低慣量不接地微電網(wǎng)單相接地故障研究

黃棋悅，王瀚杰

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016）

0 引言

近年來，太陽能光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電等DERs（分布式能源）的普及率不斷提高。為了降低傳輸損耗和提高運(yùn)行可靠性，往往將分布式能源直接設(shè)置在負(fù)荷附近。然而，配電系統(tǒng)中分布式能源的廣泛應(yīng)用面臨著電流等級(jí)、保護(hù)協(xié)調(diào)、電壓升高和功率反向等諸多技術(shù)問題[1]。為緩解這些問題，提出了一種新興的運(yùn)行理念，即在配電網(wǎng)中指定相對(duì)較小的區(qū)域，其中嵌入分布式能源和負(fù)荷，該區(qū)域被稱為微電網(wǎng)[2]。

低慣量微電網(wǎng)采用基于逆變器的分布式能源，其在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，與傳統(tǒng)的基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)電機(jī)的微電網(wǎng)存在顯著區(qū)別?；谀孀兤鞯碾娏髡{(diào)節(jié)器通常不能提供大電流，因此該微電網(wǎng)的故障電流能力受到半導(dǎo)體開關(guān)短時(shí)載流能力的限制[3-4]。低慣量微電網(wǎng)的使用帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中之一就是低慣量微電網(wǎng)的保護(hù)方案。低故障電流水平不足以在自主運(yùn)行模式下激活傳統(tǒng)過電流保護(hù)方案，然而，由于接地電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下的貢獻(xiàn)，故障電流可能很大。因此，低慣量微電網(wǎng)的保護(hù)方案不同于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)。保護(hù)方案應(yīng)在并網(wǎng)和自主模式下保護(hù)微電網(wǎng)。對(duì)于公用電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)將從并網(wǎng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鬟\(yùn)行方式。在電網(wǎng)故障排除后，微電網(wǎng)將重新接入主電網(wǎng)。微電網(wǎng)保護(hù)方案將考慮微電網(wǎng)的故障穿越能力[5-6]。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)低慣量微電網(wǎng)的保護(hù)方案，提出了基于通信的保護(hù)方案、基于本地測(cè)量的方案或使用外部設(shè)備的方案[7-9]。這些方案雖然能在不同程度上實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的繼電保護(hù)功能，但仍存在一定不足。如微電網(wǎng)需要增設(shè)一個(gè)同步發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)需為保護(hù)裝置提供足夠的故障電流[10-11]、混合微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)未經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證、保護(hù)配置價(jià)格過于昂貴等。

本文提出了一種低慣量不接地微電網(wǎng)SLG（單相接地）故障保護(hù)的新方案。該方案包括微網(wǎng)接口保護(hù)和單元保護(hù)。微網(wǎng)接口保護(hù)是基于微網(wǎng)互聯(lián)變壓器的零序電壓角和零序電流角之差。微網(wǎng)單元保護(hù)是基于負(fù)載或分布式能源的每個(gè)連接點(diǎn)的3 個(gè)零序電流方向的比較。所提出的保護(hù)方案可以同時(shí)對(duì)電網(wǎng)和微電網(wǎng)中的SLG 故障做出響應(yīng)。通過PSCAD/EMTDC 仿真證明，該方案可以獨(dú)立檢測(cè)故障狀態(tài)和故障方向，只需要在系統(tǒng)中存在事件時(shí)進(jìn)行通信，通過機(jī)組保護(hù)與接口保護(hù)的配合，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的定位。

1 SLG 故障分析

構(gòu)建低慣量微電網(wǎng)模型如圖1 所示。微電網(wǎng)通過Y/Δ 降壓變壓器與配電系統(tǒng)互連。電網(wǎng)短路容量為100 MVA。配電系統(tǒng)接地，微電網(wǎng)不接地。中壓配電系統(tǒng)中，4 條饋線連接到變電站。微電網(wǎng)中，2 條饋線通過1 條配電線路連接到PCC（公共耦合點(diǎn)），每條饋線都有1 個(gè)斷路器QF。每條微電網(wǎng)饋線上有3 個(gè)配電盤SWB。3 臺(tái)發(fā)電機(jī)通過電力電子接口與微電網(wǎng)相連。兩個(gè)PV（光伏能源）連接到饋線1 和饋線2，燃料電池Fuel Cell連接到微電網(wǎng)饋線2，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)連接到PCC 總線。在PCC 總線上，GPT（接地電壓互感器）用于測(cè)量零序電壓。每條饋線都有1 個(gè)ZCT（零序電流互感器）來測(cè)量零序電流。在每個(gè)SWB 中，安裝了3 個(gè)ZCT。在SWB4 的負(fù)載總線中，安裝1個(gè)GPT。設(shè)置3 處短路故障，分別進(jìn)行SLG 故障分析。

