分布式能源脱网和其本身特性改变对线路限时电流速断保护的影响及对策

翁汉琍，樊 荣，饶丹青，黄景光，李振兴

（1.新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学），宜昌 443002；2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002；3.国能长源随州发电有限公司，随州 441300）

我国于2020年9月提出了“碳达峰”、“碳中和”的奋斗目标，促进了清洁能源和可再生能源的发展[1-2]。分布式能源DER（distributed energy resource）作为集中供电的一种补充，在其并网后，一些特殊运行环境和其本身的特性会导致DER 脱网和DER从电源属性转变成负荷属性，使网络拓扑结构发生改变，影响网络中电流的特征分布，从而给线路限时电流速断保护的正常运行带来影响。

目前，针对DER产生线路电流的保护研究主要集中在DER 并网所带来的保护问题。由于它改变了原有系统短路电流的大小，对线路电流保护造成影响[3]，使保护装置的保护范围发生变化，导致过电流保护的保护范围减小[4-5]。文献[6]分析了在DER下游、相邻和上游线路的不同位置发生短路时，DER 容量变化对3 段式电流保护选择性和灵敏度的影响，通过比较不同的短路位置表明，当短路发生在DER 下游线路时，DER 对下游电流Ⅰ段保护选择性的影响最大；文献[7]比较了DER 系统的保护与传统概念保护之间的差异，利用具有反时限特性的定向过流保护构造能够抵抗短路电流微小变化的保护设置，提出一种基于自适应的具有反时限特性方向过流保护方案；文献[8]利用故障分量网络计算DER的等效阻抗，并将其代入电流保护的整定计算中，提出一种DER并网的自适应过电流保护方案；文献[9-10]分析了逆变型DER 的控制策略和故障电流特性，提出一种基于控制策略的含逆变型DER 配电网自适应电流Ⅰ段保护方案；文献[11]分析了DER 在下级线路中的助增电流对配电网保护所带来的影响，利用电压因子来修正反时限过电流保护，从而改善线路保护间的配合问题。上述文献主要考虑了DER接入电网所带来的线路保护问题，而对DER 并网后，DER 脱网和DER 特性改变等特殊运行工况导致的配电网系统结构发生新的改变，使继电保护可能面临问题的研究较少。

本文研究DER脱网和其本身特性改变的成因，分析一些特殊运行工况对线路限时电流速断保护的影响机理；根据在特殊运行工况下电流与功率的分布特征，提出针对性的解决方案，以提高配电网电流保护的可靠性。

1 DER 脱网和其本身特性改变对线路限时电流速断保护的影响

1.1 DER 脱网的场景及其对电流的影响

根据低电压穿越要求，在三相短路故障和两相短路故障的并网线电压与单相接地短路故障的并网相电压标幺值下降至0.2 p.u.时，DER 能够继续运行0.625 s，在其电压恢复到0.85 p.u.及以上时保持并网运行，否则DER将会脱网。在3～63 kV的电力系统中，大多数采用小电流接地系统，当该系统发生单相接地故障后，线电压依然对称，暂时不会对用户的连续供电带来影响[12]；但0.625 s后故障相的相电压依然小于低电压穿越所规定的电压，将导致DER 脱网。此外一些其他因素也可能导致DER脱网，例如，风场内多类型无功设备、多风场与汇集电网之间的不协调[13]、风电场长时间接近满载运行[14]等。

由于故障后配电网处于非正常运行状态，极易出现发展性故障，将导致原有的单相接地故障发展成为两相接地故障或两相短路故障发展成为三相短路故障[15]。在小电流接地系统发生单相接地故障导致DER脱网后，若此时系统的单相接地故障发展成为两相接地故障或者三相接地故障，则配电网中各相的电流将会增大，要求线路电流保护继电器动作将故障切除；但由于DER脱网导致线路的故障电流小于原网络的故障电流，可能导致按照原配电网网络拓扑结构整定计算的限时电流速断保护无法正确动作，给系统的正常运行带来影响。

