含T接逆變型分布式電源配電網的自適應距離保護

趙建文，張鴻波，胡雨佳

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710600）

0 引言

為了實現“碳中和”“碳達峰”的戰略目標，可再生能源發電得到了重視與應用，大量的逆變型分布式電源接入配電網。分布式電源可以專線或T形方式接入系統[1]。逆變型分布式電源T形接入配電網后，配電網潮流方向與短路電流大小均發生變化，導致傳統三段式保護適應性變差，保護的可靠性與靈敏性無法得到滿足。

為了適應含T形接入的IIDG配電網，目前主要有兩類保護方案。一類是對差動保護做出各種改進。文獻[2]針對逆變型分布式電源T形接后的配電網提出了一種改進縱聯差動保護方案。文獻[3]針對含有T形接入IIDG配電網提出了一種復合阻抗差動保護，動作門檻值較大，當內部故障時可能拒動。文獻[4]提出了基于幅值比的縱聯保護，并在含有TT形接IIDG的情況下做出改進。文獻[5]利用各類電流幅值信息構造了充分式判據，需要采集多種電流信息。此類保護方案需要實時獲取線路首末兩端以及DG出口處電氣信息并進行數據交換，對通信系統要求較高，并且通信存在一定的延時，例如實時性最好的快速報文仍有著數毫秒的延時；除此之外，由于配電網網絡復雜，通信網絡規模巨大，需要大量的投資[6]。另一類是在傳統三段保護的基礎上提出了自適應保護。文獻[7，8]在傳統電流保護的基礎上，針對IIDG接入的配電網提出了一種自適應電流速斷保護。文獻[9]針對高DG滲透率的配電網提出了一種自適應過電流保護方案。文獻[10]提出了自適應的三段式距離保護，需要實時檢測并網點電壓，并且精度有限。文獻[11]針對IIDG接入配電網后提出了一種延時距離保護與電流保護相結合的方法，保護構成較為復雜。這類方案僅使用保護本地信息，動作速度快，但是如何正確計算DG電流是保護正確動作的關鍵。

本文針對含有T形接入的IIDG配電網，在傳統距離保護的基礎上提出了一種自適應距離保護。該保護方法實時預測IIDG輸出電流并用于整定計算，無需與遠方通信，設備投資少，動作速度快，并且在不同的故障條件下均有較高的保護范圍，通過與傳統距離保護的對比，證明了該保護方法的優越性。

1 逆變型分布式電源輸出特性分析

并網運行的IIDG一般采用PQ控制，通過雙閉環控制有功功率和無功功率的輸出恒定。如果在派克變換中令d軸與電壓矢量同方向，可得到功率輸出[12]的表達式為

式中：Up為公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）線電壓；Id，Iq分別為IIDG有功參考電流和無功參考電流。

接入配電網的IIDG應具備一定的故障穿越能力[1]，在并網點電壓較低時，主要輸出無功功率以支撐并網點電壓。故障期間IIDG輸出的無功電流Iq為

式中：Us為并網點電壓標幺值；IN為IIDG額定電流；K1與K2為低電壓穿越控制策略的支撐系數，一般K1不小于1.5，K2不小于1.05。

因此，在系統發生三相短路時，IIDG輸出電流由PCC電壓決定，等值為PCC電壓控制的電流源。此外，為了改善系統發生不對稱故障時IIDG的輸出特性，IIDG采用正序分量的控制策略，在配電網發生不對稱故障時，IIDG仍然只輸出正序故障電流，此時IIDG等值為PCC正序電壓控制的電流源[13]。

2 T接IIDG對傳統距離保護的影響

相較于三段式電流保護，距離保護基本不受系統運行方式的影響，有著更優秀的保護性能。然而由于IIDG的T形接入，將導致距離保護的保護范圍降低。圖1為配電網拓撲結構，分析IIDG以T形接入后對距離保護的影響。

圖1 含T接IIDG的配電網結構圖Fig.1 Distribution network structure diagram including T-connected IIDG

當IIDG發生三相短路時，得到系統電路如圖2所示。

圖2 不同位置故障系統電路圖Fig.2 Circuit diagram of fault system at different positions

由圖2（a）可得保護S2處的電壓為U˙m=I˙mZBC+（I˙DG+I˙m）ZCD。因此，保護S2處的測量阻抗為

如果不考慮可靠系數，則距離保護S2的整定值為線路BD的阻抗，即：

由于距離保護為欠量保護，當測量阻抗小于整定值時，保護動作。對比式（3），（4）可知，由于IIDG輸出電流的影響，測量阻抗會增加一附加阻抗，當該附加阻抗與線路阻抗相角差小于90°時，將會導致Zset＜Zm，保護無法正確動作，保護可靠性變差。

