李育強(qiáng)，宋國兵，王維慶，晁 勤

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基于模型識別光伏接入配電網(wǎng)線路縱聯(lián)保護(hù)研究

李育強(qiáng)1，宋國兵2，王維慶1，晁 勤1

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

光伏因受外界環(huán)境因素影響，輸出功率存在間歇性和波動(dòng)性。分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致部分線路電流保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)和靈敏度下降問題。在分析分布式光伏接入配電網(wǎng)故障特征的基礎(chǔ)上，基于參數(shù)辨識理論對模型識別縱聯(lián)保護(hù)原理進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，提出光伏接入配電網(wǎng)線路保護(hù)判據(jù)。改進(jìn)后的模型識別縱聯(lián)保護(hù)方法將線路區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障均等效為不同的電感電路模型，根據(jù)線路故障時(shí)內(nèi)、外部模型誤差大小來區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。通過PSACD/EMTDC仿真驗(yàn)證，該方法有效克服了光伏接入配電網(wǎng)分支電流的影響并且能夠快速、準(zhǔn)確地動(dòng)作，從而驗(yàn)證了將模型識別縱聯(lián)保護(hù)原理應(yīng)用在光伏接入配電網(wǎng)線路保護(hù)的正確性和有效性。

模型識別；縱聯(lián)保護(hù)；光伏系統(tǒng)；配電網(wǎng)；故障特征

0 引言

太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源之一。分布式光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)(以下簡稱配網(wǎng))采取就近接入、本地消納的原則。光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)后，配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由單端供電網(wǎng)絡(luò)變成雙端供電網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)潮流在局部出現(xiàn)雙向流動(dòng)，在分支電流的影響下，配網(wǎng)原有部分保護(hù)會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)甚至拒動(dòng)的問題，對配網(wǎng)保護(hù)裝置的可靠性和靈敏性造成影響。

文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了含多接入點(diǎn)分布式光伏發(fā)電的配電網(wǎng)的諧波傳輸和放大特性、電壓波動(dòng)和閃變的影響和評估進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[2-5]研究了分布式光伏發(fā)電接入配網(wǎng)后的保護(hù)方案，論述了在各種故障下光伏系統(tǒng)對配網(wǎng)短路電流產(chǎn)生助增或削減作用的理論分析方法。文獻(xiàn)[6-11]分析了光伏系統(tǒng)由于接入位置、容量和故障點(diǎn)位置的不同對配網(wǎng)線路主保護(hù)產(chǎn)生的影響。上述關(guān)于光伏接入配網(wǎng)保護(hù)方法的研究均取得了階段性的研究成果，為今后更加深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，上述文獻(xiàn)并未解決由于光伏系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)性和間歇性導(dǎo)致配網(wǎng)保護(hù)裝置可靠性和靈敏度下降問題。同時(shí)，光伏系統(tǒng)晝發(fā)夜停，這一點(diǎn)有別于常規(guī)電源，導(dǎo)致配網(wǎng)電流保護(hù)動(dòng)作值難以整定。因此，研究適用于光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)的保護(hù)原理顯得尤為重要。模型識別是在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已知的前提下，利用參數(shù)辨識思想識別故障類型的保護(hù)方法。利用模型識別縱聯(lián)保護(hù)原理，將雙端電源間線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障均等效為不同的電感電路模型，通過構(gòu)建模型誤差保護(hù)判據(jù)，進(jìn)行故障切除。通過在PSCAD/EMTDC建立仿真模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該方法能夠很好地解決由于光伏系統(tǒng)的接入導(dǎo)致配網(wǎng)保護(hù)不能正確動(dòng)作于故障的問題，具有良好的適應(yīng)性。

1 ?光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)故障特征分析

目前我國配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以輻射型為主，潮流單向流動(dòng)，線路傳輸距離較短，通常配置三段式或兩段式電流保護(hù)。光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)后，配網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，圖1所示為光伏接入配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 光伏接入配網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖1中原配網(wǎng)為單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)，配網(wǎng)電壓等級為10?kV，在光伏電源接入之前，該配網(wǎng)為單電源供電模式，共有四條母線，分支線路EG段配備電流速斷和限時(shí)電流速斷保護(hù)，配備跌落式熔斷器與保護(hù)相配合。光伏系統(tǒng)經(jīng)過保護(hù)7并入配網(wǎng)后，在光伏系統(tǒng)接入母線上游出口處和接入母線下游出口處，分別安裝保護(hù)3和保護(hù)4并與斷路器相配合，保護(hù)3僅安裝電流速斷保護(hù)同時(shí)加裝功率方向元件，保護(hù)2安裝斷路器與電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)相配合，保護(hù)6安裝跌落式熔斷器與定時(shí)限過電流保護(hù)配合。