1.2 DER 特性改变的场景及其对电流的影响

受环境、天气及人为等因素的影响，光伏、风力等DER发电存在一定的间歇性与波动性，使其在一段时间内无法向系统提供电能，此时DER处于待机运行状态，该状态下DER 相当于负载消耗系统电能，导致DER 由发电性质转变为用电负荷性质[16]；此时网络的拓扑结构发生改变，DER原本对下游线路的助增作用变成外汲作用，从而使配电网的电流分布发生改变，造成下级线路电流减小，线路限时电流速断保护的灵敏度降低，继而影响线路电流保护的正常运行。另外，一些蓄电池、电动汽车等DER在并网时也存在两种工作状态，即充电状态与供电状态，当作为负荷消耗系统电能时，由于其本身耗电量较大，对故障后线路电流的影响更加明显，对保护的运行产生影响。

在上述两种工况下，DER下游线路的电流均会减小，线路限时电流速断保护的灵敏度降低，在下级线路发生故障后可能导致该保护无法正确动作。在DER接入电网的容量和规模较小时，对保护的影响不大，但伴随DER 并网规模和容量的增大，DER 脱网的功率和DER 由电源转变成负荷的功率将会随之增大，导致下级线路的电流减小过多，可能给配电网中线路限时电流速断保护的正常运行带来影响。

1.3 DER 特殊运行工况下线路限时电流速断保护的灵敏度校验

图1 为配电网模型，以该模型为例来说明DER1特殊运行工况对线路限时电流速断保护的影响，图1中配电网为小电流接地系统，线路采用3段式电流保护。

图1 配电网模型Fig.1 Model of distribution network

保护2的限时电流速断保护整定值可表示为

通过数学分析可知，Kbr与ZS正相关，即最大运行方式下分支系数最小，将ZS=ZSmin代入式（1）并对其进行化简可得

利用PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件搭建图1的仿真模型，仿真分析式（1）、（2）工况对线路限时电流速断保护灵敏度的影响。该系统电源的额定电压为110 kV，最大运行方式下的系统电抗XSmin=j0.4 Ω，最小运行方式下的系统电抗XSmax=j0.9 Ω，变压器接线方式及变比如表1所示。

表1 变压器各基本参数Tab.1 Basic parameters of transformer

KO、OP、PQ为输电线路，均采用分布式参数模型，其长度分别为10 km、10 km、33.5 km，线路参数如表2所示。

表2 线路参数Tab.2 Line parameter

DER1 和DER2 是利用一个电流大小和相位均可以控制的受控源来等效逆变型DER，初始相角均为33°，DER2 的容量为5 MV·A，最大负载为35 MW。由于限时电流速断保护的动作时间一般大于逆变器暂态电流的衰减时间[17]，因此在限时电流速断保护动作时其已达到稳态，本文不考虑暂态电流的影响。由于DER 脱网将会导致上游线路中的电流增大[18]，使上游线路的灵敏度提高，故DER2脱网会使保护2 的灵敏度增大。为分析DER1 对保护2灵敏度的影响，本文不考虑DER2脱网情况，仿真结果以A相电流和电压为例显示。

式中：Ksen为灵敏度系数；Ik,2,min为最小运行方式下线路OP末端发生两相短路故障时流经保护2的电流值。由式（3）可得灵敏度系数为1.348，满足灵敏度的校验要求。

假定线路OP末端1 s时发生单相接地故障，其仿真结果如图2所示。

图2 DER1 脱网后电压、电流的波形Fig.2 Waveforms of voltage and current after DER1 off-grid

由图2 可以看出，在1 s 末发生单相接地故障后，流经保护2的电流基本未发生改变，但DER1并网点的相电压急剧减小，并在1.018 s 后小于DER1并网的最低电压要求，由于DER1 的低电压穿越LVRT（low voltage ride through）要求，其将会在1.643 s后脱网。DER1脱网后在最小运行方式下线路OP末端发生两相短路故障时，流经保护2 的故障电流有效值为6.024 kA，由式（3）可得此时保护2的灵敏度系数为1.281，不满足灵敏度校验要求。为了进一步说明DER1脱网对下级线路限时电流速断保护灵敏度的影响，仿真分析DER1 不同出力时保护2 在系统最大运行方式下的整定值和最小运行方式下的灵敏度系数，其结果如表3所示。

