黃 飛，陳紀宇，歐陽金鑫，戴 健，肖 揚，劉志宏，趙俊光，向 洪

基于正序電壓差的含分布式電源配電網(wǎng)斷線接地復合故障定位方法

黃 飛1，陳紀宇2，歐陽金鑫2，戴 健1，肖 揚2，劉志宏3，趙俊光3，向 洪1

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044；3.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400015)

分布式電源(distributed generation, DG)大量應用給電網(wǎng)故障識別與定位提出了更高要求。配電網(wǎng)斷線故障時絕緣雖未遭到破壞，但可能導致DG故障穿越，甚至誘發(fā)并網(wǎng)逆變器閉鎖，造成電氣量越限，威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運行。為此，提出了一種利用正序電壓差實現(xiàn)含DG配電網(wǎng)的斷線接地復合故障定位方法。通過解析不同故障情況下配電網(wǎng)饋線序電流和DG并網(wǎng)點電壓，發(fā)現(xiàn)了非故障點兩端正序電壓差等于線路壓降，而斷口兩端正序電壓差恒為正數(shù)且多大于非故障區(qū)段壓差的特征，構(gòu)造了基于正序電壓差的故障定位判據(jù)。針對定位判據(jù)可能出現(xiàn)的死區(qū)問題，引入DG輸出電流作為輔助判據(jù)提高定位可靠性，進而提出了含DG配電網(wǎng)的斷線接地復合故障定位方法。理論分析和仿真結(jié)果表明，所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同DG容量、故障位置下的斷線接地復合故障區(qū)段準確定位，且具有較強的耐過渡電阻能力。

DG；配電網(wǎng)；斷線接地復合故障；正序電壓；故障定位

0 引言

隨著能源轉(zhuǎn)型和綠色創(chuàng)新發(fā)展的不斷深入，可再生新能源尤其是太陽能、風能等受到廣泛關(guān)注，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)勢在必行[1-5]。新能源以分布式電源(distributed generation, DG)形式接入，作為“大機組、大容量”電網(wǎng)的補充，能夠有效提升新能源應用效率以及配電網(wǎng)運行的可靠性和靈活性。然而，DG接入輻射狀配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)潮流雙向流動，故障電氣量的分布和演變特征與傳統(tǒng)配電網(wǎng)存在區(qū)別。加之受到控制策略、運行方式甚至氣候等因素影響，不同運行狀態(tài)下DG提供的故障電流差異巨大，給含DG配電網(wǎng)的故障定位帶來極大挑戰(zhàn)[6-9]。

目前不少研究人員就含DG配電網(wǎng)接地故障的定位展開了研究?，F(xiàn)有含DG配電網(wǎng)接地故障定位方法主要包括穩(wěn)態(tài)量法、暫態(tài)量法和人工智能算法[10-12]。文獻[13-15]基于DG故障穿越過程中存在短路電流幅值受限、相角受控、頻率偏移的特點，通過比較流過饋線終端的穩(wěn)態(tài)故障電流差異實現(xiàn)定位。文獻[16-17]解析了含DG配電網(wǎng)的故障暫態(tài)特征，從多角度構(gòu)造基于暫態(tài)零序電流形態(tài)學、極性與分布、主諧振頻率與能量等定位判據(jù)。此外，近年來借助智能算法提取全局信息的方法因具有良好的容錯性也受到研究人員的青睞，文獻[18-19]分別利用了縱橫交叉優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡和多目標粒子群算法求解可能故障空間進而實現(xiàn)定位。

與接地故障相比，斷線故障發(fā)生時相與地之間的絕緣雖未遭到破壞，但使得配電網(wǎng)三相嚴重不對稱，嚴重影響電能質(zhì)量，甚至可能導致DG連鎖脫網(wǎng)，乃至系統(tǒng)頻率、電壓越限[20-22]。由于接地和斷線故障特征存在本質(zhì)差異[23-25]，已有接地故障定位方法難以應用于斷線故障，開展含DG配電網(wǎng)斷線故障識別與定位的研究變得尤為重要。文獻[26]提出基于節(jié)點功率方向一致性的斷線故障區(qū)段定位方法。文獻[27-29]通過解析非全相斷線下饋線序電流變化特征，提出基于序電流和中性點電壓組合的斷線保護方法。文獻[30]提出一種基于電壓故障分量推算值與實測電壓故障分量比的電壓型縱聯(lián)保護方案，可兼顧斷線故障定位。但是，上述研究僅關(guān)注于斷口兩側(cè)均不接地的斷線故障。

