分布式电源接入的配电网继电保护研究概述

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　350116)

1　引言

2015年11月国家电网公司发布《全球能源互联网》[1]提出建立以清洁能源为主导的新型能源体系，使得清洁能源替代传统化石能源成为发展趋势，清洁能源如太阳能、风能等以DG的形式接入配电网。根据国家电网公司《分布式电源接入电网技术规定》[2]，为了满足电流保护的选择性，要求DG能检测到电网侧的故障并在故障情况下保护装置能迅速将其从电网断开，很显然这样会影响DG发电的优势，因为一旦发生故障就切除DG会极大的降低其利用率，且有违在电网出现紧急故障时DG提供电源支持的初衷。

随着DG容量的不断增大，DG接入对电网安全稳定运行造成了很大的影响，尤其是大规模脱网事故的发生会对电网的正常运行带来严重的不良影响。为了保证电网和DG的安全稳定运行,国家电网公司关于《光伏电站接入电网的技术规定》[3]明确要求大中型光伏电站应具备低电压穿越运行(low voltage ride through，LVRT)能力，即应具备耐受电压异常的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电能损失。所以现在国内外学者对含DG发电的配电网保护研究主要集中在故障时不切除DG的解决方案上，如限制DG输出的故障电流、限制DG接入容量、加装方向元件等等。目前面临的问题主要有：DG控制运行特性复杂、电流整定混乱、传统方向判断不适用、保护互联管理紊乱等。

2　DG对保护的影响

随着DG的接入，配电网由单电源辐射状网络转变为多源复杂网络，是导致原有保护不再适用的根本原因。其次，DG如光伏发电装置、风力发电机组、燃料电池等大都通过逆变器调节与控制馈入电网，含有大量电力电子装置，其设计和应用都不允许大电流通过，短路电流为正常电流的1.2～2倍[4]，造成电网短路容量不足即缺乏过载能力。同时电力电子装置的开关在频繁开断过程中容易产生某些高次或非周期谐波，使得原有继电器滤波的硬件与软件满足不了滤波要求。另外在并网状态发生改变时，即并网与孤岛运行时，电流变化特征截然不同，导致保护在两种状态下不能同时有效。因此电流整定变得更加复杂，灵敏度降低，保护拒动或者误动，严重影响电网安全可靠的运行。

2.1　电流变化对传统保护的影响

传统配电网由于不存在电流方向变化的问题，通常只配备不带方向的三段式电流保护，即：电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护。配电网中接入DG，如图1所示，无论接入点位置如何，只要故障发生在DG下游且DG注入功率都会导致下游保护检测到的电流增大，上游保护检测到的电流减小。研究表明，DG注入的功率越大，流经下游保护装置的电流也就越大，经上游保护装置的电流越小。当DG功率达到一定程度时，其上游保护装置的电流会出现小于零的情况，即方向变为由DG侧流向系统侧。若故障发生在DG上游，DG侧电流流向故障点，由于没有保护装置，故障将无法切除。因此，DG接入会造成保护灵敏度下降、下游保护失去配合、上游保护失去方向性等问题。

图1　DG接入的配电网下游故障简化示意图

2.2　对自动重合闸的影响

配电网自动重合闸能迅速的将故障切除恢复供电，提高电力系统供电可靠性的同时可以减少电网维护的工作量。但是当DG接入配电网后，在进行自动重合闸动作时，若DG没有被切除，DG的存在会延长故障点的故障时间，引起故障点的电流出现跳变造成电弧重燃。另一方面，电网电源切除后，DG孤岛运行，重合闸时会出现合闸不同步。以图2为例，线路采用前加速合闸方式，K1、K5装设自动重合闸装置。无论F1还是F2发生瞬时性故障，在没有DG的情况下，自动重合闸装置都能正确重合。接入DG，若DG容量较小，F1发生瞬时性故障，K5可正确动作将故障切除并重合成功。若DG容量较大，DG提供的短路电流较大，即向故障点送出的短路电流增大，K1处有反向短路电流通过，K1自动重合闸装置可能误动作。F1发生永久性故障时，K5重合失败，保护依照对应时限动作。DG接入，F2发生瞬时性故障，K1动作断开故障点，此时系统不再向其供电，而DG仍然继续向故障点提供短路电流，电弧不能立即熄灭，瞬时性故障可能发展为永久性故障。

图2　DG接入对自动重合闸影响示意图

3　含DG配电网的保护研究

3.1　DG故障电流分析

分布式电源复杂的故障电流特性和随机性、间歇性的出力特征给原有的故障检测和保护整定方法带来巨大挑战，会造成故障无法准确判断从而引起保护拒动或者误动。在传统的电网故障分析中，电源模型一般以交流同步电机为主，而分布式电源馈入电网后，故障电流的暂态分量、衰减特性相比传统电源发生了很大的变化，使得传统电源模型与短路电流分析方法和理论难以适用于分布式电源接入的配电网。

