含T接逆变型分布式电源配电网的自适应距离保护

赵建文，张鸿波，胡雨佳

（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710600）

0 引言

为了实现“碳中和”“碳达峰”的战略目标，可再生能源发电得到了重视与应用，大量的逆变型分布式电源接入配电网。分布式电源可以专线或T形方式接入系统[1]。逆变型分布式电源T形接入配电网后，配电网潮流方向与短路电流大小均发生变化，导致传统三段式保护适应性变差，保护的可靠性与灵敏性无法得到满足。

为了适应含T形接入的IIDG配电网，目前主要有两类保护方案。一类是对差动保护做出各种改进。文献[2]针对逆变型分布式电源T形接后的配电网提出了一种改进纵联差动保护方案。文献[3]针对含有T形接入IIDG配电网提出了一种复合阻抗差动保护，动作门槛值较大，当内部故障时可能拒动。文献[4]提出了基于幅值比的纵联保护，并在含有TT形接IIDG的情况下做出改进。文献[5]利用各类电流幅值信息构造了充分式判据，需要采集多种电流信息。此类保护方案需要实时获取线路首末两端以及DG出口处电气信息并进行数据交换，对通信系统要求较高，并且通信存在一定的延时，例如实时性最好的快速报文仍有着数毫秒的延时；除此之外，由于配电网网络复杂，通信网络规模巨大，需要大量的投资[6]。另一类是在传统三段保护的基础上提出了自适应保护。文献[7，8]在传统电流保护的基础上，针对IIDG接入的配电网提出了一种自适应电流速断保护。文献[9]针对高DG渗透率的配电网提出了一种自适应过电流保护方案。文献[10]提出了自适应的三段式距离保护，需要实时检测并网点电压，并且精度有限。文献[11]针对IIDG接入配电网后提出了一种延时距离保护与电流保护相结合的方法，保护构成较为复杂。这类方案仅使用保护本地信息，动作速度快，但是如何正确计算DG电流是保护正确动作的关键。

本文针对含有T形接入的IIDG配电网，在传统距离保护的基础上提出了一种自适应距离保护。该保护方法实时预测IIDG输出电流并用于整定计算，无需与远方通信，设备投资少，动作速度快，并且在不同的故障条件下均有较高的保护范围，通过与传统距离保护的对比，证明了该保护方法的优越性。

1 逆变型分布式电源输出特性分析

并网运行的IIDG一般采用PQ控制，通过双闭环控制有功功率和无功功率的输出恒定。如果在派克变换中令d轴与电压矢量同方向，可得到功率输出[12]的表达式为

式中：Up为公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）线电压；Id，Iq分别为IIDG有功参考电流和无功参考电流。

接入配电网的IIDG应具备一定的故障穿越能力[1]，在并网点电压较低时，主要输出无功功率以支撑并网点电压。故障期间IIDG输出的无功电流Iq为

式中：Us为并网点电压标幺值；IN为IIDG额定电流；K1与K2为低电压穿越控制策略的支撑系数，一般K1不小于1.5，K2不小于1.05。

因此，在系统发生三相短路时，IIDG输出电流由PCC电压决定，等值为PCC电压控制的电流源。此外，为了改善系统发生不对称故障时IIDG的输出特性，IIDG采用正序分量的控制策略，在配电网发生不对称故障时，IIDG仍然只输出正序故障电流，此时IIDG等值为PCC正序电压控制的电流源[13]。

2 T接IIDG对传统距离保护的影响

相较于三段式电流保护，距离保护基本不受系统运行方式的影响，有着更优秀的保护性能。然而由于IIDG的T形接入，将导致距离保护的保护范围降低。图1为配电网拓扑结构，分析IIDG以T形接入后对距离保护的影响。

图1 含T接IIDG的配电网结构图Fig.1 Distribution network structure diagram including T-connected IIDG

当IIDG发生三相短路时，得到系统电路如图2所示。

图2 不同位置故障系统电路图Fig.2 Circuit diagram of fault system at different positions

由图2（a）可得保护S2处的电压为U˙m=I˙mZBC+（I˙DG+I˙m）ZCD。因此，保护S2处的测量阻抗为

如果不考虑可靠系数，则距离保护S2的整定值为线路BD的阻抗，即：

由于距离保护为欠量保护，当测量阻抗小于整定值时，保护动作。对比式（3），（4）可知，由于IIDG输出电流的影响，测量阻抗会增加一附加阻抗，当该附加阻抗与线路阻抗相角差小于90°时，将会导致Zset＜Zm，保护无法正确动作，保护可靠性变差。

