基于光學(xué)電流互感器的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)方案

劉世明，趙永森，王 波，趙文琛，游歡歡，南天琦

（1. 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點實驗室（山東大學(xué)），山東省 濟(jì)南市 250061；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東省 廣州市 510620）

0 引言

隨著化石能源短缺和環(huán)境污染的加劇，基于清潔能源的分布式發(fā)電引起了廣泛關(guān)注。然而，大量分布式電源（distributed generator，DG）的就地接入，使得傳統(tǒng)的單輻射狀配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽恕⒍嘣吹挠性磁潆娋W(wǎng)，改變了配電網(wǎng)的潮流方向和故障電流特征［1-4］，導(dǎo)致常規(guī)三段式電流保護(hù)難以適用［5-10］。因此，迫切需要提出適用于有源配電網(wǎng)的保護(hù)方案，現(xiàn)有方案可分為以下3 類：

1）基于本地信息的單端量保護(hù)。文獻(xiàn)［11-15］根據(jù)DG 的故障輸出特性，在電流保護(hù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)以提高保護(hù)性能。但是隨著DG 的接入，配電網(wǎng)運行模式多變、潮流方向不定，導(dǎo)致三段式保護(hù)的協(xié)調(diào)配合存在困難。

2）基于雙端信息的縱聯(lián)保護(hù)。文獻(xiàn)［16］提出一種基于正序故障分量的有源配電網(wǎng)電流差動保護(hù)方案。文獻(xiàn)［17］提出一種基于線路兩端故障電流頻率差值比較的有源配電網(wǎng)線路保護(hù)方案。文獻(xiàn)［18］提出一種基于正序阻抗的有源配電網(wǎng)差動保護(hù)方案。文獻(xiàn)［19］提出一種基于故障前后線路兩端電流相角變化方向比較的縱聯(lián)保護(hù)方案。但是，上述縱聯(lián)保護(hù)方案均需要可靠的通信通道及精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)同步。

3）基于多端信息的廣域保護(hù)。文獻(xiàn)［20］提出了一種基于故障分量原理的集成廣域保護(hù)方案。文獻(xiàn)［21］提出一種適用于低壓有源配電網(wǎng)的在線故障區(qū)間與識別方法。但是，此類保護(hù)要求配置可靠的通信策略，并且動作速度慢。

相比于傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，光學(xué)電流互感器（optical current transformer，OCT）更能靈敏保真地反映電力系統(tǒng)一次電流的全息特點，并具有體積小、重量輕、電絕緣性好和功耗低等特點。但是，受溫度、光源等因素的影響，難以在配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用［22-24］。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究［25-26］，但成本因素阻礙了OCT 的普遍應(yīng)用。

本文提出一種基于OCT 的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)方案。利用OCT 探頭將電流信號轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信號并通過光纖傳遞，有效地解決了縱聯(lián)保護(hù)通信通道和數(shù)據(jù)同步問題；通過比較光強(qiáng)信號的相位，不需要其幅值測量有較高的精度；簡化了OCT 的結(jié)構(gòu)，并分析了溫度和光強(qiáng)對其的影響；分析了有源配電網(wǎng)的故障電流特性，進(jìn)一步提出保護(hù)方案。最后，利用動模實驗、實時數(shù)字仿真（real-time digital simulation，RTDS）以及MATLAB/Simulink 仿真軟件驗證了所提方案的有效性。

1 OCT 基本原理及性能分析

1.1 基本原理

如附錄A 圖A1 所示，OCT 的基本原理為Faraday 磁旋光效應(yīng)，即偏振光通過磁光晶體時，其偏振面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角θ與磁光晶體所處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為：

式中：V、l分別為磁光晶體的維爾德常數(shù)和長度。導(dǎo)線周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度B與導(dǎo)線電流i的關(guān)系為：

