基于衰减指数的主动配电网纵联保护新方法研究

第３８卷第２期２０２４年３月
兰州文理学院学报(自然科学版)
J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y o
fA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l ．３８N o ．２
M a r ．２０２４
收稿日期:２０２３Ｇ０３Ｇ１０
基金项目:安徽高校自然科学研究项目(K J ２０２１A ０４７１
)作者简介:吴再林(１９９７Ｇ),男,安徽安庆人,在读硕士,研究方向为电力系统继电保护．E Ｇm a i l :２９６００４３４０３＠q q
．c o m．㊀∗通信作者:李梅(１９７８Ｇ),女,安徽淮南人,副教授,硕士,研究方向为电力系统及其自动化㊁控制与保护等．E Ｇm a i l :l i Ｇ
m u m e i ７８＠１２６．c o m．
㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ６９９１(２０２４)０２Ｇ００７３Ｇ０５
基于衰减指数的主动配电网
纵联保护新方法研究
吴再林,李㊀梅∗,徐海祥,龚晓龙
(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南２３２０００
)摘要:根据光伏并网系统中光伏与大系统电源故障输出特性的差异,提出一种基于电流衰减指数的主动配电网保护新原理．首先对采集的保护线路首㊁末端电流进行滤波㊁去噪,以避免噪声造成P r o n y 计算不精确的问题;再将线路首㊁末端电流衰减指数作差与给定门槛值比较,以便判断故障区域;最后通过改变故障位置㊁故障距离以及光伏渗透率,验证该方法在不同情况下的适用性．通过M a t l a b 仿真实验表明本文提出的方法能够准确判断线内㊁线外故障,并且其对判断故障相有一定效果．关键词:光伏并网;电流衰减指数;P r o n y 算法;
配电线路;纵联保护中图分类号:TM ７７㊀㊀㊀文献标志码:A
R e s e a r c ho naN e w M e t h o do fL o n g
i t u d i n a l P r o t e c t i o n o fA c t i v eD i s t r i b u t i o nN e t w o r kB a s e do nA t t e n u a t i o n I n d e x
WUZ a i Ｇl i n ∗,L IM e i ,X U H a i Ｇx i a n g ,G O N G X i a o Ｇl o n g
(S c h o o l o fE l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g
,A n h u iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y
,H u a i n a n２３２０００,A n h u i ,C h i n a )A b s t r a c t :A c c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n c eb e t w e e n t h e p o w e r f a u l t o u t p
u t c h a r a c t e r i s t i c s o f p h o t o Ｇv o l t a i c a n d l a r g e s y s t e m s i n p h o t o v o l t a i c g r i d Ｇc o n n e c t e ds y s t e m s ,t h i s p a p e r p r o p o s e san e w p r i n c i p l eo f a c t i v e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k p r o t e c t i o n b a s e d o n c u r r e n t a t t e n u a t i o n i n d e x ．