基于電流初始行波極性的主動(dòng)配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方案

許名揚(yáng)，樊艷芳，劉群杰，羅 瑞

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.國網(wǎng)河南省電力公司 周口供電公司，河南 周口466000）

0 前言

大規(guī)模分布式電源 （Distributed Generation，DG）接入主動(dòng)配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)原有的潮流分布，可能使傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)失去選擇性[1]，[2]。 當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，可能造成電流保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴(yán)重影響主動(dòng)配電網(wǎng)的供電可靠性[3]～[5]。

針對此問題，文獻(xiàn)[6]考慮了DG 接入容量對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，并提出加裝基于電流和電壓信息的方向元件來提高DG 的接入容量，但是在配電網(wǎng)線路上，一般不裝設(shè)電壓互感器。 文獻(xiàn)[7]對DG 接入的配電網(wǎng)提出了自適應(yīng)保護(hù)方法，并提高了電流保護(hù)的靈敏度，但由于缺少方向判定元件，易造成配電網(wǎng)中電流雙向流動(dòng)引起的保護(hù)誤判。 文獻(xiàn)[8]提出基于故障分量電流幅值比較的判別方法，但同一條母線上兩條線路距離較近或故障點(diǎn)距離母線較近時(shí)，兩條線路電流幅值接近，可能造成保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)。 文獻(xiàn)[9]提出基于多種群遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位方案，能夠適應(yīng)DG 的投切及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)，但是在求解的過程中存在收斂問題，可靠性較低，無法準(zhǔn)確定位故障區(qū)段。

本文基于主動(dòng)配電網(wǎng)先進(jìn)的傳感通信技術(shù)、電流行波極性保護(hù)的快速性和不需要方向元件的優(yōu)勢[10]，提出一種基于電流初始行波極性的主動(dòng)配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方案。 該方案通過判別故障初始行波到達(dá)線路兩端時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電流行波的極性來確定故障區(qū)域，并采用小波變換提取故障電流行波極性，以提高保護(hù)動(dòng)作的靈敏性與可靠性。該方案不需要電壓信息，且受中性點(diǎn)接地方式、故障位置、 過渡電阻和分布式電源投切的影響相對較小，符合保護(hù)安全性可靠性的要求。

1 電流行波極性比較式縱聯(lián)保護(hù)原理

1.1 DG接入對主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)在DG 接入后，系統(tǒng)由單側(cè)電源系統(tǒng)變?yōu)殡p側(cè)或多側(cè)電源供電系統(tǒng)。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，故障電流的方向和幅值發(fā)生變化，可能對原有的無方向、 上下級線路相配合的傳統(tǒng)電流保護(hù)造成誤動(dòng)和拒動(dòng)的影響。 典型的DG 接入的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 DG 接入的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 DG access to active distribution network system

當(dāng)DG 接入的線路上游F1 處發(fā)生故障時(shí)，DG 提供的短路電流流過線路NK 可能使保護(hù)K3誤動(dòng)作。 當(dāng)DG 接入的線路下游F2 發(fā)生故障時(shí)，DG 對下游線路的短路電流起到助增的作用，保護(hù)K5 處檢測到的故障電流IK5將增大，且隨著DG 的接入容量增加而增大，IK5有可能大于電流保護(hù) I 段整定值，保護(hù) K5 電流 I 段保護(hù)范圍將會超過線路全長，造成保護(hù)K5 誤動(dòng)。 DG 的接入會對上游線路起到分流的作用，保護(hù)K3 處檢測到的故障電流IK3減小，過電流靈敏度將明顯降低。 此時(shí)，如果K5 速斷電流保護(hù)故障，保護(hù)K3將拒動(dòng)，故障無法隔離。 此外，當(dāng)相鄰線路F3 處發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)K1 將檢測到DG 提供的反向電流。 此時(shí)，保護(hù)K1 可能誤動(dòng)，切除DG 所在線路使DG 與部分負(fù)荷形成孤島。

1.2 配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)行波特征

本文以圖1 的主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，當(dāng)線路MN 發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障后，采用故障分量法分析電路可得故障附加網(wǎng)絡(luò)中波的折反射模型，如圖2 所示。

圖2 故障附加網(wǎng)絡(luò)中波的折反射模型Fig.2 A catadioptric model of waves in a fault-attached network

