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摘要：针对分布式电源接入配网引起的短路电流方向及大小变化造成的保护误动、灵敏度降低等问题，总结了逆变型分布式电源故障特点、并分析了故障电流与分布式电源容量变化关系。分析结果证明三相短路故障时，逆变型分布式电源功率输出变化量与保护感受到的故障电流变化量成正比例关系。在此基础上，提出一种保护整定值随DG功率输出水平、故障电流水平同进退的配网保护新策略。该方案具备保护原理简单可行、灵敏度不受分布式电源影响、经济性好、实用性高的优点。最后应用PSCAD/EMTDC软件以10kV实际配网系统为对象验证其具有有效性和合理性。
关键词：分布式电源；逆变型；自适应保护；灵敏度；新方案
0引言
传统化石能源的日益枯竭、环境污染的日益严重，加速了供电企业寻求清洁能源的步伐。分布式电源（DG），特别是利用可再生能源如风能、太阳能等的中小型发电机得到了迅猛发展。分布式电源容量一般在数千瓦到几十兆瓦间，靠近电力用户端。它不仅可以提高供电可靠性，改善电能质量，更具有独特的环保节能性、高效性、灵活性和经济性等优点。目前，大电网与分布式发电相结合的发电形式被世界许多能源、电力专家认为是能够节省投资、降低能耗、提高供电可靠性和灵活性的主要方式，是电力工业发展的方向。然而，高渗透率的分布式能源接入配网也对配电网继电保护提出了挑战。分布式电源使得配网由单电源辐射状结构变为多电源系统，故障电流方向、大小都将发生变化。随着分布式电源的容量越来越大，接入数量越来越多，传统的三段式电流保护之间可能会失去配合，重合闸失败，从而无法满足配电网系统保护的要求。为了消除DG接入配网后对保护及自动重合闸装置的不良影响，IEEEStandard1547标准规定，如果故障发生在DG所在馈线，DG应当停止向配电网供电；在DG所在馈线的自动重合闸动作前，DG必须跳离配电网。然而，根据实际电网中DG运行经验，故障发生时，DG有可能没有及时断开，从而向故障点持续提供短路电流导致线路保护的不正确动作。因此，有必要研究DG未及时退出运行时对保护动作的影响以及此情况下配电网的保护及控制策略。
目前，对于DG接入配网后保护方案的提出，归纳起来大致有两种：一种是应用发达的通信网络实现配电网保护间信息交换；另外一种是基于目前配网的配置，提出保护整定的新算法，包括采用自适应保护原理、加装方向元件等。第一种保护方案在较高程度上依赖于通信网络，一旦通信失效，整个保护系统也随之失效，况且就目前我国配网实际建设情况而言，若要实现发达可靠的通信网络，还得投入大量财力物力，需要很长一段时间。因此，此方法在当前并不十分实用。第二种方案较第一种方案具有更好的实用性，然而提出的大部分保护新方案并没有充分考虑DG的运行工况，而只是在DG投退、出力信息已知的前提下得出结论，而这与实际情况并不相符。实际运行中，DG的投退与否、出力水平是随太阳照射强度、风力强弱等自然环境而变化的，甚至是随机的，其工况信息也是保护系统未知的。鉴于此情况，本文综合考虑DG运行特性，并针对DG引起配网保护误动、灵敏度下降等问题，提出了一系列解决措施。
1逆变型分布式电源的故障特性分析
分布式电源大致分为两种，一种是传统的旋转电机型DG，其原理与传统的发电机相同，仅在容量上相对较小；另一种是逆变型分布式电源IIDG，目前的小容量DG大部分为此类型，如燃烧涡轮发电机、燃料电池、风力发电机、光伏电池阵列等，这些发电技术都需要采用电力电子控制技术，通过电力电子接口与电网并联，其故障特性与逆变器控制方法有关，不能简单等效为电压源和阻抗串联的形式。IIDG并网逆变器的控制主要有电压型和电流型两种控制方式。无论是电压型还是电流型控制方式，都是在输出功率保持恒定这一基础上的，即当系统故障时，故障后的次暂态过程（故障后1~2个周波）中，IIDG输出功率将增加，之后的暂态和稳态过程IIDG输出的功率又会回到给定值，因此，在故障仿真分析时将IIDG等效为恒功率模型。
即系统发生短路故障后，IIDG输出的功率水平与故障前输出功率相同，输出的电流值和电压值成反比例关系变化。
据此，本文将IIDG等效为恒功率模型，在系统正常运行时，由潮流计算确定其电压、电流值；故障时电压降低，IIDG提供的短路电流将增大，二者成反比例关系变化。
2 DG接入后对配网保护及重合闸影响
2.1 DG接入造成保护灵敏度下降
如图1所示配网系统，对于保护1、保护2而言，若其电流保护按照DG最大出力、系统最大运行方式进行整定，则在DG退出运行或出力减少情况下发生故障时，保护感受到的短路电流会随着DG输出功率的减小而下降，从而导致保护范围缩小，保护灵敏度下降。
