孫玲玲，王 寧，賈清泉，張 弓

(1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000)

0 引言

隨著可再生能源的不斷推進(jìn)發(fā)展，以光伏發(fā)電為代表的分布式電源DG(Distributed Generator)作為綠色能源發(fā)展主體，大量分散地接入中低壓配電網(wǎng)[1]。為有效解決大規(guī)模DG并網(wǎng)的消納問(wèn)題，主動(dòng)配電網(wǎng)ADN(Active Distribution Network)成為未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的主要形式[2-3]。然而，大規(guī)模分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)改變了原有配電網(wǎng)故障時(shí)的潮流分布，使常規(guī)三段式電流保護(hù)難以保證其選擇性及靈敏性。因此，ADN所面臨的保護(hù)問(wèn)題是如何解決光伏發(fā)電并網(wǎng)帶來(lái)的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)[4]。

分布式發(fā)電并網(wǎng)規(guī)定要求故障時(shí)DG優(yōu)先輸出無(wú)功支撐系統(tǒng)電壓，DG輸出的無(wú)功電流大小與相位隨故障條件變化。而現(xiàn)有DG等值模型只能反映故障電流的大小，無(wú)法反映相位差異，降低了DG故障分析的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[5-6]提出計(jì)及低電壓穿越控制策略的逆變型DG故障模型，對(duì)含逆變型DG的配電網(wǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)故障分析，為ADN保護(hù)方法提供了理論基礎(chǔ)。

近年來(lái)，電流相位差動(dòng)保護(hù)原理被廣泛應(yīng)用于低壓有源配電網(wǎng)中，根據(jù)配電網(wǎng)故障后保護(hù)區(qū)段兩端電流相角變化特征構(gòu)建保護(hù)判據(jù)，相關(guān)方法有故障電流相位比較法[7-8]、電流相角突變量方向比較法[9]。而基于故障分量的保護(hù)方法憑借不受負(fù)荷電流及過(guò)渡電阻影響的優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用于有源配電網(wǎng)及微電網(wǎng)保護(hù)。文獻(xiàn)[10]根據(jù)逆變型DG故障后電流相位特征，分析推導(dǎo)了有源配電網(wǎng)電流正序故障分量的分布特征，提出基于正序故障分量的反時(shí)限差動(dòng)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[11]提出基于正序電流故障分量方向過(guò)電流保護(hù)方法，該方法通過(guò)對(duì)線路上下游保護(hù)動(dòng)作時(shí)限進(jìn)行自適應(yīng)整定，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)。文獻(xiàn)[12]提出基于故障電流正序分量和參考向量相位比較的ADN保護(hù)方案，該方案只需要故障后電流量，不需要電壓量，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[13]在分析逆變型DG低電壓穿越控制對(duì)其故障特性影響的基礎(chǔ)上，得出當(dāng)離故障點(diǎn)較近的母線電壓降落較大的情況下，利用正序電流故障分量幅值和相位比較的保護(hù)原理將無(wú)法正確判斷故障線路的結(jié)論。目前，對(duì)于具有低電壓穿越能力的DG并網(wǎng)保護(hù)方法仍受以下1個(gè)或多個(gè)因素制約：

a. 只適用于具有雙向保護(hù)裝置的聯(lián)絡(luò)線，對(duì)負(fù)荷或DG分支饋線沒(méi)有相應(yīng)的保護(hù)策略；

b. 故障分析時(shí)通常將DG等效為常規(guī)電壓源模型，忽略逆變型DG(如光伏發(fā)電)低電壓穿越控制策略對(duì)故障分量的影響；

c. 利用電流相位信息作為故障判據(jù)，忽略發(fā)生故障時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位變化對(duì)DG故障電流相位的影響。

因此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，研究適用于具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電并網(wǎng)的ADN保護(hù)方法。