式中：Im為電流幅值；ω為角頻率；?為電流相位；r為磁光探頭距離通電導(dǎo)線軸心的距離；μ0為真空磁導(dǎo)率。

磁光材料的出射光經(jīng)過檢偏器，檢偏器的透光軸與入射偏振光的偏振面之間的夾角為β。根據(jù)馬呂斯定律，得出經(jīng)過檢偏器的出射光強(qiáng)Io為：

式中：Ii為輸入光強(qiáng)；α為磁光介質(zhì)的光吸收系數(shù)。

光強(qiáng)Io與其通過光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓Uo之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)為K，有

聯(lián)立式（1）至式（4）可得：

設(shè)置β=45°，令k1=Ke-αl2、k2=lμ0/(πr)，可得：

由式（6）可見，可以根據(jù)OCT 的輸出電壓計算出待測電流。

1.2 相位提取

由貝塞爾函數(shù)理論可得：

貝塞爾函數(shù)階數(shù)值為：

式 中：Γ(g+n+1)為 伽 馬 函 數(shù)，n為 階 數(shù)，g為常數(shù)。

目前，10 kV 線路容量一般為3～6 MV·A，可以得出電流最小值為173 A；此外，10 kV 配電網(wǎng)要求短路電流限制在20 kA 以下。因此，在r=0.05 m處磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為0.692～80 mT。 利用MATLAB 分析式（8），結(jié)果如附錄A 圖A2 所示。

由附錄A 圖A2 可以看出，貝塞爾函數(shù)的階數(shù)值隨n的增大而急劇減小。其中，當(dāng)B=80 mT 時3 階貝塞爾函數(shù)系數(shù)與1 階貝塞爾函數(shù)系數(shù)的比值僅為1%，當(dāng)B=0.692 mT 時3 階貝塞爾函數(shù)系數(shù)與1 階貝塞爾函數(shù)系數(shù)的比值僅為0.000 008%。由此可見，3 次及以上次階數(shù)可以忽略不計。

因此，可將式（6）轉(zhuǎn)換為：

由式（9）可以看出，OCT 輸出電壓的相位與所測電流相位相差180°。在線路兩側(cè)裝設(shè)OCT 時，其輸出電壓相位差與兩側(cè)電流相位差相等。因此，本方案不需要對幅值測量有較高精度，而是直接采用線路兩側(cè)OCT 輸出電壓的相位來實現(xiàn)相差保護(hù)，有效地簡化OCT 的結(jié)構(gòu)，降低OCT 應(yīng)用成本。

1.3 光強(qiáng)影響

由于光源輸出功率的變化、光纖及器件的損耗等因素，OCT 的輸出光強(qiáng)一般不相同。但是，光強(qiáng)的變化只會影響式（9）中的Ii，即只會影響OCT 輸出電壓的直流分量與基波分量的幅值，不會影響基波分量的相位。由此可見，采用OCT 輸出電壓的相位可以有限避免光強(qiáng)的影響。

1.4 溫度影響

溫度對OCT 的影響主要體現(xiàn)在磁光材料的維爾德常數(shù)［27］。溫度特性較好的抗磁玻璃的溫度系數(shù)約為10-4/℃，在-25～40 ℃范圍內(nèi)時，其維爾德常數(shù)變化量為0.65%，OCT 輸出電壓基波分量幅值變化量同樣為0.65%。溫度特性一般的順磁玻璃溫度系數(shù)約為0.3/℃，在-25～40 ℃范圍內(nèi)時，其維爾德常數(shù)變化量高達(dá)1 950%，OCT 輸出電壓基波分量幅值變化量同樣為1 950%。因此，溫度對于OCT 幅值測量的影響是較大的。

在溫度的影響下，維爾德常數(shù)為關(guān)于溫度T的函數(shù)，記為V(T)。則式（9）轉(zhuǎn)化為：

由此可見，只有維爾德常數(shù)會受到溫度影響，而維爾德常數(shù)只會影響OCT 輸出電壓的幅值，不會影響其相位。所以，運用OCT 輸出電壓的相位代替電流相位進(jìn)行相差保護(hù)可以有效避免溫度變化的影響，同時節(jié)省OCT 的應(yīng)用成本。