F i r s t l y ,t h e f i r s t a n d e n d c u r r e n t s o f t h e c o l l e c t e d p r o t e c t i o n l i n e s a r e f i l t e r e d a n d d e n o i s e d t o a v o i d t h e p r o b l e mo f i n a c c u r a t eP r o n y c a l c u l a t i o n s c a u s e db y n o i s e ．T h e n s c o m p a r e i t t h e c u r r e n t a t t e n Ｇu a t i o n i n d e xa t t h e e n do f t h e l i n ew i t h t h e g i v e n t h r e s h o l dv a l u e t od e t e r m i n e t h e f a u l t a r e a ．
F i n a l l y ,b y c h a n g i n g t h e f a u l t l o c a t i o n ,f a u l t d i s t a n c e a n d p h o t o v o l t a i c p e r m e a b i l i t y ,t h e a p
Ｇp l i c a b i l i t y o f t h em e t h o d i nd i f f e r e n t s i t u a t i o n s i s v e r i f i e d ．MA T L A Bs i m u l a t i o ne x p
e r i m e n t s s h o wt h a t t h e m e t h o d p r o p o s e d i nt h i s p a p e rc a na c c u r a t e l y d
e t e r m i n e t h e
f a u l t s i n s i d ea n d o u t s i d e t h e l i n e ,a n d i t h a s a c e r t a i ne f f e c t o nd e t e r m i n i n
g t
h e f a u l t p h a s e ．K e y w o r d s :p h o t o v o l t a i c g r i d Ｇc o n n e c t e d ;c u r r e n t a t t e n u a t i o n i n d e x ;P r o n y a l g o r i t h m ;d i s t r i b u Ｇt i o n l i n e ;l o n g i t u d i n a l p
r o t e c t i o n 0㊀引言
随着新能源行业的兴起与发展,尤其是越来
越多的光伏㊁水力发电[１Ｇ２
]等新能源系统接入电
网,使得传统配电网的继电保护问题变得复杂多变．对含有光伏发电的配电网而言,光伏并网容量的不断增大会导致传统的三段式继电保护失去保
护电网的作用[３Ｇ５]
．
同时,因光伏电源具有不同于
常规电源的P I 特性,提供的短路电流偏小,会使接地距离保护的范围变小,降低了距离保护的可
靠性与稳定性[６]
．
此外,接入配电网的光伏并网逆变器故障特性呈现非线性且故障前后内电势不恒定,会导致故障分量失效,而故障分量方向元件对以故障方向为关键性要素的纵联保护有着十分重
要的影响[７]．
目前,许多文献对配电网中含有光伏并网的继
电保护问题提出了不同的解决方案．文献[８]通过研究光伏短路电流输出特性对配电网保护的影响,
设计了光伏并网短路电流计算的等效模型,但并未考虑故障发生时的光伏逆变器控制指令的突变问题．文献[９Ｇ１０]结合光伏并网短路电流的突变过程对光伏电源的暂态过程进行研究,分析了稳态故障电流模型能够等效替代光伏电源模型的可行性．
本文根据光伏并网输出的短路电流与电力系
统短路电流的特性差异,通过P r o n y 算法提取保护线路首末端短路电流衰减特征,并由此判断配电网中中故障线路．
1㊀光伏并网短路故障特性分析
配电线路上大系统电源提供的短路电流可以
视为无穷大电源的短路电流,其可表示为:
i ＝I s i n (ωt －φ)＋K
e －t /T a
,(１)式中:K 表示暂态直流分量的幅值．
光伏短路电流会出现一个明显的暂态过程,若将短路电流的稳态过程也包含在内,则可以将
含有光伏电网发生三相短路时a 相电流表示为:i (t )＝[(I ᶄm －I m ¥)e －t
