含分布式電源的配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)保護研究

陳 沖 ，陳小偉 ，沈明慷 ，申 丹

(1.江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇 蘇州 215000；2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

智能配電網(wǎng) (SDG)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，允許大量的分布式電源（DG）接入也是智能配電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡的一個重要特征[1]。配電網(wǎng)接入DG以后，不再是純粹的單電源、輻射型供電網(wǎng)絡。當線路發(fā)生故障時，配電網(wǎng)中的短路電流大小和方向以及重合器的動作行為都會受到DG的影響。如何在故障發(fā)生時快速地切除DG,并準確地定位,隔離故障點將是SDG發(fā)展的內(nèi)在要求。

配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)保護是建立在配電自動化和具備良好通信功能的FTU的基礎之上。它通過在多于2個的FTU之間相互交換故障信息，并在FTU中完成對故障信息的計算，并且向相鄰開關(guān)發(fā)出跳合閘命令，現(xiàn)實故障點的就地隔離和故障恢復。系統(tǒng)保護將故障處理功能下放到FTU，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的一次性就地處理，速度快可靠性高。系統(tǒng)保護在配電網(wǎng)饋線層故障處理的優(yōu)越特性將成為未來智能配電網(wǎng)保護的主保護[2]。目前的微機保護裝置中常用基于電流相位比較的方法判別故障方向，該方法無法滿足系統(tǒng)保護作為主保護的快速性要求。因此，本文提出了基于瞬時功率的保護啟動元件以及故障方向判據(jù)的系統(tǒng)保護算法。

1 含DG的饋線系統(tǒng)保護原理

1.1 DG對系統(tǒng)保護的影響

基于系統(tǒng)保護模式的含DG的饋線自動化系統(tǒng)如圖1所示。在線路的c區(qū)段引入了一個DG。DG的引入使饋線1的各區(qū)段不再是單電源網(wǎng)絡。DG對配電網(wǎng)系統(tǒng)保護的影響：例如當b區(qū)段發(fā)生故障時，在DG接入前，線路故障電流只有從系統(tǒng)電源流向故障點的一個方向，B13不經(jīng)歷故障電流；而接入DG后B12，B13都將流過故障電流，系統(tǒng)保護將無法實現(xiàn)故障定位和隔離。而在故障恢復時，由于DG的存在，聯(lián)絡開關(guān)H12左端因有壓將繼續(xù)保持在分閘閉鎖狀態(tài)，故無法恢復非故障區(qū)段的供電。

圖1 DG對配電網(wǎng)系統(tǒng)保護的影響

1.2 原理分析

由上述分析可知，含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)保護必須考慮故障方向的快速判別和DG的快速切除。以圖1典型系統(tǒng)為例，當b區(qū)段發(fā)生故障時，其故障處理流程為：

（1）當FTU檢測到故障電流，保護啟動元件啟動FTU11，F(xiàn)TU12和FTU13同時計算故障狀態(tài)量；DG自身保護檢測到故障電流，經(jīng)設定延時切除DG使其脫離系統(tǒng)。

（2）經(jīng)計算開關(guān) B11，B12，B13 都經(jīng)歷故障電流，以短路電流從母線流向負荷為故障正方向，則B11，B12為功率正方向，B13為反方向。

（3）B11，B12 生成故障標志“1”，B13 故障標志“0”，3個開關(guān)對應的FTU相互通信交換故障標志。

（4）FTU11檢測到 FTU12故障標志為 “1”，則不跳閘出口；FTU12檢測到右側(cè)相鄰FTU13的故障標志為 “0”，則跳閘出口；FTU13右側(cè)為聯(lián)絡開關(guān)H12直接跳閘出口。

（5）B12在跳開后立即重合一次，若重合成功則表明瞬時故障，在將信息傳遞給FTU13，B13重合；重合不成，則B12再次跳閘并閉鎖，并向FTU13發(fā)閉鎖命令，至此故障隔離。

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（6）FTU4在定值時間內(nèi)監(jiān)測到左側(cè)失壓，在判斷負荷情況后合閘，非故障區(qū)段供電恢復，DG恢復供電。

系統(tǒng)保護對于故障處理過程可概括為保護啟動、故障判別、相互通信、協(xié)同動作。系統(tǒng)保護主要通過FTU實現(xiàn)故障檢測、快速故障隔離，進行簡單的供電恢復操作，復雜的負荷轉(zhuǎn)移由配網(wǎng)主站、子站來配合實現(xiàn)。