文献[5]将不同类型的分布式电源当做PV、PQ、PI和PQ(V)节点，利用补偿法和前推回推法，提出含DG配电网三相故障计算的叠加方法，但此方法只适用于辐射状网络或弱环网。文献[6]分别对基于PWM逆变器、同步发电机和异步发电机的3类分布式电源在电网故障后的动态特性进行了研究，并提出短路处理方案，但并未对分布式电源控制器的响应特性进行研究。文献[7] 提出了一种低压穿越控制策略的逆变型分布式电源(IIDG)的压控电流源等值模型，通过建立故障前后电网支路电流和节点电压的关系方程求解电压电流，改进了含IIDG的配电网故障分析方法。但该文献只分析了对称故障，并未对不对称故障进行解释。文献[8]不仅对低压穿越控制策略对短路电流的影响机理进行研究，同时考虑了控制策略的双馈风力发电机组故障期间暂态模型，并建立了双馈风力发电机组短路电流计算的等效模型，为双馈风力发电机接入对保护动作特性影响研究提供了理论依据。文献[9]在两相静止坐标系下建立双馈风力发电机组的动态模型，提出一种简易精确的定子绕组磁链简化计算模型，进一步得到故障电流的等效计算模型，仿真表明此模型在对称或者不对称故障情况下都适用。A.El-Naggar考虑了控制器影响的短路电流，首次提出基于闭环传递函数的短路计算数学模型，同时推导出含有时间常数和频率的近似表达式[10]。

综上所述，虽然国内外学者对分布式电源接入配电网的故障分析进行了大量的研究并取得了一定的科研成果，但实际上清洁能源在空间分布和时间尺度上随机波动较强，目前的研究基本上都是建立在简化模型基础上的进行的，与实际情况存在一定差距，因此需要进一步研究提出满足含分布式电源接入的配电网的故障分析方法和理论，为后续继电保护的原理、整定原则、配置方案提供理论基础。

3.2　传统保护方法的改进

(1)电流保护

由上文可知原有的过流保护整定方法无法应用于含DG的配电网中，最简单的方法是对原有整定方程进行改进。文献[11-13]利用反时限过流保护方案进行保护，其中文献[12]引入低电压加速因子修正动作方程提高了动作速度，无需切换保护定值就可以满足选择性和速动性的要求且适用于并网和离网两种运行状态。在此基础上，文献[13]取上级保护处的电压作为加速因子改变动作方程中时间常数，保证上下级保护配合特性的同时加速了保护的动作时间。

然而由于DG接入地点、时间、容量、类型的不确定性以及潮流方向的变化，会使保护装置的逻辑变得复杂，并且只根据本地信息进行识别，误差大，保护的速动性和可靠性受到影响，基于此，保护应结合故障类型，电源类型，容量等信息进行智能处理，融合新的算法才能确保电流保护正常作用。如文献[14]提出一种基于自适应电流保护协同因子的区域后备保护算法。定义了自适应电流保护效用度，并将其作为权重建立了自适应电流保护协调度函数和期望函数，然后将两函数的比值定义为自适应电流保护协同因子，以此来判断故障。该算法不仅能灵活地应对故障类型变化而且在信息高位缺失或错误的情况下仍能对故障进行准确判断并动作，对信息同步要求低且有较好的容错性。

自适应电流保护能识别在不同状态下的故障并进行动作，大大提高了保护的可靠性。下一步我们应该将目光转向如何通过获取尽量少的信息来优化自适应保护，在电网运行方式发生变化时，能够及时更正与调整定值，使得保护变得更加精准与快速。

(2)方向判断

为避免因潮流方向变化引起保护装置的误动或拒动，需要加装带方向的保护。现有的方向元件有功率方向元件、能量方向元件、序分量方向元件等，这些元件都需要使用电压电流来判断故障方向，如功率方向元件需要通过计算保护安装处电流与非故障相电压的夹角来判断方向。但DG接入后，故障电压电流受电源控制策略影响，在电压很小甚至接近零时会出现“电压死区”，容易引起错误动作。文献[15]利用正序故障电流和故障前电压相位信息，并对故障时制动特性做出了动态调整，有效避免了传统功率方向元件电压死区的问题。文献[16]通过比较本段电流与同一母线上其他线路电流的极性进行方向判断，此方案只需采集电流无需电压信息，可同时对线路和母线进行保护，但需掌握多条馈线上电流的信息量。

(3)距离保护

传统的距离保护受到DG接入的影响，测量的故障线路阻抗要大于实际值，从而造成保护范围缩小，灵敏度降低。文献[17]提出了一种基于线路模型和故障距离迭代的新型距离保护方案，此方案相比于传统距离保护精确度有所提高，但牺牲了计算速度。文献[18]提出一种基于过渡电阻倾斜角估计的光伏并网自适应距离保护，仿真验证过渡电阻倾斜角完全由光伏电站等效阻抗决定，采用向量图获得短路阻抗并给出了距离保护的新判据，减小了因过渡电阻的存在对光伏并网距离保护中测量阻抗的影响。文献[19]提出了一种基于母线上导纳变化的保护方案，以测量导纳的幅值为判据，以导纳相角的变化作为辅助判据，可以有效地区分微电网的区内外故障，实现故障的检测与定位。

