基于电流相位变化的有源配电网保护

司新跃，李兆飞，王亮亮，杨 涛，李现忠

（1.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264001；2.国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271000）

0 引言

近年来风能、太阳能等新能源发电应用越来越广泛，其中一部分是以分布式电源的形式并网。但是，分布式电源的接入也给原有配电网的运行以及控制等诸多方面带来了影响，其中配电网保护是需要考虑的一个重要问题。

传统的配电网一般是单电源辐射型结构，保护方案相对简单，通常采用阶段式配合的方式来保证保护的选择性。随着分布式电源的接入，配电网不再保持辐射型结构。而多数DG 采用风能、太阳能等间歇性能源，故障时所能提供的短路电流大小是随着环境而变化的［1-2］。对于DG 大量接入后的配电网，需要研究新型保护方案，已有一些文献对此进行了探讨［3-7］。文献［3］利用多代理技术，使得区域内的继电器能够相互合作以定位和隔离故障。文献［4］提出对保护背侧网络进行等值变换，并根据支路贡献因子矩阵，消除DG 对各支路电流的影响。文献［5］提出了一种基于“教”与“学”优化算法的方向过电流保护方案，利用该算法来实现保护之间的最优配合，减小保护的动作时间。

分析DG 接入对传统配电网保护的影响，通过分析故障时电流相位的变化特点，提出了一种利用电流相位来识别故障区段的纵联保护原理。该原理只利用电流信息作为保护判据，不需要电压信息。然后以此保护原理为主保护提出含DG 配电网的保护方案。最后通过PSCAD 仿真分析，对利用电流相位变化为判据的保护进行了仿真验证。

1 DG 接入对传统配电网保护的影响

图1 所示为含DG 的简单配电网。G 为主电源，线路上配置有阶段式配合的电流保护。C 点接有分布式电源。

图1 含分布式电源的配电网

由于传统的配电网是单电源、辐射型结构，如果接入DG，会对传统的配电网保护产生较大影响。对于图1 所示配电网，可以主要从以下两方面考虑DG对保护的影响。

1.1 对短路电流方向影响

对于保护2 来说，在无DG 的情况下，当位于其下游的F2点发生故障时，能够感受到短路电流；而当位于其上游的F1点发生故障时，不能感受到短路电流。当接入DG，F1点故障时，保护2 流过DG 所提供的反向短路电流。此时保护2 可能误动作，这与短路电流的大小以及保护2 的定值有关。另外，同一母线的其他馈线发生故障时，DG 所提供的反向短路电流也有可能使位于其上游的保护误动。

1.2 对短路电流大小影响

当F2点发生故障时，DG 的存在会使得流过其下游的保护3 处的短路电流增大。这虽然对保护3的动作有利，但会扩大一段保护的动作范围。如果保护范围扩大到下一级线路，会使保护动作而失去选择性。对于位于DG 上游的保护1 和保护2，流过它们的短路电流则会有不同程度的减小，会降低其灵敏度甚至造成保护拒动［8］。

通过分析含DG 配电网故障时电流相位的变化特点，得出利用电流相位的纵联保护原理。

2 含DG 配电网故障时电流相位变化特点

传统的电流相位纵联差动保护，需要比较两端的故障分量电流，而且要实现两端电流相位的同步测量。在应用到配电网时，可以在算法中加入故障前的负荷电流，简化保护算法。

2.1 电流相位变化与参考方向的关系

图2 所示为一双端电源网络及故障附加状态网络［9］。Img、Ing为被保护对象两端的故障分量电流，α 表示故障点相对位置，-Uf为故障分量电压，ZL为线路阻抗，Zm和Zn分别为两侧系统等值阻抗。

图2 双端电源配电网的故障等值电路

差动保护算法中，通常需要制定一个参考方向。对于m 侧电流，电流参考方向选取由节点指向线路。当配电网正常运行时，流过m 侧的负荷电流为［10］

式中：Um和Un分别为线路两端的电压。

当F1点发生故障时，m 侧流过的故障全电流为

可以求得流过m 侧的故障电流与故障前负荷电流的相位差为

将参考方向选取为由线路指向节点，流过m 侧的负荷电流为

当F1点发生故障时，流过m 侧的故障全电流为

流过m 侧的故障电流与故障前负荷电流的相位差为

由式（3）和式（6）可以看出，故障电流与故障前负荷电流的相位差与所选取的参考方向无关。这样，在实际的保护算法中，电流互感器的安装不需要整定参考方向。

2.2 利用电流相位变化来反应故障点位置

当发生区内故障时，对于线路两端的电流，分别计算故障电流与故障前负荷电流相位差，并比较两者的关系。如图2 所示，故障点为保护区内的F1点，对于如图所示的参考方向，可以得到m 侧故障电流与故障前负荷电流的相位差为