下面分析IIDG以T形接入后距离保护的保护范围与IIDG渗透率之间的定量关系。假设IIDG容量为SDG，系统电源的容量为SS，IIDG渗透率为x%，则根据渗透率的定义可以得到：

式中：US与IS分别为系统电源的额定电压与电流；UDG与IDG分别为IIDG的额定电压与电流。

由于IIDG处于并网状态，因此US≈UDG，根据式（6）可得：

由式（8）可以看出，距离保护的保护范围在不考虑可靠系数的情况下，已经无法保护线路全长，并且随着IIDG渗透率的增加，保护范围会进一步减小。此时保护范围外的故障需要在一定的时限以后才能切除，这不利于电力系统的安全稳定运行。

当故障发生在IIDG上游时，β为故障点到线路首端占线路BC的比例，此时保护S2处的测量电压为U˙m=βI˙mZBC，测量阻抗为因此，当IIDG上游发生故障时，IIDG不会影响距离保护的正常动作。

3 自适应距离保护

由前文分析可知，由于T形接IIDG的输出电流的影响，传统距离保护的保护范围减小，保护可靠性与灵敏性变差，并且IIDG的输出电流受故障位置与控制策略的影响，具有很大的不确定性。如果按IIDG的额定电流进行保护值的整定也同样不合理，因此有必要提出适用于各种情况的自适应距离保护。

3.1 三相短路

为了正确反应各种相间短路故障，阻抗继电器采用0°接线，由于三相对称，以反应A相故障的继电器为例，接入继电器的电压为U˙m=U˙AB，电流为I˙m=I˙A-I˙B。当IIDG上、下游线路末端发生三相短路故障时，阻抗关系如图3所示。

图3 阻抗关系示意图Fig.3 Schematic diagram of impedance relationship

当IIDG下游线路末端发生三相短路故障时，可得A相与B相电压为

因此，保护处的测量阻抗为

由于故障发生在IIDG下游，系统电流I˙A与IIDG输出电流I˙DGA均从上游流向下游的短路点，K为正，ZBD与KZCD两者相角差小于90°。当IIDG上游发生三相短路故障时，系统电流I˙m从上游流向短路点，而I˙DG则从下游流向上游的短路点，K为负。因此，ZBD与KZCD两者相角差大于90°。如果仍按式（10）计算整定值，则阻抗整定值偏小，Zset＜ZBD，当DG输出的电流较大，甚至有可能Zset＜Zm，从而导致保护的拒动。而由前文分析可知，当故障发生在IIDG上游时，传统距离保护不受影响，可以正确动作。综上，可令自适应距离保护的整定值为

3.2 两相短路

IIDG下游发生AB两相短路故障时，其等效图如图4所示。

图4 两相短路示意图Fig.4 Schematic diagram of two-phase short circuit

由图4可得A相与B相电压为

同样，令U˙m=U˙AB，I˙m=I˙A-I˙B，可得保护的测量阻抗同式（9）。因此，两相短路距离保护的整定值与三相故障相同。不同的是，当发生AB两相短路时，由于U˙C=E˙C，将导致B相与C相的继电器不能正确反应保护处到故障处的阻抗，无法正确动作。

3.3 IIDG输出电流的实时计算

自适应保护可以根据系统当前的运行状态及故障类型，实时计算出被保护线路末端短路时的整定值，然后按照避开该整定值的原则对保护进行实时整定，因此具有更高的可靠性与灵敏性。为了实时获得IIDG的输出电流，如果在IIDG出口处加装电流互感器，并且将IIDG的电流实时传输至保护处，无疑增加了设备投资与通信负担。因此，利用保护处故障信息得到IIDG的输出电流成为关键。随着微控制器与微机继电保护技术的发展，电力系统处理数据的能力不断提高，本文提出了利用BP神经网络实时预测IIDG电流的方法，系统的整体硬件结构如图5所示。

