基于电流相位变化的有源配电网故障区段定位

李培培，王湘女，汪 波，张 宸，崔 惠

（1.国网江苏电力公司扬州供电公司，江苏 扬州 225000；2.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

0 引言

为了解决能源短缺问题，阻止环境继续恶化，以光伏发电等为代表的分布式电源（DG）开始加速接入传统配电网中，使配电网变成一个潮流双向流动的有源网络，称为有源配电网。拓扑结构更加复杂，故障电流双向流动，这导致其故障特征与传统配电网存在较大差异，使得配电网现有的继电保护不再适用［1-2］。

文献［3］利用配电网的结构特点，基于馈线终端单位（FTU）装置提出了一种故障区段判断隔离的综合矩阵法，该方法将DG 模型简化为电压源与阻抗的串联，没有考虑逆变型DG 的电力电子特性。文献［4］通过对馈线首端到DG 接入点之间的限时电流速断保护和DG 接入点到馈线末端之间的定时限过电流保护的动作信息进行分析，提出一种不借助于电压量信息的故障定位新方案。文献［5］提出基于遗传算法的配电网故障定位和隔离，能进行全局寻优求解，并通过对实时信息进行0、1 编码和构造评价函数实现寻优。但遗传算法往往计算量庞大，并且，在遗传算法寻优过程中，进行的是随机的、无方向的迭代搜索，往往陷入局部最优。

同步测量相量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）从全球定位系统（Global Positioning System，GPS）中同步采集次秒极的模拟电压、电流信号，得到电压和电流信号的幅值和相角［6］。考虑到PMU 的经济成本，认为在合理经济的PMU 安置下，全网的节点电压及线路电流都可以被有效监测。通过PMU 测量线路两端电流相位，对样本数据进行有效筛选，提取有效数据的电流相位，建立线路两端电流相位间的组合关系模型，获得电流相位故障前后变化以及故障后两端电流相位差变量，建立配电网故障区段和电流相位间的关联关系，确定故障后电流相位变化的主要原因，形成简明、准确的保护动作整定值，进而根据保护动作整定值，快速、准确启动保护，切除故障，为配电网保护提供量化信息支持，提升配电网整体稳定化、快速性和自适应能力，具有广泛应用前景［7-15］。

1 基于恒功率控制策略的逆变器并网型分布式电源模型

电力电子逆变器接口是一种应用十分广泛的分布式电源的并网接口方式，由于电力电子接口的灵活性，逆变型分布式电源在分布式电源中占有重要位置。逆变器接口方式主要分为直流—交流方式以及交流—直流—交流方式［16-17］。直流—交流方式主要用于直流电源的并网，如光伏电源、燃料电池等；交流—直流—交流方式主要用与非工频交流电的电源，如直驱型风力发电等。

建立通用于各种故障类型的有源配电网简化模型的过程中，建立符合实际的分布式电源简化模型至关重要。发生故障时，逆变型分布式电源的故障输出特性与传统的同步机电源有很大不同，根据不同的控制目的，有不同的控制方式，故障时出力也不同。目前，常见的逆变器控制方法有功率控制、恒压恒频控制以及下垂控制。其中，并网型逆变电源最常见的控制策略是基于电网电压矢量定向的恒功率控制，恒压恒频控制及下垂控制主要在接入微网运行时采用。

恒功率控制是一种储能逆变器主从控制策略，当储能逆变器并网运行时采用PQ 控制［18-20］。PQ 控制指对储能逆变器输出的有功功率和无功功率进行控制，在保证额定有功功率输出能力的条件下，具有一定的无功调节能力。储能逆变器PQ 控制方式下输出电压及频率由电网决定。

1.1 考虑恒功率控制的分布式电源故障分析模型

图1 为逆变器并网控制运行框图，根据控制框图得到Pref、Qref数学模型。idret和iqref是电流环给定的有功功率和无功功率，id和iq是电感电流的有功分量和无功分量，反馈电流与给定电流经过PI 调节的输出经过反DQ 变换后的值作为SPWM 的调制波，SPWM 输出6 路驱动信号控制开关管的关断，组成了闭环控制系统，达到稳定储能逆变器输出电流的目的，从而控制了输出有功功率与无功功率。锁相电压为电网电压ua、ub、uc，锁相环为DQ 变换及反DQ 变换提供角度参考。

