基于用户自定义特征的反时限有源配网保护方案*

李嘉恒，任惠，师璞，孙辰军，王飞，4

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003；2.国网河北省电力公司保定供电分公司，河北保定071000；3.国网河北省电力公司，石家庄050000；4.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084）

0 引 言

传统的配电网是单一电源的辐射型网络，一般配置三段式过电流保护，而保护的选择性是依靠各段过电流保护的不同时限配合来实现。对于靠近电源的故障，需要更长的延时来切除故障［1］。而分布式电源的接入改变了配电网的结构，使得传统配电网转变为有源网络；其潮流与故障电流均可能双向流动，大小和方向均具有不确定性［2］。因此，分布式电源的接入给传统的三段式过电流保护的灵敏度和选择性带来了一些挑战。

文献［3］提出一种确定DG准入容量的分析方法，考虑了DG短路电流衰减特性和配电网保护，通过限制DG的容量和并网位置来减小DG对配网保护的影响，但这忽略了DG并网的目的，即提高配网的稳定性，加大清洁能源的利用力度。文献［4］提出一种利用故障限流器（FCL）来限制DG提供的短路电流的配网保护策略，但是这种策略存在一定的问题，即发生故障时，会减少DG对配网稳定的支持力度。文献［5］提出一种利用电压因子的低电压加速反时限保护方案，可以加快线路出口故障时保护的动作，但是由于涉及到了故障电压的对比计算，保护实现的复杂度增大。

为解决含DG配电网的保护问题，有关反时限过电流保护，国内外学者做了大量的研究工作［4-15］，但大部分文献在考虑配电网保护方案时都默认所有的保护有着相同的反时限电流-时间曲线，一般都是国际上通用的常规反时限电流-时间曲线。然而很多数字继电器除了可以提供常规反时限曲线还可以提供其他不同类型的反时限曲线，其中一些数字继电器还可以提供根据用户的自身需求自定义的反时限曲线［16］。文章以此为基础，针对有源配电网提出一种基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案，此方案能够保证反时限过电流保护在DG的出力变化时仍满足继电保护选择性和快速性的要求。

1 有源配网的特点和其对保护的要求

由于DG的大量接入，使得配电网的功率和故障电流都可以双向流动，其运行特征和故障特征都发生了根本性的变化，传统的故障分析和继电保护方法对有源配网已经不再适用，都需要调整和相应的改进。

对于通过逆变器连接配电网的DG，其逆变器有不同的控制方式，因而DG提供的故障电流也有着不同的特性。为了避免线路故障时流过逆变器的短路电流过大，一般控制电路会把DG的输出电流控制在额定电流的1.5倍～2倍［17］。另外，DG出力的随机性也会造成有源配网短路电流数值在一个较大的变化范围内波动，这都严重影响了保护的整定和配合。

在国外，相关机构制订了DG并网的一系列标准，要求在配网故障时实现故障的快速切除，保证DG的安全和用户供电的可靠性。因此对于配网的安全运行，故障时保护的快速动作意义重大。

针对有源配电网对保护的要求，有学者提出基于数据自同步和对等通信的电流差动保护的方法来解决DG接入带来的难题［18］，但是种方法容易受到通信传输速度和通信可靠性的影响，增加了保护的投资成本和运行复杂度。所以在能够最大化减少投资成本或最好不改变原有配网保护的情况下，研究能够适应DG出力随机变化的保护方案是有源配网保护的必然要求。

2 反时限过电流保护在配电网中的应用

反时限过电流保护是动作时间与被保护线路中电流大小有关的一种保护，当电流大时保护的动作时间短，电流小时动作时间长，因而具有自适应的反应故障严重程度的能力。而三段式电流保护，有时由于受到系统运行方式的影响，往往不能同时满足灵敏度和动作范围的要求。因此反时限过电流保护被广泛应用于中低压配电网的线路保护［19-22］。

典型反时限电流-电压曲线如图1所示。

图1 IEC 60255标准的反时限特性曲线图TDS＝1Fig.1 IEC 60255 inverse time overcurrent relay characteristics curve at TDS＝1

根据IEC 60255标准，反时限特性的公式为：

式中t是动作时间；A是常数，表示反时限继电器的特性；B也是常数，表示反时限的类型；TDS是继电器的时间整定系数，不同的时间整定系数用以使特性曲线上下平移，如图2所示，Ip是启动电流。

图2 不同TDS时的常规反时限特性曲线Fig.2 Typical time/current characteristics curve of standard inverse time overcurrent relay with different TDS

