基于用戶自定義特征的反時(shí)限有源配網(wǎng)保護(hù)方案*

李嘉恒，任惠，師璞，孫辰軍，王飛，4

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司保定供電分公司，河北保定071000；3.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊050000；4.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

0 引 言

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是單一電源的輻射型網(wǎng)絡(luò)，一般配置三段式過電流保護(hù)，而保護(hù)的選擇性是依靠各段過電流保護(hù)的不同時(shí)限配合來實(shí)現(xiàn)。對于靠近電源的故障，需要更長的延時(shí)來切除故障［1］。而分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)；其潮流與故障電流均可能雙向流動(dòng)，大小和方向均具有不確定性［2］。因此，分布式電源的接入給傳統(tǒng)的三段式過電流保護(hù)的靈敏度和選擇性帶來了一些挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)［3］提出一種確定DG準(zhǔn)入容量的分析方法，考慮了DG短路電流衰減特性和配電網(wǎng)保護(hù)，通過限制DG的容量和并網(wǎng)位置來減小DG對配網(wǎng)保護(hù)的影響，但這忽略了DG并網(wǎng)的目的，即提高配網(wǎng)的穩(wěn)定性，加大清潔能源的利用力度。文獻(xiàn)［4］提出一種利用故障限流器（FCL）來限制DG提供的短路電流的配網(wǎng)保護(hù)策略，但是這種策略存在一定的問題，即發(fā)生故障時(shí)，會(huì)減少DG對配網(wǎng)穩(wěn)定的支持力度。文獻(xiàn)［5］提出一種利用電壓因子的低電壓加速反時(shí)限保護(hù)方案，可以加快線路出口故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作，但是由于涉及到了故障電壓的對比計(jì)算，保護(hù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度增大。

為解決含DG配電網(wǎng)的保護(hù)問題，有關(guān)反時(shí)限過電流保護(hù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作［4-15］，但大部分文獻(xiàn)在考慮配電網(wǎng)保護(hù)方案時(shí)都默認(rèn)所有的保護(hù)有著相同的反時(shí)限電流-時(shí)間曲線，一般都是國際上通用的常規(guī)反時(shí)限電流-時(shí)間曲線。然而很多數(shù)字繼電器除了可以提供常規(guī)反時(shí)限曲線還可以提供其他不同類型的反時(shí)限曲線，其中一些數(shù)字繼電器還可以提供根據(jù)用戶的自身需求自定義的反時(shí)限曲線［16］。文章以此為基礎(chǔ)，針對有源配電網(wǎng)提出一種基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案，此方案能夠保證反時(shí)限過電流保護(hù)在DG的出力變化時(shí)仍滿足繼電保護(hù)選擇性和快速性的要求。

1 有源配網(wǎng)的特點(diǎn)和其對保護(hù)的要求

由于DG的大量接入，使得配電網(wǎng)的功率和故障電流都可以雙向流動(dòng)，其運(yùn)行特征和故障特征都發(fā)生了根本性的變化，傳統(tǒng)的故障分析和繼電保護(hù)方法對有源配網(wǎng)已經(jīng)不再適用，都需要調(diào)整和相應(yīng)的改進(jìn)。

對于通過逆變器連接配電網(wǎng)的DG，其逆變器有不同的控制方式，因而DG提供的故障電流也有著不同的特性。為了避免線路故障時(shí)流過逆變器的短路電流過大，一般控制電路會(huì)把DG的輸出電流控制在額定電流的1.5倍～2倍［17］。另外，DG出力的隨機(jī)性也會(huì)造成有源配網(wǎng)短路電流數(shù)值在一個(gè)較大的變化范圍內(nèi)波動(dòng)，這都嚴(yán)重影響了保護(hù)的整定和配合。

在國外，相關(guān)機(jī)構(gòu)制訂了DG并網(wǎng)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，要求在配網(wǎng)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)故障的快速切除，保證DG的安全和用戶供電的可靠性。因此對于配網(wǎng)的安全運(yùn)行，故障時(shí)保護(hù)的快速動(dòng)作意義重大。

針對有源配電網(wǎng)對保護(hù)的要求，有學(xué)者提出基于數(shù)據(jù)自同步和對等通信的電流差動(dòng)保護(hù)的方法來解決DG接入帶來的難題［18］，但是種方法容易受到通信傳輸速度和通信可靠性的影響，增加了保護(hù)的投資成本和運(yùn)行復(fù)雜度。所以在能夠最大化減少投資成本或最好不改變原有配網(wǎng)保護(hù)的情況下，研究能夠適應(yīng)DG出力隨機(jī)變化的保護(hù)方案是有源配網(wǎng)保護(hù)的必然要求。

