改進的配電網(wǎng)反時限過電流保護

郭煜華，姜 軍，范春菊，鄧桂敏

（上海交通大學 電氣工程系，上海 200240）

0 引言

隨著電網(wǎng)智能化水平的提升，微電網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，包括光伏電池發(fā)電、風力發(fā)電、儲能技術(shù)等分布式發(fā)電DG（Distributed Generation）在配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-7］。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，含有微電源、線路與負荷的配電網(wǎng)具有一定的獨立運行能力，但微電源的存在、復雜的故障特性等均給原有保護配置帶來了新的問題，使得傳統(tǒng)的配電網(wǎng)繼電保護不再適用［8-13］。文獻［14］結(jié)合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和故障特點提出了一種基于負荷阻抗的微電網(wǎng)反時限低阻抗保護，但該保護實現(xiàn)復雜，可靠性較低。本文提出了2種適用于含DG配電網(wǎng)的反時限過電流保護方案，即基于通信的反時限過電流保護和改進的低電壓加速反時限過電流保護。這2種保護方案的實施，可以有效改善反時限過電流保護在微電網(wǎng)中應(yīng)用的動作特性以及保護之間的配合特性，具有良好的應(yīng)用價值。

1 反時限過電流保護在微電網(wǎng)中的應(yīng)用特性

1.1 傳統(tǒng)反時限過電流保護的整定與配合

電力系統(tǒng)的反時限過電流保護的動作時間與被保護線路中的故障電流大小有關(guān)，它是利用繼電器的反時限動作特性構(gòu)成的，保護的啟動電流如式（1）所示。

其中，ILmax為系統(tǒng)正常運行時的最大負荷電流；Kre為電流繼電器的返回系數(shù)，一般取0.85～0.95為可靠系數(shù)，一般取1.15～1.25；Kss為自啟動系數(shù)，數(shù)值大于1，由網(wǎng)絡(luò)具體接線及負荷性質(zhì)來確定。

為了保證各保護之間動作的選擇性，其動作時限應(yīng)該逐級配合確定。圖1所示為一簡單的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接線圖，保護3的啟動電流按式（1）整定為Iact.3，其動作時間為t3。保護3出口短路時，其動作的時間為繼電器的固有動作時間tb，由此確定保護3的反時限特性曲線。然后根據(jù)選擇性的要求，保證在保護3出口短路時，保護2的動作時間比保護3的動作時間高出一個Δt，由此確定保護2的反時限動作特性曲線。依此逐級進行整定配合，可以得到各保護的反時限特性曲線［15］。圖2為各保護逐級配合示意圖，橫軸為故障位置，縱軸為動作時間，曲線1、2、3分別為保護1、2、3的反時限特性曲線。

圖1 配電網(wǎng)接線圖Fig.1 Wiring diagram of distribution network

圖2 各保護逐級配合示意圖Fig.2 Protective coordination among different stages

1.2 傳統(tǒng)反時限過電流保護應(yīng)用在微電網(wǎng)中存在的問題

圖3為微電網(wǎng)雛形，即含有DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在該配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，E為系統(tǒng)電源，DG為接入配電網(wǎng)的分布式電源。

接入DG后，由于助增電流的影響，各保護動作特性曲線有所變化。

圖3 含有分布式電源的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of distribution network with DG

a.對于DG下游保護2和保護3，接入DG后該配電線路仍為單側(cè)電源輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)，按照傳統(tǒng)的反時限過電流保護整定原則來進行整定，保護2和3的動作時間能夠配合，滿足繼電保護對選擇性和速動性的要求。但接入DG相當于系統(tǒng)容量增大，因此相同位置發(fā)生故障時故障電流也會增大，導致動作特性曲線下移。

b.對于DG上游保護1和下游保護2，接入DG后：當線路L2發(fā)生故障時，DG會向保護2提供助增電流IDG，流過保護2的故障電流Ik2為流過保護1的故障電流Ik1與IDG之和，大于Ik1，保護1和保護2的時間配合會受到影響；而流過保護1的故障電流和未接入DG時相比有所減小，保護1動作時間將延長，動作特性曲線上移，保護性能降低；當線路L1發(fā)生故障時，流過保護1的故障電流與DG支路無關(guān)，動作特性曲線不變。