图1 逆变器并网控制运行框图

并网运行时，逆变器交流侧获取电网电流电压，输出端参数受大电网控制，进行Park 变换后，对电流电压进行有功无功的解耦为

可得分布式电源输出的瞬时有功功率和无功功率。由于Park 变换中，d 轴与并网点电压矢量重合，可得

可以推得

各种故障情况下的有功功率基本保持不变，只有三相短路时有功功率减少较多，其原因是三相短路时，逆变器的端口电压降低很多，由于在恒功率输出的控制框图中还有端电压控制，分布式电源不能按照恒功率输出，输出功率减少。

在故障电流没有达到电力电子器件过流保护限值时，恒功率控制的分布式电源可以用串联电抗后的受控电压源等效，受控条件是分布式电源输出功率恒定。由于存在电力电子等非线性元件，其等值电抗可能不是常量，如果忽略电力电子装置非线性的影响，近似认为该电抗为定值。

只有正常运行状态下或故障点距离分布式电源接入点很远时，系统等值阻抗变化很小，才能保证输出功率控制目标实现。当故障发生在分布式电源接入点近端时，分布式电源产生的故障电流达到过流保护限值，这时分布式电源相当于一个电流源，输出恒定的故障电流，而一旦超过保护限值，则逆变器退出工作，即分布式电源退出。

1.2 考虑低电压穿越的故障分析模型

随着分布式电源的高速渗透，为了防止由于故障时刻DG 脱网运行导致的大规模停电事故，国家电网有限公司要求某些DG 在电网故障期间保持一定时间不脱网，并为电网稳定性提供支撑，即采用低电压穿越（LVRT）控制。具体要求为：当故障发生直到电压恢复至0.9 pu 期间，DG 输出的无功功率应跟踪并网点的电压变化，并满足：

式中：ug.f为系统故障时并网点电压标幺值；Iq.f为系统故障时光伏电源输出的无功电流值；IN为电流额定值。实际工程中，为了提供足够的无功支撑，ug.f处于区间［0.2，0.9］时，系数通常取1.5。因此，考虑低电压穿越的直接并网型分布式电源可以等效为一个电压控制电流受控源。

考虑从逆变器过流能力以及无功电流优先调整，有功电流的指令为

式中：Id.f为系统故障时输出的有功分量；Pm为故障点输出有功功率；Imax为逆变器允许流过的最大电流。

因此考虑低电压穿越的分布式电源等效模型为由接入点电压控制的电流源，如图2 所示。

图2 考虑低电压穿越的DG 等效模型

因此，综合考虑配电网故障时LVRT 控制策略及逆变器限流约束条件以及电压跌落程度较大时提供较大无功支撑，逆变器输出故障电流与并网点电压的关系为

由式（6）可知，存在边界电压ux使得逆变器输出电流恰好达到边界约束条件。即

令Pm＝1，Imax＝2IN，则ux＝0.537 时逆变器达到限流约束条件边界。此时，故障电流的相位角为

当ug.f处于区间［0.537，0.9］时，逆变器调节无功输出的同时能够保证有功功率输出不变，处于并网控制阶段；当ug.f处于区间［0.2，0.537］时，逆变器受控制策略以及逆变器限流条件制约，无法保证有功功率输出不变，处于低电压穿越控制阶段。

