一種計及低電壓穿越的有源配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案

孫軼超，趙青春，黃濤，熊蕙，徐志科

(1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096； 2.南瑞集團(tuán)有限公司/智能電網(wǎng)保護(hù)和運行控制國家重點實驗室，南京 211106)

0 引 言

隨著新能源的發(fā)展，配電網(wǎng)中逆變型分布式電源(Inverter Interfaced Distributed Generator，IIDG)的滲透率不斷提高。分布式電源具備投資小、能耗低、靈活性好、可靠性高等優(yōu)勢[1]。但當(dāng)IIDG接入配電網(wǎng)時，配電網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與潮流方向有別于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，傳統(tǒng)保護(hù)方案的保護(hù)能力受到了影響[2-3]。同時，供電的安全性也對新能源電源低電壓穿越能力有了更多的要求。因此，有必要對接入IIDG后配電網(wǎng)故障特性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上提出有源配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案,從而提高配電網(wǎng)抵御風(fēng)險的能力。

國內(nèi)外目前主要有三種有源配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案：(1)限制IIDG的接入容量[4,5]；(2)通過加裝保護(hù)裝置形成配電網(wǎng)自適應(yīng)繼電保護(hù)[6]；(3)基于通信技術(shù)的配電網(wǎng)保護(hù)方案[7]。方案(1)對配電網(wǎng)已有保護(hù)資源改變較少，經(jīng)濟(jì)性較好，但對于IIDG在配電網(wǎng)中滲透率的不斷升高的趨勢，該方案無法完成有效應(yīng)對[8]；方案(2)在配電網(wǎng)已有保護(hù)資源的基礎(chǔ)之上，以加裝保護(hù)裝置的方式完成對原有方案的優(yōu)化，具備一定的可行性；方案(3)則在較高通信能力保障的基礎(chǔ)上，對配電網(wǎng)中的量測信息進(jìn)行多點控制[9]，理論上具有最高的可靠性。

文章提出一種基于故障電流幅值及相位條件的分布式保護(hù)方案。首先對逆變型分布式電源進(jìn)行了建模，在考慮到低電壓穿越(Low voltage ride-through，LVRT)規(guī)范的基礎(chǔ)上分析了逆變型分布式電源的故障特性[10]。在此基礎(chǔ)上，對有源配電網(wǎng)故障分析方法進(jìn)行了研究，通過研究電流幅值和相位在故障線路和非故障線路上的不同特征，確定故障位置。最后，針對僅具備電流量測能力的有源配電網(wǎng)，提出了一種基于電流幅值及相位條件的保護(hù)判據(jù)及相應(yīng)的分布式保護(hù)方案，并在PSCAD中進(jìn)行了仿真驗證。此方案可解決傳統(tǒng)電流差動保護(hù)相移誤差與判據(jù)靈敏度之間的矛盾，同時對配電網(wǎng)量測能力要求較低，僅需三相電流測量信息。

1 含IIDG配電網(wǎng)故障特性分析

以三相短路故障為例，同步電機(jī)型分布式電源短時的故障電流可以達(dá)到額定運行電流的8倍～10倍，然后逐漸進(jìn)入4倍～6倍額定運行電流的暫態(tài)階段，再逐漸衰減至2倍～3倍的穩(wěn)態(tài)階段，其機(jī)電特性導(dǎo)致其暫態(tài)狀態(tài)的影響不可忽略。對于撬棒不切除的雙饋電機(jī)可將其看做異步發(fā)電機(jī)分析，在短路故障時最大短路電流將達(dá)到5倍～7倍額定幅值，在3個～10個周期被逐漸衰減至0，對此可以采用主動式撬棒電路同時定子側(cè)加裝動態(tài)制動電阻作為雙饋電機(jī)低電壓穿越控制初始階段的控制策略，但其在時間尺度上與逆變型電源仍無法媲美。對于采取低電壓穿越策略的逆變型電源來說，限制輸出電流的動作時間往往能限制在半個周期，隨后輸出電流趨向穩(wěn)定[11-12]。

配電網(wǎng)中的分布式電源通常采用雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu),通過dq分解將有功輸出、無功輸出解耦分別對應(yīng)為Id、Iq控制?？紤]到低電壓穿越規(guī)范的無功補償階段，當(dāng)并網(wǎng)點發(fā)生電壓跌落時，逆變器輸出的無功電流Iq應(yīng)符合如下的規(guī)范[13]：

(1)

式中IN為逆變器額定并網(wǎng)電流；Ug為并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值。

IIDG輸出電流與并網(wǎng)點電壓的相角差可表示為：

(2)

若IIDG只輸出有功功率，則IIDG輸出電流與并網(wǎng)點電壓相位相近；如果IIDG只輸出無功功率，則并網(wǎng)點電壓相位超前于IIDG輸出電流相位90°。

