基于負(fù)序故障附加網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別的有源配電網(wǎng)保護(hù)*

韓 笑， 丁煜飛， 夏寅宇， 汪繆凡， 齊沛鋒

(南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

0 引 言

“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提出后，我國(guó)電網(wǎng)呈現(xiàn)出高比例清潔能源與高比例電力電子器件的“雙高”態(tài)勢(shì)。以太陽(yáng)能與風(fēng)能為代表的清潔能源分布式發(fā)電得到了快速的發(fā)展與推廣，并可以預(yù)見，未來(lái)配電網(wǎng)將采用分布式電源高度滲透的有源配電網(wǎng)[1-2]。因此研究適用于新型配電網(wǎng)的繼電保護(hù)原理與解決方案，對(duì)提高新型配電網(wǎng)故障切除速度、保證供電可靠性有重要意義。

基于單端量的傳統(tǒng)電流保護(hù)很難適應(yīng)有源配電網(wǎng)的故障特征，容易出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)問(wèn)題[3-8]。為解決有源配電網(wǎng)保護(hù)存在的難題，針對(duì)有源配電網(wǎng)的新故障特征，以多端信息量構(gòu)成的縱聯(lián)保護(hù)逐漸成為主流[9-11]。但配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠鄻?，存在不可測(cè)負(fù)荷分支的影響，對(duì)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的整定造成了很大困擾[12-14]。利用幅值比信息、電流相似性比較等方案能提高保護(hù)含不可測(cè)負(fù)荷分支線路的可靠性。上述方案均基于正常運(yùn)行下潮流方向不發(fā)生改變的情況來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)判據(jù)，但有源配電網(wǎng)運(yùn)行方式多樣，存在分布式電源向上級(jí)線路輸送潮流的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)保護(hù)的識(shí)別能力又提出了新的要求。

因此，針對(duì)目前研究的不足，本文討論了含分布式電源與不可測(cè)負(fù)荷分支的配電網(wǎng)故障特征，基于不同故障下被保護(hù)線路模型之間的不同，提出了一種基于模型識(shí)別的保護(hù)原理，利用負(fù)序故障附加網(wǎng)絡(luò)中被保護(hù)線路是否判斷為有源來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)判據(jù)，并在含有不可測(cè)負(fù)荷分支的工況下進(jìn)行理論分析與仿真驗(yàn)證，最后通過(guò)PSCAD仿真軟件，驗(yàn)證了本文所提方案在含不可測(cè)負(fù)荷分支線路中的可行性。

1 含不可測(cè)負(fù)荷分支線路的故障分析

1.1 區(qū)內(nèi)不對(duì)稱故障時(shí)的模型特征

含分布式電源的配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖1中，Lbr為不可測(cè)負(fù)荷分支，DG為分布式電源。分布式電源的故障模型一般采用正序受控電壓源，因此可以在故障后的負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中等效為開路。取線路中MN段進(jìn)行故障分析，對(duì)負(fù)荷采用恒阻抗模型進(jìn)行等效，MN段線路對(duì)應(yīng)的負(fù)序附加網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

圖2 區(qū)內(nèi)故障MN線路負(fù)序附加網(wǎng)絡(luò)圖

(1)

(2)

(3)

由于Zbr2遠(yuǎn)大于ZMN2，且故障時(shí)負(fù)荷分支流過(guò)的電流可以忽略不計(jì)，故可以認(rèn)為Zbr2=∞，可以將式(3)進(jìn)行化簡(jiǎn)得：

(4)

由兩側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電流可以推出兩側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電壓為

(5)

1.2 區(qū)外不對(duì)稱故障時(shí)的模型特征

被保護(hù)線路的區(qū)外故障包含上游故障與下游故障兩類，本文以線路MN下游發(fā)生不對(duì)稱故障為例進(jìn)行分析，系統(tǒng)的負(fù)序故障附加網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

圖3 區(qū)外故障MN線路負(fù)序附加網(wǎng)絡(luò)圖

圖3中，故障點(diǎn)下游線路與負(fù)載阻抗合并，統(tǒng)稱為ZL2，ZNL2為N側(cè)母線到故障點(diǎn)多額等值阻抗，其他阻抗定義與區(qū)內(nèi)故障分析時(shí)一致，此時(shí)流過(guò)兩側(cè)保護(hù)安裝處的電流為

(6)