圖2 中故障附加電源引起故障行波，行波從故障發(fā)生點(diǎn)向母線處傳播，并在母線處發(fā)生折反射。 行波在母線處的折射得到了非故障線路的初始電流行波，入射波和反射波的疊加得到了故障線路的初始電流行波。

圖3 為線路MN 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的附加電路。

圖3 線路區(qū)內(nèi)故障附加電路Fig.3 Fault additional circuit in the line area

由圖3 可知：

由于ZSM+Z1M，ZSN+Z1N的相角可近似相等，通過式（1），（2）比較可知，對于線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)極性相同。

對于線路M 處保護(hù)區(qū)外故障附加分量網(wǎng)絡(luò)如圖4 所示。 圖中ZMN為線路MN 的阻抗。

圖4 線路區(qū)外故障附加電路Fig.4 Line outside fault additional circuit

對于故障后的暫態(tài)行波過程，故障點(diǎn)處的故障行波在線路上的傳播過程不受DG 接入的影響，其等效模型如圖5 所示。

圖5 DG 接入母線處等效模型Fig.5 Equivalent model of DG access bus

圖中：Z 為線路波阻抗；C 為逆變器輸出LC 濾波電路電容；n 為母線出線數(shù)。

由圖5 可得，DG 經(jīng)逆變器接入母線處的折反射系數(shù)的頻域函數(shù)為

由式（3），（4）可知，在高頻帶母線處的折反射系數(shù)滿足-1<ρ<0，0<γ<1，這表明 DG 的接入不會改變母線處折射波、反射波的極性，即DG 接入對本文所述的利用故障電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)方案沒有影響。

1.3 電流行波極性比較式縱聯(lián)保護(hù)原理

交流線路MN 中，線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，故障點(diǎn)產(chǎn)生的電流行波向兩側(cè)傳播，線路兩端M，N 處測量到的電流行波總是同極性，存在同為正或同為負(fù)兩種情況。 當(dāng)故障附加電源電壓的極性為上正下負(fù)時(shí)（正極性），電流行波由故障點(diǎn)向兩端傳播，與規(guī)定的正方向相反，所以M，N 兩端電流行波均為負(fù)極性。 當(dāng)故障附加電源電壓的極性為下正上負(fù)時(shí)（負(fù)極性），兩端電流行波的極性均為正。由此可見，區(qū)內(nèi)故障時(shí)線路兩端的電流極性相同。 同理，區(qū)外故障時(shí)，線路兩端的電流極性相反。 因此，本文可以通過故障線路兩端的電流初始行波極性來判別故障區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)。 電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)基本原理如表1 所示。

表1 電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)基本原理Table 1 Basic principle of longitudinal protection of current initial traveling wave polarity

設(shè) M 或 N 端電流的行波極性為 Pj，PI為極性判斷結(jié)果，則：

當(dāng)PI>0 時(shí)，判定為區(qū)內(nèi)故障；PI<0 時(shí)，判定為區(qū)外故障。

2 電流行波極性比較式縱聯(lián)保護(hù)算法

2.1 小波變換及模極大值

在輸電線路中，三相故障電流行波之間存在耦合關(guān)系，故可采用相模變換技術(shù)對三相系統(tǒng)解耦[13]。 本文將電流進(jìn)行Karenbauer 變換后，可得：

式中：ia，ib，ic分別為 A，B，C 三相電流；iα，iβ，iγ和 i0分別為相電流 Karenbauer 變換的 α 模分量、β 模分量、γ 模分量和0 模分量，其中0 模分量在大地與三相導(dǎo)體之間傳播，而α 模分量、β 模分量和γ模分量只在導(dǎo)體之間傳播，又稱線模分量。α 模分量同時(shí)在A 相與B 相導(dǎo)體之間傳播，β 模分量同時(shí)在A 相與C 相導(dǎo)體之間傳播，γ 模分量同時(shí)在B 相與C 相導(dǎo)體之間傳播。

故障行波最重要的特征是初始波頭的奇異性。 小波變換的模極大值可以有效地表征行波信號的突變點(diǎn)，即行波波頭[12]。故障行波波頭與小波變換后的模極大值具有一一對應(yīng)的關(guān)系，可由模極大值的正負(fù)來表示行波波頭極性[13]。 故障行波本質(zhì)上屬于非平穩(wěn)時(shí)變信號，若要準(zhǔn)確提取其所包含的故障信息，須要在時(shí)域和頻域同時(shí)對信號進(jìn)行處理。 小波變換具有很好的時(shí)頻局部化分析性能，適合于對非周期突變信號的分析。本文采用三次中心B 樣條函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)作為小波函數(shù)，借助三次中心B 樣條二進(jìn)小波變換，利用Mallat 算法分析提取故障初始行波極性[14]，即：