表3 DER1 脱网的灵敏度校验Tab.3 Sensitivity verification of DER1 off-grid

由表3可以看出，伴随DER1供电功率的增大，DER1对线路OP的助增电流也随之增加，导致保护2限时电流速断保护的整定值增大；在DER1向系统供电时，保护2的限时电流速断保护的灵敏度均大于1.3，满足保护灵敏度校验要求，伴随DER1供电功率的增大，其灵敏度系数也随之增大；在DER1脱网后，保护2的限时电流速断保护灵敏度系数在DER1功率较小时满足灵敏度的校验要求，随着DER1 功率的增大，将会出现灵敏度系数小于1.3的情况，不满足灵敏度校验要求，使保护存在拒动风险。

在DER1 的输出功率为15 MW 时，仿真分析DER1 特性变化对下级线路保护灵敏度系数的影响，设置0 s时DER1由于一些因素导致其由电源转变成负荷，其负荷的功率为10 MW，最小运行方式下线路OP末端1 s 时发生两相短路故障的仿真结果如图3所示。

图3 DER1 由电源转变成负荷后的故障电流Ik,min 波形Fig.3 Waveform of fault current after DER1 is transformed from power supply to load

由图3 可以看出，发生故障后流经保护2 的电流增大，其稳态故障电流有效值为6.007 kA，由式（3）可求得此时限时电流速断保护的灵敏度系数为1.278，低于灵敏度校验所要求的1.300，不满足运行要求。进一步仿真分析DER1在不同供电出力情况下，DER1转变成不同负载时的灵敏度系数，其结果如表4所示。

表4 DER1 由电源转变成负荷的灵敏度校验Tab.4 Sensitivity verification when DER1 is transformed from power supply to load

由表4 可以看出，在DER1 供电出力一定的情况下，DER1转变成负荷的功率越大，其灵敏度降低的越多；在DER1 供电功率大于10 MW 以后，表中的灵敏度系数均低于1.300，并随DER1 作为电源供电功率越大，转变成负荷的功率越大，则保护的灵敏度系数越小，最终可能不满足继电保护运行的要求。

综上可知，在DER1 脱网和其特性改变两种工况下，网络的拓扑结构将会发生改变，使DER1下游线路的电流减小，导致线路限时电流速断保护的灵敏度降低，并在DER1 脱网功率及DER1 转变成负荷的功率较大时，线路限时电流速断保护的灵敏度系数将小于1.300，从而使线路限时电流速断保护存在拒动的风险，给继电保护的正常运行带来影响。

2 线路限时电流速断保护的优化方案

2.1 DER 特殊运行工况下电气量的特征分析

DER 特殊运行工况是指DER 脱网和其本身特性改变的运行工况。由图1可以看出，正常运行时系统和DER1的功率流经线路OP向负荷进行供电，此时DER1支路的功率流向为DER1指向线路。在DER1 脱网后，其下级线路上游的双电源供电系统变成单电源供电系统，导致流经下级线路的电流减小，在该工况下系统的整体潮流流向未发生大的变动，此时DER1无法向负荷提供电能，其传输功率为零，负荷所需的功率将由系统电源和DER2 供给。在DER1 由电源属性转变成负荷属性时，DER1 分支转变成负载消耗系统电能，使原本的三电源单负荷系统变成双电源双负荷系统，导致下级线路OP上的电流减小，配电网原潮流流向发生改变，系统的功率将流向DER1 支路，此时DER1 支路的功率流向为线路指向DER1。

2.2 基于修正参数的线路限时电流速断保护优化方案

针对DER1 不同的运行工况，利用DER1 支路的测量电流来对限时电流速断保护的门槛值进行实时修正，从而得到一种自适应的保护门槛值，以适应DER1 的复杂运行工况，继而提高系统运行的稳定性。