微電網(wǎng)有并網(wǎng)運(yùn)行和自主運(yùn)行2 種模式。配電自動(dòng)化系統(tǒng)用于控制和保護(hù)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)的繼電保護(hù)可以根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)分為3 類。

1.1 并網(wǎng)模式下的公網(wǎng)SLG 故障

當(dāng)與微電網(wǎng)互連的配電系統(tǒng)發(fā)生SLG 故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的接地回流路徑[12]。當(dāng)微電網(wǎng)接入點(diǎn)同一饋線發(fā)生故障時(shí)，并網(wǎng)可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)值較小的故障短路電流。傳統(tǒng)的過流保護(hù)繼電器無法應(yīng)用于該場(chǎng)景。為了解決這一問題，本文提出了一種基于零序電壓和零序電流角度差的故障檢測(cè)方法。零序相位差定義為零序電壓和零序電流之間的相位差：

圖1 低慣量微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

式中： θI0為零序電流角；θU0為零序電壓角。根據(jù)微電網(wǎng)SLG 故障時(shí)的簡(jiǎn)化零序網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的相量圖，降壓變壓器一次繞組處零序相位差為-90°。

1.2 并網(wǎng)模式下的微網(wǎng)SLG 故障

處于并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)發(fā)生SLG 故障時(shí)，故障饋線的零序相位差下降至60°～90°。當(dāng)饋線正常工作時(shí)，零序相位差為-90°。根據(jù)零序相位差可以識(shí)別出故障區(qū)段。每個(gè)饋線上的ZCT 和PCC 總線上的GPT 可用于測(cè)量未接地微電網(wǎng)的零序電壓和零序電流。由于接地系統(tǒng)零序阻抗的幅值較大，在考慮SLG 故障時(shí)，可以忽略正序阻抗和負(fù)序阻抗，也不會(huì)造成明顯的精度損失[13]。

當(dāng)圖1 中SWB4 右側(cè)發(fā)生微網(wǎng)故障時(shí)，如果SWB4 的負(fù)載母線上安裝了GPT，則利用零序電壓角和零序電流角之間的角度差可以很容易地檢測(cè)出故障方向。零序角差在故障方向下降到60°～90°。在正常工作的方向上，零序角差在-180°至90°之間。如果負(fù)載母線上沒有安裝GPT，則可以比較3 個(gè)零序電流角方向，以指示故障方向。2個(gè)零序電流的角度方向相似，而另一個(gè)零序電流的角度方向相反，反向的指示了斷層的方向。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障位置附近的2 個(gè)斷路器可以定位故障位置。在微電網(wǎng)負(fù)載故障的情況下，安裝在SWB 上的保護(hù)裝置可以指示故障位置本身。

1.3 自主模式下的微電網(wǎng)SLG 故障

當(dāng)微電網(wǎng)主動(dòng)與主電網(wǎng)斷開電氣聯(lián)系時(shí)，將以自主模式運(yùn)行。由于微電網(wǎng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其故障檢測(cè)方法在并網(wǎng)模式和自主模式下基本相同。在自主式微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，通過變電站的零序電壓和流入每條饋線的零序電流來檢測(cè)故障饋線。此外，利用降壓變壓器二次繞組的相對(duì)中性點(diǎn)電壓，也可以很容易地檢測(cè)出故障相。自主微電網(wǎng)中的故障會(huì)導(dǎo)致全網(wǎng)電壓下降，可用于故障檢測(cè)。一旦同時(shí)檢測(cè)到故障饋線和故障相，就可以識(shí)別出故障區(qū)段。安裝在饋線末端和DERs 連接的斷路器可用于隔離故障區(qū)域，將短路故障切除[14-15]。

2 SLG 故障保護(hù)方案

本文提出的保護(hù)方案由一臺(tái)位于中央（變電站）或本地（配電盤）的計(jì)算機(jī)或微處理器組成，該計(jì)算機(jī)或微處理器能夠檢測(cè)故障并在硬件級(jí)別發(fā)送所需的動(dòng)作。圖2 為微電網(wǎng)接口保護(hù)結(jié)構(gòu)。接口保護(hù)系統(tǒng)可以從降壓變壓器的一次繞組、GPT 和饋線末端安裝的2 個(gè)ZCT 獲取所需信息。PCC 總線上和饋線的斷路器由接口保護(hù)控制。安裝在每個(gè)饋線末端的2 個(gè)斷路器可用于隔離故障部分。

圖2 微電網(wǎng)接口保護(hù)

微電網(wǎng)單元保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。微網(wǎng)單元保護(hù)可從安裝在SWB 上的3 個(gè)ZCT 獲取所需信息。微處理器位于本地SWB，可以檢測(cè)故障方向并將信息發(fā)送到微電網(wǎng)控制中心。

