基于用戶自定義特征的反時限有源配網保護方案*

李嘉恒，任惠，師璞，孫辰軍，王飛，4

（1.華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，河北保定071003；2.國網河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071000；3.國網河北省電力公司，石家莊050000；4.清華大學電機系電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京100084）

0 引 言

傳統的配電網是單一電源的輻射型網絡，一般配置三段式過電流保護，而保護的選擇性是依靠各段過電流保護的不同時限配合來實現。對于靠近電源的故障，需要更長的延時來切除故障［1］。而分布式電源的接入改變了配電網的結構，使得傳統配電網轉變為有源網絡；其潮流與故障電流均可能雙向流動，大小和方向均具有不確定性［2］。因此，分布式電源的接入給傳統的三段式過電流保護的靈敏度和選擇性帶來了一些挑戰。

文獻［3］提出一種確定DG準入容量的分析方法，考慮了DG短路電流衰減特性和配電網保護，通過限制DG的容量和并網位置來減小DG對配網保護的影響，但這忽略了DG并網的目的，即提高配網的穩定性，加大清潔能源的利用力度。文獻［4］提出一種利用故障限流器（FCL）來限制DG提供的短路電流的配網保護策略，但是這種策略存在一定的問題，即發生故障時，會減少DG對配網穩定的支持力度。文獻［5］提出一種利用電壓因子的低電壓加速反時限保護方案，可以加快線路出口故障時保護的動作，但是由于涉及到了故障電壓的對比計算，保護實現的復雜度增大。

為解決含DG配電網的保護問題，有關反時限過電流保護，國內外學者做了大量的研究工作［4-15］，但大部分文獻在考慮配電網保護方案時都默認所有的保護有著相同的反時限電流-時間曲線，一般都是國際上通用的常規反時限電流-時間曲線。然而很多數字繼電器除了可以提供常規反時限曲線還可以提供其他不同類型的反時限曲線，其中一些數字繼電器還可以提供根據用戶的自身需求自定義的反時限曲線［16］。文章以此為基礎，針對有源配電網提出一種基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案，此方案能夠保證反時限過電流保護在DG的出力變化時仍滿足繼電保護選擇性和快速性的要求。

1 有源配網的特點和其對保護的要求

由于DG的大量接入，使得配電網的功率和故障電流都可以雙向流動，其運行特征和故障特征都發生了根本性的變化，傳統的故障分析和繼電保護方法對有源配網已經不再適用，都需要調整和相應的改進。

對于通過逆變器連接配電網的DG，其逆變器有不同的控制方式，因而DG提供的故障電流也有著不同的特性。為了避免線路故障時流過逆變器的短路電流過大，一般控制電路會把DG的輸出電流控制在額定電流的1.5倍～2倍［17］。另外，DG出力的隨機性也會造成有源配網短路電流數值在一個較大的變化范圍內波動，這都嚴重影響了保護的整定和配合。

在國外，相關機構制訂了DG并網的一系列標準，要求在配網故障時實現故障的快速切除，保證DG的安全和用戶供電的可靠性。因此對于配網的安全運行，故障時保護的快速動作意義重大。

針對有源配電網對保護的要求，有學者提出基于數據自同步和對等通信的電流差動保護的方法來解決DG接入帶來的難題［18］，但是種方法容易受到通信傳輸速度和通信可靠性的影響，增加了保護的投資成本和運行復雜度。所以在能夠最大化減少投資成本或最好不改變原有配網保護的情況下，研究能夠適應DG出力隨機變化的保護方案是有源配網保護的必然要求。

2 反時限過電流保護在配電網中的應用

反時限過電流保護是動作時間與被保護線路中電流大小有關的一種保護，當電流大時保護的動作時間短，電流小時動作時間長，因而具有自適應的反應故障嚴重程度的能力。而三段式電流保護，有時由于受到系統運行方式的影響，往往不能同時滿足靈敏度和動作范圍的要求。因此反時限過電流保護被廣泛應用于中低壓配電網的線路保護［19-22］。

典型反時限電流-電壓曲線如圖1所示。

圖1 IEC 60255標準的反時限特性曲線圖TDS＝1Fig.1 IEC 60255 inverse time overcurrent relay characteristics curve at TDS＝1

根據IEC 60255標準，反時限特性的公式為：

式中t是動作時間；A是常數，表示反時限繼電器的特性；B也是常數，表示反時限的類型；TDS是繼電器的時間整定系數，不同的時間整定系數用以使特性曲線上下平移，如圖2所示，Ip是啟動電流。

圖2 不同TDS時的常規反時限特性曲線Fig.2 Typical time/current characteristics curve of standard inverse time overcurrent relay with different TDS

