基于相電流工頻變化量極性的微電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案

武劍，薛玉石，山春鳳，檀青松

(國網(wǎng)石家莊供電公司， 河北, 石家莊 050051)

0 引言

微電網(wǎng)是由分布式電源(distributed generator, DG)、儲能裝置、負荷、控制與保護裝置等單元構(gòu)成的小型電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)能夠充分利用DG提供的電能，具有較高的供電可靠性與較低網(wǎng)絡(luò)損耗，是智能電網(wǎng)的重要組成部分[1]。

微電網(wǎng)保護中面對的問題是限制其大規(guī)模推廣的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)中低壓電網(wǎng)采用三段式電流保護，然而微電網(wǎng)具有并網(wǎng)運行與孤島運行2種模式，不同運行模式下故障電流的幅值與相位均存在較大差異，常規(guī)的保護方法已不再適用[2]。

目前，針對微電網(wǎng)的保護方案主要可分為單端量保護和縱聯(lián)保護[3]。單端量保護以方向性電流/距離保護為基礎(chǔ)，并根據(jù)DG故障特性和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整保護定值[4-6]。該類保護無需通信、易于實現(xiàn)，但需先通過孤島檢測手段判斷微電網(wǎng)的運行狀態(tài)，動作速度較慢；另外，風電、光伏等DG出力受自然環(huán)境影響，具有較大間歇性，DG滲透率較高時，單端保護在靈敏度與后備保護配合等方面仍存在不足之處。

一些學者將用于高壓輸電線路的縱聯(lián)保護運用到中低壓配電系統(tǒng)中[7-9]。電流差動保護不受微電網(wǎng)運行模式的影響，具有較好的選擇性與速動性。然而上述保護方法對兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步性要求較高，需要光纖通信才可實現(xiàn)，難以在微電網(wǎng)中大規(guī)模推廣。文獻[10]提出了一種無需數(shù)據(jù)嚴格同步的微電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案，通過比較母線電壓和饋線電流的相位差判斷故障方向，但該方法需要各節(jié)點安裝電壓互感器，而現(xiàn)有中低壓電網(wǎng)中通常不具備該條件。

本文提出了一種基于相電流工頻變化量極性的微電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案。首先根據(jù)本地測量相電流中工頻變化量的確定電流總極性;然后基于兩側(cè)的電流總極性定位故障區(qū)段,該方案無需電壓信息以及兩側(cè)數(shù)據(jù)嚴格同步，具有較高的經(jīng)濟性;最后，利用仿真軟件PSCAD搭建了微電網(wǎng)模型，驗證所提方案在各種情況下的有效性。

1 微電網(wǎng)電流工頻變化量特征分析

由于工頻變化量僅在故障發(fā)生后出現(xiàn)，因此基于工頻變化量構(gòu)造的保護原理不受負荷狀態(tài)、系統(tǒng)電動勢、過渡電阻等因素的影響，具有較高的靈敏度與可靠性[11]。然而，由于中低壓電網(wǎng)普通節(jié)點處通常不安裝電壓互感器導致微電網(wǎng)中缺少電壓信息，且拓撲結(jié)構(gòu)變化會導致保護背側(cè)阻抗改變，輸電線路中常用的工頻變化量距離保護難以直接用于微電網(wǎng)。因此，本文首先對微電網(wǎng)中電流的工頻變化量特征進行分析。

圖1為一個4節(jié)點簡單微電網(wǎng)，其中節(jié)點M與系統(tǒng)電源相連，其余三處節(jié)點中各接有一個DG。

圖1 簡單微電網(wǎng)示意圖

本節(jié)以圖1中線路MN作為被保護區(qū)段，f1點為區(qū)內(nèi)故障，f2點為區(qū)外故障(為便于后續(xù)分析，設(shè)f2點位于線路NP中靠近節(jié)點N的位置)。首先尋找環(huán)網(wǎng)中的功率分點將其解環(huán)，然后通過疊加定理將其等值網(wǎng)絡(luò)分為故障前網(wǎng)絡(luò)與故障附加網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。雖然光伏電源等逆變類DG中含有非線性控制模塊，嚴格來講不能使用疊加定理進行分析，但由于保護需要在故障后極短時間內(nèi)切除故障，在該時間段內(nèi)仍可將電網(wǎng)近似視為線性系統(tǒng)[12]。

(a) 故障前網(wǎng)絡(luò)

(b) 區(qū)內(nèi)故障的故障附加網(wǎng)絡(luò)

(c) 區(qū)外故障的故障附加網(wǎng)絡(luò)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

為簡化分析，假定兩側(cè)線路阻抗角和系統(tǒng)阻抗角均相同并忽略線路電阻，則由上述公式可推出區(qū)內(nèi)外故障時電壓電流的相量關(guān)系如圖3所示。

(a) 區(qū)內(nèi)故障

(b) 區(qū)外故障

圖3中，Φm和Φn分別為故障后M側(cè)與N側(cè)工頻電流變化量的角度。由圖3可知，定義順時針旋轉(zhuǎn)為正，區(qū)內(nèi)故障時Φm為正，Φn為負；區(qū)外故障時，Φm與Φn均為正。