本文首先分析分布式光伏發(fā)電在低電壓穿越時(shí)的故障特性，并分析配電網(wǎng)不同位置發(fā)生故障時(shí)各饋線正序電流故障分量特征，結(jié)合電壓信息，提出基于母線故障前電壓正序分量與各饋線正序電流故障分量相位比較的保護(hù)方法。最后，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對(duì)算例進(jìn)行分析，證明所提方法的有效性。

1 低電壓穿越下光伏發(fā)電故障等值模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器通常采用并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量定向控制，控制方程為[14]：

(1)

其中，Pref和Qref分別為光伏發(fā)電正常運(yùn)行時(shí)輸出的有功功率和無(wú)功功率；Ud、Id、Iq分別為光伏發(fā)電交流側(cè)的d軸電壓分量、d軸電流分量和q軸電流分量。

分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定要求接入中低壓配電網(wǎng)的光伏電源應(yīng)具有低電壓穿越能力。當(dāng)電壓跌落在0.2UN～0.9UN(UN為額定電壓)之間時(shí)，光伏電源仍需并網(wǎng)運(yùn)行并輸出無(wú)功功率支撐電網(wǎng)電壓。

光伏發(fā)電在低電壓穿越期間輸出的有功電流Id和無(wú)功電流Iq(電流幅值低于最大允許值)可表示為[14]：

(2)

其中，Upref為光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓；λ為電壓跌落系數(shù)，λ=|Up/Upref|，Up為發(fā)生故障后光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值；IN為逆變器輸出額定電流；θ為電流功率因數(shù)角。按式(2)計(jì)算出的故障電流幅值小于電流最大允許值Imax時(shí)，則以保證光伏發(fā)電對(duì)并網(wǎng)電壓的最大支撐為目標(biāo)，而有功電流變?yōu)椋?/p>

(3)

由式(2)、(3)可得出，當(dāng)Imax取2p.u. 時(shí)，光伏輸出的最大故障電流所對(duì)應(yīng)的跌落系數(shù)λ1為0.521 5。進(jìn)而可以求出光伏輸出故障電流的幅值和相角為：

(4)

θ=arctan[1.5λ(0.9-λ)]

(5)

由式(4)、(5)可得光伏發(fā)電故障電流特征如下：

a. 當(dāng)λ≥λ1，也即λ∈[0.5215,0.9]時(shí)，光伏輸出的故障電流小于電流最大允許值，電流幅值為1.12 p.u.～2.0p.u.，相位滯后于并網(wǎng)點(diǎn)電壓0°～17°，且故障電流與并網(wǎng)點(diǎn)電壓之間相角差隨電壓跌落程度增加而增大，可將其等效為壓控型電流源；

b. 當(dāng)λ<λ1，即λ∈[0.2，0.5215)時(shí)，光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度增大，光伏輸出故障電流的幅值受限流作用保持在2 p.u.，而電流相位滯后并網(wǎng)點(diǎn)電壓17°～31°，可將其視為恒流源。

在相間短路故障下，系統(tǒng)電壓存在正序和負(fù)序分量，還包含大量的諧波分量。為改善發(fā)生故障時(shí)光伏的輸出特性，同時(shí)抑制電流諧波，許多文獻(xiàn)提出采用正序分量控制策略[6]，取光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序分量為電流d軸分量的參考相量，同時(shí)濾除負(fù)序分量產(chǎn)生的倍頻分量，使光伏輸出電流中只存在正序電流分量。因此，在正序分量控制下策略，光伏等效為受其并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓控制的電流源模型，可表示為：

(6)

值得說(shuō)明的是，可利用式(7)求出故障點(diǎn)電壓的相位偏移角φ[15]：

(7)

其中，當(dāng)電壓跌落超過(guò)10%時(shí)，每1%的電壓跌落要求逆變器至少提供2%的無(wú)功電流[15]，可知k≥2。由式(7)可求出，當(dāng)λ=0.5215、k=2時(shí)，相位偏移角φ的值為13°，且故障后相位偏移角隨電壓跌落的增大而減小。