根據IEC 60255標準，參數A、參數B根據不同的反時限類型有固定的標準值，一共有四種類型，如表1所示。

表1 不同類型的反時限曲線參數值Tab.1 Different types of inverse characteristics curves

在線路上應用反時限過電流保護時要注意上下兩級保護的配合，上下兩級保護的配合點是下級線路保護的出口，即下級線路出口短路時上級線路保護要有足夠的延時來滿足選擇性的要求。另外，當系統運行方式改變時短路電流也會隨之改變，所以也要保證系統在最小運行方式下發生故障時保護的快速動作。

由于DG出力的隨機變化，有源配電網短路電流數值會在一個較大的范圍內變化，此外短路電流的方向也可能會發生改變。由圖3所示，用具體的有源配電網作為例子來討論反時限過流保護應用的可行性和存在的問題，S表示等效的配網系統，DG表示分布式電源。

圖3 有源配電網結構Fig.3 Structure of active distribution network

由于DG出力的隨機性，其輸出功率可能在額定輸出功率的0～100%之間變化。對于傳統的反時限過電流保護方案，其整定原則是考慮接入母線C的DG在最大出力條件下對各保護進行整定并滿足上下級保護的配合關系。下面分析DG出力的變化對傳統反時限過流保護的影響。

（1）對DG下游保護（R3、R4）的影響：當DG出力小于最大出力時，DG下游線路DE發生故障，流過保護R3和保護R4的短路電流相比整定情況會有減小，會使按照DG最大出力時整定的保護R3和R4動作時間延長，不利于故障的快速切除。

（2）對 DG上游保護（R1，R2）的影響：當 DG上游線路AB發生故障時，DG提供的短路電流流過保護R2，如果其短路電流大小大于啟動電流值則保護R2在反方向故障時將會誤動作。

3 基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案

對于傳統反時限過電流保護，所有保護有相同的反時限電流-時間曲線，常數A、B都是固定的標準值，只有啟動電流Ip和時間整定系數TDS這兩項參數可以設定。但有源配電網中的DG出力變化有隨機性，使得不同狀態下系統電源容量及故障電流水平相差較大，不利于傳統反時限保護的快速動作。

數字反時限過流保護繼電器可以在一定范圍內設置參數變量，并不局限于四種標準曲線，用戶可以根據實際電網，自定義一些滿足自身要求的反時限動作曲線。因此，基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案考慮把A和B也當做連續的變量，這樣對于反時限過流保護來說，就有了四項可以設定的參數，即 TDS、Ip、A、B。以各保護的出口故障時，所有保護動作時間之和最短為目標函數，利用Matlab優化工具箱fmincon函數即內點法對反時限過電流保護的四項參數進行優化，進而求解得出四項參數的最優設定值，實現提高保護動作速度的目的。

目標函數：

式中tj是第j個保護的動作時間。

如果將A，B常數看做連續的變量，第j個保護的動作時間tj為：

在解決保護的優化配合問題時還要滿足以下的約束條件：

式中t′j是第j個保護的后備保護動作時間。

對于四種可以設定的參數（TDS、Ip、A、B），最大值和最小值的約束如下：

式中Ipmin是最大負荷電流；Ipmax是最小短路電流。為了保證系統的穩定性和安全性，保護的動作時間必須在限定的范圍之內，約束條件如下：

在滿足了以上約束條件下，當有源配電網故障時，基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案可以保證在故障電流較小的情況下保護動作的快速性，將DG輸出功率的隨機性給配電網保護帶來的影響減小到最低，有利于故障的快速切除，具體應用如下：

（1）系統電源側保護的配置：基于用戶自定義特征的反時限過電流曲線如圖4所示。曲線a和曲線b是滿足動作時間配合關系的反時限過電流保護動作曲線，曲線b代表后備保護。當基于用戶自定義特征重新配置保護后，保護動作曲線a和曲線b向下平移到曲線a′和曲線b′的位置，當故障發生在該線路時，優化配置后的保護可以快速動作，特別是線路出口故障時，保護可以瞬時動作。由于在配置保護時已經考慮了上下級保護動作時間配合的約束條件，所以重新配置的保護仍然能夠保證上下級保護動作時間的配合關系；

（2）DG側保護的配置：為了保證有源配電網發生故障時，故障能夠從兩端隔離，對接有DG的線路需要在DG接入側裝設斷路器并配置保護，為了保證反方向故障時保護不誤動，仍需要加裝方向元件以保證動作的選擇性，如中保護R1′和R2′。當DG上游線路發生故障時，故障電流由DG流向故障點，故障電流的大小與DG輸出功率有關。因此同樣可以采用基于用戶自定義特征的反時限保護方案，對DG側保護優化配置，在DG輸出功率最小的情況下仍然能夠快速動作。