2 反時(shí)限過電流保護(hù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

反時(shí)限過電流保護(hù)是動(dòng)作時(shí)間與被保護(hù)線路中電流大小有關(guān)的一種保護(hù)，當(dāng)電流大時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間短，電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)間長，因而具有自適應(yīng)的反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的能力。而三段式電流保護(hù)，有時(shí)由于受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，往往不能同時(shí)滿足靈敏度和動(dòng)作范圍的要求。因此反時(shí)限過電流保護(hù)被廣泛應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)的線路保護(hù)［19-22］。

典型反時(shí)限電流-電壓曲線如圖1所示。

圖1 IEC 60255標(biāo)準(zhǔn)的反時(shí)限特性曲線圖TDS＝1Fig.1 IEC 60255 inverse time overcurrent relay characteristics curve at TDS＝1

根據(jù)IEC 60255標(biāo)準(zhǔn)，反時(shí)限特性的公式為：

式中t是動(dòng)作時(shí)間；A是常數(shù)，表示反時(shí)限繼電器的特性；B也是常數(shù)，表示反時(shí)限的類型；TDS是繼電器的時(shí)間整定系數(shù)，不同的時(shí)間整定系數(shù)用以使特性曲線上下平移，如圖2所示，Ip是啟動(dòng)電流。

圖2 不同TDS時(shí)的常規(guī)反時(shí)限特性曲線Fig.2 Typical time/current characteristics curve of standard inverse time overcurrent relay with different TDS

根據(jù)IEC 60255標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)A、參數(shù)B根據(jù)不同的反時(shí)限類型有固定的標(biāo)準(zhǔn)值，一共有四種類型，如表1所示。

表1 不同類型的反時(shí)限曲線參數(shù)值Tab.1 Different types of inverse characteristics curves

在線路上應(yīng)用反時(shí)限過電流保護(hù)時(shí)要注意上下兩級保護(hù)的配合，上下兩級保護(hù)的配合點(diǎn)是下級線路保護(hù)的出口，即下級線路出口短路時(shí)上級線路保護(hù)要有足夠的延時(shí)來滿足選擇性的要求。另外，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式改變時(shí)短路電流也會(huì)隨之改變，所以也要保證系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下發(fā)生故障時(shí)保護(hù)的快速動(dòng)作。

由于DG出力的隨機(jī)變化，有源配電網(wǎng)短路電流數(shù)值會(huì)在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變化，此外短路電流的方向也可能會(huì)發(fā)生改變。由圖3所示，用具體的有源配電網(wǎng)作為例子來討論反時(shí)限過流保護(hù)應(yīng)用的可行性和存在的問題，S表示等效的配網(wǎng)系統(tǒng)，DG表示分布式電源。

圖3 有源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of active distribution network

由于DG出力的隨機(jī)性，其輸出功率可能在額定輸出功率的0～100%之間變化。對于傳統(tǒng)的反時(shí)限過電流保護(hù)方案，其整定原則是考慮接入母線C的DG在最大出力條件下對各保護(hù)進(jìn)行整定并滿足上下級保護(hù)的配合關(guān)系。下面分析DG出力的變化對傳統(tǒng)反時(shí)限過流保護(hù)的影響。

（1）對DG下游保護(hù)（R3、R4）的影響：當(dāng)DG出力小于最大出力時(shí)，DG下游線路DE發(fā)生故障，流過保護(hù)R3和保護(hù)R4的短路電流相比整定情況會(huì)有減小，會(huì)使按照DG最大出力時(shí)整定的保護(hù)R3和R4動(dòng)作時(shí)間延長，不利于故障的快速切除。

（2）對 DG上游保護(hù)（R1，R2）的影響：當(dāng) DG上游線路AB發(fā)生故障時(shí)，DG提供的短路電流流過保護(hù)R2，如果其短路電流大小大于啟動(dòng)電流值則保護(hù)R2在反方向故障時(shí)將會(huì)誤動(dòng)作。

3 基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案

對于傳統(tǒng)反時(shí)限過電流保護(hù)，所有保護(hù)有相同的反時(shí)限電流-時(shí)間曲線，常數(shù)A、B都是固定的標(biāo)準(zhǔn)值，只有啟動(dòng)電流Ip和時(shí)間整定系數(shù)TDS這兩項(xiàng)參數(shù)可以設(shè)定。但有源配電網(wǎng)中的DG出力變化有隨機(jī)性，使得不同狀態(tài)下系統(tǒng)電源容量及故障電流水平相差較大，不利于傳統(tǒng)反時(shí)限保護(hù)的快速動(dòng)作。