根据IEC 60255标准，参数A、参数B根据不同的反时限类型有固定的标准值，一共有四种类型，如表1所示。

表1 不同类型的反时限曲线参数值Tab.1 Different types of inverse characteristics curves

在线路上应用反时限过电流保护时要注意上下两级保护的配合，上下两级保护的配合点是下级线路保护的出口，即下级线路出口短路时上级线路保护要有足够的延时来满足选择性的要求。另外，当系统运行方式改变时短路电流也会随之改变，所以也要保证系统在最小运行方式下发生故障时保护的快速动作。

由于DG出力的随机变化，有源配电网短路电流数值会在一个较大的范围内变化，此外短路电流的方向也可能会发生改变。由图3所示，用具体的有源配电网作为例子来讨论反时限过流保护应用的可行性和存在的问题，S表示等效的配网系统，DG表示分布式电源。

图3 有源配电网结构Fig.3 Structure of active distribution network

由于DG出力的随机性，其输出功率可能在额定输出功率的0～100%之间变化。对于传统的反时限过电流保护方案，其整定原则是考虑接入母线C的DG在最大出力条件下对各保护进行整定并满足上下级保护的配合关系。下面分析DG出力的变化对传统反时限过流保护的影响。

（1）对DG下游保护（R3、R4）的影响：当DG出力小于最大出力时，DG下游线路DE发生故障，流过保护R3和保护R4的短路电流相比整定情况会有减小，会使按照DG最大出力时整定的保护R3和R4动作时间延长，不利于故障的快速切除。

（2）对 DG上游保护（R1，R2）的影响：当 DG上游线路AB发生故障时，DG提供的短路电流流过保护R2，如果其短路电流大小大于启动电流值则保护R2在反方向故障时将会误动作。

3 基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案

对于传统反时限过电流保护，所有保护有相同的反时限电流-时间曲线，常数A、B都是固定的标准值，只有启动电流Ip和时间整定系数TDS这两项参数可以设定。但有源配电网中的DG出力变化有随机性，使得不同状态下系统电源容量及故障电流水平相差较大，不利于传统反时限保护的快速动作。

数字反时限过流保护继电器可以在一定范围内设置参数变量，并不局限于四种标准曲线，用户可以根据实际电网，自定义一些满足自身要求的反时限动作曲线。因此，基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案考虑把A和B也当做连续的变量，这样对于反时限过流保护来说，就有了四项可以设定的参数，即 TDS、Ip、A、B。以各保护的出口故障时，所有保护动作时间之和最短为目标函数，利用Matlab优化工具箱fmincon函数即内点法对反时限过电流保护的四项参数进行优化，进而求解得出四项参数的最优设定值，实现提高保护动作速度的目的。

目标函数：

式中tj是第j个保护的动作时间。

如果将A，B常数看做连续的变量，第j个保护的动作时间tj为：

在解决保护的优化配合问题时还要满足以下的约束条件：

式中t′j是第j个保护的后备保护动作时间。

对于四种可以设定的参数（TDS、Ip、A、B），最大值和最小值的约束如下：

式中Ipmin是最大负荷电流；Ipmax是最小短路电流。为了保证系统的稳定性和安全性，保护的动作时间必须在限定的范围之内，约束条件如下：

在满足了以上约束条件下，当有源配电网故障时，基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案可以保证在故障电流较小的情况下保护动作的快速性，将DG输出功率的随机性给配电网保护带来的影响减小到最低，有利于故障的快速切除，具体应用如下：

（1）系统电源侧保护的配置：基于用户自定义特征的反时限过电流曲线如图4所示。曲线a和曲线b是满足动作时间配合关系的反时限过电流保护动作曲线，曲线b代表后备保护。当基于用户自定义特征重新配置保护后，保护动作曲线a和曲线b向下平移到曲线a′和曲线b′的位置，当故障发生在该线路时，优化配置后的保护可以快速动作，特别是线路出口故障时，保护可以瞬时动作。由于在配置保护时已经考虑了上下级保护动作时间配合的约束条件，所以重新配置的保护仍然能够保证上下级保护动作时间的配合关系；

（2）DG侧保护的配置：为了保证有源配电网发生故障时，故障能够从两端隔离，对接有DG的线路需要在DG接入侧装设断路器并配置保护，为了保证反方向故障时保护不误动，仍需要加装方向元件以保证动作的选择性，如中保护R1′和R2′。当DG上游线路发生故障时，故障电流由DG流向故障点，故障电流的大小与DG输出功率有关。因此同样可以采用基于用户自定义特征的反时限保护方案，对DG侧保护优化配置，在DG输出功率最小的情况下仍然能够快速动作。