接入DG后各保護的動作特性曲線變?yōu)閳D2中的曲線1′、2′和3′。為保證保護的速動性和保護之間的配合特性，下文提出了2種改進的反時限過電流保護方案。

2 基于通信的反時限過電流保護方案

針對接入DG后對反時限過電流保護的影響，本文提出了一種基于通信的反時限過電流保護的方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.1 DG下游保護之間的配合

對于DG下游的保護2和保護3，接入DG前后，該配電線路均為單側(cè)電源輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)，不影響保護間的配合特性，可以按照傳統(tǒng)的反時限過電流保護的整定原則整定。保護2和3的啟動電流按式（1）整定，各段保護啟動電流值為 Ipi（i=2，3）。

保護2和3的反時限動作方程參照式（2）：

其中，Ii為保護2或3測量到的故障電流。

對于保護3，在其出口處發(fā)生三相短路時，其動作時間整定為繼電器的固有動作時間tb，則可以得到保護3的反時限動作方程時間常數(shù)為：

對于保護2，根據(jù)保護選擇性的要求，在保護3出口處發(fā)生故障時，保護2的動作時間要比保護3的動作時間至少高出1個Δt（可以設(shè)為0.5 s）。所以，在保護3出口處發(fā)生故障時，保護2的動作時間為t2=Δt+tb。故可得到保護2的反時限動作方程時間常數(shù)為：

根據(jù)上述方法進行整定，可以得到保護2和保護3的反時限動作方程。

2.2 DG上游線路保護與下游線路保護之間的配合

DG的類型有風電、光伏發(fā)電、儲能電站等。系統(tǒng)短路時，DG提供的短路電流隨著DG類型、控制策略、短路位置的不同而不同，使得保護的整定變得困難。但是，借助通信信道傳遞DG提供的短路電流信息，可以實現(xiàn)DG上、下級保護的有效配合。

對于DG下游的保護2和DG上游的保護1，保護1的啟動電流按照式（1）整定。為了獲得保護2出口短路時DG的助增電流，在保護1和DG側(cè)分別裝設(shè)通信裝置，借助通信信道，將DG側(cè)的助增電流相量IDG發(fā)送給主電源E側(cè)保護1，流過保護1的故障電流Ik1加上接收到的DG的助增故障電流相量IDG作為保護1的反時限動作時間方程中的測量電流I。對保護1的反時限動作時間方程進行調(diào)整后，保護1的動作時間如式（5）所示。下文中白斜體表示的電流為對應(yīng)電流的標量形式。

根據(jù)保護選擇性的要求，在保護2線路出口處發(fā)生故障時，保護1的動作時間要比保護2的動作時間至少高出1個Δt，此時保護1的動作時間為tk1=tk2+Δt，其中tk2為保護2的動作時間：

則保護1的反時限動作方程時間常數(shù)為：

這樣就能夠消除接入DG后DG所提供的助增電流IDG的影響，使得保護1和保護2能夠有效配合動作，改善了保護之間的配合特性。針對接入DG對原有反時限過電流保護所產(chǎn)生的影響，基于通信的反時限過電流保護改善了DG兩側(cè)保護間的配合情況，并且無需考慮DG故障后助增電流的特性，保證了相鄰線路后備保護的速動性。

3 改進的低電壓加速反時限過電流保護方法

3.1 低電壓加速反時限過電流保護原理

線路發(fā)生短路故障時，故障點越接近保護安裝處，保護測得的電壓越小，短路電流越大，保護的動作時間應(yīng)該越短。但是由于傳統(tǒng)反時限過電流保護之間的配合，使得保護出口短路時，保護的動作時間比較長，為了解決這個問題，文獻［16］提出了低電壓加速反時限過電流保護。在反時限過電流保護的動作方程中引入低電壓加速因子u*，能夠改善反時限過電流保護的性能。引入低電壓加速因子u*后的反時限動作方程為：

其中，Ip為整定電流。

發(fā)生不同類型的故障時，其對應(yīng)著不同的電壓特征。保護檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以測量3個相電壓和3個線電壓的數(shù)值，并進行比較，u*取其中最小的值。這樣使得不同類型故障發(fā)生的情況下，保護的動作時間都有最好的改善效果［16］。