數(shù)字反時(shí)限過流保護(hù)繼電器可以在一定范圍內(nèi)設(shè)置參數(shù)變量，并不局限于四種標(biāo)準(zhǔn)曲線，用戶可以根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)，自定義一些滿足自身要求的反時(shí)限動(dòng)作曲線。因此，基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案考慮把A和B也當(dāng)做連續(xù)的變量，這樣對于反時(shí)限過流保護(hù)來說，就有了四項(xiàng)可以設(shè)定的參數(shù)，即 TDS、Ip、A、B。以各保護(hù)的出口故障時(shí)，所有保護(hù)動(dòng)作時(shí)間之和最短為目標(biāo)函數(shù)，利用Matlab優(yōu)化工具箱fmincon函數(shù)即內(nèi)點(diǎn)法對反時(shí)限過電流保護(hù)的四項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而求解得出四項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)提高保護(hù)動(dòng)作速度的目的。

目標(biāo)函數(shù)：

式中tj是第j個(gè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

如果將A，B常數(shù)看做連續(xù)的變量，第j個(gè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間tj為：

在解決保護(hù)的優(yōu)化配合問題時(shí)還要滿足以下的約束條件：

式中t′j是第j個(gè)保護(hù)的后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

對于四種可以設(shè)定的參數(shù)（TDS、Ip、A、B），最大值和最小值的約束如下：

式中Ipmin是最大負(fù)荷電流；Ipmax是最小短路電流。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間必須在限定的范圍之內(nèi)，約束條件如下：

在滿足了以上約束條件下，當(dāng)有源配電網(wǎng)故障時(shí)，基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案可以保證在故障電流較小的情況下保護(hù)動(dòng)作的快速性，將DG輸出功率的隨機(jī)性給配電網(wǎng)保護(hù)帶來的影響減小到最低，有利于故障的快速切除，具體應(yīng)用如下：

（1）系統(tǒng)電源側(cè)保護(hù)的配置：基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流曲線如圖4所示。曲線a和曲線b是滿足動(dòng)作時(shí)間配合關(guān)系的反時(shí)限過電流保護(hù)動(dòng)作曲線，曲線b代表后備保護(hù)。當(dāng)基于用戶自定義特征重新配置保護(hù)后，保護(hù)動(dòng)作曲線a和曲線b向下平移到曲線a′和曲線b′的位置，當(dāng)故障發(fā)生在該線路時(shí)，優(yōu)化配置后的保護(hù)可以快速動(dòng)作，特別是線路出口故障時(shí)，保護(hù)可以瞬時(shí)動(dòng)作。由于在配置保護(hù)時(shí)已經(jīng)考慮了上下級保護(hù)動(dòng)作時(shí)間配合的約束條件，所以重新配置的保護(hù)仍然能夠保證上下級保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的配合關(guān)系；

（2）DG側(cè)保護(hù)的配置：為了保證有源配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障能夠從兩端隔離，對接有DG的線路需要在DG接入側(cè)裝設(shè)斷路器并配置保護(hù)，為了保證反方向故障時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，仍需要加裝方向元件以保證動(dòng)作的選擇性，如中保護(hù)R1′和R2′。當(dāng)DG上游線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流由DG流向故障點(diǎn)，故障電流的大小與DG輸出功率有關(guān)。因此同樣可以采用基于用戶自定義特征的反時(shí)限保護(hù)方案，對DG側(cè)保護(hù)優(yōu)化配置，在DG輸出功率最小的情況下仍然能夠快速動(dòng)作。

圖4 新方案與傳統(tǒng)反時(shí)限過電流曲線對比Fig.4 Comparison between proposed inverse-time overcurrent curves and traditional inverse-time overcurrent curves

4 仿真算例

以天津市某中壓配電網(wǎng)為例進(jìn)行計(jì)算分析，如圖5所示，并運(yùn)用PSCAD軟件建立仿真模型驗(yàn)證。配電網(wǎng)的電壓等級為10 kV，系統(tǒng)容量30 MW，各段線路阻抗參數(shù)如表2所示。母線C上接入一個(gè)可變功率的逆變型分布式電源，最大輸出功率是20 MW，最小輸出功率是1 MW，故障時(shí)最大短路輸出電流是其額定電流的 2倍。R1、R2、R3、R4、R5、R6分為是各線路上的反時(shí)限過流保護(hù)，采用常規(guī)反時(shí)限保護(hù)。系統(tǒng)最大和最小運(yùn)行方式的系統(tǒng)阻抗值分別為Xsmin＝0.091Ω，Xsmax＝0.126Ω，各母線均為負(fù)荷為4 MW。

圖5 中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure ofmedium-voltage distribution network

表2 系統(tǒng)線路阻抗參數(shù)Tab.2 Line impedance parameters of network

仿真時(shí)設(shè)置不同位置的故障和DG不同容的輸出功率，計(jì)算并比較采用基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案和傳統(tǒng)反時(shí)限過電流保護(hù)方案的動(dòng)作情況。傳統(tǒng)反時(shí)限過電流保護(hù)方案中保護(hù)都是常規(guī)反時(shí)限類型，動(dòng)作方程見式（1），其中 A為0.14，B為0.02。保護(hù)的啟動(dòng)電流是：

