含分布式电源的配电网故障快速识别及RTDS仿真

汪剑波， 李志超， 程序， 杨宏伟， 钱叶牛

(国网北京市电力公司， 北京 100031)

0 引言

为了确保继电保护具备良好保护功能，通常要求能够满足以下性能：第一，要满足选择性要求，遇到电力供应系统故障问题时，可以通过保护结构使故障部件和系统发生分离，有效控制故障影响范围，达到整体电网的稳定性[1-3]；第二，要满足速动性要求，可以对故障进行快速分离，尽量减小故障部分的损害，使没有发生故障的部分能够保持正常运行状态，增加低电压运行时间；第三，要满足灵敏性要求，可以及时反馈各类异常系统运行状态与各类故障信息[4]；第四，要满足可靠性要求，当处于保护器件控制区域中发生故障问题时，应及时执行保护动作，而处于保护器件控制范围外的异常情况能够保持不动作的稳定状态，由此达到良好的系统可靠性，但也需注意并不能同时提升这两种情况的可靠性[5-9]。

对于上述4种系统保护要求而言，既存在对立的情况，也需要统一分析各项保护功能。以上各项要求依次对应于计算过程的定值、时间和灵敏度[10-11]。与输电网相比，配电网的一个明显特点是具有单端供电结构，将功率输送至用户端，因此为配电网构建继电保护方案时需要建立在单端供电网络基础上[12-13]。现阶段，国内构建的中低压配电网都是使用单端电源网络类型。三段型电流保护模式已经成为配电网保护的重要模式。对于大部分非终端线路来说，基本都是综合运用三段保护和其它保护相结合的模式。如果遇到不需要跟其它线路进行配合的终端供电线路时，应同时选择电流I段与过电流保护的方式得到简单的二段式保护结构[14-15]。由于电缆线路发生的故障通常具有永久性特征，在这种情况下不必设置自动合闸的结构。

1 三段过流保护原理

单侧电源供电系统线路作为分析对象，如图1所示。

图1 单侧电源供电系统线路

(1) 整定电流I段保护参数

当AB馈线发生故障时，保护结构2应能快速完成各项瞬时操作。当BC馈线发生故障时，保护结构1需快速完成操作。考虑到F1与F2部位出现短路故障的情况下，在保护结构2中将会产生相同故障电流。因此，为提高选择性，在F1出现短路问题时，结构2运行电流I段，当发生F2故障时保持原有状态。对保护2进行电流I段进行短路电流整定计算，如式(1)。

(1)

通常可以根据保护区域覆盖范围来评估电流I段所保护的馈线对短路故障达到的反应效率，同时根据保护区域与线路长度之间的比值α来评价灵敏程度。考虑到电流I段处于系统最小运行状态下对短路电流的保护长度最小，因此可以选择系统最小运行状态对应的两相短路参数来评价保护区域。

(2) 整定电流II段保护参数

采用电流模式来切断没有位于馈线电流I段保护区域以内的短路故障，并将II段保护设置成I段保护的后续备份方案，同时设置了合适的动作时限来有效配合电流I段的保护过程。利用以下参数来评价电流II段的整定值，如式(2)。

(2)

(3) 整定电流III段保护参数

要求保护设备在启动阶段产生的电流整定值应至少达到限流最大电流值，确保保护结构在正常运行过程中不会发生过电流保护的情况。可以利用下式来计算启动电流，如式(3)。

(3)

由于电流III段属于远后备保护部分，因此需能够在各个动作时限条件下都能够进行联合运作。利用式(2)—式(4)来校验系统灵敏性，同时利用灵敏性参数来为工作提供协作。

2 仿真分析

2.1 构建仿真模型

在数字仿真测试系统上通过故障识别算法对35 kV配电网的故障情况进行了测试。在案例1的配电网中存在3个节点，其工作频率等于50 Hz，采用架空状态的输电线，下图给出了该网络的具体拓扑形式。其中，大电网以发电机a作为分析模型，再把发电机L作为由分布电源构成的微电网模型，如图2所示。

图2 配电网系统

F1与F2二个故障依次出现于AB与BL二个线路的中间部位。组成此配电网的各项参数，同时评价了各功率流动状态下的实际应用过程，如表1所示。

表1 配电网系统的各项参数

2.2 仿真结果分析

考虑到A与L二个发电机在初始相位方面存在较大差异，从而引起功率流向的变化。对各初始相位状态进行故障分析得到的数据，如表2所示。

其中，Ag代表A相出现了单相接地问题，AB代表A跟B之间发生相间短路，ABg代表A、B相存在接地短路问题，ABCg代表A相、B相、C相都出现了接地故障。

给出了相位差为50°的条件下通过RTDS测试得到的电流与相位变化结果。根据表2给出的仿真测试参数可知，本文设计的故障识别算法能够精确测定双侧电源线路，此时不需要利用方向元件来判断故障发生的方向，可以有效防止线路潮流方向产生的影响，采用本文算法可以实现对故障的精确测定。

在出现反向故障的情况下通过继电器Rbl测试获得的相位以及电流曲线，如图3所示。

(a) 反向故障判断图

对故障进行判断的结果，红线表示故障情况，蓝线表示故障的方向。A线路出现单相接地问题的情况下，通过继电器Rbl测试得到的电流以及相位曲线。对应于A相与B相出现接地故障的情况下通过继电器Rbl测试形成的电流以及相位曲线。在A相、B相、C相都出现接地故障的情况下通过继电器Rbl测试得到的电流与相位曲线。

3 总结

1) 以单侧电源供电系统线路作为分析对象开展了三段过流保护原理分析，设计了基于整定电流段保护参数的含分布式电源的配电网故障快速识别方法，并在RTDS平台展开了仿真分析。

2) 本文设计的故障识别算法能够精确测定双侧电源线路，不需要利用方向元件来判断故障发生的方向，可以有效防止线路潮流方向产生的影响。在A相、B相、C相都出现接地故障的情况下通过继电器Rbl测试得到的电流与相位曲线，采用本文算法可以实现对故障的精确测定。