式中:Z=(1-β)ZMN2+ZNL2。

由于Zbr2遠(yuǎn)大于ZMN2, 且故障時(shí)負(fù)荷分支流過(guò)的電流可以忽略不計(jì)，故可以認(rèn)為Zbr2=∞，可以將式(6)進(jìn)行化簡(jiǎn)得：

(7)

由兩側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電流可以推出兩側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電壓為

(8)

2 保護(hù)判據(jù)設(shè)計(jì)

2.1 方案原理

由上文故障分析可知，當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，線路MN的等值模型中包含等值電壓源Uf2，而區(qū)外發(fā)生故障時(shí)，MN等值模型中不包含等值電壓源Uf2。通過(guò)瞬時(shí)對(duì)稱分量法，可將瞬時(shí)故障電壓分量和瞬時(shí)故障電流分量分解為正序、負(fù)序和零序分量，得到負(fù)序故障分量瞬時(shí)功率表達(dá)式為

p2=ua2ia2+ub2ib2+uc2ic2=

3U2I2cos(φu2-φi2)

(9)

式中：U2、I2為負(fù)序分量有效值；φu2、φi2分別為負(fù)序電壓、電流的相角。

對(duì)于同一故障，故障分量負(fù)序功率的瞬時(shí)值是一個(gè)具有單極性特點(diǎn)的恒定值，故通過(guò)對(duì)其極性的分析可以判斷故障的區(qū)段。對(duì)于區(qū)內(nèi)故障，由于在負(fù)序故障附加網(wǎng)絡(luò)中有等值電壓源Uf2的存在，其在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)吸收的能量W(t0,t)為負(fù)值，對(duì)于區(qū)外故障，線路等值網(wǎng)絡(luò)中不包含虛擬電壓源Uf2，其在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)吸收的能量W(t0,t)為正值。借助此差別，可以構(gòu)建模型識(shí)別保護(hù)判據(jù)為W(t0,t)<0。為保證判別的可靠性，數(shù)據(jù)窗的長(zhǎng)度應(yīng)為一個(gè)完整的工頻周波，即20 ms。

2.2 保護(hù)判據(jù)驗(yàn)證

將上文分析得到的負(fù)序電流與負(fù)序電壓代入式(9)進(jìn)行分析。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，線路M側(cè)的負(fù)序電壓與電流夾角為

(10)

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，負(fù)序故障分量瞬時(shí)功率小于0恒成立。通過(guò)對(duì)一定時(shí)間窗內(nèi)負(fù)序故障分量瞬時(shí)功率的積分得到的W(t0,t)<0，可以判別為區(qū)內(nèi)存在等值電壓源，進(jìn)而判別為保護(hù)區(qū)內(nèi)部存在故障。

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),以上文分析的下游區(qū)外故障為例，線路M側(cè)的負(fù)序電壓與電流夾角為

(11)

綜上分析，線路負(fù)序附加模型的區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)故障可以分別被證明為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)與有源網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了本文所提方案的可行性。

2.3 保護(hù)流程

針對(duì)有源配電網(wǎng)的模型識(shí)別，可以根據(jù)被保護(hù)對(duì)象負(fù)序故障網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)電壓、電流的相關(guān)性，構(gòu)造基于模型識(shí)別的保護(hù)判據(jù)，有效解決保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)問(wèn)題。保護(hù)的整體流程圖如圖4所示，整體流程步驟如下：

(1) 當(dāng)保護(hù)啟動(dòng)裝置檢測(cè)到發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，采集線路兩側(cè)一個(gè)周波的電壓、電流數(shù)據(jù)，通過(guò)終端裝置上傳到主站；

(2) 根據(jù)采集到一個(gè)周波的兩側(cè)電氣量計(jì)算負(fù)序電壓與負(fù)序電流有效值與相角；

(3) 將計(jì)算得到負(fù)序電壓、電流有效值與相角代入W(t0,t)表達(dá)式，并計(jì)算W(t0,t)；

(4) 若滿足W(t0,t)<0則保護(hù)動(dòng)作，否則返回步驟(1)。

圖4 保護(hù)方案流程圖

3 算例分析

為了驗(yàn)證基于線路負(fù)序模型識(shí)別的保護(hù)原理對(duì)有源配電網(wǎng)故障保護(hù)的有效性，在PSCAD仿真軟件中搭建了如圖1所示的仿真模型，被保護(hù)對(duì)象為線路MN，線路AB、AM、MN、NQ的長(zhǎng)度分別為5、3、4、2 km，單位線路長(zhǎng)度參數(shù)為Z=0.12+j0.43 Ω/km。分布式電源容量為1.5 MVA，接入母線N側(cè)，設(shè)置出線1線路末端負(fù)荷為3 MVA，出線2線路末端負(fù)荷為3 MVA，負(fù)荷功率因數(shù)均為0.85。

