主動(dòng)配電網(wǎng)的故障電流序分量保護(hù)方案

徐宏斌，李 梅，閆其路

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

分布式電源DG(Distributed Generation, DG)是一種清潔型能源，能靈活接入電網(wǎng)中，且能和電網(wǎng)配合對(duì)電能輸出進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，因此越來越多的DG接入到配電網(wǎng)當(dāng)中.這也帶來了一系列問題，首先會(huì)使配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，其次配電網(wǎng)中潮流方向會(huì)變成雙向流動(dòng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方法不再適用于新型的主動(dòng)配電網(wǎng).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含DG配電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行了深入研究.文獻(xiàn)[1-2]中主動(dòng)配電網(wǎng)通過電流突變量的信息構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，通過比較線路電流和負(fù)載電流之間的相位差進(jìn)行保護(hù).文獻(xiàn)[3-5]中采用正序阻抗故障分量來構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，但此方法對(duì)通信的要求較高，經(jīng)濟(jì)性不好.文獻(xiàn)[6]分析了保護(hù)可靠性對(duì)并入DG容量進(jìn)行了限制，保留了傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，基于故障電流特征改進(jìn)了保護(hù)方案.文獻(xiàn)[7-10]采用自適應(yīng)電流保護(hù)，通過對(duì)電流保護(hù)原理進(jìn)行改進(jìn)達(dá)到保護(hù)目的，易于實(shí)現(xiàn)，但是分段之間的保護(hù)延時(shí)及整定配合仍存在困難.文獻(xiàn)[11]采用高端饋線終端模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控本地信息，且與相鄰信息相結(jié)合，能有效達(dá)到預(yù)期目的，但是此方案對(duì)資金投入和通信的要求都很高.文獻(xiàn)[12]采用自適應(yīng)保護(hù)，通過對(duì)配電網(wǎng)參考方向的整定和閉鎖方向相配合，構(gòu)建了保護(hù)方案，能提高弱饋側(cè)的動(dòng)作可靠性，但是對(duì)于通信的要求較高.

本文通過分析兩種故障類型情況下電流序分量的相位特點(diǎn)，提出了基于故障電流序分量保護(hù)方案.針對(duì)不對(duì)稱性故障與對(duì)稱金屬性故障，構(gòu)造了負(fù)序電流相位差保護(hù)判據(jù)與正序電流相位差保護(hù)判據(jù).最后，在MATLAB/Simulink中搭建模型，證明該保護(hù)方案的準(zhǔn)確性.

1 基于故障電流序分量保護(hù)

通過文獻(xiàn)[13]可知，當(dāng)線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，由于穿越電流的存在，如果采用正序故障電流相位進(jìn)行判斷，可能會(huì)發(fā)生誤判，因此提出基于故障電流序分量的保護(hù)方案，當(dāng)線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，只有故障處一個(gè)負(fù)序電壓源，不會(huì)出現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，也就不會(huì)有穿越電流，可以用負(fù)序電流相位對(duì)其進(jìn)行保護(hù).但是線路發(fā)生對(duì)稱金屬性故障時(shí)，故障線路沒有負(fù)序電流，使得負(fù)序故障電流保護(hù)方法不能對(duì)對(duì)稱金屬性短路進(jìn)行判斷.然而當(dāng)線路發(fā)生三相對(duì)稱金屬性短路時(shí)，短路電流全部流入故障點(diǎn)，故障電流不會(huì)出現(xiàn)穿越現(xiàn)象，從而可以用正序電流相位保護(hù)方法進(jìn)行保護(hù).

1.1 基于負(fù)序故障電流不對(duì)稱性故障保護(hù)

通過建立含DG的配電網(wǎng)等效模型來分析本文所提出的保護(hù)方案如圖1所示，當(dāng)圖1中線路AB發(fā)生不對(duì)稱性故障時(shí)，其負(fù)序電路如圖2所示.

