含光伏電源配電網(wǎng)的復(fù)合序網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)

楊秋霞，姜培培，劉同心，魏玲玲

(1.燕山大學(xué)電氣學(xué)院，河北 秦皇島 066004; 2.國(guó)網(wǎng)寧晉縣供電公司, 河北 邢臺(tái) 055550)

含光伏電源配電網(wǎng)的復(fù)合序網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)

楊秋霞1，姜培培2，劉同心1，魏玲玲1

(1.燕山大學(xué)電氣學(xué)院，河北 秦皇島 066004; 2.國(guó)網(wǎng)寧晉縣供電公司, 河北 邢臺(tái) 055550)

含光伏電源(PV)的配電網(wǎng)，因光伏電源容量、并入位置不同，導(dǎo)致傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)不能準(zhǔn)確動(dòng)作。針對(duì)這一問(wèn)題，提出根據(jù)保護(hù)點(diǎn)復(fù)合序網(wǎng)電壓和電流進(jìn)行自適應(yīng)電流保護(hù)整定的方案。首先，提取故障電壓和正序故障電流相位差來(lái)判定故障發(fā)生在光伏電源上游還是下游。然后，由序分量判定故障類型，選定故障區(qū)域。最后，利用復(fù)合序網(wǎng)電壓求取保護(hù)安裝處的電流整定值，進(jìn)行自適應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該保護(hù)方案可根據(jù)光伏電源并入位置、容量、發(fā)生故障位置的不同，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)在線保護(hù)整定，能夠有效提高本地保護(hù)范圍。

光伏電源；配電網(wǎng)；復(fù)合序網(wǎng)；自適應(yīng)電流保護(hù)；故障方向判定

0 引言

光伏電源(PV)并入電網(wǎng)后，不僅會(huì)改變?cè)信潆娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且網(wǎng)絡(luò)中潮流方向和短路電流會(huì)隨著光伏電源容量、并入位置的情況實(shí)時(shí)變化。這都給現(xiàn)有的三段式電流保護(hù)帶來(lái)嚴(yán)重影響，引起保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)[1-3]。

針對(duì)光伏電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響，相繼提出了多種解決方案。文獻(xiàn)[4]提出了基于高級(jí)饋線終端單元(AFTU)的保護(hù)控制技術(shù)，根據(jù)本地及臨近的信息，定位故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)故障的隔離及孤島運(yùn)行。

文獻(xiàn)[5]提出了基于通信技術(shù)的區(qū)域保護(hù)方案，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，通過(guò)一次和二次兩步定位確定故障區(qū)域?qū)崿F(xiàn)保護(hù)。但若信息傳輸有誤，將直接影響保護(hù)動(dòng)作。文獻(xiàn)[6]通過(guò)保護(hù)安裝處的正序電壓和正序電流之間的關(guān)系，提出了配電網(wǎng)正序電流速斷保護(hù)。但沒(méi)有針對(duì)光伏上下游電流方向進(jìn)行分析，容易引起多段線路保護(hù)同時(shí)動(dòng)作。本文根據(jù)保護(hù)處的信息，先判定了 PV 上下游故障方向再進(jìn)行復(fù)合序網(wǎng)的自適應(yīng)電流保護(hù)動(dòng)作。

1 光伏并網(wǎng)仿真算例

在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏電源采用恒功率控制[7-8]，光伏并網(wǎng)逆變器內(nèi)的限流裝置，可以限制光伏電源輸出電流，使 PV 最大輸出電流限定為 1.2倍的額定電流。因光伏電源輸出為三相正序電流，PV 可等效為存在于正序網(wǎng)絡(luò)的壓控電流源

本文以 10 kV 配電網(wǎng)為例，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為500 MVA，基準(zhǔn)電壓 10.5 kV。主要研究系統(tǒng)發(fā)生最嚴(yán)重故障(最大運(yùn)行方式)時(shí)的保護(hù)情況，取系統(tǒng)阻抗 為 0.29mH ， 即， 饋 線 負(fù) 荷 為。架空線型號(hào)選取 LGJ-120/25，電纜線型號(hào)選取線路參數(shù)參考表1。搭建模型線路圖如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)算例模型Fig. 1 Distribution network model

表1 算例線路參數(shù)Table 1 Example circuit parameters

在算例中并入等效的光伏電源，研究光伏電源在不同位置以不同容量并入到配電網(wǎng)時(shí)，對(duì)線路短路電流的影響。本文選用 5 MVA 光伏電源和10 MVA 光伏電源分別并入到饋線的 A 母線和 C 母線上，在 PSCAD 中搭建仿真模型如圖2 所示。