3.1 區(qū)內(nèi)故障下保護(hù)動(dòng)作情況

假設(shè)線路MN的75%處發(fā)生故障，不可測(cè)負(fù)荷分支接于線路50%處，通過(guò)改變故障類型、不可測(cè)負(fù)荷分支容量占下游總負(fù)荷的比值、不同的故障過(guò)渡電阻Rg，對(duì)保護(hù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到故障后逆變器需要進(jìn)行低電壓穿越，維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量雜亂的諧波，需要一定的控制調(diào)整時(shí)間，故仿真取保護(hù)檢測(cè)到故障10 ms后的電氣量進(jìn)行故障判別。故障類型設(shè)置的過(guò)渡電阻值與對(duì)應(yīng)的W(t0,t)與保護(hù)動(dòng)作結(jié)果如表1與表2所示。

表1 區(qū)內(nèi)單相接地故障仿真結(jié)果與動(dòng)作情況

表2 區(qū)內(nèi)兩相短路故障仿真結(jié)果與動(dòng)作情況

由表1與表2可知，在不考慮過(guò)渡電阻的情況下，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)方案能準(zhǔn)確判別故障位置，并存在一定區(qū)分度。過(guò)渡電阻增大時(shí)，故障電流減小，導(dǎo)致W(t0,t)數(shù)值下降，在考慮到50 Ω的過(guò)渡電阻時(shí)，保護(hù)判據(jù)依然有一定區(qū)分度。因此對(duì)于含不可測(cè)負(fù)荷分支的區(qū)內(nèi)故障，本文所提保護(hù)方案有較強(qiáng)的抗過(guò)渡電阻能力與保護(hù)靈敏性。

3.2 區(qū)外故障下保護(hù)動(dòng)作情況

區(qū)外故障包含分布式電源接入點(diǎn)上游故障與下游故障。假定故障點(diǎn)均位于對(duì)應(yīng)線路中點(diǎn)處，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，各種故障類型下的區(qū)外故障與對(duì)應(yīng)保護(hù)動(dòng)作情況如表3與表4所示。

表3 區(qū)外單相接地故障仿真結(jié)果與動(dòng)作情況

表4 區(qū)外兩相短路仿真結(jié)果與動(dòng)作情況

由表3與表4可知，當(dāng)分布式電源接入點(diǎn)下游線路或上游線路發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算得到的W(t0,t)均大于0，保護(hù)不動(dòng)作。

3.3 下游負(fù)荷占比較小時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況

分布式電源大多具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)。比如光伏電源，當(dāng)日照充足時(shí)，光伏電源輸出功率大，當(dāng)下游負(fù)荷容量小于光伏電源出力時(shí)，光伏電源就會(huì)向上游線路輸出反向潮流；而日照不充足時(shí)，光伏電源出力小，光伏電源僅向下游輸出功率。即在一天的運(yùn)行周期中分布式電源可能存在向上游輸出潮流的情況，而現(xiàn)有的不可測(cè)負(fù)荷分支檢測(cè)方案大都建立在潮流方向確定的網(wǎng)絡(luò)中。這些方案不能正確反應(yīng)故障方向，使其保護(hù)判據(jù)不再適用。

而本文所提方案不受有源配電網(wǎng)運(yùn)行方式的影響，在下游負(fù)荷突然減小、分布式電源向上游輸出潮流的情況下，其負(fù)荷變化在負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中沒有體現(xiàn)，所以保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

分布式電源的接入使傳統(tǒng)配電網(wǎng)演變成了有源配電網(wǎng)，容易造成繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。而不可測(cè)負(fù)荷分支的接入也導(dǎo)致保護(hù)配置與配合出現(xiàn)難題。本文提出一種針對(duì)含不可測(cè)負(fù)荷分支線路的配電網(wǎng)模型識(shí)別保護(hù)方案，通過(guò)計(jì)算負(fù)序網(wǎng)絡(luò)在一定時(shí)間窗內(nèi)的功率積分來(lái)分辨故障位置。經(jīng)過(guò)理論分析與仿真分析，驗(yàn)證了本文所提保護(hù)方案在多種運(yùn)行方式與不對(duì)稱故障工況下的可靠性。