此外，溫度和光強(qiáng)的變化是長期的，而在較短的時間內(nèi)可以認(rèn)為是不變的。因此，本文采用的基于OCT 基波幅值變化量的輔助保護(hù)同樣不受其影響。

2 有源配電網(wǎng)故障特征

2.1 有源配電網(wǎng)故障時電流相位特性

有源配電網(wǎng)中的DG 可以分為逆變型DG（inverter-interfaced distributed generator，IIDG）和電機(jī)型DG（motor-type distributed generator，MTDG）。IIDG 受逆變器接口的限制，可提供的短路電流一般不超過其額定電流的2 倍，且光伏等DG 的功率輸出存在間歇性和波動性的特征［28］。MTDG 可提供的最大短路電流一般為額定電流的6～10 倍。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，多類型DG 并網(wǎng)將成為配電網(wǎng)未來的常態(tài)。配電網(wǎng)中多為中輕負(fù)載且過渡電阻較小，因此在下文分析中不考慮負(fù)荷電流的影響。

2.1.1 含IIDG 配電網(wǎng)線路故障

在配電網(wǎng)中，逆變型電源主要為PQ控制，通過dq分解將有功輸出和無功輸出解耦，分別對應(yīng)有功電流和無功電流控制。根據(jù)規(guī)定［29-30］，并網(wǎng)運行的IIDG 需具備低電壓穿越運行能力，在并網(wǎng)點電壓跌落時進(jìn)行無功補(bǔ)償。在低電壓穿越運行期間，IIDG輸出的無功電流Iq滿足式（11）。

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

IIDG 輸出電流與并網(wǎng)點電壓的相位差a為：

式中：Id為逆變器輸出有功電流。

由式（11）、式（12）可知，IIDG 若只輸出有功功率，則其電流相位與并網(wǎng)點電壓相同；若只輸出無功功率，則其電流相位滯后并網(wǎng)點電壓90°。故IIDG輸出電流滯后并網(wǎng)點電壓相位在（0°，90°）之間［28］。

取母線流向線路的方向為電流正方向。由于配電線路較短，系統(tǒng)電源電壓與DG 接入點電壓相位基本一致。系統(tǒng)側(cè)線路短路電流一般滯后電壓的相位角為線路阻抗角，大致為30°～70°。

可見，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，系統(tǒng)側(cè)短路電流與IIDG 輸出短路電流相位差在（-60°，70°）之間［28］。理想狀態(tài)下，系統(tǒng)側(cè)的電流為系統(tǒng)短路電流，IIDG 側(cè)的電流為IIDG 輸出電流。所以，區(qū)內(nèi)故障時，線路兩側(cè)電流相位差在（-60°，70°）之間；區(qū)外故障時，故障點上游線路短路電流均由系統(tǒng)電源提供，下游均由IIDG 線路提供，線路兩側(cè)電流相位差為180°。

2.1.2 含MTDG 配電網(wǎng)線路故障

故障后，MTDG 接入點的電壓相位基本不變，且超前于其輸出電流的角度約為線路阻抗角。因此，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流與MTDG 提供的短路電流相位基本一致。區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流均由同一電源提供，其相位差為180°。

2.2 有源配電網(wǎng)故障時電流幅值特性

在配電網(wǎng)中，系統(tǒng)側(cè)電源提供的短路電流一般大于3 倍的額定電流［28］。而IIDG 提供的短路電流一般不會超過2 倍的額定電流。因此，當(dāng)DG 源為IIDG 且發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，故障前后線路系統(tǒng)側(cè)電流幅值變化量超過IIDG 側(cè)電流幅值變化量的2 倍。當(dāng)DG 為MTDG 時，線路兩側(cè)的電流幅值變化量差別不大。故障點上游線路兩側(cè)電流均由系統(tǒng)側(cè)提供，下游線路兩側(cè)電流均由DG 提供。因此，發(fā)生區(qū)外故障時，故障前后線路系統(tǒng)側(cè)電流幅值變化量與DG 側(cè)電流幅值變化量相同。