图5 自适应保护硬件结构图Fig.5 Hardware structure diagram of adaptive distance protection

由前文分析可知，IIDG在配电网发生三相短路时等效为受并网点电压控制的电流源，IIDG的电流为

由图2可知：故障发生在IIDG下游时，U˙pcc=U˙m-αI˙mZL2，I˙DG=f（U˙m，I˙m）；故障发生在IIDG上游时，U˙PCC-I˙DGZL2=U˙m-I˙mZL2，同样可得I˙DG=f（U˙m，I˙m）。即无论故障发生在IIDG上游或下游，I˙DG都与I˙m和U˙m存在着一定的函数关系。但是，由于IIDG的控制策略复杂多变，难以通过一具体的函数公式表示该关系。由于神经网络能够无限逼近任意连续函数，因此使用BP神经网络对故障数据进行拟合，当故障发生时，利用训练好的神经网络实时预测IIDG的电流。

为了得到I˙DG与I˙m，U˙m间的关系，在IIDG上游与下游分别设置100次故障，选择95%的数据作为测试集训练神经网络。输入层节点数为5，分别为U˙m，I˙m的幅值与相位，DG容量5个变量作为BP神经网络的输入，输出层节点数为2，分别为IIDG电流的幅值与相位，隐藏层节点数根据经验值取3。在故障发生时，根据保护处的电气量信息实时预测IIDG的输出电流并代入整定公式中。DG容量为1 MW，不同位置发生三相故障的幅值与相位预测结果如图6所示。

由图6可以看出，神经网络可以较为准确地预测出IIDG的输出电流，最大幅值相对误差为1.12%，最大相角相对误差为1.37%。

当系统发生两相短路故障时，由于IIDG采用正序分量控制，仍然输出三相对称的电流，此时IIDG等效为受并网点正序电压控制的电流源，即：

式中：U˙pcc（1）为PCC电压正序分量。

因此，发生两相短路时，使用对称分量法提取U˙m和I˙m正序分量作为神经网络的输入。

4 仿真及结果分析

4.1 仿真系统及参数

本文在MATLAB中建立含IIDG的10 kV配电网拓扑模型，如图7所示。

图7 含IIDG配电网结构Fig.7 Structure diagram of distribution network including IIDG

图中,线路阻抗Z=0.110 0+j0.163 3 Ω/km，线路L1～L5长度分别为5，10，5，5，3，3 km。负荷有功功率均为5 MW，各IIDG均采用正序分量的PQ控制及低电压穿越控制，其中IIDG2有功功率参考值为2 MW，IIDG1以T形接于距离线路首段25%处，有功参考值分别取1，4 MW，以验证不同容量的IIDG对保护的影响。阻抗继电器采用比幅式方向阻抗继电器，动作特性为

4.2 仿真结果

表1～4为自适应距离保护与传统距离保护的对比结果。

表1 自适应距离保护与传统距离保护的对比结果（ABC三相故障，DG=1 MW）Table 1 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=1 MW）

表2 自适应距离保护与传统距离保护的对比结果（ABC三相故障，DG=4 MW）Table 2 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=4 MW）

表3 自适应距离保护与传统距离保护的对比（AB两相故障，DG=1 MW）Table 3 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（AB two-phase fault，DG=1 MW）

表4 自适应距离保护与传统距离保护的对比（AB两相故障，DG=4 MW）Table 4 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC two-phase fault，DG=4 MW）

通过仿真结果可以看出，由于IIDG的接入，传统距离保护的保护范围减小，且减小的程度与IIDG容量有关。因此，在IIDG下游部分线路发生故障时，传统距离保护将无法动作，无法满足保护的可靠性。而自适应距离保护在不同的条件下可以保护线路全长的80%左右，并且在IIDG上游发生故障时，自适应保护退出，不影响保护的正确动作。因此，本文提出的自适应距离保护与传统距离保护相比，有着更高的灵敏性与可靠性。

5 结论

针对大量IIDG接入配电网后，传统继电保护的不足，本文提出了一种自适应距离保护方案。该保护方案根据IIDG的输出电流，实时整定保护动作值，在最大范围内实现无时限切除故障；保护仅利用本地信息，保护速动性与经济性较好；保护范围基本不受故障类型与IIDG容量影响，保护可靠性较好。由于考虑了可靠系数，该保护方案仍无法保护线路全长，需要与距离Ⅱ段与距离Ⅲ段保护配合，整定方法类似。该保护方案有利于提高含IIDG配电网的供电可靠性，促进可再生能源就近消纳。