線路發(fā)生故障時，低電壓加速因子u*的大小與故障點和保護之間距離成正比例關(guān)系，即保護裝置越接近故障點，其低電壓加速因子越小，保護的動作速度越快。保護的加速作用隨著故障點與保護的距離而變化，其最大優(yōu)點便是確保了在線路出口處發(fā)生嚴重故障時保護可以快速地動作以切除故障，另外，配電網(wǎng)的線路都比較短，在線路內(nèi)部故障時，保護的動作時間都比較短。

3.2 引入低電壓加速因子對反時限過電流保護配合的影響

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖仍如圖3所示。以保護2和保護3為例，未引入低電壓加速因子時，按照式（1）—（4）的方法整定確定，動作時限相差1個Δt。引入低電壓加速因子后，反時限動作方程為式（8）。保護3出口短路時，保護2和保護3處的電壓標幺值分別如方程式（9）和（10）所示。

根據(jù)式（9）和（11）可得 t′2-t′3＜Δt，保護 2 和保護3之間的時限配合不能滿足選擇性的要求。同樣，DG上下游的保護1和保護2之間的時限配合也無法滿足要求。因此，必須對低電壓加速反時限過電流保護進行改進。

3.3 低電壓加速的反時限過電流保護的改進方案

圖2中，各保護反時限過電流保護的動作方程如式（1）所示。引入低電壓加速因子后的低電壓加速反時限過電流保護配合方案如下。

a.保護 3 仍按式（1）和（3）整定。

b.對于保護2，根據(jù)選擇性的要求，在保護3出口發(fā)生三相短路時，保護2的動作時間比保護3高出Δt，而在低電壓加速因子的作用下，保護3瞬時動作，故保護2的動作時間為 Δt。 將 t′2=Δt代入式（11）中保護2的動作時限方程，可得方程式（13）：

令Kp2為保護2的配合系數(shù)：

則保護2改進的反時限動作方程的時間常數(shù)為：

c.對于DG上游的保護1，根據(jù)選擇性的要求，一方面保護2出口三相短路時，保護1的動作時間要高出Δt，而在低電壓加速因子的作用下保護2可以瞬時動作，故保護1的動作時間為Δt，其動作方程為：

將 t1=Δt代入式（16），則時間常數(shù)為：

另一方面，在保護3出口三相短路時，保護1的動作時間要比保護3高出2Δt，而保護3可瞬時動作，故保護1動作時間為2Δt。同樣地，保護1的動作方程為：

將 t1=2Δt代入式（19），則時間常數(shù)為：

為了保證保護2和保護3出口處短路時，保護1均能滿足選擇性的要求，因此比較tp1-1和tp1-2的大小，取較大者作為保護1的時間常數(shù)tp1，即：

按照上述方案對反時限過電流保護的參數(shù)進行整定后，引入低電壓因子的反時限過電流保護在時限上就能夠很好地配合，滿足選擇性的要求。

圖4 改進的低電壓加速反時限過電流保護動作時間曲線Fig.4 Operating time curves of improved low-voltage acceleration ITOC

圖4所示為應(yīng)用低電壓加速反時限過電流保護配合方案后的保護1、2和3的動作曲線圖?？梢钥吹?，在保護3出口三相短路時，保護2和3的動作時間差為Δt，滿足選擇性的要求；而保護2、保護3出口三相短路時，保護1和保護2也能夠配合，在其中一個短路位置處能夠保證動作時間差最短，為Δt。

4 仿真驗證與比較

在PSCAD中搭建配電網(wǎng)絡(luò)圖5所示含DG的低壓配電系統(tǒng)，電壓等級為10 kV。E為主電源，系統(tǒng)阻抗 Zs=0.7+j0.458 Ω。 配電線路 L1、L2、L3長度均為1 km，線路單位長度的線路阻抗Zl=0.26+j0.255 Ω。DG接在母線B上，DG等效阻抗Zg=7+j4.6 Ω。保護1、2、3為相應(yīng)配電線路安裝的保護，K1、K2、K3分別為保護出口處的故障點位置。

圖5 含分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of distribution network with DG

4.1 基于通信的反時限過電流保護方案

各保護的啟動電流按式（1）整定，動作時限表達式和相關(guān)參數(shù)按照2.1和2.2節(jié)的方法確定。在仿真中設(shè)置不同故障點和故障類型，仿真結(jié)果如下。