T ᶄ＋I m ¥]c o s (ωt ＋θ０)
＋(I m |０|c o s δ０－I ᶄm c o s θ０)e －t
T a ,(２)式中,I ᶄm 为交流分量初始幅值;I m |０|为正常运行光伏发电电流幅值;I m ¥为故障后稳态电流幅值;
δ０为电网正常运行时的功率角;θ０为故障后稳态
运行时的功率角;T a 为直流分量时间常数;T ᶄ为交流分量时间常数．
根据光伏输出短路特征,得到光伏并网三相短路等值电路如图１所示
．
图１㊀光伏并网三相短路等值电路
㊀㊀其中Z v p ㊁Z v s 为改善光伏输出特性的串联和并联虚拟阻抗;Z v c ㊁Z v g 为抑制滤波器谐振的虚拟阻尼阻抗;X L ㊁X c 为光伏滤波器的电感和电容;
Z t １表示光伏到发生故障点的等效阻抗;
Z L 表示电网中的负荷阻抗;Z １表示系统电源到短路点的阻抗;E g r i d ㊁Z s 则表示系统电源的电压及其短路时的等效阻抗．电网在正常运行时,流过Z v c 和Z v g 的电流很小,但发生短路故障时,该处的电压会发生跌落,流过该并联的虚拟阻抗的电流会更小．
在暂态时,其输出短路电流则与逆变器的控制策略有关,其等值电路如图２所示
．
图２㊀光伏并网三相短路暂态等值电路
㊀㊀由图２可知:
E
s ＝U
ᶄ＋Z v p (Z v s ＋j
x L )Z v p ＋(
Z v s ＋j x L )•I ᶄ．(３
)在稳态时,光伏发电可以等效为输出稳定的电流源,其等值电路如图３所示
．
图３㊀光伏并网三相短路稳态等值电路
2㊀含光伏配电线路保护原理
2.1㊀光伏与大系统电源短路电流特性差异
含有光伏的双馈线辐射式配电网结构如图４所示．配电网中三相短路故障设置在B C 线路中点k ２时,短路电流i ３由系统电源提供,由公式(１)可知,系统电源提供的短路电流含有衰减的直流分量,故短路电流i ３会表现为衰减状态．短路电流i ４则是由光伏提供,由公式(２)可知,光伏提供的短路电流含有衰减的直流分量和交流分量
．
图４㊀含有光伏的双馈线辐射式配电网
㊀㊀在实际中,
防止过电流会烧毁光伏逆变器等电力电子器件,会安装限流器,其输出电流如图５中电流i ４所示,
幅值为１．２~１．５I N ,但其衰减特４
７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３８卷
性并不会受其限流影响,衰减指数α表示短路电流衰减特征
．
图５㊀光伏和大系统电源短路电流
㊀㊀通过P r o n y 对图５电流信号拟合,
可以得出电流i ３和i ４的主频所对应的幅值㊁衰减指数及相位等,分别用A ㊁α和t h e t a 表示,
测试结果如表１所列．
表１㊀电流i ３和i ４各项参数
I A
F
α
t h e t a
i ３２８１．０４５０．００－０．０２－７４．６１i ４
２２．２８
５３．７７
１９．１６
－１１５．０８
表１中,系统电源侧的短路电流i ３主频为５
０H z
,衰减指数接近于０,即系统电源提供的短路电流主频为工频,且衰减指数为０;光伏侧的短路电流i ４主频会偏离工频,
且其衰减指数会明显大于０．
2.2㊀基于电流衰减指数配电线路保护原理以图４中线路B C 为研究对象,
当故障发生在k ２,即保护线路B C 内,短路电流i ３和i ４分别由系统电源和光伏提供,此时C 端测量的短路电流衰减指数会明显大于B 端测量的短路电流衰减指数,即有
αB －αC ＞０．(４
)若故障发生在线路k １㊁k ３或者k ４,
即本条线路保护外或相邻馈线时,无论配电网是正常运行还是发生短路故障,流过线路B C 两端的电流实际上相同,那么B C 两端的衰减指数也相同,
固有αB －αC ＝０．(５
)从以上分析可得,由测量线路两端短路电流
的衰减指数α首㊁α末可以构成新的保护原理,
但是若短路故障发生在保护区域外,由于传感器的测量误差㊁计算误差以及配电网系统的波动等会导
致α首和α末差的绝对值会偏离０,因此需要设置门槛值αH ,经过大量的仿真实验,确定αH 取值为１
时完全满足系统保护要求．故该保护的判据可表示为:
α首－α末ɤαH ,
故障在保护区域外,α首－α末＞αH ,
故障在保护区域内．{
(６
)3㊀含光伏的配电线路保护Prony 算
法
㊀㊀该保护需要测量配电网发生故障时线路两端
短路电流,并对短路电流进行滤波处理,减少噪声对该算法的影响,计算保护线路两端短路电流衰减指数的差值,与给定的门槛值αH 比较大小,
判断该条线路是否发生故障．