1.1 線路區(qū)內(nèi)故障特征

為分析光伏接入配網(wǎng)典型故障特征，分別設(shè)置F1~F3處發(fā)生典型短路故障，來分析光伏接入配網(wǎng)后的故障特征。

設(shè)置線路AB段距離B母線F2點(diǎn)分別發(fā)生相間(BC相)短路和三相短路故障，對比光伏系統(tǒng)接入前后流過保護(hù)2的故障電流波形如圖2所示。

圖2 F2處短路保護(hù)2處測得短路電流

當(dāng)發(fā)生相間(BC相)相間短路故障時(shí)，故障相電壓跌落明顯，非故障相電壓基本保持不變，故障相電流增大為正常電流的15倍，故障電流有衰減趨勢，且相位相反，從圖2(a)和圖2(b)波形可知，由于光伏系統(tǒng)的接入，光伏提供了一部分短路電流，保護(hù)2處測得的短路電流下降明顯。當(dāng)發(fā)生三相短路，短路電流波形如圖2(c)和圖2(d)所示，三相電壓降低，三相電流增大，短路電流值為故障前20倍左右，且過沖明顯約兩個(gè)周波后趨于穩(wěn)定，對比光伏系統(tǒng)接入前后短路電流值可知，光伏接入后保護(hù)2測得的短路電流降低。

設(shè)置在AB線路50%處發(fā)生BC相接地短路，規(guī)定電流由母線流向線路為正，通過改變光伏輸出功率大小，測得的保護(hù)2~保護(hù)3安裝處B相短路電流和流過保護(hù)4的電流如表1所示。

表1 AB線路50%處發(fā)生BC相接地故障

從表1中B相電流值可得，隨著光伏系統(tǒng)注入功率的增加，上游保護(hù)2處測得的短路電流值呈下降趨勢。下游保護(hù)4處由于未流過短路電流，電流值基本不變。保護(hù)3處測得的短路電流隨著光伏輸出功率的增大而增大，然而受逆變器限流的影響，光伏系統(tǒng)向短路點(diǎn)提供的短路電流能力有限，短路電流最大值為額定電流的1.3倍。

1.2 線路區(qū)外故障特征

當(dāng)線路BC段距離B母線F1處發(fā)生相間短路、相間接地故障和三相短路故障，短路電流依然是由系統(tǒng)電源和光伏系統(tǒng)共同提供，光伏系統(tǒng)接入點(diǎn)上游保護(hù)2處測得的短路電流略微降低，相鄰線路EG段不受影響。光伏系統(tǒng)接入點(diǎn)下游保護(hù)4處測得的短路電流增大，隨著光伏容量的不斷變化，保護(hù)4在助增電流的作用下靈敏度得到提高，保護(hù)范圍增大，但是光伏并入配網(wǎng)屬于小電源并入大系統(tǒng)，同時(shí)受光伏系統(tǒng)逆變器限流作用，光伏向短路點(diǎn)提供的助增電流被限定在額定值的1.3倍。

當(dāng)故障發(fā)生在相鄰線路F3點(diǎn)處，短路電流依舊由系統(tǒng)電源和光伏電源共同提供，作用機(jī)理與在F1點(diǎn)發(fā)生故障相同，光伏系統(tǒng)提供一定的助增電流，但是由于距離較遠(yuǎn)其值較小。

綜合考慮光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)的故障特征及各類繼電保護(hù)元件工作特性，得到表2所示各類型繼電保護(hù)元件在故障時(shí)所受影響。

表2 光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)各類繼電保護(hù)元件所受影響

綜上所述，由光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)的故障特征可知：

光伏系統(tǒng)提供的短路電流將影響原配網(wǎng)電流保護(hù)的速動(dòng)性、選擇性。光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)后，所有基于差動(dòng)原理的保護(hù)元件、保護(hù)原理仍成立。所有基于單端電氣量受光伏電源的接入和系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。究其導(dǎo)致接入點(diǎn)上游短路電流降低的原因是光伏系統(tǒng)的接入改變了AB段線路的潮流分布，應(yīng)用疊加原理將故障線路分解為正常運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)，正常運(yùn)行時(shí)由于光伏系統(tǒng)的接入分擔(dān)了部分負(fù)荷電流，所以AB段線路流過的電流較不接入光伏系統(tǒng)小，故障狀態(tài)下系統(tǒng)提供短路電流大小不變，所以疊加后保護(hù)2處測得的短路電流變小，進(jìn)而導(dǎo)致在接入點(diǎn)上游至系統(tǒng)電源之間的保護(hù)2和保護(hù)3會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作值難以整定的問題。

