含分布式电源的配电网馈线系统保护研究

陈 冲 ，陈小伟 ，沈明慷 ，申 丹

(1.江苏省电力公司检修分公司苏州分部，江苏 苏州 215000；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

智能配电网 (SDG)是智能电网的重要组成部分，允许大量的分布式电源（DG）接入也是智能配电网区别于传统的配电网络的一个重要特征[1]。配电网接入DG以后，不再是纯粹的单电源、辐射型供电网络。当线路发生故障时，配电网中的短路电流大小和方向以及重合器的动作行为都会受到DG的影响。如何在故障发生时快速地切除DG,并准确地定位,隔离故障点将是SDG发展的内在要求。

配电网馈线系统保护是建立在配电自动化和具备良好通信功能的FTU的基础之上。它通过在多于2个的FTU之间相互交换故障信息，并在FTU中完成对故障信息的计算，并且向相邻开关发出跳合闸命令，现实故障点的就地隔离和故障恢复。系统保护将故障处理功能下放到FTU，能够实现故障的一次性就地处理，速度快可靠性高。系统保护在配电网馈线层故障处理的优越特性将成为未来智能配电网保护的主保护[2]。目前的微机保护装置中常用基于电流相位比较的方法判别故障方向，该方法无法满足系统保护作为主保护的快速性要求。因此，本文提出了基于瞬时功率的保护启动元件以及故障方向判据的系统保护算法。

1 含DG的馈线系统保护原理

1.1 DG对系统保护的影响

基于系统保护模式的含DG的馈线自动化系统如图1所示。在线路的c区段引入了一个DG。DG的引入使馈线1的各区段不再是单电源网络。DG对配电网系统保护的影响：例如当b区段发生故障时，在DG接入前，线路故障电流只有从系统电源流向故障点的一个方向，B13不经历故障电流；而接入DG后B12，B13都将流过故障电流，系统保护将无法实现故障定位和隔离。而在故障恢复时，由于DG的存在，联络开关H12左端因有压将继续保持在分闸闭锁状态，故无法恢复非故障区段的供电。

图1 DG对配电网系统保护的影响

1.2 原理分析

由上述分析可知，含DG的配电网系统保护必须考虑故障方向的快速判别和DG的快速切除。以图1典型系统为例，当b区段发生故障时，其故障处理流程为：

（1）当FTU检测到故障电流，保护启动元件启动FTU11，FTU12和FTU13同时计算故障状态量；DG自身保护检测到故障电流，经设定延时切除DG使其脱离系统。

（2）经计算开关 B11，B12，B13 都经历故障电流，以短路电流从母线流向负荷为故障正方向，则B11，B12为功率正方向，B13为反方向。

（3）B11，B12 生成故障标志“1”，B13 故障标志“0”，3个开关对应的FTU相互通信交换故障标志。

（4）FTU11检测到 FTU12故障标志为 “1”，则不跳闸出口；FTU12检测到右侧相邻FTU13的故障标志为 “0”，则跳闸出口；FTU13右侧为联络开关H12直接跳闸出口。

（5）B12在跳开后立即重合一次，若重合成功则表明瞬时故障，在将信息传递给FTU13，B13重合；重合不成，则B12再次跳闸并闭锁，并向FTU13发闭锁命令，至此故障隔离。

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（6）FTU4在定值时间内监测到左侧失压，在判断负荷情况后合闸，非故障区段供电恢复，DG恢复供电。

系统保护对于故障处理过程可概括为保护启动、故障判别、相互通信、协同动作。系统保护主要通过FTU实现故障检测、快速故障隔离，进行简单的供电恢复操作，复杂的负荷转移由配网主站、子站来配合实现。

2 基于瞬时功率的系统保护算法

2.1 瞬时功率计算

传统馈线过流保护设置在变电站出口断路器处，一般整定为200 ms。作为主保护的系统保护必须在200 ms内完成故障处理。因此，系统保护的快速性应具有快速的通信机制、高性能的保护装置（可以嵌入在FTU功能中），在保护启动算法以及故障方向判别算法的快速性要求将更高。SDG的发展，未来的配电网将配置有各种智能开关和传感器。馈线三相电压、电流的全面采集，为基于Clarke变换的瞬时功率的故障特征量计算创造了条件。瞬时功率都是直接利用电压、电流的瞬时采样值计算，对滤波器要求不高，算法本身也不涉及复杂的复数计算，是一种快速特征检测算法[3]。

Clarke变换是当θ=wt=0的Park变换，其思想是将三相静止的abc坐标系变换到两相静止的αβo坐标系。Clarke变换式为：

式（1）中：C是Clarke变换矩阵。在恒功率变换准则下和三相三线制系统中，零轴分量为0，可以忽略不计，Clarke变换矩阵用C32表示：

设三相电路的瞬时电压和瞬时电流分别为ua，ub，uc和。 经过 Clarke 变换后，得到两相瞬时电压 uα，uβ和电流 iα，iβ：

α轴、β轴相互垂直，瞬时功率的定义为：

基于Clarke变换的瞬时功率计算，都是对电压、电流的瞬时采样值进行计算，变换的过程也不涉及复数运算，运算量小，速度快，实时性强。其中式（5）分别是瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义。本文分析和仿真结果是基于瞬时功率的保护启动元件以及基于瞬时功率极性的故障方向判据利用的是瞬时功率的有功分量。