保护2 的限时电流速断保护的整定值可表示为

式中，I2,min为系统最大运行方式下线路PQ末端三相短路故障时流经保护2的电流值。

修正后的线路限时电流速断保护的整定值可表示为

图4为DER1单独工作时的等效网络，以图4为例来说明修正参数ΔIx在网络中的变化情况。图4（a）为系统最大运行方式下线路PQ末端三相短路故障DER1 单独作用时的等效网络图；在DER1 特性改变工况下，DER1 支路由原本的助增分支变成外汲分支，从而导致DER1下级线路的电流减小，此时DER1支路的电流改变量如图4（b）所示。因此，可以利用最大运行方式下的网络拓扑结构及DER1支路的实时电流来计算线路电流的变化量，并根据该变化量对原线路限时电流速断保护的门槛值进行实时修正，修正值的计算公式可表示为

图4 DER1 单独作用时等效网络Fig.4 Equivalent network with DER1 operating alone

式中，IDERx为并网点处DER1 支路实时测量的电流有效值。

同理，在DER 脱网运行工况下，DER1 支路电流的改变量如图4（c）所示，通过最大运行方式下的网络拓扑结构及DER1支路的实时测量电流来计算保护的修正值，从而实时更新门槛值，达到适应其运行工况的目的，修正值的计算公式可表示为

式（6）和式（7）的计算是将DER1支路电流在线路OP上的变化量与式（4）相结合而得到的，分别计算在DER1 特性改变及DER 脱网工况下，线路PQ末端三相短路故障时DER1支路电流的变化量。其中DER1 特性改变工况下的变化量为IDERx+IDER1，DER脱网工况下的变化量为IDERx-IDER1。

DER1特性变化将原网络拓扑结构中的电源转变成负荷，导致DER1 支路的功率流向发生改变。因此可根据DER支路的潮流流向来识别DER特性变化工况与除DER特性变化外的其他工况，然后对线路限时电流速断保护门槛值进行修正，达到优化保护性能的目的。

利用DER1支路的功率流向可以识别DER1特性改变工况与DER脱网运行工况，规定DER1支路功率的正方向为DER1指向母线，将数据代入式（6）与式（7），则修正值ΔIx的计算公式可表示为

式中，P为DER1支路的实时功率。

保护动作时限的整定和灵敏度系数的校验与传统限时电流速断保护相同。采集DER1支路的功率信息，通过式（8）计算ΔIx，从而根据式（5）得到限时电流速断保护的实时门槛值。当线路保护安装处的实际测量电流IS持续大于IIIset,2x时，经过一定延时后保护动作；反之，判据闭锁保护。基于DER1特殊运行工况的线路限时电流速断保护的优化方案流程如图5所示。

需要指出的是，在整定及修正的过程中并没有监测新能源是否退出，只是根据DER支路的实时测量电流来对门槛值进行修正（不管DER是否退出均会进行修正），以适应DER的不同运行工况。

3 方案验证

为验证本文所提优化方案在DER 脱网后的有效性，仿真DER1 输出15 MW 时，在最大运行方式下线路PQ末端0.5 s 时发生三相接地故障，并假定在1 s时DER1脱网，保护2限时电流速断保护修正门槛值的仿真结果如图6所示。

图6 DER1 脱网的修正门槛值Fig.6 Modified threshold value of DER1 off-grid

进一步仿真验证DER1不同出力时线路限时电流速断保护的灵敏度，其结果如表5所示。DER1未脱网时线路限时电流速断保护的灵敏度系数调整前后对比如图7所示；DER1 脱网后线路限时电流速断保护的灵敏度系数调整前后对比如图8所示。

表5 优化方案下DER1 脱网前后保护门槛值与灵敏度系数Tab.5 Protection threshold and sensitivity coefficient before and after DER1 off-grid under the optimization scheme

图7 DER1 脱网前保护灵敏度系数Ksen,1 修正前后对比Fig.7 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification when DER1 is not off-grid