2 ?模型識別輸電線縱聯(lián)保護(hù)原理在光伏接入配網(wǎng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)上節(jié)光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)故障特征分析可知，相鄰線路和光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生故障時(shí)，為了適應(yīng)助增電流的影響只需調(diào)整三段式或兩段式電流保護(hù)的可靠系數(shù)的大小就能實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作，傳統(tǒng)工頻量保護(hù)可繼續(xù)使用，缺點(diǎn)是各段的保護(hù)范圍將縮小。但是當(dāng)故障發(fā)生在系統(tǒng)電源與光伏接入點(diǎn)之間時(shí)，受系統(tǒng)潮流分布的影響三段式電流或兩段式保護(hù)將不能正確動(dòng)作于故障，需采用能夠正確反映故障信息的新保護(hù)原理對線路進(jìn)行保護(hù)。

2.1 輸電線路內(nèi)部故障特征模型

考慮到配網(wǎng)線路長度相對較短，線路對地電容可近似忽略，線路可采用R-L集中參數(shù)模型。內(nèi)部故障附加狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)部故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖

圖3中u為等效故障分量電源，s、s、pv、pv分別為系統(tǒng)電源和光伏電源的等效電阻和電感，a、b、a、b為線路阻抗參數(shù)，ΔaΔbΔaΔb分別為A母線和B母線的電壓和電流故障分量。設(shè)定電流方向由母線流向被保護(hù)線路為正，根據(jù)故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)可得式(1)、式(2)所示。

(2)

定義故障分量差動(dòng)電流、差動(dòng)電壓如式(3)。

將式(1)和式(2)代入式(3)，同時(shí)定義電流分支系數(shù)1和2可得式(4)。

(4)

從式(4)可以看出，當(dāng)線路AB段內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，可將線路等效為電感電路模式進(jìn)行識別。

2.2 輸電線路外部故障特征模型

當(dāng)相鄰線路或光伏接入點(diǎn)下游發(fā)生故障，線路故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 區(qū)外故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖

圖4中E為故障分量等效電源，abab為線路阻抗參數(shù)，ΔaΔbΔaΔb分別為A母線和B母線側(cè)電壓和電流故障分量，s、s、pv、pv分別為系統(tǒng)電源和光伏電源的電阻和電感。差動(dòng)電流和差動(dòng)電壓的定義同式(3)。同樣規(guī)定電流由母線流向被保護(hù)線路為正，根據(jù)故障附加狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)可得：

(6)

定義Δb=3Δb可得：

將式(5)和式(7)代入式(3)可得式(8)。

(8)

分析式(8)可知，當(dāng)線路AB區(qū)外發(fā)生故障時(shí)也可將線路區(qū)外故障等效為電感電路模型。

綜上所述，區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障均可等效為不同的電感電路模型，因此，可統(tǒng)一表達(dá)為

式(9)中seq和seq分別表示待辨識的電阻和電感。

2.3 模型誤差的定義與保護(hù)判據(jù)

按照上節(jié)將光伏接入配網(wǎng)AB段區(qū)內(nèi)和區(qū)外均能等效為不同的電感電路模型，對于線路故障區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的識別就轉(zhuǎn)化為對故障模型誤差大小的識別。利用參數(shù)辨識的思想，解算實(shí)際故障模型的誤差，從而進(jìn)行故障判別。考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有慣性環(huán)節(jié)、電磁暫態(tài)較短的特性，定義區(qū)內(nèi)、區(qū)外電感模型半周波相對誤差為式(10)、式(11)。

(11)

式(10)~式(11)中=0.01 s，通過分析光伏接入配電網(wǎng)AB段區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障模型可知，模型區(qū)分度明顯。考慮到光伏在夜間停止發(fā)電，為了增強(qiáng)線路保護(hù)的可靠性所以在光伏接入配電網(wǎng)功率出現(xiàn)雙向流動(dòng)的線路兩端必須配備電流保護(hù)作為模型識別保護(hù)的后備保護(hù)[12-15]。

由此可見，基于模型識別的縱聯(lián)保護(hù)能夠很好地解決光伏間歇性、波動(dòng)性給接入配網(wǎng)帶來的保護(hù)問題。

2.4 模型識別縱聯(lián)保護(hù)判據(jù)的的實(shí)現(xiàn)方法

基于模型識別的線路縱聯(lián)保護(hù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)分為以下4 個(gè)步驟：

(1)?由線路兩端電壓電流采樣值計(jì)算出半周期的故障分量差動(dòng)電壓、差動(dòng)電流分別為cd(1)，cd(2)，…，cd(/2)；cd(1)，cd(2)，…，cd(/2)，為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

(2)?根據(jù)已建立的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障模型，選取任意兩對故障分量差動(dòng)電流和差動(dòng)電壓，采用最小二乘參數(shù)識別法即可計(jì)算出區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障識別的電阻值和電感值分別為seqseq。