由于外力、老化等因素，發(fā)生斷線故障后，常常出現(xiàn)斷口一側(cè)接地、另一側(cè)不接地的斷線接地復合故障。據(jù)統(tǒng)計，南方部分地區(qū)斷線接地復合故障占比高達25%以上，且接地點附近可能產(chǎn)生大量熱量和跨步電壓，造成火災或人員傷亡事故[31]。斷線接地復合故障的等效回路并非斷線不接地故障和接地故障的疊加。與接地故障相比，斷口兩側(cè)相對解耦，斷口前后饋線電氣量的變化規(guī)律存在顯著差異；與斷線不接地故障相比，由于對地支路的存在，接地側(cè)與大地存在電氣聯(lián)系，故障特性也存在明顯不同。接地故障和斷線不接地故障的識別與定位方法均難以適用于斷線接地復合故障。斷線接地復合故障可能出現(xiàn)電源側(cè)接地或負荷側(cè)接地，兩種情況下故障電流的通路不同，使得故障特性存在較大差異，給故障的識別與定位提出了更大挑戰(zhàn)。目前，配電網(wǎng)斷線接地復合故障定位的研究還較少，文獻[32]提出了一種基于序電流融合的配電網(wǎng)斷線接地復合故障識別方法，但未考慮DG接入的影響。

本文提出了一種利用正序電壓差實現(xiàn)含DG配電網(wǎng)斷線接地復合故障定位的方法。首先，分別建立了DG并網(wǎng)點上游、DG并網(wǎng)點間、DG并網(wǎng)點下游發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障的復合序網(wǎng)和斷線負荷側(cè)接地故障的復合序網(wǎng)，推導了不同故障情況下饋線序電流和DG并網(wǎng)點電壓的表達式；然后通過分析斷口兩端的正序電壓分布特征，構(gòu)造了基于正序電壓差的故障定位判據(jù)，針對定位判據(jù)可能出現(xiàn)的死區(qū)問題，引入DG輸出電流作為輔助判據(jù)提高定位可靠性，提出了含DG配電網(wǎng)斷線接地復合故障定位方法；最后通過仿真驗證了方法的有效性。該方法能夠準確實現(xiàn)不同DG容量、負荷大小和故障位置下的斷線接地復合故障區(qū)段定位，且不受斷線接地點過渡電阻的影響，具有較高的可靠性和實用性。

1 配電網(wǎng)斷線接地復合故障分析

1.1 DG并網(wǎng)點上游饋線故障

圖1 含DG配電網(wǎng)

Fig. 1 Distribution network with DG

由于負荷側(cè)斷線點處故障相電流為0，斷口前后非故障相電壓連續(xù)，則負荷側(cè)斷線點的邊界條件為

考慮到負荷阻抗顯著大于系統(tǒng)阻抗，負荷正、負序阻抗相等，求解復合序網(wǎng)可得DG并網(wǎng)點上游斷線電源側(cè)接地故障時饋線各序電流為

圖2 DG并網(wǎng)點上游饋線斷線接地復合故障序網(wǎng)

根據(jù)復合序網(wǎng)和式(1)可求得DG1、DG2并網(wǎng)點的正序電壓為

當DG并網(wǎng)點上游發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，同樣根據(jù)邊界條件可建立如圖2(b)所示的復合序網(wǎng)。求解復合序網(wǎng)可得DG并網(wǎng)點上游斷線負荷側(cè)接地故障時饋線各序電流和DG1、DG2并網(wǎng)點正序電壓為

1.2 DG并網(wǎng)點間饋線故障

當DG并網(wǎng)點之間饋線(f2處)發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，根據(jù)式(1)和式(2)可建立如圖3(a)所示的復合序網(wǎng)。求解復合序網(wǎng)，可得DG間斷線電源側(cè)接地故障時饋線各序電流為

DG1、DG2的并網(wǎng)點正序電壓為

當DG并網(wǎng)點間發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，可建立如圖3(b)所示的復合序網(wǎng)，求解可得DG并網(wǎng)點間饋線斷線負荷側(cè)接地故障時饋線各序電流為

