基于電流方向搜索法的分布式電源接入配電網(wǎng)故障保護(hù)與定位的研究

袁剛++陳奎

摘 要：隨著分布式電源的接入，傳統(tǒng)單電源輻射性配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)必然發(fā)生改變。按照傳統(tǒng)單電源輻射性配電網(wǎng)保護(hù)與定位方法，已不能完全適用于含分布式電源的配電網(wǎng)。在研究分布式電源接入對(duì)現(xiàn)有保護(hù)和定位方法影響的基礎(chǔ)上，提出了基于電流方向法的分布式電源接入配電網(wǎng)保護(hù)與定位的方法。通過(guò)構(gòu)建仿真模型，仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：分布式電源；配電網(wǎng)；保護(hù)與定位；電流方向法；電力系統(tǒng)故障

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）18-0125-04

1 前言

分布式電源作為一種清潔環(huán)保，安裝靈活的發(fā)電技術(shù)，在各個(gè)國(guó)家都獲得了迅速的發(fā)展。近年來(lái)，在國(guó)家戰(zhàn)略的大力支持下，我國(guó)分布式電源得以迅猛發(fā)展，裝機(jī)容量躍居世界首位。此外，當(dāng)下我國(guó)的配電系統(tǒng)多為傳統(tǒng)的單福射結(jié)構(gòu)，接納能力有限，不適合分布式電源的大規(guī)模自由接入，這在某種程度上阻礙了分布式電源在配電網(wǎng)層面的推廣應(yīng)用。因此也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

廣大繼電保護(hù)工作者根據(jù)分布式電源接入配電網(wǎng)的特征，分別提出了加裝電壓互感器和方向元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的電流保護(hù)；考慮DG分流，采用雙整定方法，適用于系統(tǒng)運(yùn)行方式變化較小的保護(hù)方法；光纖保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、廣域保護(hù)等方法。上述這些方法有效地提高了分布式電源接入配電網(wǎng)的保護(hù)準(zhǔn)確性、靈敏性和可靠性。但是在應(yīng)用中還存在一定的局限性，有必要進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。本文在借鑒上述方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析分布式電源接入對(duì)傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)不同影響的基礎(chǔ)上，提出利用各線路電流綜合比向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式電源接入配電網(wǎng)的保護(hù)，且該方法不受分布式電源滲透率、接入位置等因素的影響。并經(jīng)仿真驗(yàn)證了本方法的有效性。

2 分布式電源接入對(duì)現(xiàn)有保護(hù)與定位方法的影響

傳統(tǒng)單電源輻射性配電網(wǎng)的保護(hù)方法主要是電流保護(hù)。即當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)電流保護(hù)的電流增大整定電流和整定時(shí)間時(shí)保護(hù)就會(huì)動(dòng)作，切除發(fā)生故障的線路。目前電流保護(hù)主要是是三段式電流保護(hù)，它們之間相互配合共同完成對(duì)配網(wǎng)的保護(hù)任務(wù)。但是隨著分布式電源的接入原有單電源輻射性配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也就發(fā)生了改變。必然對(duì)三段式電流保護(hù)產(chǎn)生一定的影響。圖1是原有配電網(wǎng)接入分布式電源后的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，當(dāng)線路AB的f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，按照繼電保護(hù)的選擇性來(lái)講，保護(hù)1應(yīng)立即動(dòng)作切斷故障線路AB，但是該配網(wǎng)含分布式電源，這樣，BC線路仍然會(huì)流過(guò)短路電流，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)2的誤動(dòng)作。通過(guò)分析流過(guò)保護(hù)2的故障電流可知當(dāng)故障電流大于其整定值，那么保護(hù)2就會(huì)誤動(dòng)，當(dāng)故障電流小于其整定值，保護(hù)2就不會(huì)誤動(dòng)。這主要與分布式電源提供短路電流的大小有關(guān)。

當(dāng)線路BF的f3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，如果分布式電源的容量過(guò)大，那么流過(guò)保護(hù)6的電流就會(huì)變大，而B(niǎo)C線路也會(huì)流過(guò)由分布式電源提供的短路電流。這樣也可能導(dǎo)致保護(hù)2、保護(hù)1的誤動(dòng)作。

當(dāng)改變DG接入的位置，如圖3所示，這個(gè)時(shí)候DG位于保護(hù)裝置3的下游，這樣的話，流過(guò)3處保護(hù)的故障電流值就會(huì)變小，這樣導(dǎo)致的結(jié)果很可能就是保護(hù)3不動(dòng)作。

當(dāng)分布式電源位于配電網(wǎng)末端時(shí)如圖4所示。當(dāng)f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)DG相當(dāng)于沒(méi)有接入配電網(wǎng)。這樣的話圖中的配電網(wǎng)就變成了傳統(tǒng)的單電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。我們觀察各個(gè)保護(hù)安裝點(diǎn)的情況，其中另一條支路的保護(hù)6和保護(hù)7不會(huì)受影響，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)感受到故障電流。本支路的保護(hù)4雖然流過(guò)了短路電流，但是接入DG與未接入DG，對(duì)于流過(guò)保護(hù)4的短路電流來(lái)講，基本沒(méi)有什么變化（所以在f1點(diǎn)短路的情況發(fā)生時(shí)，保護(hù)4能正確切除故障線路。