圖3 微電網(wǎng)單元保護(hù)

如圖4 所示，變電站內(nèi)設(shè)有微網(wǎng)控制中心和接口保護(hù)。在每個(gè)SWB 處，都有用于機(jī)組保護(hù)（分布式能源或負(fù)荷）的微處理器，利用該保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的檢測(cè)和隔離。接口保護(hù)與單元保護(hù)的配合有助于隔離最小故障區(qū)段。故障方向信號(hào)通過通信通道在接口保護(hù)和機(jī)組保護(hù)之間交換。

圖4 微電網(wǎng)保護(hù)配置

根據(jù)故障位置與微電網(wǎng)狀態(tài)，從以下三個(gè)角度分析所提方案的可行性： 并網(wǎng)方式下，公網(wǎng)SLG 故障；并網(wǎng)與自主模式下，微網(wǎng)SLG 故障；并網(wǎng)與自主模式下，微網(wǎng)負(fù)載SLG 故障。

2.1 公網(wǎng)SLG 故障

并網(wǎng)模式下，當(dāng)微電網(wǎng)同一饋線發(fā)生公用電網(wǎng)SLG 故障時(shí)，安裝在微網(wǎng)PCC 處的斷路器QF將斷開，隔離微電網(wǎng)。主電網(wǎng)保護(hù)清除故障。一旦電網(wǎng)故障被清除，微電網(wǎng)將重新同步并重新連接到公用電網(wǎng)，如圖5 所示。

圖5 公網(wǎng)SLG 故障示意

2.2 微電網(wǎng)SLG 故障

如圖6 所示，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生SLG 故障，微網(wǎng)保護(hù)應(yīng)斷開微網(wǎng)饋線的最小可能部分。在檢測(cè)到異常情況的情況下，機(jī)組保護(hù)檢查跳閘條件（測(cè)量特定方向的ZCT 電流）。如果達(dá)到跳閘條件，斷路器將斷開。

圖6 微電網(wǎng)SLG 故障示意

發(fā)生SLG 故障時(shí)安裝在SWB4 上的機(jī)組保護(hù)檢測(cè)到故障，相應(yīng)斷路器跳閘。如果安裝在SWB5 的保護(hù)裝置在左側(cè)發(fā)現(xiàn)故障，相應(yīng)斷路器跳閘。微電網(wǎng)控制中心的信號(hào)對(duì)斷路器進(jìn)行控制。如果饋線1 和饋線2 之間有聯(lián)絡(luò)斷路器和配電線路，則SWB5 和SWB6 可傳輸至饋線1，并通過SWB3 重新供電。建議允許斷路器的選擇性操作。

在微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，單元保護(hù)和接口保護(hù)都將檢測(cè)故障方向。為了分離出最小截面，采用了方向協(xié)調(diào)。在故障情況下，每個(gè)單元保護(hù)向其上、下游單元保護(hù)發(fā)送故障方向信號(hào)。機(jī)組保護(hù)各饋線斷路器的初始化狀態(tài)為閉鎖。當(dāng)機(jī)組保護(hù)與其上、下游機(jī)組保護(hù)的故障方向信號(hào)不同時(shí)，機(jī)組保護(hù)向其上、下游機(jī)組保護(hù)發(fā)出解閉鎖信號(hào)。如果機(jī)組保護(hù)與其上、下游機(jī)組保護(hù)的故障方向信號(hào)相同，則機(jī)組保護(hù)不解鎖。如果機(jī)組保護(hù)解除閉鎖，它將向本地SWB 的饋線斷路器發(fā)出跳閘命令。

新能源系統(tǒng)具有慣量小、響應(yīng)快的特征。為了保證保護(hù)裝置的速動(dòng)性和可靠性，需要對(duì)傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化。采用所提方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)不同位置發(fā)生不同類型的短路故障的精準(zhǔn)識(shí)別。該方案兼顧了選擇性、可靠性和速動(dòng)性，符合微電網(wǎng)低慣量的需求。對(duì)于普通微電網(wǎng)而言，該方案也適用，應(yīng)用范圍廣。

3 仿真驗(yàn)證

為了研究該保護(hù)方案的有效性，使用PSCAD/EMTDC 對(duì)低慣量微電網(wǎng)進(jìn)行仿真建模。電網(wǎng)由1條154 kV 的短路母線表示，容量為100 MVA。配電網(wǎng)有4 條饋線，每條饋線提供6.02 MW 的負(fù)荷（功率因數(shù)0.99）。在饋線4 連接有1 臺(tái)用于微電網(wǎng)的降壓變壓器。在微電網(wǎng)中，4 個(gè)DER 與系統(tǒng)相連。電池、2 條光伏總線和燃料電池都是基于逆變器的DERs。微電網(wǎng)頻率采用下垂控制。仿真結(jié)果表明，微電網(wǎng)在這2 種情況下都能很好地工作。仿真模型如圖1 所示。