以三相接地短路故障為例，圖1、圖2分別是0.2 s時三相短路故障后，Ug跌落至0.2 p.u.時逆變器輸出的電流波形以及功率，其中圖1所采用的控制策略中加入了電流限幅的措施保護(hù)光伏本體[14]。

圖1 低電壓穿越策略下逆變器電流輸出

圖2 低電壓穿越策略下逆變器功率輸出

相比于非逆變型分布式電源，逆變型分布式電源因為電力電子器件的特性使其故障暫態(tài)時間短，過渡過程快。從故障分析的角度來考慮，考慮低電壓穿越的逆變型分布式電源可以忽略其暫態(tài)過程，幅值的變化時間以及變化范圍均受到了理想的控制，進(jìn)而可以直接用穩(wěn)態(tài)輸出進(jìn)行故障分析。其次，采用低電壓穿越策略的逆變型分布式電源，在故障時的輸出電流往往無需考慮復(fù)雜的物理狀態(tài)，對故障進(jìn)行判別、分析時僅需按照相應(yīng)規(guī)范分析其幅值、相角信息。文章所建立的故障分析模型也是建立在考慮到LVRT的逆變型分布式電源基礎(chǔ)上。

2 基于電流幅值及相位的保護(hù)方案

理想狀況下，故障線路兩端電流的幅值情況與線路的分布情況、IIDG接入位置、IIDG容量等因素有關(guān)，故障線路兩端電流的相位近似同向；非故障線路兩端電流的幅值情況與故障點位置、線路分布情況以及分布式電源接入情況等因素有關(guān)，非故障線路兩端電流的相位近似反向。在實際情況中，線路兩端電流的幅值及相位信息與理想情況下有類似特征，因此可以通過對比線路兩端電流的幅值及相位情況，對線路是否發(fā)生故障進(jìn)行判別。

文章規(guī)定電流互感器的安裝方式為同名端均位于靠近母線一側(cè)。分析所用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 有源配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 IIDG接入后線路端電流幅值及相位關(guān)系

圖4 系統(tǒng)側(cè)與IIDG側(cè)短路電流關(guān)系圖

在系統(tǒng)側(cè)與IIDG側(cè)電流關(guān)系的基礎(chǔ)上，考慮線路端電流幅值及相位關(guān)系。將線路分為故障區(qū)段和非故障區(qū)段，非故障區(qū)段又分為故障點上游和故障點下游兩種情況。故障點上游的非故障區(qū)段有系統(tǒng)提供的短路電流，而故障點下游的非故障區(qū)段僅存在IIDG提供的短路電流。故障分析暫且不計負(fù)荷電流的影響。

(1)故障區(qū)段

圖5 故障區(qū)段線路兩端電流

(2)故障外區(qū)段

(a)故障點上游非故障區(qū)段

圖6 故障點上游非故障區(qū)段

圖7 故障點上游非故障區(qū)段電流相量圖

(b)故障點下游非故障區(qū)段

圖8 故障點下游非故障區(qū)段

2.2 基于電流幅值及相位條件的保護(hù)判據(jù)

在單位圓繪制帶有幅值和相角信息的線路運行狀態(tài)，通過合理的判斷條件可以確定保護(hù)范圍。

以保護(hù)線路兩側(cè)電流中較大值為基準(zhǔn)值[16]，進(jìn)行分析：

(3)

表示兩端電流幅值及相位關(guān)系的“點”表征線路不同的運行狀態(tài)。當(dāng)線路處于正常運行狀況時，理想情況下(忽略分支線路及負(fù)荷的分流作用)，線路兩端電流幅值相等，相位差180°，即運行點位于(-1,0)；當(dāng)故障位于保護(hù)區(qū)外時，理想情況下(忽略線路兩端電流互感器的傳變誤差)，線路兩端電流的幅值和相位情況與正常運行狀態(tài)下相同，即運行點仍然位于(-1,0)；當(dāng)故障位于保護(hù)區(qū)內(nèi)時，理想狀況下線路兩端電流幅值和相位均相同，即運行點位于(1,0)。

當(dāng)考慮線路中負(fù)荷電流對于故障電流的影響以及電流互感器的傳變誤差時，可以認(rèn)為，當(dāng)線路正常運行或故障位于保護(hù)區(qū)外時，運行點均位于(-1,0)附近的制動區(qū)域；當(dāng)故障位于保護(hù)區(qū)內(nèi)時，運行點位于制動區(qū)域以外，即動作區(qū)域。如圖9所示，表征線路所有運行狀態(tài)的運行點均位于單位圓內(nèi)，左側(cè)的圓是根據(jù)制動判據(jù)繪出的，即圓內(nèi)為制動區(qū)域，圓外為動作區(qū)域。因此，圖9中陰影部分區(qū)域即為線路保護(hù)動作的運行狀態(tài)，無陰影區(qū)域為線路保護(hù)制動的運行狀態(tài)。

