0903201)；国家电网公司总部科技项目资助“在线智能自整定的距离保护技术研究”

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0903201).

2021-10-19；

2022-02-10

金甚达(1996—)，男，通信作者，硕士研究生，主要研究方向为新能源接入电网后的继电保护；E-mail: jsd123@sjtu.edu.cn

范春菊(1967—)，女，博士，副教授，主要研究方向为电力系统继电保护；E-mail: fanchunju@sjtu.edu.cn

郭雅蓉(1989—)，女，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护原理。E-mail: guoyarong@epri.sgcc.com.cn

(编辑 姜新丽)