2 光伏發(fā)電接入ADN的故障特征分析

大規(guī)模光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)由單電源供電變?yōu)槎嚯娫垂╇?，使故障電流大小和相位發(fā)生了改變。由第1節(jié)分析可知，在對(duì)ADN進(jìn)行故障分析時(shí)，光伏故障模型可等效為壓控型的電流源。為不失一般性，以圖1所示的典型ADN進(jìn)行具體分析。圖1中，PV1—PV5為并網(wǎng)的光伏電源，L1—L4為負(fù)荷，在ADN的每條饋線配置保護(hù)單元。

圖1 ADN結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AND structure

在新的并網(wǎng)規(guī)定下，光伏輸出故障電流的大小和相位由其并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓決定。參考圖1，以ADN中母線B3接入的PV2為例，根據(jù)故障發(fā)生的位置，可分2種情況對(duì)光伏發(fā)電接入ADN的故障特征分析進(jìn)行討論。

a. 情況1：點(diǎn)f1發(fā)生故障時(shí)，B3電壓由主網(wǎng)支撐，PV2接入點(diǎn)電壓跌落較小。

b. 情況2：點(diǎn)f2發(fā)生故障時(shí)，B3電壓失去主網(wǎng)支撐，PV2接入點(diǎn)電壓跌落較大。

圖2 具有低電壓穿越特性的光伏發(fā)電故障電流特征Fig.2 Fault current characteristics of PV under low voltage ride-through

綜上所述，在低電壓穿越過(guò)程中，光伏輸出的故障電流受并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度及電壓相位影響。而故障后電壓正序分量的相位受線路阻抗、故障類型等影響，會(huì)發(fā)生突變，造成光伏輸出故障電流的大小和相位隨不同故障條件而變化，直接影響保護(hù)整定計(jì)算的準(zhǔn)確性及靈敏度。但現(xiàn)有DG等值模型只能反映DG輸出故障電流的大小，無(wú)法反映電流相位的差異，降低了保護(hù)方法的有效性。因此，有必要針對(duì)光伏電源的這種故障特征構(gòu)建有效的保護(hù)方法。

3 ADN電流正序故障分量的分布

3.1 正序故障網(wǎng)絡(luò)特征分析

傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要采用非有效接地方式，故障類型分為相間故障和接地故障，相比而言，相間故障造成的影響更為嚴(yán)重[6]。由第1節(jié)分析可知，光伏采用正序分量控制，其輸出的故障電流只包含正序故障分量，故障模型可看作受并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓控制的電流源。因此，本文研究適用于ADN相間故障的保護(hù)方法，建立正序故障附加網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障分析，等效模型如圖3所示。需要說(shuō)明的是，ADN故障后的電氣量變化是由故障類型及DG的控制策略共同決定，由于本文的故障分析為基于故障附加網(wǎng)絡(luò)，因此可使用故障分量表示電氣量的變化。

圖3 正序故障分量附加網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Superposition network of positive-sequence fault component

圖3中，箭頭表明饋線正序電流故障分量，正方向?yàn)槟妇€指向線路；ΔI1—ΔI5為光伏輸出的等效正序附加電流；Zs為系統(tǒng)等效正序阻抗；Z20、Z40、Z50、Z60為負(fù)荷等效正序阻抗；Z56、Z12、Z1F、Z34、Z3F、Z15、Z56為線路等效正序阻抗；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，在故障點(diǎn)處產(chǎn)生正序附加電壓源ΔUF，ZF為故障點(diǎn)的過(guò)渡阻抗；F1、F2、F3為ADN內(nèi)不同的故障位置。本文將詳細(xì)分析ADN不同位置發(fā)生故障時(shí)各饋線電流正序故障分量特征。