圖9 幅相平面上的保護(hù)特性

2.2.1 基礎(chǔ)判據(jù)

實際測量過程中，電流互感器的誤差會同時體現(xiàn)在電流幅值和相位信息中;線路兩端保護(hù)裝置間通信的同步誤差體現(xiàn)在電流的相位信息中。因此，文章考慮從電流幅值和相位兩方面形成獨立的保護(hù)判據(jù)，使其同時具有對電流幅值誤差和相位誤差的控制能力，提升保護(hù)判據(jù)的可靠性。

基礎(chǔ)保護(hù)判據(jù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中R代表保護(hù)判據(jù)中幅值約束條件，當(dāng)線路兩端電流幅值比小于R時，保護(hù)動作；φ代表保護(hù)判據(jù)中相位約束條件，當(dāng)線路兩端電流絕對相位差小于φ時，保護(hù)動作。兩個約束條件為邏輯或關(guān)系。

理想情況下，保護(hù)制動區(qū)域僅為圓周上位于180°的一個點處，考慮到電流互感器的傳變誤差，故陰影面積為保護(hù)制動區(qū)域，如圖10所示。

圖10 基礎(chǔ)判據(jù)下的保護(hù)區(qū)域

2.2.2 改進(jìn)判據(jù)

圖11 考慮到負(fù)載電流的正常運行狀態(tài)

(5)

在正常運行時負(fù)載不可忽略，若靠近系統(tǒng)側(cè)饋線處負(fù)載電流過大則會使得幅值判據(jù)的檢測結(jié)果偏小從而落入保護(hù)誤動作的范圍，基礎(chǔ)判據(jù)可能存在失效。

為提升保護(hù)判據(jù)的靈敏度，需要在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時減小制動量，提升保護(hù)動作可靠性；在發(fā)生區(qū)外故障時增大制動量，降低保護(hù)誤動的可能性。幅值判據(jù)改進(jìn)為：

(6)

式中C1，C2為自適應(yīng)的常數(shù)。

(7)

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，此時幅值判據(jù)為：

(8)

如圖12所示，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，線路兩側(cè)電流幅值比降低到C1+C2以下，保護(hù)即動作，根據(jù)上文所述的電流相位條件，此時保護(hù)判據(jù)的制動區(qū)域為區(qū)域Ⅰ；當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流幅值比需要降低到C1-C2以下時，保護(hù)才可動作，上文所述的電流相位條件，此時保護(hù)判據(jù)的制動區(qū)域為區(qū)域Ⅰ+區(qū)域Ⅱ。

圖12 改進(jìn)判據(jù)下的保護(hù)區(qū)域

由上可知，改進(jìn)型保護(hù)判據(jù)在區(qū)內(nèi)故障時制動區(qū)域明顯小于區(qū)外故障時的制動區(qū)域，因此通過合理整定C1與C2的值可提升保護(hù)判據(jù)靈敏度。

綜上所述，將保護(hù)判據(jù)改進(jìn)為：

(9)

在本節(jié)所提的分布式保護(hù)方案中，每段配電網(wǎng)線路的首末兩端分別安裝有一個本地保護(hù)單元(Local Protection Unit，LPU)采集電壓、電流和開關(guān)狀態(tài)；每個LPU分別控制一個斷路器，接收上級下達(dá)的動作命令。對配電網(wǎng)線路上所有LPU分組，使線路兩端LPU為一個互聯(lián)組，只有同互聯(lián)組的LPU才相互聯(lián)絡(luò)并獲取對方電流幅值和相位信息。滿足保護(hù)判據(jù)的動作條件時，對應(yīng)斷路器動作，切除故障線路。

3 實驗結(jié)果與分析

仿真模型如圖13所示。文章以10 kV輻射狀配電網(wǎng)為算例進(jìn)行仿真驗證，線路參數(shù)采用典型的截面積為185 mm2、幾何間距為1 250 mm的LJ185鋁導(dǎo)體架空線路，每公里阻抗幅值為0.36 Ω，阻抗角為62.5°，母線之間距離設(shè)為1 km。正常運行負(fù)載為：母線1與母線2之間、母線2與IIDG2之間的負(fù)荷大小均為(0.6+j 0.12) MVA；當(dāng)重載運行時候保持母線2與IIDG2之間的負(fù)荷大小不變，母線1與母線2之間變?yōu)樵瓉淼膬杀?。圖13中所示IIDG均為PQ控制型IIDG，正常工作情況下IIDG容量為0.6 MVA。