圖2 PSCAD 中含光伏并網(wǎng)的仿真模型Fig. 2 Simulation model of PSCAD containing PV grid

1) 由圖3 分析，PV 并網(wǎng)后其下游發(fā)生故障時(shí)，PV 對(duì)上游電流有汲出作用，對(duì)下游電流有助增作用。這將引起 PV 上游流過(guò)保護(hù)的故障電流小于原有的保護(hù)整定值，引起保護(hù)拒動(dòng)，導(dǎo)致不能及時(shí)切除故障。PV 下游流過(guò)保護(hù)的短路電流增加，可能會(huì)達(dá)到下游保護(hù)整定值，導(dǎo)致無(wú)故障線路斷開(kāi)，引起保護(hù)誤動(dòng)。

圖3 C 母線并入光伏前后的電流波形Fig. 3 Current waveform before and after C bus is connected to PV

圖4 光伏并入不同母線后的電流波形Fig. 4 Current waveform when PV is connected into different buses

2 自適應(yīng)復(fù)合序網(wǎng)電流保護(hù)方案

為解決配電網(wǎng)因光伏并入而引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)問(wèn)題，本文采用故障下的復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行分析，研究出適用于光伏接入的自適應(yīng)電流保護(hù)方法，并按對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩種整定方案進(jìn)行整定。

2.1 發(fā)生兩相故障時(shí)情況

圖5 k1 處兩相短路，A 相不對(duì)稱正序網(wǎng)絡(luò)Fig. 5 A phase asymmetric positive sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

不對(duì)稱負(fù)序網(wǎng)絡(luò)是將正序網(wǎng)絡(luò)中的電壓源短路，電流源開(kāi)路，此時(shí)短路點(diǎn)端口電壓為，圖6為處兩相短路，A 相不對(duì)稱負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。

圖6 k1 處兩相短路，A 相不對(duì)稱負(fù)序網(wǎng)絡(luò)Fig. 6 A phase asymmetric negative sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

圖7 k1 處兩相短路，A 相不對(duì)稱復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)Fig. 7 A phase asymmetric composite sequence network when k1 occurs two-phase short circuit

兩相短路電流的不對(duì)稱分量中只存在正序和負(fù)序分量，并且正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)在短路點(diǎn)處的等效端口并聯(lián)，所得復(fù)合序網(wǎng)如圖7 所示。其中，

由自適應(yīng)電流保護(hù)整定原則[15]，考慮保護(hù)動(dòng)作選擇性，取。并考慮一定的可靠性而引入可靠系數(shù)，則在保護(hù)處，根據(jù)復(fù)合序網(wǎng)定義可得的整定電流為

2) 光伏上游 k2 發(fā)生兩相故障

k2 發(fā)生 BC 兩相短路時(shí)，A 相單相運(yùn)行。分別求出正序、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)，再將正序、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)在短路點(diǎn)并聯(lián)，可得兩相短路時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)，如圖8所示。其中，阻抗為復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)的端口等效阻抗，

圖8 k2 處兩相短路，A 相不對(duì)稱復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)Fig. 8 A phase asymmetric composite sequence network when k2 occurs two-phase short circuit

在線可測(cè)得不同故障、不同位置情況下光伏并網(wǎng)的電流，也可測(cè)得保護(hù)和的電壓，因此保護(hù)裝置動(dòng)作的整定電流可以實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)整。而動(dòng)作順序結(jié)合下述光伏故障電流方向來(lái)判定。

2.2 發(fā)生三相短路故障

三相短路是對(duì)稱短路，而光伏電源只能提供三相正序電流，因此，含 PV 的配電網(wǎng)其三相短路電流也是對(duì)稱的。并且，系統(tǒng)故障時(shí)的等值序網(wǎng)只存在正序網(wǎng)絡(luò)，無(wú)負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)，即三相短路的正序網(wǎng)絡(luò)就是系統(tǒng)復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)。處發(fā)生三相短路時(shí)，復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)為圖9所示。

圖9 k1 處三相短路，A 相復(fù)合網(wǎng)絡(luò)Fig. 9 A phase composite sequence network when k1 occurs three-phase short circuit

保護(hù)B2的整定電流為

不同故障時(shí)，保護(hù)處電壓可以取在線測(cè)量值，因此保護(hù)的整定電流值能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)在線整定。

2) 在 PV 上游 k2 點(diǎn)發(fā)生三相短路

圖10 為 k2 點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，A 相復(fù)合序網(wǎng)。