3.2 ADN饋線處故障

設(shè)ADN饋線點(diǎn)F1處發(fā)生故障，母線B1、B2、B5、B6電壓由主網(wǎng)支撐，電壓跌落較小，而母線B3、B4由于沒(méi)有主網(wǎng)支撐，發(fā)生故障時(shí)電壓跌落較大。由第2節(jié)結(jié)論可知，上述母線出口各饋線電流故障分量與故障前母線電壓之間夾角小于90°。

由正序故障分量網(wǎng)絡(luò)知，對(duì)于母線2出口各饋線的電流故障分量，有：ΔI22=-ΔI1、ΔI20=ΔU2/Z20、ΔI21=-(ΔI22+ΔI20)，其中，ΔU2為母線B2的正序電壓故障分量，Z20為感性。由第2節(jié)結(jié)論可推導(dǎo)出母線B2出口饋線電流故障分量特征如圖4(a)所示。母線B3、B4、B5、B6與母線B2的推導(dǎo)過(guò)程類似，這里不再贅述。以母線B2為例，母線出口各饋線的故障電流正序分量有如下特征：

(8)

對(duì)于母線B1，有：ΔI12=-ΔI21、ΔI11=ΔU1/Zs、ΔI15=-ΔI51、ΔI51=-(ΔI12+ΔI15+ΔI11)(ΔU1為母線B1的正序電壓故障分量)，可得母線B1出口各饋線的故障電流正序分量有如下特征：

(9)

ADN內(nèi)各母線出口饋線電流故障分量特征見(jiàn)圖4。由上述分析可得：當(dāng)ADN內(nèi)饋線處發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)到正方向故障的各饋線正序電流故障分量與其所連接的母線故障前正序電壓之間相角差θ∈(-90°，0°)；其余各饋線的正序電流故障分量與其母線故障前正序電壓間夾角范圍為(90°，180°)。

圖4 點(diǎn)F1發(fā)生故障時(shí)正序電流故障分量特征Fig.4 Positive-sequence fault component characteristics when fault occurs at F1

3.3 DG或負(fù)荷處故障

設(shè)PV2出口處點(diǎn)F2發(fā)生故障，母線B4電壓跌落較大，其余母線電壓跌落較小。對(duì)于母線B3有：ΔI31=-ΔI13、ΔI34=-ΔI43、ΔI33=-(ΔI31+ΔI34)，由第2節(jié)結(jié)論可推導(dǎo)出母線B3出口饋線電流故障分量特征如圖5(a)所示，并有如下特征：

(10)

此時(shí)，DG饋線檢測(cè)到正方向故障，ΔI33與U3之間的夾角范圍為(-90°，0°)；其余各饋線的正序電流故障分量與其母線故障前正序電壓間夾角為(90°，180°)。

設(shè)負(fù)荷處點(diǎn)F3發(fā)生故障，電流故障分量關(guān)系為：ΔI22=-ΔI1、ΔI21=-ΔI12、ΔI20=-(ΔI22+ΔI21)。由第2節(jié)結(jié)論可推導(dǎo)出此時(shí)母線B2出口各饋線的正序電流故障分量特征見(jiàn)圖5(b)，并有如下特征：

(11)

圖5 DG及負(fù)荷故障時(shí)正序電流故障分量特征Fig.5 Positive-sequence fault component characteristics when fault occurs in DG or load

此時(shí)，負(fù)荷饋線檢測(cè)到正方向故障，ΔI20與U2之間的夾角范圍為(-90°，0°)；其余各饋線的正序電流故障分量與其母線故障前正序電壓間的夾角為(90°，180°)。由本節(jié)分析所得ADN故障特征見(jiàn)表1。表中，θij為故障前母線電壓與其各饋線正序電流故障分量之間夾角(i為母線編號(hào)，j為饋線編號(hào))。

表1 不同位置故障時(shí)饋線故障特征Table 1 Fault characteristic of feeders when fault occurs at different location