距离保护需要同时测量电压和电流，同步性要求极高，且测量阻抗或测量导纳不仅仅取决于过渡电阻也取决于配电网的结构与运行工况。在含DG的配网中，网络结构与运行状态灵活多变，致使距离保护很难满足要求。

(4)纵联差动保护

理论上讲，纵联差动保护利用双/多端电气量，能够保证保护具有绝对的选择性。不管是开环还是闭环，并网还是离网，只要找到合适的特征量都能准确的判断故障并进行保护，同时可以降低保护系统的实施难度。文献[4]提出基于故障线路两侧电流幅值差异比较的配电网新型保护方案，同时制定相应的动作-制动特性方程。该方案只需提取电流幅值无需电流相位，降低了对通信技术的要求。文献[20]提出了基于电压启动、搜索最大电流正序故障分量的检测方法，结合传统差动保护设计了不需要整定电流阈值，不依耐短路电流幅值，适用于微电网并网和离网模式的光伏微电网综合保护策略。在通信故障、主保护拒动的情况下该策略仍然适用。

3.3　新型保护方法

近年来，我国各级电网快速发展，对智能电网的需求十分迫切，建立以信息化、自动化、互动化为特征的电网成为未来电网发展的趋势。引入计算机技术、通信技术可实现智能保护终端(Intelligent Electronic Device IED)设备同步采样，区域电网集中式保护，从而对DG、配电网、负荷进行主动协调控制和管理，这也是未来全球分布式发电技术研究的热点和发展方向。在此背景下，国内外学者对新型保护的功能与实现手段进行了大量研究。

文献[21]从保护策略层面而非算法层面出发，提出基于电流幅值的“充分式”保护方案新思路，使得保护变得简单易行，但是这种方案只考虑了大概率型故障，不能对所有故障进行判断，牺牲了保护的选择性。文献[22]利用通用面向对象变电站事件(GOOSE)在保护之间交换方向闭锁信号，实现保护的选择性。该方案简单有效，可适用于含DG闭环和开环的配电网，也允许配电网工作在并网和孤岛等模式。文献[23]提出了一种基于带方向的故障电流判别自适应保护方法，将网络拓扑结构实时转化为节点路径图，采用节点搜索方法和节点路径算法对保护动作值和动作时限进行自适应整定，满足微网多变性和灵活性的要求，但电流整定过于简单不满足实际情况。文献[24]定义了微网区域(PA)的概念，通过比较PA在故障前后综合电流的变化得到PA的故障特征，提出边方向变化量保护原理，进而建立了边方向保护算法。文献[25]提出一种基于方向权重的广域保护跳闸策略。根据网络拓扑及正序电流相量信息构造节点-支路关联矩阵，再根据故障判别结果和断路器判别结果构造元件-断路器关联度向量，最后通过关联度向量识别并跳开关联断路器实现保护动作。文献[26]定义了差动环和差动环动态扩展的概念，利用扩展环差动保护解决保护失灵等问题。

文献[27]通过改造向量测量单元(PMU)等检测装置，应用隔离算法检测不同的运行模式并进行自适应保护从而实现实现保护技术提升，该方案不需要大规模的改造配电网，大大降低了成本。文献[28]在每条馈线终端设置区域控制器，通过区域控制器将数据汇集到中央控制器，将保护算法集成到中央控制器的保护模块中，实现保护与控制相结合，给未来保护提供了新思路。文献[29]介绍了一种集成控制的分级协调的广域保护系统。但是此方案必须对每一个模块进行协调控制，增加了保护的复杂性。文献[30-31]利用大数据对电网进行检测、保护与控制，提高了电力系统保护的可靠性。文献[32]利用通信技术和网络技术提出一种高渗透率的主动配电网保护算法，收集各测量点Agent的信息判断故障区域并向上级发送判断结果信号，并实时更新关联矩阵。此方法不仅可以作主保护而且有后备保护的功能。

图3　典型智能配网终端示意图

综上所述，以上保护是基于配网自动化信号和终端测量信号两类信号，采用节点搜索法、关联矩阵法、特征匹配法、数据挖掘等广域信息处理的新型保护保护方法。虽然保护功能强大，但随着电网规模越来越大，越来越复杂，采集的节点增多，数据传输距离也增长，海量的信息处理和技术要求会严重影响保护的性能，一旦通讯系统出现错误，会导致整个保护系统崩溃。另外，这些方法要获得实际应用必须解决诸如系统振荡导致方向判别困难、网络复杂导致动作逻辑复杂、数据采集或传输出错导致保护误动等各种关键技术问题。

4　结语

继电保护作为保障电网安全运行的第一道防线，必须做到能准确识别不同状态下的故障并快速采取相应措施。当电网发生故障时，相邻的信息对故障的判断至关重要，较远的信息影响很小，所以利用分层或分区对信息进行划分再进行处理对保护来说是必要的。这样不仅解决了海量信息处理计算量大的问题而且克服了仅利用本地信息误差大的问题。因此对含DG的配电网来说应遵循分区各司其职，区域之间运行结果共享，相互协调的原则，避免集中处理时间延迟，单独处理受其他区域影响，实现保护策略的最优化。

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