(3)?將識別到的電阻值、電感值分別代入?yún)^(qū)內(nèi)和區(qū)外誤差模型計(jì)算誤差大??；

(4)?根據(jù)保護(hù)判據(jù)判別區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障：①?ΔL2ΔL1判定為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作；②?ΔL2ΔL1判定為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作。

3 ?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于模型識別線路縱聯(lián)保護(hù)原理應(yīng)用于光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)保護(hù)的正確性，在PSCAD/ EMTDC下建立了如圖1所示光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)模型，光伏輸出功率4 MW，逆變器控制采用恒功率PQ控制，使光伏系統(tǒng)以單位功率因數(shù)并網(wǎng)，光伏系統(tǒng)輸出電壓0.4 kV，升壓變壓器變比0.4/10，系統(tǒng)容量100 MVA，線路基準(zhǔn)電壓10?kV，系統(tǒng)運(yùn)行在最大運(yùn)行方式下，AB、BC和CD線路長均為10 km，線路單位距離阻抗1=0.036+j0.38 Ω；EF和FG線路長均為12?km，線路單位距離阻抗2= 0.043?2+j0.4 Ω。負(fù)荷采用恒阻抗模型，最大負(fù)荷時(shí)每相帶有1?MVA功率因數(shù)0.9等效負(fù)荷。在AB段線路F2點(diǎn)處發(fā)生三相短路，仿真波形如圖5所示。

圖5 F2處短路故障仿真波形

分析圖5可得，在3.5?s時(shí)發(fā)生三相短路故障，模型識別的故障類型與區(qū)內(nèi)故障模型匹配，ΔL2>ΔL1。在線路AB段區(qū)內(nèi)F2處發(fā)生其他短路故障，B相的模型誤差仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 區(qū)內(nèi)故障時(shí)的仿真結(jié)果

在線路AB段區(qū)外F1和F3處發(fā)生各類短路故障，B相的模型誤差仿真數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 區(qū)外故障時(shí)的仿真結(jié)果

4 ?結(jié)論

在對模型識別理論進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)線路縱聯(lián)保護(hù)方案，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)仿真得出以下結(jié)論：

光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)改變了原配網(wǎng)的供電模式，系統(tǒng)潮流在局部線路出現(xiàn)雙向流動(dòng)，在不更改保護(hù)方案的基礎(chǔ)上，光伏系統(tǒng)接入點(diǎn)上游保護(hù)需加裝方向原件。

光伏發(fā)電屬于弱電源系統(tǒng)，向配網(wǎng)提供短路電流的能力有限，對傳統(tǒng)電流保護(hù)的選擇性有較大的影響。

對基于模型識別線路縱聯(lián)保護(hù)原理做改進(jìn)與優(yōu)化，將該方法應(yīng)用于光伏系統(tǒng)接入配網(wǎng)線路保護(hù)，能夠很好解決光伏系統(tǒng)易受外界環(huán)境影響導(dǎo)致配網(wǎng)保護(hù)失去速動(dòng)性和選擇性的問題。同時(shí)，該方法不受由于光伏系統(tǒng)輸出功率間歇性和波動(dòng)性的影響，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

致謝

本文受國家自然科學(xué)基金編號(51367017、51267019)的支持，在此向國家自然科學(xué)基金委表示衷心的感謝。

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(編輯 周金梅)

Photovoltaic access to distribution network line pilot protection based on model identification

LI Yuqiang1, SONG Guobing2, WANG Weiqing1, CHAO Qin1

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Photovoltaic power generation is intermittent and fluctuating due to external environmental factors. It will cause the current part of the line protection malfunction and failure to trip and sensitivity decrease when distributed PV system connected to distribution network. Model identification pilot protection principle is improved and optimized based on fault feature of analyzing distributed PV connected to distribution network. Thus the PV connected to the distribution network protection criterion is proposed. In the improved model identification pilot protection method, both the external zone fault and internal zone fault are equivalent to different inductor circuit models; and internal and external faults can be distinguished based on the error values of internal and external model when line is fault. PSACD/EMTDC simulation verifies that the method effectively overcomes the influence of branch current of photovoltaic accessing to distribution network, and can quickly cut off the fault, which validates the correctness and effectiveness of the model identification pilot protection principle used in photovoltaic grid connected. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51367017 and No. 51267019).

model identification; pilot protection; photovoltaic system; distribution network; fault feature

10.7667/PSPC150369

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51367017，51267019)

2015-03-31；

2015-12-23

李育強(qiáng)(1977-)，男，博士，講師，主要從事光伏并網(wǎng)及繼電保護(hù)研究；E-mail:?835556737@qq.com 宋國兵(1971-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)榻?、直流電網(wǎng)的繼電保護(hù)與故障定位；王維慶(1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)微機(jī)保護(hù)與控制、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。