圖4 新方案與傳統反時限過電流曲線對比Fig.4 Comparison between proposed inverse-time overcurrent curves and traditional inverse-time overcurrent curves

4 仿真算例

以天津市某中壓配電網為例進行計算分析，如圖5所示，并運用PSCAD軟件建立仿真模型驗證。配電網的電壓等級為10 kV，系統容量30 MW，各段線路阻抗參數如表2所示。母線C上接入一個可變功率的逆變型分布式電源，最大輸出功率是20 MW，最小輸出功率是1 MW，故障時最大短路輸出電流是其額定電流的 2倍。R1、R2、R3、R4、R5、R6分為是各線路上的反時限過流保護，采用常規反時限保護。系統最大和最小運行方式的系統阻抗值分別為Xsmin＝0.091Ω，Xsmax＝0.126Ω，各母線均為負荷為4 MW。

圖5 中壓配電網結構Fig.5 Structure ofmedium-voltage distribution network

表2 系統線路阻抗參數Tab.2 Line impedance parameters of network

仿真時設置不同位置的故障和DG不同容的輸出功率，計算并比較采用基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案和傳統反時限過電流保護方案的動作情況。傳統反時限過電流保護方案中保護都是常規反時限類型，動作方程見式（1），其中 A為0.14，B為0.02。保護的啟動電流是：

式中IL.max是最大負荷電流；Kre是返回系數，取值為0.95；Krel是可靠系數，取值 1.25；KMs是自起動系數，由網絡具體接線和符合性質確定，仿真中取值2.0。

對系統中各保護按照傳統的反時限過電流保護的整定原則整定動作時間，使保護R3在DE線路出口故障時的動作時間比保護R4長0.3 s，保護R1、R2、R5，R6的動作時間亦按照階梯型時限特性整定。

（1）故障設置在線路DE出口（圖中的F1點），保護R4的動作情況見表3。

表3 F1點故障時保護R4動作情況Tab.3 Performance of protection R4 in fault condition at F1

（2）故障設置在線路DE50%處（圖中的F1′點）

保護R4和后備保護R3的動作情況見表4和表5。

表4 F1′點故障時保護R4動作情況Tab.4 Performance of protection R4 in fault condition at F1′

表5 F1′點故障時保護R3動作情況Tab.5 Performance of protection R3 in fault condition at F1′

（3）故障設置在線路 DE末尾處（圖中的 F1″點），保護R4的動作情況見表6。

表6 F1″點故障時保護R4動作情況Tab.6 Performance of protection R4 in fault condition at F1″

從表3～表6的仿真結果中可以看出：

（1）無論線路DE上哪個位置發生故障，隨著DG的輸出功率小于最大值，按照傳統反時限過電流保護整定的時間動作都在變長，不利于故障的快速切除，而采用基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案優化后，保護動作時間大幅減小，而且隨著DG輸出功率的變小，提速百分數在變大，甚至可以提速50%以上，更有利于保護在故障電流很小的情況下快速的隔離故障；

（2）在采用基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案優化后，DG輸出功率一定的情況下，故障點位置離保護越遠，保護動作時間提速百分數越大，更有利于保護迅速的切除在線路末端發生的故障，保障系統安全穩定運行；

（3）從表6可以看出，采用基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案優化后，在線路DE上發生故障的情況下，后備保護R3的動作時間也大幅減小，有利于在主保護R4拒動的情況下，保護R3快速隔離故障；

（4）故障發生在線路AB上（圖中F2點）

保護R1′的動作情況見表7。

表7 F2點故障時保護R1′動作情況Tab.7 Performance of protection R1′in fault condition at F2

當線路AB故障時，保護R2判定為反方向故障，不動作。保護R1′判定為正方向故障，可以快速動作，并且DG輸出功率越低，故障電流越小，保護動作提速比例越大，可以確保快速切除故障。如果采用傳統的反時限過電流保護方案，保護R1′的動作時間為1.108 s，這種情況下DG長時間運行在低電壓狀態，從而導致DG被迫退出運行，不能發揮對配電網的支持作用。

5 結束語

文章提出了基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方案，該方案利用數字反時限過流保護繼電器的特點，可以根據實際電網，自定義一些滿足用戶要求的反時限動作曲線。方案提出將代表反時限繼電器的特性的常數A和表示反時限的類型的常數B看做連續的變量，以所有保護保護動作時間最小為目標函數，利用內點法進行優化，求解出保護的最優配置。同時通過仿真驗證了在分布式電源輸出功率波動的情況下，該保護原理仍然能夠有效地提高反時限過電流保護的動作速度。

文章提出的基于用戶自定義特征的反時限過電流保護方法主要應用于10 kV的有源配電系統，但該原理亦可推廣應用于10 kV以下的低壓有源配電系統。