以上分析均在系统发生对称故障的前提下进行，发生不对称故障时，故障输出电流有功分量定向于并网点正序电压分量，即光伏电源等效为受并网点正序故障电压控制的电流源，即：

2 故障区段定位电流相角差分析

当配电网区段发生故障时，区段两端的电压变化极小，一般在0.2°～0.5°之间，基本可以忽略不计。因此，主要考察配电网发生故障后，电流相角的变化，总结基于电流相角变化的区段故障定位规律。由于配电网中系统接地方式一般为Y 形直接接地，因此可以对其区段中的某一相在故障前后进行等效分析，对该相区段内的电流相角差进行分析。以PMU为界划分线路区段，认为一条线路上可以安装多台PMU 装置测量线路上相关数据，以每2 个PMU 装置之间的线路段为一个线路区段，取相邻2 台PMU 装置测得数据进行比较。

2.1 故障前电流相位计算

图3 为配电网中一段10 kV 线路的某一相故障前状态。线路一端连接电网，一端连接分布式电源。比较该线路中2 个相邻PMU 的测量数据。

图3 故障前双电源电路

基于电流相位的故障特征分析方法是根据电流相量的相角在故障前后的变化特征，得出了电流相角突变量方向与故障位置的关系。假定电流参考方向为节点指向被保护区段，认为区内故障时，线路两端电流相角突变量的方向相反，区外故障时，线路两端电流相角突变量的方向相同，采用的相角区间为［-180°，180°］。

基于电流相位的故障特征分析方法认为故障前后分布式电源的输出电压保持不变，因此，可以采用故障叠加的方法，将故障后的配电网网络分解为正常运行的网络和故障附加网络。由上一节可知，当接入分布式电源为直接并网型分布式电源且不考虑低电压穿越时，可以直接等效为恒定电压源和阻抗的串联，符合上述假设，因此当接入直接并网型分布式电源时，故障区段两端电流相角突变量相反。

基于电流相位的故障特征分析方法认为故障前后分布式电源的输出电压保持不变，因此，可以采用故障叠加的方法，将故障后的配电网网络分解为正常运行的网络和故障附加网络考虑低电压穿越的分布式电源接入后，由上一节分析可知，当线路上发生故障时，分布式电源输出电压发生变化，且由于低电压穿越控制的影响，输出电压变化情况复杂，不能简单地等效为一个恒电压源。

如图4 所示，对配电网故障网络进行分析，主电网侧故障网络分析依然采用正常运行网络与故障附加网络叠加的方法进行分析。IAP、IBP分别为正常运行状况下主电网侧及分布式电源侧的输出电流；IA、IB为故障状况下主电网侧的输出电流；ΔIA为故障附加电流。

图4 配电网故障分析网络

当所接分布式电源为考虑低电压穿越的直接并网型分布式电源时，不考虑故障电流限幅，故障发生后，并网点电压下降，分布式电源输出无功电流阻止并网点电压，在有功分量的基础上，输出超前于有功分量的无功分量，相量变化情况如图6 所示。

当所接分布式电源为逆变器并网型分布式电源时，正常运行状况下，分布式电源出口电压EDG＝1 pu。

当ug.f≥0.9 pu 时，

此时，由于输出电流依然没有无功分量。由式（3）可知，Pm＝IAP·EDG，IAP与EDG同相位，因此，分布式电源侧故障输出电流相位与分布式电源出口电压相位保持一致，此时，故障前后分布式电源出口正序电压相位变化较小，相量变化情况如图5（a）所示。

当0.2 pu＜ug.f＜0.9 pu 时，

有功分量方向与出口正序电压保持一致，在有功分量的基础上增加了超前于有功分量的无功分量，相量变化情况如图5（b）所示。

图5 电流相量

在正常运行状态下，流过区段两端的电流相同，电流相位几乎不发生变化。当ug.f≤0.2 pu 时，IB＝jImax，超前故障前电流90°，相量变化情况如图5（c）所示，此时，相位变化角度最大，Δφ＝180°-arctan2≈116.5°。