式中IL.max是最大負(fù)荷電流；Kre是返回系數(shù)，取值為0.95；Krel是可靠系數(shù)，取值 1.25；KMs是自起動(dòng)系數(shù)，由網(wǎng)絡(luò)具體接線和符合性質(zhì)確定，仿真中取值2.0。

對系統(tǒng)中各保護(hù)按照傳統(tǒng)的反時(shí)限過電流保護(hù)的整定原則整定動(dòng)作時(shí)間，使保護(hù)R3在DE線路出口故障時(shí)的動(dòng)作時(shí)間比保護(hù)R4長0.3 s，保護(hù)R1、R2、R5，R6的動(dòng)作時(shí)間亦按照階梯型時(shí)限特性整定。

（1）故障設(shè)置在線路DE出口（圖中的F1點(diǎn)），保護(hù)R4的動(dòng)作情況見表3。

表3 F1點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)R4動(dòng)作情況Tab.3 Performance of protection R4 in fault condition at F1

（2）故障設(shè)置在線路DE50%處（圖中的F1′點(diǎn)）

保護(hù)R4和后備保護(hù)R3的動(dòng)作情況見表4和表5。

表4 F1′點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)R4動(dòng)作情況Tab.4 Performance of protection R4 in fault condition at F1′

表5 F1′點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)R3動(dòng)作情況Tab.5 Performance of protection R3 in fault condition at F1′

（3）故障設(shè)置在線路 DE末尾處（圖中的 F1″點(diǎn)），保護(hù)R4的動(dòng)作情況見表6。

表6 F1″點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)R4動(dòng)作情況Tab.6 Performance of protection R4 in fault condition at F1″

從表3～表6的仿真結(jié)果中可以看出：

（1）無論線路DE上哪個(gè)位置發(fā)生故障，隨著DG的輸出功率小于最大值，按照傳統(tǒng)反時(shí)限過電流保護(hù)整定的時(shí)間動(dòng)作都在變長，不利于故障的快速切除，而采用基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案優(yōu)化后，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間大幅減小，而且隨著DG輸出功率的變小，提速百分?jǐn)?shù)在變大，甚至可以提速50%以上，更有利于保護(hù)在故障電流很小的情況下快速的隔離故障；

（2）在采用基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案優(yōu)化后，DG輸出功率一定的情況下，故障點(diǎn)位置離保護(hù)越遠(yuǎn)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間提速百分?jǐn)?shù)越大，更有利于保護(hù)迅速的切除在線路末端發(fā)生的故障，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）從表6可以看出，采用基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案優(yōu)化后，在線路DE上發(fā)生故障的情況下，后備保護(hù)R3的動(dòng)作時(shí)間也大幅減小，有利于在主保護(hù)R4拒動(dòng)的情況下，保護(hù)R3快速隔離故障；

（4）故障發(fā)生在線路AB上（圖中F2點(diǎn)）

保護(hù)R1′的動(dòng)作情況見表7。

表7 F2點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)R1′動(dòng)作情況Tab.7 Performance of protection R1′in fault condition at F2

當(dāng)線路AB故障時(shí)，保護(hù)R2判定為反方向故障，不動(dòng)作。保護(hù)R1′判定為正方向故障，可以快速動(dòng)作，并且DG輸出功率越低，故障電流越小，保護(hù)動(dòng)作提速比例越大，可以確?？焖偾谐收稀Ｈ绻捎脗鹘y(tǒng)的反時(shí)限過電流保護(hù)方案，保護(hù)R1′的動(dòng)作時(shí)間為1.108 s，這種情況下DG長時(shí)間運(yùn)行在低電壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致DG被迫退出運(yùn)行，不能發(fā)揮對配電網(wǎng)的支持作用。

5 結(jié)束語

文章提出了基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方案，該方案利用數(shù)字反時(shí)限過流保護(hù)繼電器的特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)，自定義一些滿足用戶要求的反時(shí)限動(dòng)作曲線。方案提出將代表反時(shí)限繼電器的特性的常數(shù)A和表示反時(shí)限的類型的常數(shù)B看做連續(xù)的變量，以所有保護(hù)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最小為目標(biāo)函數(shù)，利用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行優(yōu)化，求解出保護(hù)的最優(yōu)配置。同時(shí)通過仿真驗(yàn)證了在分布式電源輸出功率波動(dòng)的情況下，該保護(hù)原理仍然能夠有效地提高反時(shí)限過電流保護(hù)的動(dòng)作速度。

文章提出的基于用戶自定義特征的反時(shí)限過電流保護(hù)方法主要應(yīng)用于10 kV的有源配電系統(tǒng)，但該原理亦可推廣應(yīng)用于10 kV以下的低壓有源配電系統(tǒng)。