圖13 仿真模型電路結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)判據(jù)相位整定：當(dāng)保護(hù)區(qū)段外發(fā)生故障時，線路兩端電流相位差大于160°；當(dāng)保護(hù)區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障時，線路兩端電流相位差小于70°。取其平均值，令φ為115°。

基礎(chǔ)判據(jù)幅值整定：當(dāng)保護(hù)區(qū)段外發(fā)生故障時，線路兩端電流幅值比大于0.5；當(dāng)保護(hù)區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障時，線路兩端電流幅值比小于0.5。考慮由故障電流導(dǎo)致線路兩端電流互感器飽和引起的幅值誤差在10%之內(nèi)，取系數(shù)R=0.4。

綜上得到基礎(chǔ)判據(jù)的動作特性表達(dá)式為：

(10)

(1)正常負(fù)載狀態(tài)運行

圖14為正常負(fù)載運行狀態(tài)且無故障時斷路器處的A相電流。斷路器1-2和斷路器2-1處A相電流幅值比約為0.3，基礎(chǔ)判據(jù)失效。當(dāng)配電網(wǎng)某段線路相對于下游區(qū)域重載時，線路兩端負(fù)荷電流幅值相差較大,考慮采用式(9)的形式令C2=0.1，C1=0.3，結(jié)合式(10)，可得改進(jìn)判據(jù)：

圖14 重載且無故障時斷路器處A相電流

(11)

根據(jù)改進(jìn)判據(jù)，保護(hù)正確制動。

(2)區(qū)內(nèi)故障

圖15為重載運行下f1處發(fā)生故障時斷路器處的A相電流。兩斷路器處A相電流幅值比遠(yuǎn)小于0.1，相位相差60°，此時保護(hù)動作判據(jù)為：

圖15 重載時f1處故障時斷路器處A相電流

(12)

根據(jù)改進(jìn)判據(jù)，保護(hù)正確動作。

(3)區(qū)外故障

圖16為重載運行下f2處發(fā)生故障時斷路器處的A相電流。t=0.2 s時在f2處引入AB兩相短路故障，兩斷路器處A相電流幅值約為1，相位差約為180°，保護(hù)判據(jù)與式(11)相同。根據(jù)保護(hù)判據(jù)，保護(hù)正確動作。

圖16 重載時f2處故障時斷路器處A相電流

信息處理基本單元在現(xiàn)實中往往會遭遇意外工況，例如拒動和信息丟失等。針對LPU拒動時(斷路器失靈按照LPU拒動處理)給出的處理方案是：構(gòu)建互聯(lián)后備組，即將某LPU與其相鄰的非同一互聯(lián)組內(nèi)的LPU組成后備互聯(lián)組，若本LPU發(fā)生拒動現(xiàn)象，則令該LPU的互聯(lián)組內(nèi)LPU與該LPU的后備互聯(lián)組內(nèi)LPU進(jìn)行通信。對LPU信息丟失同樣采取后備互聯(lián)的處理，當(dāng)發(fā)生某LPU發(fā)現(xiàn)同互聯(lián)組內(nèi)對側(cè)LPU發(fā)生信息丟失現(xiàn)象時，與對側(cè)LPU后備互聯(lián)組的LPU進(jìn)行電流幅值和相位信息的通信，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障位于兩LPU之間時，由兩LPU分別控制相應(yīng)的斷路器完成故障的隔離工作。

4 結(jié)束語

文章以IIDG接入的交流配電網(wǎng)為研究對象，重點研究了適應(yīng)IIDG接入的交流配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案，研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下：

(1)建立了考慮到本體及控制策略的分布式電源仿真模型,對考慮低電壓穿越策略的IIDG故障特性進(jìn)行了分析；

(2)對有源配電網(wǎng)兩端線路區(qū)段端部電流之間的相位與幅值關(guān)系進(jìn)行了分類與分析；

(3)提出了基于電流幅值及相位信息的分布式保護(hù)方案，并在PSCAD中進(jìn)行了仿真驗證。

傳統(tǒng)電流差動保護(hù)相移誤差與判據(jù)靈敏度之間存在矛盾，提出一種基于電流幅值及相位條件的分布式保護(hù)方案，其中改進(jìn)型的判據(jù)具備較高的可靠性。同時，本方案對配電網(wǎng)量測能力的要求較低，僅需電流信息，具備一定的工程實踐價值。后續(xù)的工作將繼續(xù)研究有源配電網(wǎng)差動保護(hù)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及研究多端線路區(qū)段端部電流之間的幅相關(guān)系，完成復(fù)雜電網(wǎng)條件下考慮到各種實際問題對保護(hù)帶來的綜合影響研究。