由以上分析可知，当发生区内故障时，当分布式电源出口处电压降落较小，如故障点距离分布式电源接入点较远时，分布式电源侧故障电流相角几乎不发生变化，但一般而言，配电网中线路距离较短，一旦发生接地故障，分布式电源出口电压一般都会受到较大的影响。当分布式电源出口电压跌落时，分布式电源侧的电流相位变化方向与功率方向无关，始终为正向，当功率由主电源侧流向分布式电源侧时，分布式电源侧电流相位变化与主电源侧电流相位变化方向相反。当初始功率流向为从节点B 流向节点A 时，即由分布式电源侧流向主电源侧时，主电源侧电流相位故障前后变化方向为正，此时，分布式电源侧电流相位变化与主电源电流相位方向相同。发生区外故障时，线路两端电流相位变化相同，因此，相位变化方向相同。

3 故障区段定位方法

3.1 故障定位

综上，发生故障后，逆变型分布式电源侧电流相位变化方向始终为正；而直接并网型分布式电源与主电源侧的电流相位变化方向与功率流向有关，当电流相位变化方向为负时，故障发生在测点下游，当电流相位变化方向为正时，故障发生在测点上游。

典型配电网结构一般为变电站多出线结构，分布式电源多接于变电站出线上。若配电网出线中接入分布式电源为直接并网型分布式电源，线路两端电流相位变化方向相同时，判断发生区外故障，当线路两端电流相位变化方向相反时，判断区内故障。

若配电网出线中接入分布式电源为逆变器并网型分布式电源时，首先判断各节点上功率流向，根据故障前后电流相位变化特征，判断故障区段。当功率由主电源流向分布式电源时，当线路两端电流相位变化方向相反时，判断区内故障。当功率由分布式电源流向主电源时，故障后，出线上测点测得的电流相位变化方向均为正，仅依靠电流相位变化方向无法确定故障区段。

3.2 故障类型判断

利用介绍的单相电流故障区段判定方法，可以分别判断出区段中A、B、C 三相是否发生故障，从而判断出故障区段为单相故障、两相故障或三相故障。其中，还需要区分两相故障是否为两相相间故障或两相接地故障。认为流过节点i 和j 节点的零序电流分别为，当发生两相相间故障时，，当发生两相接地故障时，中至少有一个不为0。

4 算例分析

为验证所提方法的正确性，在PSCAD／EMTDC中对含5 节点的20 kV 有源配电网架空线路进行仿真。故障仿真模型如图6 所示。

图6 典型配电网络拓扑结构

在图6 所示的配电网模型基础上加以改进，母线电压为10.5 kV，系统总负荷为1.3 MW，设计2 个配电网网络，分别将分布式电源全部用逆变器并网型分布式电源、直接并网型分布式电源，考虑多种分布式电源类型接入的情况下，电流相位的变化，通过改变分布式电源出力改变线路中功率流动方向。

分别设置分布式电源为小型同步机以及直驱式风机，当分布式电源出力为0.16 MW 时，功率流动方向为从节点3 流向节点4，当分布式电源出力为0.64 MW 时，功率流动方向为从节点4 流向节点3，故障f2为区内故障时，故障f3为区外故障。可得故障前后电流正序分量相位变化如表1—4 所示。

表1 含逆变型分布式电源时区内故障的电源正序分量相位 （°）

表2 含逆变型分布式电源时区外故障的电源正序分量相位 （°）

表3 含直接并网型分布式电源区内故障时的电源正序分量相位 （°）

表4 含直接并网型分布式电源区外故障时的电源正序分量相位 （°）

由表1—4 可以看出，当发生区内故障时，逆变型分布式电源侧相位变化方向与功率方向无关，始终为正方向；直接并网型分布式电源与主电源相位变化方向与功率方向有关，可以得到当发生区外故障时，两端电流相位变化相同，当发生区内故障时，两端电流变化方向相反。

5 结语

提出一种适用于主动配电网的故障定位方法。分析配电线路两端电流相位差在故障前后的变化，发现发生故障后，逆变型分布式电源侧电流相位变化方向始终为正；而直接并网型分布式电源与主电源侧的电流相位变化方向与功率流向有关，当电流相位变化方向为负时，故障发生在测点下游，当电流相位变化方向为正时，故障发生在测点上游。配电网中PMU 的应用为该方案提供了广泛的适用前景。