K3點發(fā)生不同類型的故障時，各保護的動作情況如表1所示，K2點發(fā)生不同類型的故障時，各保護的動作情況如表2所示，不同情況下保護動作時間如圖6所示。

仿真結(jié)果表明，應(yīng)用了基于通信的反時限過電流保護方案后，保護1作為保護2、3的后備保護時動作時間縮短，改善了保護間的時限配合，提升了保護性能。在發(fā)生兩相故障時，改善效果最為明顯。

表1 K3點短路時各保護動作情況Table 1 Operational data of protections when short circuit occurs at K3

表2 K2點短路時各保護動作情況Table 2 Operational data of protections when short circuit occurs at K2

圖6 不同短路類型與短路地點下的保護動作時間Fig.6 Operating time of protections for different short circuit types and locations

4.2 改進的低電壓加速反時限過電流保護方法

在仿真中設(shè)置不同故障點和故障類型，分別計算傳統(tǒng)反時限過電流保護、引入低電壓加速因子的反時限過電流保護，以及低電壓加速反時限過電流保護配合方案的動作時間。

K3點發(fā)生不同類型的故障時，各保護的動作情況如表3所示，K2點發(fā)生不同類型的故障時，各保護的動作情況如表4所示，不同情況下保護動作時間與上、下級保護配合情況如圖7所示。圖中，Δt1-2和Δt2-3分別為保護1和2、保護2和3的動作時限之差。

上級保護的動作時限至少應(yīng)比下級高1個Δt。傳統(tǒng)保護、僅引入低電壓加速保護、改進配合的低電壓加速保護在各種短路情況下能否滿足配合時限要求的情況列于表5，表中，“√”表示滿足，“×”表示不滿足。

從仿真結(jié)果可以看出，引入低電壓加速因子后，傳統(tǒng)反時限過電流保護的配合可能失去選擇性。采用改進的低電壓加速反時限過電流保護配合方案后，既能保證大部分情況下保護出口故障時快速動作，又能滿足相鄰線路保護動作時限的配合要求。

4.3 2種改進方法的比較

從保護原理上分析，基于通信的保護方法整定簡單，且不受DG特性的影響，只需要傳遞DG支路電流，適用于有保護間通信條件的配電線路；改進的低電壓加速保護方法只需修改整定方法，具有動作時間短、無需通信信道的優(yōu)點，但動作時間受到DG故障特性的影響，并且需要測量故障后線路的電壓量作為低電壓加速因子。

表3 K3點短路時各保護動作情況Table 3 Operational data of protections when short circuit occurs at K3

表4 K2點短路時各保護動作情況Table 4 Operational data of protections when short circuit occurs at K2

圖7 不同短路類型與地點下的保護動作時間Fig.7 Operating time of protections for different short circuit types and locations

表5 3種保護在各短路情況下滿足配合時限要求情況的比較Table 5 Comparison of operating time coordination among three protection types for different short circuit conditions

從仿真結(jié)果來看，2種改進的反時限過電流保護方法都能有效滿足速動性和選擇性的要求，可以作為線路后備保護。

5 結(jié)語

針對含DG配電網(wǎng)的反時限過電流保護可能存在的保護速動性降低的問題，本文提出了2種改進方法。本文提出了基于通信的反時限過電流保護方案，借助通信信道將短路時DG提供的饋電流傳遞至上游保護，在保證選擇性的前提下最大限度地提高了保護的速動性。同時，本文提出了低電壓加速反時限過電流保護的配合方案。低電壓加速反時限過電流保護應(yīng)用到含DG的配電網(wǎng)中，確實可以加速反時限過電流保護的動作時間，尤其是改善了保護出口故障的動作時間。但是，引入低電壓加速因子可能導致反時限過電流保護間的協(xié)調(diào)配合，影響保護的選擇性。本文提出了改進的低電壓加速反時限過電流保護，能夠消除低電壓加速因子對動作時限的影響，確保上下級保護動作時限的配合。這2種保護方案的實施，可以有效改善反時限過電流保護在微電網(wǎng)中應(yīng)用的動作特性以及保護之間的配合特性，具有良好的應(yīng)用價值。