此外，配電網(wǎng)中的DG 多為光伏電源，受天氣影響嚴(yán)重，其輸出功率存在間歇性。當(dāng)光伏電源不發(fā)電時，配電線路轉(zhuǎn)換為單端結(jié)構(gòu)。此時，基于電流相位的保護(hù)方案會失效。

當(dāng)配電網(wǎng)變?yōu)閱味私Y(jié)構(gòu)且發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，故障前后線路系統(tǒng)側(cè)電流幅值變化量依舊超過2 倍的額定電流幅值?？紤]極端情況下遠(yuǎn)離系統(tǒng)側(cè)的電流變?yōu)?，則其幅值變化量為1 倍的額定電流幅值。當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，線路兩側(cè)電流幅值變化量相同。

3 基于OCT 的保護(hù)方案

3.1 基于電流相位的保護(hù)動作判據(jù)

由2.1 節(jié)分析可知，不論是IIDG 還是MTDG，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時線路兩側(cè)電流相位差在（-60°，70°）之間，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時線路兩側(cè)電流相位差為180°。但是，由于某些地區(qū)配電網(wǎng)中缺乏成熟的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，縱聯(lián)相差保護(hù)實際應(yīng)用于有源配電網(wǎng)中存在困難。

由第1 章分析可知，OCT 的輸出電壓相位與所測電流相位相差180°，且不受溫度和光強(qiáng)變化的影響。因此，可以通過比較線路兩側(cè)OCT 輸出電壓相位來進(jìn)行保護(hù)判斷。并且基于OCT 的相差保護(hù)將OCT 探頭放置于線路兩端，通過光纖直接將對端光強(qiáng)信號傳輸至本端并與本端光強(qiáng)信號進(jìn)行相差保護(hù)判斷，如圖1 所示，有效地解決了有源配電網(wǎng)的通信通道與數(shù)據(jù)同步的問題。

圖1 基于OCT 的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)原理Fig.1 Phase differential protection principle for active distribution network based on OCT

考慮過渡電阻及負(fù)荷電流的影響，同時參考傳統(tǒng)相差高頻保護(hù)方案，當(dāng)線路兩側(cè)OCT 輸出電壓相位差φ滿足式（13）時，保護(hù)動作。

式中：φset為保護(hù)閉鎖角。

傳統(tǒng)相差高頻保護(hù)中φset的整定公式如下：

式中：δTA為電流互感器的誤差角；δPD為保護(hù)裝置的誤差角；δL為高頻信號經(jīng)輸電線路傳送時由于延時引起的誤差角，每100 km 傳送延時對應(yīng)工頻電流角度6°；δY為裕度角，一般取15°。

由于本保護(hù)方案采用OCT 且應(yīng)用于線路較短的配電網(wǎng)中，所以δTA和δL均可以忽略不計。考慮保護(hù)裝置本身的誤差，取δPD=15°。

綜上，本文保護(hù)閉鎖角φset取30°，即式（13）轉(zhuǎn)化為：

3.2 基于電流幅值的保護(hù)動作判據(jù)

3.1 節(jié)所提相差保護(hù)只能適用于雙端電源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中。但是，DG 在天氣等原因影響下不發(fā)電時，配電網(wǎng)線路轉(zhuǎn)換為單端結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致3.1 節(jié)所提方案不再適用。故引入下述基于基波幅值變化量的保護(hù)作為輔助保護(hù)。