2 基于瞬時功率的系統(tǒng)保護算法

2.1 瞬時功率計算

傳統(tǒng)饋線過流保護設置在變電站出口斷路器處，一般整定為200 ms。作為主保護的系統(tǒng)保護必須在200 ms內(nèi)完成故障處理。因此，系統(tǒng)保護的快速性應具有快速的通信機制、高性能的保護裝置（可以嵌入在FTU功能中），在保護啟動算法以及故障方向判別算法的快速性要求將更高。SDG的發(fā)展，未來的配電網(wǎng)將配置有各種智能開關(guān)和傳感器。饋線三相電壓、電流的全面采集，為基于Clarke變換的瞬時功率的故障特征量計算創(chuàng)造了條件。瞬時功率都是直接利用電壓、電流的瞬時采樣值計算，對濾波器要求不高，算法本身也不涉及復雜的復數(shù)計算，是一種快速特征檢測算法[3]。

Clarke變換是當θ=wt=0的Park變換，其思想是將三相靜止的abc坐標系變換到兩相靜止的αβo坐標系。Clarke變換式為：

式（1）中：C是Clarke變換矩陣。在恒功率變換準則下和三相三線制系統(tǒng)中，零軸分量為0，可以忽略不計，Clarke變換矩陣用C32表示：

設三相電路的瞬時電壓和瞬時電流分別為ua，ub，uc和。 經(jīng)過 Clarke 變換后，得到兩相瞬時電壓 uα，uβ和電流 iα，iβ：

α軸、β軸相互垂直，瞬時功率的定義為：

基于Clarke變換的瞬時功率計算，都是對電壓、電流的瞬時采樣值進行計算，變換的過程也不涉及復數(shù)運算，運算量小，速度快，實時性強。其中式（5）分別是瞬時有功功率和瞬時無功功率的定義。本文分析和仿真結(jié)果是基于瞬時功率的保護啟動元件以及基于瞬時功率極性的故障方向判據(jù)利用的是瞬時功率的有功分量。

2.2 基于瞬時功率的保護啟動元件

正常運行狀態(tài)下，式（6）的理論值接近于0，考慮到負荷波動情況以及各種誤差因素，為避免誤啟動，必須設定一門檻值，其整定要求考慮到負荷波動引起的最大不平衡輸出，因此基于瞬時有功突變量的判據(jù)為：

kf為可靠系數(shù)，為防止干擾，設定只有連續(xù)檢測到4個采樣點的瞬時功率超過定值，元件方能啟動，提高保護的可靠性。瞬時有功的突變量啟動需要連續(xù)計算并連續(xù)識別是否發(fā)生突變。

2.3 基于瞬時功率極性的故障方向判斷

基于瞬時有功功率的定義，給出當電壓和電流均為正弦波形的瞬時功率的計算，結(jié)合式（5）可得：

規(guī)定流過FTU的電流從母線指向線路，正方向發(fā)生短路故障時，短路電流滯后母線電壓的相角為φk1大小為-90°＜φk1＜90°。 反方向故障時，短路電流滯后母線電壓的相角為φk2，大小為180°＜φk2＜270°。可以看出當正向故障時，瞬時功率p=3U1I1cos（φu-φi）＞0；反向故障時瞬時功率 p=3U1I1cos（φuφi）＜0，因此可以采用基于瞬時功率極性來判別故障方向。在50 Hz頻率下，一個工頻周期時間為20 ms，設一個工頻周期內(nèi)采樣點數(shù)為Ns。故障分量在故障后的一個周波內(nèi)最為明顯，在這里故障判據(jù)采用1/4周波內(nèi)數(shù)據(jù)，即判斷連續(xù)/4點的平均瞬時功率的極性，該判據(jù)能在5 ms內(nèi)給出了故障方向，判據(jù)為：

3 仿真及分析

3.1 仿真模型

含DG的10kV饋線系統(tǒng)保護仿真模型如圖2所示。

圖2 含DG的10kV饋線系統(tǒng)保護仿真模型

線路分布參數(shù)設置如下：正序阻抗Z1=（0.17+j0.38）Ω/km，正序容納 Y1=3.045 μS/km；零序阻抗Z0=（0.23+j1.72）Ω/km， 零序容納 Y0=1.045884 μS/km；系統(tǒng)阻抗Z=（15+j170）Ω；三相對稱負荷L=（19.55+j12）Ω，系統(tǒng)電源側(cè)用三相無窮大電源等效。DG容量為10 MV·A。每個工頻周期采樣100點，采樣頻率為5 kHz，每個電流互感器（TA）處配置FTU。