綜上所述，當(dāng)F1處發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)到正向故障的保護(hù)中只有S13、S31應(yīng)動(dòng)作于跳閘切除故障，即當(dāng)2條母線之間的饋線發(fā)生故障時(shí)，只有位于同一線路的對(duì)端保護(hù)同時(shí)檢測(cè)到正向故障時(shí)，可將故障定位于本線路；而當(dāng)F2或F3處發(fā)生故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)應(yīng)切除故障，因此，需根據(jù)上述特征構(gòu)建保護(hù)判據(jù)。

4 基于正序電流和故障前電壓相位關(guān)系的ADN保護(hù)方法

4.1 保護(hù)判據(jù)

為了改善具有低電壓穿越控制策略的光伏電源發(fā)生故障時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位變化對(duì)其輸出故障電流相位的影響，本文結(jié)合電壓信息，提出基于正序電流和故障前并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位比較的保護(hù)方法。發(fā)生故障前母線電壓與其各饋線正序電流故障分量之間夾角為：

θij=arg(Ui0)-arg(ΔIij)

(12)

其中，i為母線編號(hào)；j為饋線編號(hào)；Ui0為故障前并網(wǎng)點(diǎn)電壓。當(dāng)ADN發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)到正向故障的保護(hù)單元有θij∈(-90°,0°)，對(duì)應(yīng)sinθij<0；其余饋線保護(hù)的θij∈(90°,180°)，對(duì)應(yīng)sinθij>0。

本文構(gòu)建的保護(hù)策略為：在ADN各饋線分別配置智能保護(hù)單元IED(Intelligent Electronic Device)；依靠ADN先進(jìn)的通信控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各IED間的通信。首先，將兩母線間饋線IED、DG及負(fù)荷IED定義為不同屬性的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行編號(hào)：2條母線間饋線IED定義為A型節(jié)點(diǎn)，DG及負(fù)荷的IED定義為B型節(jié)點(diǎn)。當(dāng)A型節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到正向故障時(shí)，應(yīng)與其在同一線路對(duì)端的A型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，若其對(duì)端A型IED同樣檢測(cè)到正向故障信號(hào)，則同時(shí)動(dòng)作于跳閘；若B型節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到正向故障，則立即動(dòng)作于跳閘切除故障。由上述思想得出保護(hù)方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

a. 建立IED節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體，定義結(jié)構(gòu)體單元為：

k[i]=[ki1,ki2，…，kij]

(13)

將k[i]中元素定義如下：

(14)

其中，i為母線編號(hào)，i=1，2，…，6；j為饋線編號(hào)。

b. 設(shè)置保護(hù)裝置啟動(dòng)判據(jù)，根據(jù)故障判據(jù)，判別正向故障節(jié)點(diǎn)。

為避免ADN弱饋側(cè)故障電流較小導(dǎo)致保護(hù)裝置不能啟動(dòng)的問(wèn)題，本文利用母線電壓幅值變化作為保護(hù)裝置啟動(dòng)判據(jù)，當(dāng)母線任一相電壓幅值降低超過(guò)10%時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，檢測(cè)流過(guò)保護(hù)裝置的正序電流故障分量與故障前母線電壓之間的夾角θij。如果sinθij>0，則該饋線為非故障線路；如果sinθij<0，則該饋線保護(hù)檢測(cè)到正向故障，但是否為故障線路還需進(jìn)一步判斷。

c. 判別節(jié)點(diǎn)類型，實(shí)現(xiàn)最終故障定位隔離。

對(duì)于檢測(cè)到正向故障的節(jié)點(diǎn)，利用式(12)判斷節(jié)點(diǎn)類型。對(duì)于A型節(jié)點(diǎn)，與其位于同一線路對(duì)端的A型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，若兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到正向故障，立即動(dòng)作跳閘。對(duì)于B型節(jié)點(diǎn)，若檢測(cè)到正向故障，則立即動(dòng)作隔離故障。