由于电网中可能存在孤岛运行的情况,即故
障发生在图４中的k ２处时,线路C D 存在工作电流,该线路电流的衰减特性又和短路电流存在不同．故在这个系统中需要孤岛检测装置,排除孤岛线路的干扰,其保护原理流程如图６所示
．
图６㊀配电线路保护流程
4㊀Matlab 中仿真测试与结果分析
4.1㊀保护线路区域内外短路故障仿真分析
当三相短路故障发生在k １处时,测试结果如表２所列．故障点k １在保护线路B C 上游,发生短路故障后,i ３和i ４为同一电流,故其衰减指数小于αH ,表２结果满足实际情况．
表２㊀k １发生三相短路故障时测试结果
电流
A
F
α
Δα
i ３２２．３３５２．２０１２．９７i ４
２２．３２
５２．２２
１３．０６
０．０９
５
７第２期
吴再林等:基于衰减指数的主动配电网纵联保护新方法研究
㊀㊀当三相故障发生在k２处时,k２不仅位于光伏与系统电源之间,同时处于保护线路B C中,对于线路B C两端的短路电流,B端靠近系统侧,其测量的短路电流由系统电源提供,C端靠近光伏侧,其测量的短路电流由光伏提供．k２发生三相短路故障时测试结果如表３所列,由于光伏限流作用,短路电流i４明显小于i３,两者衰减指数之差大于αH．
表３㊀k２发生三相短路故障时测试结果电流A FαΔα
i３２８１．０４５０．００－０．０２
i４２２．２８５３．７７１９．１６
１９．１８
当故障发生在k３处时,其情况与k１处类似,同样为保护区域外,保护区域B C线路两端的短路电流同时由光伏与系统电源提供,其仿真结果如表４所列,相对于系统电源,光伏容量较小, i３和i４电流衰减指数主要受系统电源影响．
表４㊀k３发生三相短路故障时测试结果电流A FαΔα
i２２２０．１５４９．９６－１．６８
i３２１９．２８５０．０４－１．５１
０．１７
短路故障发生在k４,即保护线路相邻馈线,也在保护线路B C外,仿真结果如表５所列,同样也满足要求．
表５㊀k４发生三相短路故障
电流A FαΔα
i２４２．８２４９．６０７．９６
i３４２．９０４９．１２７．９７
０．０１
经过上述分析,短路故障发生在配电网保护的线路内㊁外及相邻馈线时,都可以根据保护线路首末端短路电流信息使保护线路正确运行．4.2㊀保护区域内短路故障仿真分析
三相短路设置在k２处,通过改变短路故障点离线路B端的距离,仿真及运算结果如表６所列．
结果表明,随着故障距离系统电源侧B端的距离变长,B端的电流明显变小,光伏侧C端电流幅值不会发生明显的变化,而系统侧B端短路电流的衰减指数接近于０,光伏侧C端短路电流衰减指数均大于１,两者的差值大于门槛值αH,即故障发生在保护区域内任何位置,该保护都能正确动作．
4.3㊀光伏在不同容量下仿真分析
将三相短路故障设置在k２处,通过改变光伏渗透率,其仿真结果如表７所列．
表６㊀区域内故障距离影响仿真结果
占B C
全长
A bαb A cαcΔα１０％３２１．８６－０．０２２２．７６１３．１６１３．１８２０％３１０．５８－０．０１２２．８５１３．０３１３．０４３０％３００．０７－０．０２２２．３９１６．９７１６．９９４０％２９０．２１－０．０１２２．６１１５．９４１５．９５５０％２８１．０４－０．０２２２．２８１９．１６１９．１８６０％２６４．２６－０．０２２２．４６１７．７８１７．８０７０％２５６．５９－０．０１２３．２０１３．４９１３．５０８０％２５６．５８－０．０１２３．２０１３．６３１３．６４９０％２４２．４７０．００２３．３３１２．５１１２．５１
表７㊀不同光伏容量下仿真结果
渗透率A bαb A cαcΔα１０％２８０．９８０．００５．９１５３．０９５３．０９２０％２８１．０４－０．０２１９．１０１６．３７１６．３９３０％２８１．０２－０．０１２９．０３９．２５９．２６４０％２８１．０２－０．０１３２．６４１２．１０１２．１１５０％２８１．０２－０．０１３３．０２１３．５２１３．５３随着光伏的容量的增大,系统电源侧线路B 端短路电流衰减指数基本不会发生变化,随着线路C端电流的逐渐增大,两者之间的衰减指数之差会大于保护设置的门槛值,故光伏容量的增大并不会影响保护判断的准确性,该保护策略能够高度适用于高渗透光伏并网系统中．
4.4㊀不同故障类型下仿真分析
在并入１MW光伏的条件下,在保护线路B C５０％处设置三相短路故障㊁两相短路故障㊁两相接地短路故障以及单相接地故障,测试结果如表８㊁表９和表１０所列．
由表８可知,B C中故障类型为相间短路故障时,其两端短路电流的每一相衰减指数差大于１,若发生两相短路故障,靠近系统侧短路电流的衰减指数会在０周围出现较小的波动,但不影响该保护的判断．