(a) 區(qū)內(nèi)故障

(b) 區(qū)外故障

由圖4可以看出，此時發(fā)生區(qū)內(nèi)故障Φm為負，Φn為正；發(fā)生區(qū)外故障Φm與Φn均為負。與圖3對比可知，無論發(fā)生區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障，故障前負荷電流的流向改變時，兩側(cè)工頻電流變化量的旋轉(zhuǎn)方向?qū)淖儯嬖谝韵绿卣鳎簠^(qū)內(nèi)故障時Φm和Φn一正一負;區(qū)外故障時Φm和Φn同為正或同為負。因此，可利用該特征構(gòu)造保護。

2 基于相電流工頻變化量極性的保護原理

由上一節(jié)分析可知，通過線路兩側(cè)工頻電流變化量的方向可識別區(qū)內(nèi)外故障。為進一步降低縱聯(lián)保護通信量，定義兩側(cè)電流工頻變化量極性分別為PM和PN，以M側(cè)為例，PM的表達式如下：

(11)

式中，θ為裕度角，可防止保護誤動。

上述分析是以單相系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，在實際三相電網(wǎng)中應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)上述規(guī)則進一步定義各相電流的工頻變化量極性。以M側(cè)為例，定義三相電流的極性分別為PM.a、PM.b、PM.c，三者的取值規(guī)則與單相系統(tǒng)中的PM相同。在三相系統(tǒng)中M側(cè)的總極性P3M可由三相電流的極性確定，具體表達式如下：

(12)

同理，可求出N側(cè)電流總極性P3N。線路兩側(cè)的保護裝置通過本地相電流工頻變化量極性判斷出本側(cè)的電流總極性后，僅需向?qū)?cè)裝置發(fā)送總極性信號。各側(cè)的保護裝置收到對側(cè)總極性信號后，由兩側(cè)總極性的乘積判斷是否發(fā)送區(qū)內(nèi)故障：若P3M·P3N的值為-1，則判定發(fā)生區(qū)內(nèi)故障；否則，判定未發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

為驗證所提保護方案在微電網(wǎng)各種運行模式下的有效性，利用仿真軟件PSCAD搭建了如圖1所示的微電網(wǎng)模型。該模型為10 kV中性點非有效接地系統(tǒng)，系統(tǒng)變壓器的短路容量為100 MVA；DG1為一臺額定功率為4 MW的風力發(fā)電機，DG2、DG3均為額定功率為2 MW的光伏電源；節(jié)點M、N所接負荷的容量為2 MVA，節(jié)點P、Q所接負荷容量為3 MVA，各負荷的功率因數(shù)均為0.95。各條線路的長度均為2 km。本文中裕度角θ取5°。

3.2 并網(wǎng)運行時的仿真結(jié)果

當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行時，在f1點設(shè)置金屬性三相短路故障，利用離散傅里葉變換和全周相減法，可得線路MN、NP兩側(cè)的相電流工頻變化角度，如圖5所示(故障發(fā)生于0.2 s)。

由圖5可以看出，故障發(fā)生前各保護處的三相電流的變化角度均接近于0，小于裕度角，保護不會誤動作；對于故障區(qū)段MN，故障發(fā)生后保護R1處三相電流的工頻變化角度均大于0，保護R2處均小于0；對于非故障區(qū)段NP，保護R3和R4處的角度均大于0(由于非故障區(qū)段兩側(cè)變化曲線相同，圖5(b)中虛線與實線重合)。由于0.23 s后各角度曲線均趨于穩(wěn)定，因此記錄該時刻各保護處的三相電流工頻變化角度和電流極性關(guān)系，如表1所示。

(a) 線路MN

表1 并網(wǎng)時f1點三相短路的仿真結(jié)果

由表1可以看出，除故障線路MN外其余線路兩側(cè)的電流總極性均相同，因此所提保護方案能夠正確識別故障區(qū)段。

3.3 孤島運行時的仿真結(jié)果

在孤島運行模式下，斷開保護R0處對應(yīng)的斷路器，并將各節(jié)點處的負荷縮小為原容量的80%。此時設(shè)置不同條件的故障，其中f2點發(fā)送三相短路時的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 孤島時f2點三相短路的仿真結(jié)果

由表2可以看出，與并網(wǎng)運行相比，孤島運行時部分線路的負荷電流方向發(fā)生了變化，但在故障發(fā)生后所有線路仍滿足故障區(qū)段兩側(cè)極性相反、非故障區(qū)段兩側(cè)極性相同的規(guī)律。因此，所提保護方案能夠在孤島運行時正確識別故障區(qū)段。

4 總結(jié)

針對微電網(wǎng)特殊的運行方式及故障特性，本文分析了微電網(wǎng)中電流工頻變化量的特征，并提出了一種基于相電流工頻變化量極性的縱聯(lián)保護方案。通過理論分析與仿真驗證，可得出以下結(jié)論：所提方案在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行時均能正確識別各類故障，不受負荷電流方向的影響；該方案中，本地保護裝置判斷出本側(cè)電流總極性后，僅需向?qū)?cè)傳遞一個表征極性的簡單信號，無需數(shù)據(jù)嚴格同步，對通信要求較低；該方案僅利用電流信息，無需在微電網(wǎng)各個節(jié)點安裝電壓互感器，易于實現(xiàn)。