當(dāng)f3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，另一條支路的保護(hù)6和保護(hù)7不會(huì)受影響，因?yàn)樗鼈儫o(wú)故障電流流過(guò)。保護(hù)3有故障電流流過(guò)，但接入DG與未接入DG相比影響很小可以忽略不計(jì)。而保護(hù)4會(huì)流過(guò)DG提供的短路電流，有可能造成保護(hù)4會(huì)誤動(dòng)作。

當(dāng)f2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，由原系統(tǒng)電源和DG提供的短路電流會(huì)流過(guò)保護(hù)6。這樣保護(hù)3有可能準(zhǔn)確動(dòng)作。但是，DG提供的短路電流會(huì)流過(guò)保護(hù)2和3，這樣保護(hù)2和3都有可能誤動(dòng)作。

綜上所述，在接入DG之后，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。當(dāng)DG接入配網(wǎng)的位置固定時(shí)。對(duì)不同位置發(fā)生故障時(shí)，分布式電源對(duì)其上游線路有分流的作用，對(duì)其下游線路有助增的作用。這樣會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或者誤動(dòng)，不利于配電網(wǎng)的安全。當(dāng)分布式電源在不同位置接入配電網(wǎng)時(shí)，分布式電源接入配電網(wǎng)會(huì)造成配電網(wǎng)保護(hù)的不正確動(dòng)作。因此，我們需要尋求更好的方法來(lái)解決分布式電源接入配電網(wǎng)的繼電保護(hù)問(wèn)題。

3 基于電流方向搜索法的分布式電源接入配電網(wǎng)故障保護(hù)與定位

一個(gè)含分布式電源的配電網(wǎng)如圖5所示，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，其等效電路如圖6所示。

圖中Zs是系統(tǒng)阻抗，Z1….Zk，Zn是各分支線路的阻抗。是故障短路電流的故障電流分量，是發(fā)生故障時(shí)母線電壓正序故障分量，因此可得：

（1）

由式（1）可知電流之間的關(guān)系主要取決于、之間的關(guān)系。在配電網(wǎng)線路阻抗角一般為，也就是說(shuō)Zs，Zi之間的阻抗角約為，那么、之間的角度約為。由于、之間的夾角小于，所以也位于之間，并且其幅值大于每一個(gè)向量的模值，即滿足：

（2）

當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)根據(jù)基爾霍夫電流定律可得：

（3）

根據(jù)公式（2）可以發(fā)現(xiàn)故障支路故障分量電流的幅值大于未發(fā)生故障支路的故障分量電流，并且故障分量電流的相位也與其余未發(fā)生故障支路的電流相位差異較大，所以，我們可以根據(jù)這些特征制定出故障方向判據(jù)。

4 實(shí)例仿真與結(jié)論

如圖7所示，一較復(fù)雜多個(gè)分布式電源接入配電網(wǎng)。

如圖7所示，首先規(guī)定電流由線路流向母線為正方向，電流由母線流向線路為負(fù)方向。每一級(jí)的母線上的智能電力監(jiān)測(cè)裝置IED負(fù)責(zé)比較采集的故障分量電流的大小，比如對(duì)于第一級(jí)母線IED來(lái)講，需要將采集的各支路故障分量電流值進(jìn)行比較確定出故障支路。沿著該支路正方向，向前搜索。endprint

當(dāng)進(jìn)行完第一級(jí)故障分量電流幅值比較后，立即進(jìn)行第二級(jí)故障分量電流幅值比較（故障線路進(jìn)行，非故障線路不用進(jìn)行比較），如果IED對(duì)第二級(jí)故障分量電流進(jìn)行分析比較后發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生在母線時(shí)，則故障區(qū)域落在第一級(jí)母線與第二級(jí)母線之間。

如果IED對(duì)第二級(jí)故障電流分量幅值進(jìn)行分析比較后發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生在支路上則繼續(xù)進(jìn)行搜索，直到確定故障位置。

當(dāng)線路EF發(fā)生故障時(shí)，首先IED對(duì)支路AB、AH、AK支路進(jìn)行故障電流檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)AB支路故障電流分量值最大，那么沿著AB支路正方向繼續(xù)向前尋找故障。IED對(duì)BC、BE支路進(jìn)行故障電流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)BE支路故障電流分量值最大。那么系統(tǒng)則判斷AB支路未發(fā)生故障，繼續(xù)沿著B(niǎo)E支路正方向繼續(xù)向前搜索。IED對(duì)EF和含分布式電源支路的故障電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)EF支路的故障電流分量值最大，并且利用判據(jù)得出表1的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷故障發(fā)生在母線F的上游。此時(shí)，系統(tǒng)可以確定故障發(fā)生在EF處，停止向前搜索。系統(tǒng)確定故障位置在EF處，控制保護(hù)裝置動(dòng)作切斷線路EF，起到保護(hù)線路的作用。

從表中的數(shù)據(jù)可以看出利用式（2）可以準(zhǔn)確的判斷出故障方向的，利用式（3）可以準(zhǔn)確的幫助系統(tǒng)確定故障點(diǎn)位置。且離故障點(diǎn)越近，故障特征越明顯，所以離電源越近的地方對(duì)電力智能檢測(cè)裝置的精度要求也越高。同樣模擬其它位置的故障都可以有效地定位故障區(qū)間。當(dāng)改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、分布式電源接入的位置等，徑仿真都可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位。

綜上所述該方法可對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)故障實(shí)現(xiàn)有效定位，為解決分布式電源接入配電網(wǎng)的保護(hù)和故障定位提供有效地幫助。

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