本文提出的ADN保護(hù)方法，不僅適用于具有雙向保護(hù)的饋線，且適用于DG及負(fù)荷分支饋線；結(jié)合電壓信號(hào)使得保護(hù)方法更加適用于具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電并網(wǎng)的ADN，保護(hù)的有效性及可靠性得到了提高。

4.2 ADN保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

本文設(shè)置的ADN保護(hù)方案中，饋線保護(hù)檢測(cè)到正向故障后，本端需延時(shí)速動(dòng)跳閘，同時(shí)需使用單端通信以檢測(cè)對(duì)端保護(hù)是否檢測(cè)到正向故障，通過(guò)對(duì)端通信，實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)；保護(hù)動(dòng)作跳閘后，還需向網(wǎng)內(nèi)其他保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)。因此，ADN通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要充分考慮通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴(kuò)展性及經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)上述AND通信需求，本文提出采用區(qū)域保護(hù)決策的保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 ADN區(qū)域故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of ADN regional fault location system

ADN采用IEC61850規(guī)范下的通信系統(tǒng)及智能化設(shè)備，通過(guò)在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息的物理融合、本地信息共享實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能及性能的提升[16]。以母線及其出口饋線為單元對(duì)ADN進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置區(qū)域保護(hù)決策單元RDU(Region Decision Unit)及本地智能保護(hù)單元IED。RDU內(nèi)設(shè)置故障定位算法，實(shí)時(shí)測(cè)量母線電壓并接受各饋線IED采集到的電流信息，以實(shí)現(xiàn)集中決策并下達(dá)故障切除命令。相鄰的IED可以直接通信，以便有選擇性地切除故障。

5 算例分析

5.1 仿真模型及參數(shù)

為驗(yàn)證本文所提保護(hù)方法的有效性，利用PSCAD軟件建立如圖1所示的ADN模型。其中，系統(tǒng)電壓為10.5kV，系統(tǒng)內(nèi)阻抗為j0.32Ω，線路單位正序電阻r1、單位正序電抗x1、單位零序電阻r0、單位零序電抗x0分別為0.38、0.17、1.72、0.4Ω/km，線路阻抗角為42°。光伏電源采用具有低電壓穿越特性的PQ控制策略，其中PV1—PV5的額定輸出功率均為500 kW，最大故障電流為額定電流的2倍。負(fù)荷L1—L4的容量分別為2kV·A、2.5kV·A、3kV·A、3.5kV·A，功率因數(shù)為0.85[17-19]。

仿真需得出故障前各母線電壓相位及故障后流過(guò)各保護(hù)裝置的正序電流故障分量的相位，考慮到故障前配電網(wǎng)內(nèi)各母線電壓相位近似相等(電壓幅值差在 ±7%時(shí)相位差不超過(guò)4.02°)[20]，因此，可將故障前線路各點(diǎn)電壓相量Upre作為參考相量。故障發(fā)生后及故障隔離期不再計(jì)算該電壓量，直到配電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。取故障發(fā)生時(shí)刻起20ms后(即躲過(guò)故障暫態(tài)過(guò)程)流過(guò)各保護(hù)裝置的正序電流作為電流量[21]。

5.2 具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電故障特性仿真

以圖1為例的ADN模型，仿真分析點(diǎn)F1發(fā)生故障時(shí)，光伏電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化及輸出的正序電流故障分量情況，結(jié)果如表2所示。

表2 光伏發(fā)電故障特性Table 2 Fault characteristics of PV generation

由表2結(jié)果分析可知，當(dāng)ADN發(fā)生故障時(shí)，PV2、PV3并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較大，輸出故障電流達(dá)到逆變器最大允許電流；PV1、PV4、PV5由于有主網(wǎng)支撐，電壓跌落較小，輸出的故障電流略微增加?？傮w可以看出，光伏發(fā)電輸出電流故障分量與故障前電壓夾角均在(-90°，0°)范圍內(nèi)，與第1節(jié)的分析一致。因此，發(fā)生故障時(shí)光伏輸出電流的大小和相位由其并網(wǎng)點(diǎn)電壓決定，且輸出電流的故障分量相位與不考慮低電壓穿越時(shí)輸出電流的故障分量相位區(qū)別較大。