图1 DG 造成保护灵敏度降低
2.2 DG接入造成上游保护误动
如图2所示配网系统，在DG上游d1处发生故障时，DG向故障点提供的短路电流IkDG流过保护2，有可能造成保护2误动；相邻线路d2处发生故障时，DG提供的短路电流会流过保护2和保护3，也可能造成保护2和保护3的误动。另外，若BC区域发生故障，仅由保护2动作是不够的，需要在保护2对侧加装保护装置，使二者同时动作才能将故障完全隔离。即DG接入时必须在接入点两侧都加装保护装置。
图2 DG 造成保护误动
2.3 DG接入对重合闸装置的影响
配电网中90%的故障为瞬时性故障，采用重合闸，可以大大提高系统的可靠性，减少停电次数，具有显著的经济效益。然而，DG接入配网后，如果线路故障跳闸后，DG在重合闸动作时未及时退出运行，将会带来以下不利影响：
a）非同期重合闸。在系统电源跳开后至重合闸内的这段时间，系统侧电源与DG间会存在一定的相角差，重合瞬间的冲击电流可能使保护误动作，从而使重合闸失去迅速恢复供电的能力。
b）故障点电弧重燃。由于DG的存在，保护动作后，DG仍向故障点提供短路电流，引起故障点电弧重燃，导致绝缘击穿，使瞬时性故障变为永久性故障，扩大停电范围。因此，DG接入配网后，在重合闸装置重合之前，应确保DG及时退出运行。另外，在重合闸装置中还应安装检同期装置，以防止非同期重合冲击电流造成DG的损坏。
3 IIDG接入后对配网保护新方法
3.1 IIDG系统三相短路分析
图3为含IIDG的配网系统等效电路图，Es、Zs为IIDG接入点上游配网系统等效电动势及系统侧等效阻抗，最小运行方式和最大运行方式下分别为Zs.max和Zs.min，Sg为IIDG容量，Eg为IIDG等效电动势，Zg为IIDG等效阻抗，假设d1处发生三相短路，Ig为IIDG向d1点提供的短路电流，ZL为母线到短路点阻抗，Ik为总的短路电流，U为母线电压。根据IIDG的控制原理，有
图 3 d1 处发生短路时故障等效电路
根据电路原理，并由式(1)、式(2)得出
又因为
将式(1)~式(4)带入式(5)并进行化简，得到Sg=aIk2+bIk (6)
(6)其中：
由式(6)可知，该10kV配网系统某处发生的三相短路故障时，由于ZL、Zs、Es均为固定的已知量，即a、b均为常量，则IIDG的容量Sg是短路电流Ik的常系数二次函数。
对式(6)求反函数，从而得到
由于Ik恒为正值，舍掉Ik2，并化简，得到：
式(8)中：Es单位为kV，阻抗单位为Ω；Sg单位为
MVA，则电流单位取kA。假设取Es为10.5kV，Zs为0.5Ω，线路阻抗为0.4Ω/km，线路总长为10km，若在线路总长20%处发生三相短路，则由Matlab仿真得出Ik=f(Sg)图像如图4所示。
图 4 三相短路时IIDG 容量与短路电流关系
由图4可知，尽管公式推导得出IIDG的容量Sg是短路电流Ik的二次函数，然而由于Sg的取值范围比较小（DG容量较小，一般为数千瓦至50MW），由仿真结果可以得出，当IIDG容量Sg在0~50MVA范围内变化时，Sg与Ik可近似为成正比例线性关系。
3.2整定值随IIDG出力自动调整保护方案
传统电流速断保护整定方法为Iset.1I=KrelIk.max(3)，即系统最大运行方式下本线路末端发生三相短路时最大短路电流乘以可靠系数Krel，Krel一般为1.2~1.3。
由上节分析可知，IIDG提供的故障电流与IIDG输出功率近似成正比，即Ik∝Sg，假设比例系数为c，即ΔIk/ΔSg=c，c为常数。即当IIDG容量每减少1MVA时，保护感受到的短路电流同时Ik减少ckA。
以图2所示配网系统为例，若d1处发生三相短路，IIDG在故障初始未及时退出运行，则IIDG对故障点提供短路电流Ig，保护1感受的短路电流为系统侧电源提供的短路电流和IIDG提供的短路电流之和；若故障发生ts后IIDG退出运行，则Ig变为0，造成保护感受到的短路电流水平由Ik降为Ik-Ig，此时有可能造成保护灵敏度不足而拒动。
解决的方法是，若故障期间保护1感受到的故障电流由Ik降为Ik’，即故障电流变化量ΔIk=Ik-Ik’，若ΔIk为一常数，则说明故障电流变化是由于IIDG退出运行或出力水平降低而导致的，若此时将保护整定值也相应由Iset.1I降为Iset.1I’，且满足ΔIset.1I=Iset.1I-Iset.1I’=KrelI×ΔIk，即速断保护定值减少量与故障电流的减少量成正比，ΔIset/ΔIkmax=KelI，比例系数为KrelI。这样，就能使得IIDG接入后保护的最小保护范围维持IIDG接入系统前的水平，即消除了IIDG接入后其投退及出力对保护灵敏度的不利影响，提高了保护的可靠性。相应的电流II段限时电流速断保护整定值也随着下级线路速断保护定值进行调整。即Iset.1II=KrelII×Iset.2I，随着保护2的速断保护定值变化，保护1的限时电流速断保护同比例变化，比例系数为KrelII，一般为1.1~1.2。