圖10 k2 處三相短路，A 相復(fù)合網(wǎng)絡(luò)Fig. 10 A phase composite network when k2 occurs three-phase short circuit

考慮一定的可靠性，由保護(hù)3和保護(hù)5處電壓電流關(guān)系，可分別求得各保護(hù)處的整定電流。

不同故障、不同位置光伏并網(wǎng)情況下可在線測(cè)得保護(hù) B3 和 B5 處的電壓，由式(6)和式(7)計(jì)算得到保護(hù)裝置的整定電流進(jìn)行在線實(shí)時(shí)整定。

3 算例仿真

3.1 保護(hù)實(shí)現(xiàn)的方向判定

配電網(wǎng)現(xiàn)有的方向元件是功率方向元件，主要根據(jù)非故障相相間電壓與保護(hù)安裝處電流的夾角范圍判定故障方向。但光伏電源在任何故障均輸出三相對(duì)稱正序電流，這將影響到保護(hù)點(diǎn)的故障特性，尤其是不對(duì)稱故障電壓電流特性。

本文中光伏電源處于恒功率模式，僅輸出有功電流，即光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值大于結(jié)合文獻(xiàn)[17]，本文提出在正序網(wǎng)絡(luò)中，采取正序故障電流和故障前電壓相位信息來(lái)判定故障方向，再判斷故障類型進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作的方案。設(shè)定保護(hù) B1，B2，B3 和 B4 為系統(tǒng)正向保護(hù)(光伏反向保護(hù))，保護(hù)B5為光伏正向保護(hù)。

1) PV 下游 k1 點(diǎn)故障

由式(8)可得：

考慮故障前配電網(wǎng)線路各點(diǎn)電壓相位近似相等，可用故障前各保護(hù)安裝處電壓相量的相位代替的相位。則保護(hù)處電壓和正序電流相角關(guān)系按 PV 下游故障考慮，滿足式(10)。

2) PV 上游 k2 點(diǎn)故障

本文采用正序網(wǎng)絡(luò)分析光伏電源供出的故障電流相位特征。k2點(diǎn)對(duì)稱和不對(duì)稱故障情況下系統(tǒng)正序網(wǎng)絡(luò)均為圖10 所示，利用戴維南定理，將圖10進(jìn)行等效代換，如圖11所示。

圖11 k2 處故障，A 相等效正序網(wǎng)絡(luò)Fig. 11 A phase equivalent positive sequence network when k2 fault

不考慮無(wú)功功率，由電壓降落公式可推導(dǎo)出 PV輸出有功功率時(shí)縱分量滿足式(14)。

因此，光伏電源上游發(fā)生故障時(shí)，其正向保護(hù)的故障電流主要由 PV 提供。同樣，用故障前各保護(hù)安裝處電壓相量的相位代替的相位。從 PV角度研究故障發(fā)生位置，判定故障方向，其正向保護(hù)處故障前電壓和正序電流相角關(guān)系按 PV上游故障考慮，滿足式(16)。

然而，PV 反向保護(hù)的故障電流主要由系統(tǒng)提供。從PV角度研究故障發(fā)生位置，判定故障方向，則 保 護(hù)處 故 障 前電 壓和 正 序電 流相角關(guān)系按PV上游故障考慮，滿足

結(jié)合式(10)、式(16)和式(17)，本文根據(jù)保護(hù)處故障前電壓和正序故障電流的相角判定上下游故障方向，再按兩種整定值進(jìn)行自適應(yīng)電流保護(hù)動(dòng)作。判定流程如圖12所示。

3.2 故障類型的確定

在圖12 中，對(duì)稱故障類型的確定可以通過(guò)序分量來(lái)判定。首先得到保護(hù)處各序電流分量當(dāng)零序分量和負(fù)序分量均等于零則說(shuō)明發(fā)生了三相對(duì)稱故障；當(dāng)零序分量不為零則說(shuō)明發(fā)生了不對(duì)稱接地故障。故障類型判定流程如圖13所示。

3.3 算例仿真

繼續(xù)采用圖1的模型進(jìn)行仿真分析，為了驗(yàn)證不同位置、不同光伏容量下發(fā)生不同類型的故障時(shí)，各保護(hù)裝置整定值可以自適應(yīng)設(shè)定。仿真時(shí)，分別在線路a=0.3，0.6，0.9 處設(shè)定故障點(diǎn)，而在 C 母線并入光伏電源，容量取 5 MVA 和 10 MVA，仿真數(shù)據(jù)如表2、表3所示。其中a為故障發(fā)生位置占保護(hù)線路的百分比。