設(shè)置兩側(cè)OCT 輸出電壓基波幅值變化量比值為：

式中：αM、αN分別為靠近和遠(yuǎn)離系統(tǒng)側(cè)輸出電壓基波幅值變化量比值；T為工頻周期；VM1(t)為近電源側(cè)的OCT 在t時刻電壓輸出的基波幅值；VN1(t)為遠(yuǎn)離電源側(cè)的OCT 在t時刻電壓輸出的基波幅值。

結(jié)合2.2 節(jié)及附錄B 并考慮突變量啟動判據(jù)可得，當(dāng)滿足式（18）時保護(hù)動作。

IIDG 輸出電流不僅受低電壓穿越運行的影響，也受逆變器限流環(huán)節(jié)的影響。因此，IIDG 輸出的最大短路電流一般為1.5～2 倍的額定電流。αM為靠近系統(tǒng)側(cè)幅值變化系數(shù)，主要由系統(tǒng)電源提供短路電流決定；αN為遠(yuǎn)離系統(tǒng)側(cè)幅值變化系數(shù)，主要由DG 提供的短路電流決定。由此可見，式（18）也可以有效區(qū)分含IIDG 饋線區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。

3.3 基于OCT 的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)方案

基于OCT 的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)方案包括上述兩部分：基于相位差的保護(hù)和基于基波幅值變化量的保護(hù)，均可以有效避免溫度和光源強(qiáng)度對OCT的影響。當(dāng)DG 為MTDG 時，其輸出短路電流與系統(tǒng)側(cè)短路電流幅值大致相等，此時基于基波幅值變化量的方案不能進(jìn)行有效判斷但不會誤動作，而基于相位差的保護(hù)方案可以有效判斷；當(dāng)DG 為IIDG時，基于相位差的保護(hù)可以有效應(yīng)對有源配電網(wǎng)線路區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，而基于基波幅值變化量的保護(hù)能夠確保不會誤動；當(dāng)DG 不發(fā)電時，基于相位差的保護(hù)不會誤動，基于基波幅值變化量的保護(hù)可以有效區(qū)分配電網(wǎng)線路區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。所以兩種保護(hù)以“或”的關(guān)系同時投入運行，無論DG 是否發(fā)電，都能可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。也即，當(dāng)滿足式（15）或者式（18）中任意一個時保護(hù)動作。

基于導(dǎo)引線的電流差動保護(hù)是在導(dǎo)引線通道中傳輸電流信號，信號通道對絕緣要求較高且易受外界電磁干擾，降低了差動保護(hù)的安全可靠性?；贠CT 的相差保護(hù)方案原理如圖1 所示，其通過光纖傳輸信號，不受外界電磁干擾，性能穩(wěn)定、可靠性高。

4 仿真驗證

4.1 RTDS 仿真驗證

在RTDS 實驗平臺搭建如圖2 所示的有源配電網(wǎng)模型。該模型為“閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行”。CB10 為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常運行時處于常開狀態(tài)。饋線AB、BC、AD、DE的長度分別為2、4、2、4 km，參數(shù)為正序阻 抗Z1=（0.17+j0.34）Ω/km，零 序 阻 抗Z0=（0.42+j1.51）Ω/km。母線C處接入2.0 MW 光 伏電源。負(fù)荷1 至4 的容量分別為2.0 MW+0.8 Mvar、1.0 MW+0.7 Mvar、4.0 MW+2 Mvar、1.0 MW+0.5 Mvar。在斷路器CB1、CB2、CB3、CB4 處分別安裝基于OCT 的相差保護(hù)裝置。實驗平臺如附錄C圖C1 所示。

圖2 RTDS 實驗仿真模型Fig.2 RTDS experimental simulation model

4.1.1 兩側(cè)光強(qiáng)不同

當(dāng)在f2點分別發(fā)生兩相短路、三相短路時，以A 相電流為例，其波形見圖3。圖中：uo1、uo2分別為線路兩側(cè)OCT 測量電壓量；u1、u2分別為線路兩側(cè)OCT 測量電壓基波分量；i1、i2分別為線路兩側(cè)電流。