3.2 含DG時瞬時功率突變情況

仿真設置在t=0.1 s時發(fā)生永久性短路故障，各FTU檢測到故障瞬時功率在短路時刻應該有一個功率瞬時值的突變量。短路故障時FTU檢測到的瞬時功率突變量如圖3所示。

圖3 短路故障時FTU檢測到的瞬時功率突變量

由圖3可知，在正常時，曲線平緩，變化量接近于0；故障時，都有一個較明顯的激增。由于DG的存在，F(xiàn)TU4短路后功率方向的改變，因此，F(xiàn)TU4檢測到的突變量更加明顯，瞬時功率作為突變量有足夠可靠的裕度。

3.3 不含DG時瞬時功率分布

不含DG時系統(tǒng)是單電源供電網(wǎng)絡，短路點F1處電流由系統(tǒng)電源注入。當發(fā)生三相短路故障時，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU3，F(xiàn)TU4所測得的短路電壓和電流波形如圖4所示，在t=0.1 s時，故障發(fā)生其電壓下降，其中離系統(tǒng)電源越遠的電壓降越厲害，電流升高，離系統(tǒng)電源越近電流越大。由于故障點位于FTU4之前，因而流過FTU4的故障電壓、電流很小，幾乎為0。

圖4 F1處三相短路時電壓和電流錄波

各FTU檢測的瞬時功率波形如圖5所示。

從圖5可知，由于FTU1，F(xiàn)TU2都位于故障正方向位置，在故障發(fā)生時，瞬時功率都大于0，并且有一個正的突變量。而故障發(fā)生后由于FTU4未有注入電流，流過的瞬時功率為0。

圖5 各FTU檢測的瞬時功率波形

3.4 含DG時瞬時功率分布

在饋線L1段母線E接入一分布式電源后，系統(tǒng)將成為一個雙電源供電網(wǎng)絡，當故障發(fā)生時，短路點F1將有DG注入的短路電流，而FTU4也將檢測到故障功率流過，此時區(qū)分各FTU流過的故障功率方向尤為重要。當F1處三相短路時，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU2，F(xiàn)TU4所測得的短路電壓和電流波形如圖6所示。

圖6 含DG系統(tǒng)三相短路時電壓和電流錄波

由圖6可見，當含DG時，F(xiàn)TU4處依然能檢測到一個較大的電壓，流經(jīng)一個較大的故障電流，且該故障電流的相位與流經(jīng)FTU1，F(xiàn)TU2處的相反。含DG系統(tǒng)三相短路時瞬時功率情況如圖7所示。

圖7 含DG系統(tǒng)三相短路時瞬時功率情況

由圖7可看出，F(xiàn)TU1，F(xiàn)TU2在規(guī)定故障正方向上，檢測到的瞬時功率大于0，在故障時刻有一個向正方向上的突變；FTU4由于DG的存在，提供了一個反方向的故障電流，因此其檢測到的在故障后其流經(jīng)的故障功率為負，在故障時刻有一個負方向的突變。

4 結(jié)束語

DG存在改變了配電網(wǎng)故障潮流的大小和方向。本文考慮在SDG中將大量的接入DG，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣量的全面測量的特點，以及SDG要求故障處理應更加快速準確。認為配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)保護通過對等通信機制，就地快速定位、隔離故障，將成為配電網(wǎng)中的饋線主保護。同時在含DG的系統(tǒng)保護算法上提出了基于瞬時功率的故障啟動元件以及故障方向判據(jù)，基于Clarke變換的瞬時功率特征量計算依據(jù)電壓、電流的瞬時值，運算量小、速度快、實時性好，能夠快速啟動保護并判別故障潮流方向。通過建立10kV饋線環(huán)網(wǎng)的ATP-EMTP模型進行仿真試驗，其可行性和可靠性得到了驗證。

[1]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配電網(wǎng)與配電自動化[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33(17)：38-41.

[2]焦振有，焦邵華，劉萬順.配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)保護原理及分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(12)：75-78.

[3]劉進軍，王兆安.瞬時無功功率與傳統(tǒng)功率理論的統(tǒng)一數(shù)學描述及物理意義[J].電工技術(shù)學報，1998，13(6)：6-11.