图8 DER1 脱网后保护灵敏度系数Ksen,2 修正前后对比Fig.8 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification under DER1 offgrid

由表5 及图7、8 可以看出，在DER1 未脱网时，修正后的线路限时电流速断保护的门槛值伴随DER1 出力的增大而增大，其对应的灵敏度系数均大于1.300，满足灵敏度校验的要求；在DER1 脱网后，修正后的保护门槛值为定值，不受DER1出力的影响，其灵敏度系数满足要求。对比修正前后保护的门槛值与灵敏度发现，在DER1未脱网时，所提优化方案对保护门槛值的影响较小，修正前后门槛值的变化较小，其对应的保护灵敏度系数变化也较小，修正后的灵敏度系数大于修正前的灵敏度系数，修正前后保护灵敏度系数均满足校验要求；在DER1 脱网后，伴随DER1 供电功率的增大，修正前的灵敏度系数逐渐减小，在增大到一定程度后将会导致保护的灵敏度系数小于1.300，从而不满足灵敏度校验要求，而修正后的灵敏度系数不受DER1脱网的影响，能够保证系统继电保护的正常运行。

为分析DER 特性改变对本文所提优化方案的影响，仿真在DER1 输出15 MW 时，系统最大运行方式下线路PQ末端0.5 s 时发生三相接地故障，并假定在1 s 时DER1 由于一些因素导致其由电源转变成负荷，负荷的功率为10 MW，保护2 限时电流速断保护修正门槛值的仿真结果如图9所示。

图9 DER1 特性变化的修正门槛值Iset,2x,1Fig.9 Modified threshold value of DER1 attribute change

由图9 可以看出，在1 s 时DER1 特性改变后，保护2的修正门槛值减小，其后稳定在4.494 kA，最小运行方式下线路OP末端发生两相短路故障时的电流有效值为6.007 kA，则保护2 的灵敏度系数为1.337，大于1.300满足校验要求。

仿真验证在DER1 转变成不同负荷功率时，线路限时电流速断保护的灵敏度系数，其结果如表6所示。DER1特性改变后线路限时电流速断保护的灵敏度调整前后对比如图10所示。

表6 DER1 特性变化后修正的保护整定值与灵敏度系数Tab.6 Modified protection threshold and sensitivity coefficient after DER1 attribute change

图10 DER1 特性变化后保护灵敏度系数Ksen,3 修正前后对比Fig.10 Comparison of protection sensitivity coefficient before and after modification under DER1 attribute change

由表6可以看出，在DER1特性变化后，伴随其转变成负荷功率的增大，修正后线路限时电流速断保护的门槛值逐步减小，其灵敏度系数逐渐增大，从而适应线路的运行工况，满足运行的要求。

由图10可以看出，伴随DER1转变成负荷功率的增大，未修正门槛值的保护灵敏度系数逐渐减小，在DER1供电功率大于15 MW，且转变成负荷的功率大于5 MW 后，其灵敏度系数将小于1.300，不满足灵敏度校验要求；而利用本文所提优化方案来对保护的门槛值进行修正后，保护的灵敏度系数随DER1 转变成负荷功率的增大而增大，且其灵敏度系数均大于1.300，满足运行的要求，修正后的保护门槛值不受DER1 供电功率的影响，而与DER1 转变成负荷的功率有关。

4 结 语

本文结合DER 脱网和其本身特性改变的生成场景及DER下级线路电流的分布特征，研究线路限时电流速断保护所受到的影响。结果表明，DER脱网和其本身特性改变将会使DER 下游线路中的电流减小，线路限时电流速断保护的灵敏度降低；根据DER 脱网和其本身特性改变时网络中电流和功率的特征，利用DER支路的功率流向来识别上述工况，并通过该支路的实时测量电流来修正保护的门槛值，从而得到一种基于修正参数的线路限时电流速断保护优化方案。仿真结果表明，所提优化方案能够有效提高DER 在脱网和其本身特性改变工况下线路限时电流速断保护的灵敏度。