图4 新方案与传统反时限过电流曲线对比Fig.4 Comparison between proposed inverse-time overcurrent curves and traditional inverse-time overcurrent curves

4 仿真算例

以天津市某中压配电网为例进行计算分析，如图5所示，并运用PSCAD软件建立仿真模型验证。配电网的电压等级为10 kV，系统容量30 MW，各段线路阻抗参数如表2所示。母线C上接入一个可变功率的逆变型分布式电源，最大输出功率是20 MW，最小输出功率是1 MW，故障时最大短路输出电流是其额定电流的 2倍。R1、R2、R3、R4、R5、R6分为是各线路上的反时限过流保护，采用常规反时限保护。系统最大和最小运行方式的系统阻抗值分别为Xsmin＝0.091Ω，Xsmax＝0.126Ω，各母线均为负荷为4 MW。

图5 中压配电网结构Fig.5 Structure ofmedium-voltage distribution network

表2 系统线路阻抗参数Tab.2 Line impedance parameters of network

仿真时设置不同位置的故障和DG不同容的输出功率，计算并比较采用基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案和传统反时限过电流保护方案的动作情况。传统反时限过电流保护方案中保护都是常规反时限类型，动作方程见式（1），其中 A为0.14，B为0.02。保护的启动电流是：

式中IL.max是最大负荷电流；Kre是返回系数，取值为0.95；Krel是可靠系数，取值 1.25；KMs是自起动系数，由网络具体接线和符合性质确定，仿真中取值2.0。

对系统中各保护按照传统的反时限过电流保护的整定原则整定动作时间，使保护R3在DE线路出口故障时的动作时间比保护R4长0.3 s，保护R1、R2、R5，R6的动作时间亦按照阶梯型时限特性整定。

（1）故障设置在线路DE出口（图中的F1点），保护R4的动作情况见表3。

表3 F1点故障时保护R4动作情况Tab.3 Performance of protection R4 in fault condition at F1

（2）故障设置在线路DE50%处（图中的F1′点）

保护R4和后备保护R3的动作情况见表4和表5。

表4 F1′点故障时保护R4动作情况Tab.4 Performance of protection R4 in fault condition at F1′

表5 F1′点故障时保护R3动作情况Tab.5 Performance of protection R3 in fault condition at F1′

（3）故障设置在线路 DE末尾处（图中的 F1″点），保护R4的动作情况见表6。

表6 F1″点故障时保护R4动作情况Tab.6 Performance of protection R4 in fault condition at F1″

从表3～表6的仿真结果中可以看出：

（1）无论线路DE上哪个位置发生故障，随着DG的输出功率小于最大值，按照传统反时限过电流保护整定的时间动作都在变长，不利于故障的快速切除，而采用基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案优化后，保护动作时间大幅减小，而且随着DG输出功率的变小，提速百分数在变大，甚至可以提速50%以上，更有利于保护在故障电流很小的情况下快速的隔离故障；

（2）在采用基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案优化后，DG输出功率一定的情况下，故障点位置离保护越远，保护动作时间提速百分数越大，更有利于保护迅速的切除在线路末端发生的故障，保障系统安全稳定运行；

（3）从表6可以看出，采用基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案优化后，在线路DE上发生故障的情况下，后备保护R3的动作时间也大幅减小，有利于在主保护R4拒动的情况下，保护R3快速隔离故障；

（4）故障发生在线路AB上（图中F2点）

保护R1′的动作情况见表7。

表7 F2点故障时保护R1′动作情况Tab.7 Performance of protection R1′in fault condition at F2

当线路AB故障时，保护R2判定为反方向故障，不动作。保护R1′判定为正方向故障，可以快速动作，并且DG输出功率越低，故障电流越小，保护动作提速比例越大，可以确保快速切除故障。如果采用传统的反时限过电流保护方案，保护R1′的动作时间为1.108 s，这种情况下DG长时间运行在低电压状态，从而导致DG被迫退出运行，不能发挥对配电网的支持作用。

5 结束语

文章提出了基于用户自定义特征的反时限过电流保护方案，该方案利用数字反时限过流保护继电器的特点，可以根据实际电网，自定义一些满足用户要求的反时限动作曲线。方案提出将代表反时限继电器的特性的常数A和表示反时限的类型的常数B看做连续的变量，以所有保护保护动作时间最小为目标函数，利用内点法进行优化，求解出保护的最优配置。同时通过仿真验证了在分布式电源输出功率波动的情况下，该保护原理仍然能够有效地提高反时限过电流保护的动作速度。

文章提出的基于用户自定义特征的反时限过电流保护方法主要应用于10 kV的有源配电系统，但该原理亦可推广应用于10 kV以下的低压有源配电系统。