5.3 ADN保護(hù)仿真

5.3.1 算例1

設(shè)母線B1、B3之間饋線點(diǎn)F1發(fā)生A相接地故障，過(guò)渡電阻為2Ω，取故障前各母線電壓相量Upre為參考相量，仿真得出各饋線故障特征如表3所示。其中，θij為流過(guò)各保護(hù)單元的正序電流故障分量與故障前母線電壓相量之間的夾角。

由表3結(jié)果分析可知，母線B1饋線保護(hù)S13的θij∈(-90°,0°)，區(qū)域保護(hù)單元RTU1計(jì)算出的k13值為1，需進(jìn)一步確定其對(duì)端保護(hù)是否具有同樣故障特征；對(duì)于B3的保護(hù)S31，計(jì)算出的θij∈(-90°，0°)，且k31值為1，根據(jù)故障定位判據(jù)，S13、S31同時(shí)動(dòng)作與跳閘，切除故障并向其他保護(hù)單元發(fā)送閉鎖信號(hào)。而對(duì)于同樣檢測(cè)到正向故障的保護(hù)單元，如S15、S43等，由于其對(duì)端保護(hù)沒(méi)有檢測(cè)到正向故障，因此不會(huì)跳閘。

表3 點(diǎn)F1故障保護(hù)動(dòng)作結(jié)果Table 3 Operation result of protection when fault occurs at F1

5.3.2 算例2

當(dāng)PV2出口F2處發(fā)生過(guò)渡電阻為1Ω的BC相間故障時(shí)，取故障前各母線電壓相量Upre為參考相量，仿真得出母線B3各饋線故障特征信息如表4所示。

表4 PV出口故障保護(hù)動(dòng)作結(jié)果Table 4 Operation result of protection when fault occurs on PV

由表4結(jié)果分析可知，B3處的保護(hù)S33計(jì)算得到的θij∈(-90°,0°)，且k33=-1，根據(jù)故障定位判據(jù)可知，S33立即動(dòng)作于跳閘。

5.3.3 算例3

當(dāng)點(diǎn)F3處發(fā)生三相故障時(shí)，過(guò)渡電阻為2Ω，仿真得出母線B2出口各饋線故障特征如表5所示。

表5 負(fù)荷處故障保護(hù)動(dòng)作結(jié)果Table 5 Operation results of protect when fault occurs on load

由表5可知，母線B2負(fù)荷保護(hù)S20的θij∈(-90°，0°)，且k20=-1，可將故障直接定位于本饋線上，S20跳閘切除故障。

綜上所述，本文提出的保護(hù)方法在具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電接入ADN不同位置發(fā)生不同類型故障時(shí)均能夠準(zhǔn)確切除故障，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，且保護(hù)方法具有選擇性，能夠避免設(shè)備不必要的退出運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文考慮具有低電壓穿越能力的光伏電源故障特性，提出基于保護(hù)安裝處故障前電壓與正序電流故障分量相位比較的ADN保護(hù)方法，經(jīng)理論推導(dǎo)分析與仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

a. 本文所提保護(hù)方法不僅適用于具有雙向保護(hù)的饋線，且適用于DG及負(fù)荷的單分支饋線；

b. 結(jié)合電壓信號(hào)使得保護(hù)方法更加適用于具有低電壓穿越能力的光伏發(fā)電并網(wǎng)的ADN，提高保護(hù)的有效性及可靠性;

c. 仿真算例結(jié)果證明了本文方法的正確性及有效性。

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