下面分析IIDG以T形接入后距離保護的保護范圍與IIDG滲透率之間的定量關系。假設IIDG容量為SDG，系統電源的容量為SS，IIDG滲透率為x%，則根據滲透率的定義可以得到：

式中：US與IS分別為系統電源的額定電壓與電流；UDG與IDG分別為IIDG的額定電壓與電流。

由于IIDG處于并網狀態，因此US≈UDG，根據式（6）可得：

由式（8）可以看出，距離保護的保護范圍在不考慮可靠系數的情況下，已經無法保護線路全長，并且隨著IIDG滲透率的增加，保護范圍會進一步減小。此時保護范圍外的故障需要在一定的時限以后才能切除，這不利于電力系統的安全穩定運行。

當故障發生在IIDG上游時，β為故障點到線路首端占線路BC的比例，此時保護S2處的測量電壓為U˙m=βI˙mZBC，測量阻抗為因此，當IIDG上游發生故障時，IIDG不會影響距離保護的正常動作。

3 自適應距離保護

由前文分析可知，由于T形接IIDG的輸出電流的影響，傳統距離保護的保護范圍減小，保護可靠性與靈敏性變差，并且IIDG的輸出電流受故障位置與控制策略的影響，具有很大的不確定性。如果按IIDG的額定電流進行保護值的整定也同樣不合理，因此有必要提出適用于各種情況的自適應距離保護。

3.1 三相短路

為了正確反應各種相間短路故障，阻抗繼電器采用0°接線，由于三相對稱，以反應A相故障的繼電器為例，接入繼電器的電壓為U˙m=U˙AB，電流為I˙m=I˙A-I˙B。當IIDG上、下游線路末端發生三相短路故障時，阻抗關系如圖3所示。

圖3 阻抗關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of impedance relationship

當IIDG下游線路末端發生三相短路故障時，可得A相與B相電壓為

因此，保護處的測量阻抗為

由于故障發生在IIDG下游，系統電流I˙A與IIDG輸出電流I˙DGA均從上游流向下游的短路點，K為正，ZBD與KZCD兩者相角差小于90°。當IIDG上游發生三相短路故障時，系統電流I˙m從上游流向短路點，而I˙DG則從下游流向上游的短路點，K為負。因此，ZBD與KZCD兩者相角差大于90°。如果仍按式（10）計算整定值，則阻抗整定值偏小，Zset＜ZBD，當DG輸出的電流較大，甚至有可能Zset＜Zm，從而導致保護的拒動。而由前文分析可知，當故障發生在IIDG上游時，傳統距離保護不受影響，可以正確動作。綜上，可令自適應距離保護的整定值為

3.2 兩相短路

IIDG下游發生AB兩相短路故障時，其等效圖如圖4所示。

圖4 兩相短路示意圖Fig.4 Schematic diagram of two-phase short circuit

由圖4可得A相與B相電壓為

同樣，令U˙m=U˙AB，I˙m=I˙A-I˙B，可得保護的測量阻抗同式（9）。因此，兩相短路距離保護的整定值與三相故障相同。不同的是，當發生AB兩相短路時，由于U˙C=E˙C，將導致B相與C相的繼電器不能正確反應保護處到故障處的阻抗，無法正確動作。

3.3 IIDG輸出電流的實時計算

自適應保護可以根據系統當前的運行狀態及故障類型，實時計算出被保護線路末端短路時的整定值，然后按照避開該整定值的原則對保護進行實時整定，因此具有更高的可靠性與靈敏性。為了實時獲得IIDG的輸出電流，如果在IIDG出口處加裝電流互感器，并且將IIDG的電流實時傳輸至保護處，無疑增加了設備投資與通信負擔。因此，利用保護處故障信息得到IIDG的輸出電流成為關鍵。隨著微控制器與微機繼電保護技術的發展，電力系統處理數據的能力不斷提高，本文提出了利用BP神經網絡實時預測IIDG電流的方法，系統的整體硬件結構如圖5所示。