圖3 f2處發(fā)生故障時的A 相波形Fig.3 Phase A waveforms when fault occurs at f2

其線路兩側(cè)OCT 輸出電壓的直流分量分別為1.9 V 和0.7 V，即兩側(cè)光強(qiáng)不同。由圖3（b）、（d）的波形前半段可以看出，不同光強(qiáng)下，OCT 輸出電壓基波分量的過零點與所測電流過零點相同，相位相差180°。由圖3（a）、（c）可以看出，故障之后，OCT輸出電壓基波分量過零點依舊與所測電流過零點相同。仿真結(jié)果符合1.2 節(jié)和1.3 節(jié)的理論分析。

4.1.2 溫度不同

考慮正常溫度一般取25 ℃；炎熱情況下空氣溫度一般不會超過40 ℃；裸導(dǎo)線外部溫度一般不超過70 ℃；較為寒冷情況下空氣溫度取0 ℃。改變環(huán)境溫度，當(dāng)在f2處分別發(fā)生AB 兩相短路時，故障相相位如表1 所示，其中，?u1u2表示u1、u2之間的相位差。

表1 不同環(huán)境溫度下保護(hù)數(shù)據(jù)Table1 Protection data at different ambient temperatures

由表1 可以看出，環(huán)境溫度的改變對線路兩側(cè)OCT 輸出電壓相位差和基波幅值變化量的影響較小，可以忽略不計，符合上述理論分析。同時，故障之后滿足保護(hù)判據(jù)，保護(hù)可以動作。由此可見，本文所提方案可以不受運行環(huán)境溫度的影響。

4.2 IIDG 低電壓穿越能力驗證

在PSCAD 中搭建如圖2 所示結(jié)構(gòu)的有源配電網(wǎng)，參數(shù)設(shè)置見4.1 節(jié)。本模型所用IIDG 最大輸出電流為1.5 倍的額定電流。系統(tǒng)正常運行時IIDG 輸出電流特征見附錄C 圖C2（a），當(dāng)f2點分別發(fā)生AB兩相金屬性短路、三相金屬性短路，故障時刻為0.6 s，IIDG 輸出電流特征如附錄C 圖C2（b）、（c）所示。

由圖C2（a）可以看出，正常運行時，IIDG 輸出有功功率在2.0 MW 左右，輸出無功功率為0 Mvar；逆變器提供的有功電流在3.0 kA 左右，提供的無功電流為0；IIDG 提供的并網(wǎng)電壓、電流均正常。

由附錄C 圖C2（b）可以看出，當(dāng)f2點發(fā)生AB 兩相金屬性短路時，故障后兩故障相電壓跌落至一定程度，非故障相電壓不發(fā)生變化，三相電流經(jīng)過一定過渡時間后仍為三相對稱，無功電流的幅值因并網(wǎng)點電壓的跌落而明顯增大，有功電流基本維持不變。

由附錄C 圖C2（c）可見，當(dāng)f2點發(fā)生三相金屬性短路時，故障后三相電壓跌落最嚴(yán)重至0 附近，無功電流幅值增大為額定電流的1.5 倍，有功電流幅值受逆變器過流能力限制而近似為0，IIDG 輸出的三相電流仍然三相對稱，有功、無功功率均近似為0。

由上述分析可以看出，IIDG 存在低電壓穿越行為，在并網(wǎng)點電壓跌落時輸出無功電流來支撐并網(wǎng)點電壓。

4.3 基于MATLAB/Simulink 仿真驗證

利用MATLAB/Simulink 仿真軟件搭建如圖4所示的IEEE 33 節(jié)點有源配電網(wǎng)模型。系統(tǒng)線路參數(shù)及節(jié)點負(fù)荷設(shè)置見文獻(xiàn)［31］。將系統(tǒng)電壓等級改為10 kV。在22節(jié)點處接入0.4 MW光伏電源，在8、15、29 節(jié)點處分別接入1、0.2、1 MV·A 的風(fēng)電電源。