式中：A2i（n）為小波變換結(jié)果的逼近分量；W2i（n）為變換結(jié)果的小波分量；n為采樣序號；j 為小波變換的尺度；hk，gk為由小波函數(shù)決定的小波系數(shù)；{hk}={0.125，0.375，0.375，0.125} （k=-1，0，1，2）；{gk}={-2，2}（k=0，1） 。

本文用400 kHz 采樣率提取故障1 ms 的電流初始行波，用Karenbauer 變換對提取的故障電流初始行波進(jìn)行相模變換，對得到的線模分量進(jìn)行二進(jìn)小波變換，并對變換后的尺度2，3，4 上的小波分量進(jìn)行分析。 因?yàn)殡娏鞴收铣跏夹胁ǖ牟^具有高頻特性，故本文取尺度4 上的小波分量構(gòu)成保護(hù)算法，對應(yīng)的頻帶為 12.5～25 kHz[15]，[16]。

2.2 保護(hù)判據(jù)與算法

根據(jù)配電網(wǎng)單相接地故障暫態(tài)行波特征，得到基于暫態(tài)行波的故障保護(hù)判據(jù)： 母線上共有n回出線，設(shè)母線第i 條出線發(fā)生單相接地故障，計(jì)算在不同尺度下，故障電流行波Ii的小波變換模極大值，對于給定尺度2k的保護(hù)判據(jù)為

配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障線路上的繼電器檢測到故障電流行波，對檢測到的故障初始電流行波進(jìn)行Karenbauer 變換，得到解耦后的3 個(gè)模量電流行波 iα，iβ，iγ。 對解耦得到的線模分量電流行波進(jìn)行二進(jìn)小波變換，并取變換后尺度4 上的小波分量模極大值極性作為故障初始電流行波模極大值。 如果任意一個(gè)模量的初始電流行波模極大值相同，則判斷線路發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)將給出報(bào)警或跳閘信號，否則保護(hù)閉鎖。

綜上所述，保護(hù)算法流程如圖6 所示。

圖6 保護(hù)算法流程圖Fig.6 Protection algorithm flow chart

3 仿真分析

基于PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真軟件，以圖1 為例搭建仿真模型。 系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為500 MV·A，基準(zhǔn)電壓為 10.5 kV，在每條饋線上接有額定容量為 6 MV·A、 額定功率因數(shù)為 0.85 的負(fù)荷。DG 采用PQ 控制方式，額定容量為10 MV·A，模型線路參數(shù)如表2 所示。

表2 線路參數(shù)Table 2 Line parameters

3.1 單相接地故障

設(shè)系統(tǒng)在 t=0.3 s 時(shí)，線路 MN 分別發(fā)生區(qū)內(nèi)和區(qū)外A 相接地故障，故障持續(xù)0.2 s，電流故障行波的數(shù)據(jù)窗取故障發(fā)生后1 ms 的數(shù)據(jù)。對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到的故障電流初始行波極性仿真結(jié)果如圖7，8 所示。

由圖7 可知，發(fā)生A 相接地故障后，故障電流行波的波頭和小波變換模極大值點(diǎn)具有一一對應(yīng)的關(guān)系。 根據(jù)式（6）可知，線路發(fā)生A 相接地故障時(shí)電流的γ 線模不存在，圖7 的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了此結(jié)論。 母線M 側(cè)和N 側(cè)初始電流行波對應(yīng)的α 和β 模的模極大值極性相同，由保護(hù)判據(jù)可以判斷線路發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)將給出報(bào)警或跳閘信號。 由圖8 可知，M 側(cè)和N 側(cè)電流對應(yīng)的α 和β 模的電流模極大值極性相反，可判斷為是區(qū)外故障，保護(hù)閉鎖。

圖7 線路MN 區(qū)內(nèi)A 相接地故障的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of A-phase ground fault in line MN

圖8 線路MN 區(qū)外A 相接地故障的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of A-phase ground fault outside the line MN