2.2 基于瞬时功率的保护启动元件

正常运行状态下，式（6）的理论值接近于0，考虑到负荷波动情况以及各种误差因素，为避免误启动，必须设定一门槛值，其整定要求考虑到负荷波动引起的最大不平衡输出，因此基于瞬时有功突变量的判据为：

kf为可靠系数，为防止干扰，设定只有连续检测到4个采样点的瞬时功率超过定值，元件方能启动，提高保护的可靠性。瞬时有功的突变量启动需要连续计算并连续识别是否发生突变。

2.3 基于瞬时功率极性的故障方向判断

基于瞬时有功功率的定义，给出当电压和电流均为正弦波形的瞬时功率的计算，结合式（5）可得：

规定流过FTU的电流从母线指向线路，正方向发生短路故障时，短路电流滞后母线电压的相角为φk1大小为-90°＜φk1＜90°。 反方向故障时，短路电流滞后母线电压的相角为φk2，大小为180°＜φk2＜270°。可以看出当正向故障时，瞬时功率p=3U1I1cos（φu-φi）＞0；反向故障时瞬时功率 p=3U1I1cos（φuφi）＜0，因此可以采用基于瞬时功率极性来判别故障方向。在50 Hz频率下，一个工频周期时间为20 ms，设一个工频周期内采样点数为Ns。故障分量在故障后的一个周波内最为明显，在这里故障判据采用1/4周波内数据，即判断连续/4点的平均瞬时功率的极性，该判据能在5 ms内给出了故障方向，判据为：

3 仿真及分析

3.1 仿真模型

含DG的10kV馈线系统保护仿真模型如图2所示。

图2 含DG的10kV馈线系统保护仿真模型

线路分布参数设置如下：正序阻抗Z1=（0.17+j0.38）Ω/km，正序容纳 Y1=3.045 μS/km；零序阻抗Z0=（0.23+j1.72）Ω/km， 零序容纳 Y0=1.045884 μS/km；系统阻抗Z=（15+j170）Ω；三相对称负荷L=（19.55+j12）Ω，系统电源侧用三相无穷大电源等效。DG容量为10 MV·A。每个工频周期采样100点，采样频率为5 kHz，每个电流互感器（TA）处配置FTU。

3.2 含DG时瞬时功率突变情况

仿真设置在t=0.1 s时发生永久性短路故障，各FTU检测到故障瞬时功率在短路时刻应该有一个功率瞬时值的突变量。短路故障时FTU检测到的瞬时功率突变量如图3所示。

图3 短路故障时FTU检测到的瞬时功率突变量

由图3可知，在正常时，曲线平缓，变化量接近于0；故障时，都有一个较明显的激增。由于DG的存在，FTU4短路后功率方向的改变，因此，FTU4检测到的突变量更加明显，瞬时功率作为突变量有足够可靠的裕度。

3.3 不含DG时瞬时功率分布

不含DG时系统是单电源供电网络，短路点F1处电流由系统电源注入。当发生三相短路故障时，FTU1，FTU3，FTU4所测得的短路电压和电流波形如图4所示，在t=0.1 s时，故障发生其电压下降，其中离系统电源越远的电压降越厉害，电流升高，离系统电源越近电流越大。由于故障点位于FTU4之前，因而流过FTU4的故障电压、电流很小，几乎为0。

图4 F1处三相短路时电压和电流录波

各FTU检测的瞬时功率波形如图5所示。

从图5可知，由于FTU1，FTU2都位于故障正方向位置，在故障发生时，瞬时功率都大于0，并且有一个正的突变量。而故障发生后由于FTU4未有注入电流，流过的瞬时功率为0。

图5 各FTU检测的瞬时功率波形

3.4 含DG时瞬时功率分布

在馈线L1段母线E接入一分布式电源后，系统将成为一个双电源供电网络，当故障发生时，短路点F1将有DG注入的短路电流，而FTU4也将检测到故障功率流过，此时区分各FTU流过的故障功率方向尤为重要。当F1处三相短路时，FTU1，FTU2，FTU4所测得的短路电压和电流波形如图6所示。

图6 含DG系统三相短路时电压和电流录波

由图6可见，当含DG时，FTU4处依然能检测到一个较大的电压，流经一个较大的故障电流，且该故障电流的相位与流经FTU1，FTU2处的相反。含DG系统三相短路时瞬时功率情况如图7所示。

图7 含DG系统三相短路时瞬时功率情况

由图7可看出，FTU1，FTU2在规定故障正方向上，检测到的瞬时功率大于0，在故障时刻有一个向正方向上的突变；FTU4由于DG的存在，提供了一个反方向的故障电流，因此其检测到的在故障后其流经的故障功率为负，在故障时刻有一个负方向的突变。

4 结束语

DG存在改变了配电网故障潮流的大小和方向。本文考虑在SDG中将大量的接入DG，并且能够实现电气量的全面测量的特点，以及SDG要求故障处理应更加快速准确。认为配电网馈线系统保护通过对等通信机制，就地快速定位、隔离故障，将成为配电网中的馈线主保护。同时在含DG的系统保护算法上提出了基于瞬时功率的故障启动元件以及故障方向判据，基于Clarke变换的瞬时功率特征量计算依据电压、电流的瞬时值，运算量小、速度快、实时性好，能够快速启动保护并判别故障潮流方向。通过建立10kV馈线环网的ATP-EMTP模型进行仿真试验，其可行性和可靠性得到了验证。

[1]徐丙垠，李天友，薛永端.智能配电网与配电自动化[J].电力系统自动化，2009，33(17)：38-41.

[2]焦振有，焦邵华，刘万顺.配电网馈线系统保护原理及分析[J].电网技术，2002，26(12)：75-78.

[3]刘进军，王兆安.瞬时无功功率与传统功率理论的统一数学描述及物理意义[J].电工技术学报，1998，13(6)：6-11.