圖5 自適應保護硬件結構圖Fig.5 Hardware structure diagram of adaptive distance protection

由前文分析可知，IIDG在配電網發生三相短路時等效為受并網點電壓控制的電流源，IIDG的電流為

由圖2可知：故障發生在IIDG下游時，U˙pcc=U˙m-αI˙mZL2，I˙DG=f（U˙m，I˙m）；故障發生在IIDG上游時，U˙PCC-I˙DGZL2=U˙m-I˙mZL2，同樣可得I˙DG=f（U˙m，I˙m）。即無論故障發生在IIDG上游或下游，I˙DG都與I˙m和U˙m存在著一定的函數關系。但是，由于IIDG的控制策略復雜多變，難以通過一具體的函數公式表示該關系。由于神經網絡能夠無限逼近任意連續函數，因此使用BP神經網絡對故障數據進行擬合，當故障發生時，利用訓練好的神經網絡實時預測IIDG的電流。

為了得到I˙DG與I˙m，U˙m間的關系，在IIDG上游與下游分別設置100次故障，選擇95%的數據作為測試集訓練神經網絡。輸入層節點數為5，分別為U˙m，I˙m的幅值與相位，DG容量5個變量作為BP神經網絡的輸入，輸出層節點數為2，分別為IIDG電流的幅值與相位，隱藏層節點數根據經驗值取3。在故障發生時，根據保護處的電氣量信息實時預測IIDG的輸出電流并代入整定公式中。DG容量為1 MW，不同位置發生三相故障的幅值與相位預測結果如圖6所示。

由圖6可以看出，神經網絡可以較為準確地預測出IIDG的輸出電流，最大幅值相對誤差為1.12%，最大相角相對誤差為1.37%。

當系統發生兩相短路故障時，由于IIDG采用正序分量控制，仍然輸出三相對稱的電流，此時IIDG等效為受并網點正序電壓控制的電流源，即：

式中：U˙pcc（1）為PCC電壓正序分量。

因此，發生兩相短路時，使用對稱分量法提取U˙m和I˙m正序分量作為神經網絡的輸入。

4 仿真及結果分析

4.1 仿真系統及參數

本文在MATLAB中建立含IIDG的10 kV配電網拓撲模型，如圖7所示。

圖7 含IIDG配電網結構Fig.7 Structure diagram of distribution network including IIDG

圖中,線路阻抗Z=0.110 0+j0.163 3 Ω/km，線路L1～L5長度分別為5，10，5，5，3，3 km。負荷有功功率均為5 MW，各IIDG均采用正序分量的PQ控制及低電壓穿越控制，其中IIDG2有功功率參考值為2 MW，IIDG1以T形接于距離線路首段25%處，有功參考值分別取1，4 MW，以驗證不同容量的IIDG對保護的影響。阻抗繼電器采用比幅式方向阻抗繼電器，動作特性為

4.2 仿真結果

表1～4為自適應距離保護與傳統距離保護的對比結果。

表1 自適應距離保護與傳統距離保護的對比結果（ABC三相故障，DG=1 MW）Table 1 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=1 MW）

表2 自適應距離保護與傳統距離保護的對比結果（ABC三相故障，DG=4 MW）Table 2 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC three-phase fault，DG=4 MW）

表3 自適應距離保護與傳統距離保護的對比（AB兩相故障，DG=1 MW）Table 3 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（AB two-phase fault，DG=1 MW）

表4 自適應距離保護與傳統距離保護的對比（AB兩相故障，DG=4 MW）Table 4 Comparison results of adaptive distance protection and traditional distance protection（ABC two-phase fault，DG=4 MW）

通過仿真結果可以看出，由于IIDG的接入，傳統距離保護的保護范圍減小，且減小的程度與IIDG容量有關。因此，在IIDG下游部分線路發生故障時，傳統距離保護將無法動作，無法滿足保護的可靠性。而自適應距離保護在不同的條件下可以保護線路全長的80%左右，并且在IIDG上游發生故障時，自適應保護退出，不影響保護的正確動作。因此，本文提出的自適應距離保護與傳統距離保護相比，有著更高的靈敏性與可靠性。

5 結論

針對大量IIDG接入配電網后，傳統繼電保護的不足，本文提出了一種自適應距離保護方案。該保護方案根據IIDG的輸出電流，實時整定保護動作值，在最大范圍內實現無時限切除故障；保護僅利用本地信息，保護速動性與經濟性較好；保護范圍基本不受故障類型與IIDG容量影響，保護可靠性較好。由于考慮了可靠系數，該保護方案仍無法保護線路全長，需要與距離Ⅱ段與距離Ⅲ段保護配合，整定方法類似。該保護方案有利于提高含IIDG配電網的供電可靠性，促進可再生能源就近消納。