3.2 不同故障類型下保護(hù)方案的仿真

對不同故障下的保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行了仿真，表3 為線路MN 上發(fā)生不同類型故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作情況。表中 AB，ABG，ABC 分別為 AB 兩相短路故障、AB 兩相短路接地故障和三相短路故障。

由表3 可知，系統(tǒng)分別在發(fā)生相間短路、兩相短路接地及三相短路故障時(shí)，該保護(hù)方案均可以使故障準(zhǔn)確切除。

表3 故障類型對保護(hù)的影響Table 3 Effect of fault types on protection

3.3 動(dòng)作性能分析

3.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對保護(hù)的影響

對不同的中性點(diǎn)接地方式對保護(hù)的影響進(jìn)行了仿真。表4 列出了在不同接地方式下，線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況。

表4 中性點(diǎn)接地方式對保護(hù)的影響Table 4 Impact of neutral grounding method on protection

由表4 可知，系統(tǒng)在中性點(diǎn)不接地、 直接接地、經(jīng)消弧線圈接地的方式下發(fā)生故障時(shí)，本文保護(hù)方案均可以使故障準(zhǔn)確切除。

3.3.2 故障距離對保護(hù)的影響

為驗(yàn)證行波電流極性比較式縱聯(lián)保護(hù)不受故障距離的影響，分別在距離線路 M 端 1，3，6，10 km 處進(jìn)行了仿真。

仿真結(jié)果如表5 所示。

表5 故障距離對保護(hù)的影響Table 5 Impact of fault distance on protection

續(xù)表5

由表5 可知，在故障距離不同時(shí)，該保護(hù)方案均可以準(zhǔn)確切除故障。

3.3.3 故障過渡電阻對保護(hù)的影響

本節(jié)考慮線路MN 發(fā)生區(qū)內(nèi)A 相接地故障時(shí)，取故障過渡電阻分別為 0.1，100，200 Ω，研究故障過渡電阻的改變對保護(hù)動(dòng)作性能的影響。 表6 中給出了在不同過渡電阻時(shí)，線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況。

表6 故障過渡電阻對保護(hù)的影響Table 6 Effect of transition resistance on protection

由表6 可知，保護(hù)受故障過渡電阻的影響較小。 過渡電阻的改變對小波變換的模極大值極性沒有影響，只影響小波變換的模極大值的幅值，但故障過渡電阻的增大將會降低保護(hù)的靈敏度。

3.3.4 DG 投切對保護(hù)的影響

傳統(tǒng)單端的配電網(wǎng)供電線路相當(dāng)于線路接入的DG 容量為0，本文對DG 在不同的投切狀態(tài)下，保護(hù)方案的影響進(jìn)行了仿真，結(jié)果如表7 所示。 線路MN 發(fā)生區(qū)內(nèi)A 相接地故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況。

由表7 可知，DG 的不同狀態(tài)并未對保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作造成影響。

表7 DG 投切對保護(hù)的影響Table 7 Effect of DG switching on protection

10 kV 母線處故障行波的折反射過程由母線出線數(shù)、線路波阻抗等參數(shù)決定，與線路負(fù)荷、電源無關(guān)。如前文所述，分布式電源易對不具有方向判斷的保護(hù)線路保護(hù)造成誤動(dòng)，而利用電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)方法不存在這個(gè)問題。

4 結(jié)論

本文提出的基于電流初始行波極性的主動(dòng)配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方案，有效地解決了DG 接入主動(dòng)配電網(wǎng)后傳統(tǒng)電流保護(hù)可能發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)的問題，使線路故障可靠準(zhǔn)確地切除，并得出結(jié)論如下。 ①電流初始行波極性的縱聯(lián)保護(hù)采用故障發(fā)生后的電流初始行波波頭極性作為判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作速度快且不受對地電容影響，所以不用考慮保護(hù)動(dòng)作延遲的問題。 ②該保護(hù)方案可有效判斷出線路區(qū)外和區(qū)內(nèi)故障，具有良好的方向性，且受中性點(diǎn)接地方式、故障位置、過渡電阻和分布式電源投切的影響相對較小，符合保護(hù)安全性可靠性的要求。③該保護(hù)判據(jù)構(gòu)成簡單，故障電流初始行波有明確的物理意義，其極性不受后續(xù)行波折反射過程的影響，特征量明確且容易提取，具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。