使用二階巴特沃斯低通濾波器對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并使用DFT（離散傅立葉變換）計(jì)算零序相量差。當(dāng)公網(wǎng)發(fā)生SLG 短路故障時(shí)，降壓變壓器一次繞組的零序電壓和零序電流的相位差如圖7 所示?？梢钥闯?，零序電壓超前零序電流。仿真驗(yàn)證了利用零序相位差能夠識(shí)別公網(wǎng)SLG 故障。

當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生SLG 短路故障時(shí)，饋線2 與SWB4 處的零序電壓和零序電流的相位差如圖8、圖9 所示。

圖7 公網(wǎng)SLG 故障時(shí)的相位

圖8 饋線處SLG 故障時(shí)的相位

圖9 SWB4 處SLG 故障時(shí)的相位

可以看出，饋線2 與SWB4 處的零序電流領(lǐng)先于零序電壓。零序相位差降至60°～90°。仿真驗(yàn)證了利用零序相位差能夠識(shí)別微電網(wǎng)SLG 故障。如果負(fù)載母線上沒有安裝GPT，則可以通過比較3 個(gè)CT 的零序電流角來檢測(cè)故障方向。2 個(gè)零電流互感器的零序電流角方向相同，而另一個(gè)零序電流角方向相反。逆時(shí)針方向指示斷層方向。通過機(jī)組保護(hù)的配合，可以檢測(cè)出故障區(qū)段。

分別在同一仿真模型下，以SW4 為例，采用不同的短路故障距離，觀察零序相量差。仿真結(jié)果如圖10 所示，數(shù)據(jù)如表1 所示。

仿真實(shí)驗(yàn)證明，故障距離的不同不會(huì)影響故障區(qū)域的確定。通過PCC 總線電壓輕易地檢測(cè)出故障相位。為驗(yàn)證仿真故障的動(dòng)作時(shí)間特征，進(jìn)行5 組仿真實(shí)驗(yàn)，分別觀測(cè)所提保護(hù)方案與傳統(tǒng)保護(hù)方案保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的區(qū)別，如表2 所示。結(jié)果表明，所提方案的保護(hù)動(dòng)作更加迅速，速動(dòng)性更優(yōu)越。

圖10 不同短路故障下仿真結(jié)構(gòu)

表1 不同短路故障下零序電流相位差

表2 不同保護(hù)方案動(dòng)作時(shí)限

圖11 顯示了微電網(wǎng)故障期間的零序相位差。在故障開始后0.02 s，保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到故障并向饋線2 處的斷路器發(fā)送跳閘信號(hào)。不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是即使發(fā)生SLG 故障，也能繼續(xù)運(yùn)行。在不接地系統(tǒng)中，SLG 故障的檢測(cè)時(shí)間并不關(guān)鍵，保護(hù)裝置的可靠性需求高于速動(dòng)性。

4 結(jié)論

為解決低慣量不接地微電網(wǎng)SLG 故障保護(hù)困難的問題，本文提出了一種基于零序相量差的自主運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行模式下的繼電保護(hù)方案，總結(jié)如下：

（1）該方案能夠同時(shí)對(duì)公網(wǎng)SLG 故障和微電網(wǎng)SLG 故障做出響應(yīng)。微電網(wǎng)接口保護(hù)是基于微電網(wǎng)互聯(lián)變壓器的零序電壓角和零序電流角之差。微電網(wǎng)單元保護(hù)是基于負(fù)載或分布式能源的每個(gè)連接點(diǎn)的3 個(gè)零序電流相方向的比較。

圖11 微電網(wǎng)SLG 故障時(shí)間-相位差

（2）該方案由故障檢測(cè)方法和故障區(qū)段識(shí)別方法組成，故障區(qū)段定位技術(shù)根據(jù)微網(wǎng)單元保護(hù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（3）利用PSCAD/EMTDC 對(duì)微網(wǎng)模型和繼電器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方案在2 種模式下都能檢測(cè)出SLG 故障，并能在微網(wǎng)SLG 故障情況下識(shí)別故障相。與傳統(tǒng)保護(hù)方案相比，該方案可靠性更高、動(dòng)作速度更快，具有一定的優(yōu)越性。

（4）該方案基于電子式互感器，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)配置。由于IEC 61850 的廣泛應(yīng)用，該方案耗費(fèi)少、經(jīng)濟(jì)效益高。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該方案具有較高的可靠性和應(yīng)用性。隨著我國(guó)微電網(wǎng)的發(fā)展，該方案具有良好的應(yīng)用價(jià)值和研究潛力。