DG1、DG2并網(wǎng)點的正序電壓為

(14)

1.3 DG并網(wǎng)點下游饋線故障

當DG并網(wǎng)點下游饋線(f3處)發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，可建立如圖4(a)所示的復合序網(wǎng)，求解可得DG并網(wǎng)點下游饋線斷線電源側(cè)接地故障時饋線各序電流為

當DG并網(wǎng)點下游饋線發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，可建立如圖4(b)所示的復合序網(wǎng)，求解可得DG并網(wǎng)點下游饋線斷線負荷側(cè)接地故障時饋線各序電流為

根據(jù)圖4所示復合序網(wǎng)可見，DG并網(wǎng)點下游饋線發(fā)生斷線接地復合故障后，不論接地點在電源側(cè)還是負荷側(cè)，DG1、DG2并網(wǎng)點正序電壓都始終等于母線正序電壓。

2 配電網(wǎng)斷線接地復合故障特征

當DG并網(wǎng)點上游或DG并網(wǎng)點間饋線發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，故障點兩端正序電壓差為

圖4 DG并網(wǎng)點下游饋線斷線接地復合故障序網(wǎng)

將式(5)代入式(17)后取絕對值可得

圖5 故障正序電壓差分布規(guī)律

Fig. 5 Distribution of fault positive sequence voltage difference

同理，當DG并網(wǎng)點上游或DG并網(wǎng)點間饋線發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，故障點兩端正序電壓差為

當DG并網(wǎng)點下游饋線發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，故障點兩端正序電壓差為

當DG并網(wǎng)點下游饋線發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，故障點兩端正序電壓差為

3 斷線接地復合故障定位方法

3.1 故障定位判據(jù)

當DG并網(wǎng)點上游饋線發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，根據(jù)式(3)可知流過故障饋線出口位置的正序電流為

對比式(23)—式(28)可知，故障饋線出口的正序電流總是滿足：

因此，當含DG配電網(wǎng)發(fā)生斷線接地復合故障且正序電壓差小于整定值時，故障點下游DG電流之和總是滿足式(32)。

故可利用DG輸出電流構(gòu)造如式(33)所示的輔助判據(jù)。

3.2 故障定位算法

短路故障時，區(qū)段正序電壓差可能滿足對應的最大線路阻抗壓降的判據(jù)。由于發(fā)生短路故障時，設備可能因過熱或產(chǎn)生巨大機械應力損毀，應盡可能快地隔離短路故障，因此斷線接地復合故障保護可在短路故障保護的基礎(chǔ)上增加一級延時。當配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，短路故障定位和斷線接地復合故障定位可能同時啟動，此時短路故障定位首先動作，斷線接地復合故障定位隨之返回。當發(fā)生斷線電源側(cè)接地故障時，由于此時故障特征與接地短路故障時相近，短路故障定位和斷線接地復合故障定位仍可能同時啟動，短路故障定位首先動作，若短路故障定位不動作，一定延時后斷線接地復合故障定位動作。當發(fā)生斷線負荷側(cè)接地故障時，此時故障特征信息微弱，短路故障定位無法動作，一定延時后由斷線接地復合故障定位動作。

圖6 基于正序電壓差的斷線接地復合故障定位流程

4 仿真分析

圖7 仿真系統(tǒng)

表1 負荷及DG參數(shù)

4.1 不同故障位置

表2 不同故障位置下斷線電源側(cè)接地正序電壓及DG電流

表3 不同故障位置下斷線負荷側(cè)接地正序電壓及DG電流

表4 不同故障位置下斷線電源側(cè)接地正序電壓差及整定值

表5 不同故障位置下斷線負荷側(cè)接地正序電壓差及整定值

4.2 不同過渡電阻

設故障點位于饋線1的3 km處，改變接地點的過渡電阻分別為0 Ω、100 Ω、300 Ω、500 Ω，記錄斷線電源側(cè)接地故障和斷線負荷側(cè)接地故障下各監(jiān)測點的正序電壓和DG輸出電流，如表6和表7所示。根據(jù)表6和表7及整定原則，分別計算得不同過渡電阻下斷線電源側(cè)接地故障和斷線負荷側(cè)接地故障時的正序電壓差監(jiān)測值及整定值，如表8和表9所示。