由表９和表１０可知,在B C中故障类型为金属性接地故障,如果某相发生接地故障,则需要计算该相短路电流衰减指数,其线路首末端衰减指数差值均大于１;反之,可以计算各相短路电流衰
６７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３８卷
减指数,形成故障相判断依据,故该保护可以根据短路电流各相衰减指数判断故障相．
表８㊀相间短路故障测试结果
故障类型
A B C
A B C
A B
A B C
B C
A B C
C A
A B C
αb０００－０．６０．８－０．８１．００．３１．４０．７－１．５－０．５αc２９．１３１．５４．０２５．６－５５．７－０．８１１．７１４．５２．３－１．５１７．９－０．４Δα２９．１３１．５４．０２６．２５６．５０１０．７１４．２０．９２．２１９．４０．１㊀㊀注:表８㊁表９和表１０中,A㊁B㊁C表示对应的相;A B C㊁A B㊁B C㊁C A表示所对应相间发生相间短路故障;A G㊁B G㊁C G㊁A B G㊁B C G㊁
C A G表示所对应相间发生接地短路故障．
表９㊀两相接地短路故障障测试结果
故障类型
A B G
A B C
B C G
A B C
C A G
A B C
αb－０．４－０．１１．３－０．１－０．３－２．９－０．３－０．５－２．９αc１１．４１０．２１．２７．０－１３．７－３．０－１３．７４４．６－３．７Δα１１．８１０．３０．１７．１１３．４０．１１３．４４５．１０．８
表１０㊀单相接地故障测试结果
故障类型
A G
A B C
B G
A B C
C G
A B C
αb０．１－４．８０．２－０．８－９．５－３．５－０．５－０．６－９．６αc５４．４－４．８０．９５６．０－１０．４－３．３５６．７－０．６－９．５Δα５４．３００．７５６．８０．６０．２５７．２００．１
5㊀结论
根据光伏和系统电源短路电流衰减特性差异,本文提出一种基于电流衰减指数的含光伏主动配电网的保护新方法,该方法不受电流方向影响,能正确动作保护范围内的故障．利用P r o n y算法提取保护线路首端㊁末端衰减指数,仿真结果表明该方法不受故障位置㊁光伏渗透率㊁故障类型等因素影响,验证了该保护的实用性．本保护方法可根据故障电流衰减指数计算结果,正确判断故障相．
参考文献:
[１]文福拴,鲁刚,黄杰．面向碳达峰,碳中和的综合能源系统[J]．全球能源互联网,２０２２,５(２):１１６Ｇ１１７．[２]邹才能,潘松圻,马锋．碳中和目标下世界能源转型与中国能源人新使命[J]．北京石油管理干部学院学报,２０２２,２９(３):２２Ｇ３２．
[３]赵一男,宋斌,钱振宇,等．未来配电网的分布式形态及规划方法[J]．中国电力,２０２２,５５(４):７０Ｇ７７．[４]F I E D L E RF,MA T A SJC．T e c h n oＧe c o n o m i ca n a l y s i s
o f g r i dＧc o n n e c t e d p v b a t t e r y s o l u t i o n s f o r h o l i d a y h o m e si ns w e d e n[J]．E n e r g i e s,２０２２,１５(１):２８３８Ｇ２８３８．
[５]吴佳芳．含光伏发电的电力系统三相短路电流计算与短路电流概率评估[D]．重庆:重庆大学,２０１９．[６]张尧,晁勤,王厚军,等．基于自适应分支系数的并网光伏电站接地距离保护[J]．电力自动化设备,２０１５,３５(９):１１３Ｇ１１７．
[７]张超,陈子健,刘梦瑶,等．一种含逆变型分布式电源的配电网纵联保护系统:中国,C N１１２３３２３８９A[P]．２０２２Ｇ０７Ｇ２９．
[８]孔祥平,袁宇波,黄浩声,等．光伏电源故障电流的暂态特征及其影响因素[J]．电网技术,２０１５,３９(９):２４４４Ｇ２４４９．
[９]孔祥平,张哲,尹项根,等．含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究[J]．中国电机工程学报,２０１３,３３(３４):６５Ｇ７４．
[１０]鞠非,樊若楠．含分布式P V的配电网功率方向纵联保护方案[J]．合肥工业大学学报(自然科学版),２０１５,３８(１０):１３２８Ｇ１３３２．
[责任编辑:李㊀岚]
７７
第２期吴再林等:基于衰减指数的主动配电网纵联保护新方法研究。