圖12 保護(hù)實(shí)現(xiàn)流程圖Fig. 12 Flow chart of protection implementation

圖13 故障類型判定流程圖Fig. 13 Flow chart of fault type judgement

按照流程圖12進(jìn)行仿真，并進(jìn)行整定。兩相故障時(shí)，仿真結(jié)果如表2 所示?？紤] PV 下游 CD 線段 k1 發(fā)生故障情況。無(wú) PV 時(shí)，保護(hù) B2 的保護(hù)范圍最大為 79.1%，最小保護(hù)范圍為 66.0%。在 C 母線上并入 5 MVA 的光伏電源，但不改變傳統(tǒng)保護(hù)整定原則，保護(hù) B2 的保護(hù)范圍降低為 47%。但是，采用本文中的復(fù)合序網(wǎng)整定原則，在光伏容量和故障位置不同時(shí)，保護(hù) B2均能準(zhǔn)確動(dòng)作，大大提高了保護(hù)范圍。當(dāng) PV 上游 BC 線路 k2 發(fā)生兩相短路故障，保護(hù)B3和保護(hù)B5的動(dòng)作整定值會(huì)隨著光伏并網(wǎng)容量和短路位置的不同，而自適應(yīng)地改變，并大于測(cè)量值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。

三相故障時(shí)，仿真結(jié)果如表3所示。k1發(fā)生三相故障，在光伏容量和故障位置不同時(shí)，按本文方案進(jìn)行整定，B2的保護(hù)范圍大約維持在線路全長(zhǎng)的 84.2%，受其他因素影響較小。當(dāng) k2 發(fā)生三相短路故障時(shí)，無(wú) PV 時(shí)，BC 線路最大保護(hù)范圍為77.9%，最小保護(hù)范圍為 62.1%。在 C 母線上并入光伏電源，k2 在線路不同位置時(shí)，線路首端保護(hù)B3 的保護(hù)范圍大約為 85.9%，無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)，但相比于原有保護(hù)范圍有所提高。而末端保護(hù) B5隨著并入光伏容量，和 BC線段故障位置不同，整定值自適應(yīng)整定變動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作。

表2 BC 兩相短路時(shí)的仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of BC phase short circuit

表3 三相短路時(shí)的仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of the three phase short circuit

綜上，采用本文提出的上下游不同保護(hù)整定值公式，可以自適應(yīng)改變整定值，有效提高保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

含光伏電源配電網(wǎng)的故障特性和傳統(tǒng)輻射式配電網(wǎng)有很大不同。為改善保護(hù)性能，本文通過(guò)分析不同位置、不同類型故障情況下，保護(hù)安裝處的復(fù)合序網(wǎng)電壓和流過(guò)保護(hù)的復(fù)合序網(wǎng)電流之間的關(guān)系，研究出適用于 PV 接入的自適應(yīng)復(fù)合序網(wǎng)電流保護(hù)方案。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明， PV 容量、故障類型和故障位置的不同會(huì)引起保護(hù)范圍的變化，而本文所提出的自適應(yīng)保護(hù)方案可有效改善系統(tǒng)的保護(hù)性能。

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(編輯 周金梅)

Photovoltaic power distribution network in composite sequence network adaptive protection

YANG Qiuxia1, JIANG Peipei2, LIU Tongxin1, WEI Lingling1
(1. School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. State Grid Ningjin County Power Supply Company, Xingtai 055550, China)

Traditional three-step current protection in distribution network containing photovoltaic power (PV) power can't operate accurately due to different PV supply capacity and incorporated position. In order to solve this problem, this paper puts forward to proceed with adaptive current protection setting according to the composite sequence network voltage protection point. First of all, it extracts the fault voltage and positive sequence fault current phase difference to determine the fault occurred in the PV power supply upstream or downstream. Then, it selects sequence component to judge fault type and fault zone. Finally, it uses the composite sequence network voltage to obtain the current setting value in protection installation, to carry out adaptive protection setting movement. The protection scheme is verified by the simulation. It can realize adaptive on-line protection setting and effectively improve the scope of local protection based on different incorporated position, capacity, and failure location of PV power.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61573303).

photovoltaic power; distribution network; composite sequence nets; adaptive current protection; fault direction judgement

10.7667/PSPC151666

：2015-11-26

楊秋霞(1972-)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電技術(shù)；E-mail: yangqx_fly@163.com

姜培培(1990-)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)的配電網(wǎng)保護(hù)；E-mail: jiangpeipei90@163.com

劉同心(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楹履茉窗l(fā)電的優(yōu)化調(diào)度。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61573303)