n 侧故障电流与故障前负荷电流的相位差为

线路两侧故障电流与故障前负荷电流相位差不相等。

而区外F2点故障时，m 侧故障电流与故障前负荷电流的相位差为

n 侧故障电流与故障前负荷电流的相位差为

线路两侧故障电流与故障前负荷电流相位相等。

通过以上分析可知，区外故障时，线路两端保护的故障电流与故障前负荷电流的相位差相等；区内故障时相位差不相等。这一规律可以反映出故障点的相对位置。

3 含DG 配电网保护方案的构建

利用提出的纵联保护原理作为主保护，并考虑通信系统故障的情况，可以构建包含主保护和后备保护的配电网保护方案。保护方案的整体流程如图3 所示。

图3 保护方案流程

主保护原理采用纵联保护原理，可实现全线速动。由于故障电流与故障前负荷电流相位差与所选取的参考方向无关，保护可只计算本侧相位差，将计算结果发送至对侧保护，而无需考虑相位测量与计算起始点的同步问题。通过比较本侧及对侧发送过来的故障电流与故障前负荷电流的相位差，来判定故障位置。如果相位差相等，则判定故障位于保护区外，保护不启动；如果相位差不相等，则判定故障点位于保护区内，保护启动并由断路器切除故障区段。考虑到测量误差等因素，区外故障时，线路两端保护所测量到的相位差并不一定完全相等，因此可将区外故障的判据由θm=θn更改为

式中：σ 为误差角，可由保护装置的实际性能决定。

通信通道可采用无线网络［11］，保护可以将故障位置信息上传到主站。主站则根据配电网结构，控制相应的联络开关动作，为切除的非故障区域恢复供电。由于分布式电源的存在，需要在联络开关处配置准同期设备。或者采用正常运行时闭环运行的方式［12］，可以提高供电可靠性，并能减少停电区域。

由于主保护需要通信，当通信系统故障时，需要配置相应的后备保护。后备保护采用无通信的本地保护，可考虑只在馈线出口处配置一过流保护。当主保护因通信等原因无法动作时，由较长延时的后备保护来切除整条线路。

4 仿真分析

20 kV 配电系统结构如图4 所示。利用PSCAD软件搭建仿真模型，并对保护原理进行分析。此配电网中接有4 台分布式电源，具体接入位置及额定功率如图4 所示。线路采用的是电缆模型，参数为：

其中，R1和R0分别为正序电阻和负序电阻；XL1和XL2分别为正序感抗和负序感抗；XC1和XC0分别为正序容抗和零序容抗。各段线路长度均在图4 中标示。联络开关CP 在正常运行状态下，处于断开状态。

图4 应用于保护算法分析的配电网仿真模型

另外，由于保护算法与电流参考方向无关，因此电流参考方向在本例中随意取定。

当故障点F1位于KH 段的50%处时，该线路两端电流I13和I14的相位变化如图5 所示。

图5 FG 段的50%处故障时的线路两端电流相位变化

可以看出，0.50 s 故障发生后，流过线路两端保护的电流相位发生变化，且故障电流与故障前负荷电流的相位差线路两端不相等。仿真数据如表1 所示。

表1 KH 段的50%处故障时的电流相位变化 （°）

保护13 与保护14 的电流相位变化不相等，因此可以判断故障位于线路KH 段内，保护动作切除故障；保护11 与保护12 的电流相位变化相等，因此可以判断故障位于线路HE 段外，保护不动作。

当故障点F2位于DE 段的50%处时，仿真数据如表2 所示。

保护7 与保护8 的电流相位变化相等，因此可以判断故障位于线路CD 段外，保护不动作；保护9与保护10 的电流相位变化不相等，因此可以判断故障位于线路DE 段内，保护动作切除故障；保护11与保护12 的电流相位变化相等，因此可以判断故障位于线路HE 段外，保护不动作。

通过仿真结果可以看出，利用电流相位差的纵联保护能够准确地识别出故障区段。

表2 DE 段的50%处故障时的电流相位变化 （°）

5 结语

对故障时电流相位的变化特性进行了研究，提出了一种基于线路两端电流相位变化的纵联保护原理。并以此为主保护，提出了一种应用于含分布式电源配电网的保护方案。通过仿真分析，此差动保护原理可以准确反映区内故障。本文提出的仅仅是一种保护原理，仍需进一步研究，以满足现场实际运行的要求。