表6 不同過渡電阻下斷線電源側(cè)接地正序電壓及DG電流

表7 不同過渡電阻下斷線負荷側(cè)接地正序電壓及DG電流

表8 不同過渡電阻下斷線電源側(cè)接地正序電壓差及整定值

表9 不同過渡電阻下斷線負荷側(cè)接地正序電壓差及整定值

4.3 不同分布式電源容量

設故障點位于饋線1的1 km處，改變接于饋線1的5 km處的DG2容量分別為0.5 MW、1 MW、2 MW、3 MW、4 MW，斷線電源側(cè)接地故障和斷線負荷側(cè)接地故障下故障點前后(FTU1至FTU2區(qū)段)的正序電壓差及DG1—DG3的輸出電流，如表10和表11所示。

表10 不同DG容量下斷線電源側(cè)接地正序電壓差及DG電流

表11 不同DG容量下斷線負荷側(cè)正序電壓差及DG電流

5 結(jié)論

針對含DG配電網(wǎng)斷線接地復合故障的新挑戰(zhàn)和新特性，綜合考慮了中性點接地方式、故障位置等多重因素的影響，分析了含DG配電網(wǎng)斷線電源側(cè)接地故障和斷線負荷側(cè)接地故障下的饋線正序電壓分布特征，基于非故障點兩端正序電壓差等于線路壓降，而斷口兩端的正序電壓差恒為正數(shù)且多大于非故障區(qū)段壓差的特征，構(gòu)造了基于正序電壓差和DG輸出電流的故障定位判據(jù)，提出了一種基于正序電壓差的含DG配電網(wǎng)斷線接地復合故障定位方法。在不同接地側(cè)、不同過渡電阻、不同DG容量、不同故障位置的30組算例中，該方法均能夠可靠定位斷線接地復合故障，且故障區(qū)段的正序電壓差或DG輸出電流的監(jiān)測值與對應整定值之比均顯著大于1，表明故障區(qū)段與非故障區(qū)段的邊界清晰，故障定位方法具有較高的可靠性和實用性。

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Fault location method of a compound break fault with grounding for distribution network contained distributed generation based on positive sequence voltage difference

HUANG Fei1, CHEN Jiyu2, OUYANG Jinxin2, DAI Jian1, XIAO Yang2, LIU Zhihong3, ZHAO Junguang3, XIANG Hong1

(1. State Grid Chongqing Electric Power Research Institute, Chongqing 401123, China; 2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China;3. State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400015, China)

The massive application of distributed generation (DG) has brought forward higher requirements for grid fault identification and location. Although the insulation is not damaged during a break fault in the distribution network, it may lead to DG fault ride-through and even induce grid-connected inverter blocking, causing an electrical quantity exceeding the limit, and thereby threatening the stable operation of the power grid. Thus a method is proposed to locate the compound break fault with grounding in a distribution network with DG using the positive sequence voltage difference. By analyzing the sequence currents and voltages point of common coupling voltages of the distribution network under different fault conditions, it is found that the positive sequence voltage difference at both ends of the non-fault section is equal to the line voltage drop, while the positive sequence voltage difference at both ends of the break is constant positive and more than the difference of the non-fault section. Thus a fault location criterion based on the positive sequence voltage difference is constructed. For the possible dead zone problem of the location criterion, the DG output current is introduced as an auxiliary criterion to improve reliability. Finally, the method of fault location of a compound break fault with grounding is proposed. The theoretical analysis and simulation results show that the proposed method can accurately locate the compound break fault with grounding section with different DG capacity and fault location, and has strong resistance to transition resistance.

distributed generation (DG);distribution network; compound break fault with grounding; positive sequence voltage; fault location

10.19783/j.cnki.pspc.220355

國家自然科學基金項目資助(51877018)；國網(wǎng)重慶市電力有限公司科技項目資助(SGCQDK00DWJS2100189)

This work is supported by theNational Natural Science Foundation of China (No. 51877018).

2022-03-17；

2022-07-22

黃 飛(1987—)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為智能配電網(wǎng)技術(shù)；E-mail: huangfei_87@163.com

陳紀宇(1999—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制；E-mail: chenjiyve@163.com

歐陽金鑫(1984—)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制、新能源發(fā)電等。E-mail: jinxinoy@ 163.com

(編輯 周金梅)