圖1 含DG的配電網(wǎng)等效模型

圖2 不對(duì)稱故障負(fù)序網(wǎng)絡(luò)電路圖

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(1)～(5)可知，線路AB兩端的負(fù)序電流相位相同，線路BC、AD兩端的負(fù)序電流相位相反，因此，可利用負(fù)序電流的相位特征設(shè)置保護(hù)判據(jù).設(shè)同一線路兩端的負(fù)序電流相位分別為φ1-、φ2-，其判據(jù)為：

(6)

1.2 基于正序故障電流對(duì)稱金屬性故障保護(hù)

當(dāng)線路發(fā)生對(duì)稱金屬性故障時(shí)，其故障點(diǎn)電壓降為0，此時(shí)正序電流會(huì)全部流入故障點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)穿越電流情況，因此對(duì)于對(duì)稱金屬性故障時(shí)，可以采用正序故障電流相位對(duì)線路進(jìn)行判斷，圖1中線路AB發(fā)生三相對(duì)稱金屬性短路時(shí)，其正序電路如圖3所示.

圖3 三相對(duì)稱金屬性故障正序電路圖

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.3 基于故障電流序分量保護(hù)流程

為保證本文所提保護(hù)方案的實(shí)用性，需要正確對(duì)故障類型進(jìn)行分類，正如我們所知，三相對(duì)稱金屬性短路中負(fù)序電流幅值很小，因此可利用負(fù)序與正序電流幅值的比值來建立識(shí)別判據(jù).設(shè)I-、I+為同一端流過的正、負(fù)序電流，故障類型判據(jù)如下：

(12)

本文所提的保護(hù)方案整個(gè)流程如圖4所示，首先根據(jù)式(12)判斷故障類型，再用式(6)或式(11)對(duì)不同故障類型進(jìn)行判別.

圖4 保護(hù)流程圖

2 仿真分析

在MATLAB中Simulink模塊中搭建圖1的仿真電路，時(shí)間為0.5 s，其中統(tǒng)一設(shè)置0.2 s～0.3 s為故障發(fā)生時(shí)間.系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為200 MVA，基準(zhǔn)電壓為10.5 kV.線路參數(shù)R=0.125 Ω/km，X=0.4 Ω/km.逆變型電源額定功率為4 MW，負(fù)荷為(5+j1.4) MVA，線路AB、BC、AD長(zhǎng)度分別為6 km、4 km、5 km.表1為線路AB發(fā)生A相接地的正序電流相位仿真結(jié)果.

表1 A相接地的正序電流相位仿真結(jié)果

表2為線路AB發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)的負(fù)序電流相位仿真結(jié)果.

表2 不對(duì)性故障的負(fù)序電流相位仿真結(jié)果

線路AB發(fā)生三相對(duì)稱金屬性短路的正序電流相位仿真結(jié)果如表3所列.

表3 三相對(duì)稱金屬性故障的正序電流相位仿真結(jié)果

由表3可知，當(dāng)線路AB發(fā)生三相對(duì)稱金屬性故障時(shí)，仿真得到的結(jié)果和本文所提的保護(hù)判據(jù)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了本文保護(hù)方案的準(zhǔn)確性.

綜合上述分析可知，無論線路發(fā)生了何種故障類型，仿真得到的結(jié)果和本文提出的保護(hù)判據(jù)結(jié)果相一致，因此本文所提保護(hù)方案能有效判斷主動(dòng)配電網(wǎng)發(fā)生的故障，證明了本文保護(hù)方案的可靠性.

3 結(jié)論

本文提出了基于故障電流序分量保護(hù)方案，分別用正、負(fù)序電流分量對(duì)兩種故障類型設(shè)置保護(hù)判據(jù)，最后通過Simulink仿真驗(yàn)證所提保護(hù)方案的準(zhǔn)確性，該方案具有以下特點(diǎn)：

(1)該方案能正確保護(hù)不對(duì)稱性故障和對(duì)稱金屬性故障，且只需要測(cè)量線路兩端電流序分量的相位和幅值，使保護(hù)的實(shí)用性更為經(jīng)濟(jì)；

(2)用Simulink模擬了線路的各種故障，通過采集線路兩端的正、負(fù)序電流相位，得到的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該保護(hù)判據(jù)的準(zhǔn)確性.