3.3 DG接入造成上游保护误动解决方案
3.3.1防止DG接入造成保护误动方法
如3.2节问题所述，DG接入配网后，在上游或相邻线路发生故障时，DG会向故障点提供反向故障电流，有可能造成上游保护的误动作。此问题最简单的解决办法就是，在可能发生误动的保护处加装方向元件，通过整定值和方向元件共同判断保护是否动作。例如在图5所示系统中，d1处发生故障时，DG提供的短路电流可能造成保护2误动，因此要在保护2处加装方向元件。保护2对侧也加装保护8及方向元件，保证在d2处发生故障时将故障完全隔离。若d3处发生故障，根据故障电流大小情况决定保护3是否加装方向元件，确保反方向故障时保护3不误动。另外，在保护3对侧加装保护装置，可采用方向纵联保护作为AC区域的主保护，区内故障时可瞬时跳开保护。
另一种可行的方法是，若DG在母线C处，母线B处可不加装任何保护装置，而由保护2负责AB及BC区域故障的切除。而保护2对侧需加装保护装置（保护8）及方向元件。
图 5 IIDG 接入后造成上游保护误动解决方案
3.3.2改进方案中保护动作分析
若d1处发生故障，保护3感受的故障电流达到整定值，且方向元件判断为正，于是保护3跳开，并发信号给保护2，保护2接收到跳闸信号后也动作跳闸，将故障区域隔离。
若d2处发生故障，保护3感受到的短路电流未达到整定值，因此不动作。保护8达到整定值且方向元件判断为正，因此动作跳闸，并发跳闸信号给保护2，保护2接到跳闸信号后跳闸，从而使故障隔离。
若d3处发生故障，DG向故障点提供的短路电流流过保护2和保护3，为防止其误动作，应在保护2和保护3加装方向元件。同时，保护2和保护3发闭锁信号给相应的对侧保护将其闭锁。
4算例仿真验证
如图6所示，10kV配网为例，取系统最大运行方式下的阻抗Xsmin=0.1Ω，最小运行方式下的阻抗Xsmax=0.9Ω；线路参数为X=0.4Ω/km，AB、BC长度分别为10km、6km；末端负荷阻抗均为(30+j15.7)Ω。DG的容量取50MVA。
图 6 某市10 kV 配电网系统
（1）当d1处发生发生三相短路时，IIDG出力Sg在0~50MVA内变化，故障点位置μ（故障点距离母线A长度占AB总长百分比）为60%，可靠系数取1.2。仿真结果如表1所示。
表 1 系统短路水平与IIDG 出力关系
由表1可知，随着IIDG容量逐渐减少，保护3速断保护定值也降低，且ΔIk/ΔSg=2.2，其变化率比值基本不变。
（2）IIDG出力Sg在0~50MVA内变化，保护3整定值及保护范围情况进行仿真。结果如表2所示。
表 2 保护定值及最小保护范围随DG 容量变化情况
（3）保护范围比较
分别计算本系统中，采用传统电流一段保护下IIDG在不同出力情况下的最小保护范围，并与采用该保护方案下的最小保护范围进行比较，如表3所示。
表 3 最小保护范围比较
由仿真结果可知，整定值随故障电流值变化关系为：ΔIset.3/ΔIkmax=1.2=Krel，即随着保护感受到故障电流水平降低，保护整定值要以1.2倍变化速度减小，这样，不论IIDG出力为多少，保护3的最小保护范围均比传统保护的最小保护范围高，因此比传统保护更能满足DG下游保护灵敏度的要求。
5结论
本文对分布式电源对保护灵敏性及选择性的影响做了理论分析，并根据IIDG特有的故障特性，分析了其接入后配网故障电流水平与IIDG容量变化的关系，分析结果表明，分布式电源容量的变化量与故障电流变化量成正比，比例系数为一常数。由此提出了一种根据故障电流变化情况自行改变整定值的自适应保护新原理。即若故障期间，保护感受到的故障电流变化量为一常数，则说明故障电流的变化是由IIDG的投退而引起的，此时保护定值相应变化，适应此时的DG容量及故障电流水平。PSCAD仿真证明该方法能在DG容量变化时保护灵敏度均比传统保护要好。另外，该保护方法原理简单、经济性好、实用性高。
论文作者:王华秋,王伟奇,留威,李志文,蔡艳,汪哓哓
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/30
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