圖4 MATLAB 實驗仿真模型Fig.4 MATLAB experimental simulation model

在每兩個節(jié)點之間的線路分別設(shè)置兩相短路、兩相接地短路、三相短路，故障過渡電阻分別為0.01、10、20、30、40、50 Ω，故障位置分別位于本段的10%、50%、90%處，共4 608 種工況。仿真結(jié)果如圖5 所示，其中，綠色線條所圍成的立體區(qū)域為保護(hù)閉鎖區(qū)域，其他區(qū)域為保護(hù)動作區(qū)域；藍(lán)色點表示區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)判斷結(jié)果，紅色點表示區(qū)外故障時保護(hù)判斷結(jié)果。

圖5（a）為仿真結(jié)果，其中，x軸變量為αM，y軸變量為αM/αN，z軸變量為線路兩側(cè)相位差φ。從圖5（b）至（d）可以看出，紅色點均在綠色區(qū)域之內(nèi)，藍(lán)色點均在綠色區(qū)域之外。也即，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)短路故障時，保護(hù)均處于動作區(qū)域；當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，保護(hù)均處于閉鎖區(qū)域。因此，本文所提保護(hù)方案可以有效識別各類相間故障，并且具有較高的耐過渡電阻能力。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

4.4 基于動模實驗驗證

基于動模實驗室搭建如圖6 所示的有源配電網(wǎng)測試平臺。圖中，饋線AB全長19.485 km，1XK、2XK、SBK1-3均為斷路器；用1 kV系統(tǒng)來模擬10 kV的配電網(wǎng)，利用6 kV·A 的發(fā)電機(jī)模擬DG；故障點1GDK、2GDK 分別表示區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障；OCT布置位置如圖6 所示。

圖6 動態(tài)模擬實驗?zāi)Ｐ虵ig.6 Dynamic simulation experiment model

分別考慮DG 并網(wǎng)運行和退出運行兩種情況，在f1、f2處分別發(fā)生AB 兩相短路、AC 兩相短路、BC兩相短路、AB 兩相接地短路、AC 兩相接地短路、BC 兩相接地短路以及三相短路故障，每種工況各3 次，仿真結(jié)果如表2 所示。部分波形如附錄C 圖C3 至 圖C8 所 示。

表2 各種工況下的保護(hù)動作情況Table 2 Protection operation under various working conditions

通過RTDS、Simulink 仿真和動模實驗結(jié)果可知，本文所提保護(hù)方案可以有效應(yīng)對有源配電網(wǎng)不含分支的饋線的各類相間短路故障，且不受溫度和光強(qiáng)變化的影響。

5 結(jié)語

為解決有源配電網(wǎng)的饋線保護(hù)問題，本文提出了一種基于OCT 的有源配電網(wǎng)相差保護(hù)方案。該方案利用OCT 的出射光強(qiáng)相位構(gòu)造光纖相差保護(hù)原理，利用出射光強(qiáng)的基波幅值變化量構(gòu)造輔助判據(jù)。

1）該保護(hù)方案通過比較光強(qiáng)相位及基波幅值變化量構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，可以有效避免光強(qiáng)和溫度對OCT 的影響。

2）該保護(hù)方案通過光纖傳輸光強(qiáng)信息進(jìn)行保護(hù)判斷，可以有效解決數(shù)據(jù)通信及同步問題。

仿真和動模實驗驗證了該保護(hù)可以有效應(yīng)對有源配電網(wǎng)不含分支的饋線的各類相間短路故障，且不會受溫度和光強(qiáng)的影響。但本文的測試模型較為簡單，所提出保護(hù)方案在實際配電系統(tǒng)中的性能還有待進(jìn)一步檢驗。

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