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基于分区保护的配电网光伏发电保护方案

关键词：配电网络; 光伏发电; 故障位置

摘要 考虑到分布式光伏发电的发展趋势，未来配电网中光伏发电的渗透率将很高，传统的三相电流保护由于故障等不再适用。为了最大限度地利用分布式光伏电源，未来当电网出现故障时，应鼓励光伏电站按照规划采取部分重要负荷运行。本文在此基础上提出了配电网分区保护方案。首先，根据负载和平衡光伏容量的原理，对配电网进行分区，然后设计故障定位算法，最后以IEEE33节点配电系统为例验证所提出的算法。验证结果表明，提出的基于矩阵算法的故障区域算法具有可行性和有效性。也就是说，这种分布式光伏发电的配电网分区保护方案是可行的。

介绍

分布式光伏发电主要是指与建筑物结合的光伏发电系统（BIPV），包括屋顶光伏发电和光伏幕墙以及与其他类型的DG组成的微电网等，可以“插入并播放”。分布式光伏发电装机容量并不大，一般只有几十千瓦到几兆瓦。为了便于连接，它通常最接近低压配电网络。分布式光伏电源接入配电网后，原来简单的单源辐射网络变成了一个复杂的多电源网络，影响了传统配电网的拓扑结构和功率流方向。随着光伏发电容量的增加，最终将超出原有电网结构所能承受的范围，导致保护拒动，误操作影响电力系统和分布式发电设备本身电气设备的安全运行。因此，本文进一步研究包括光伏发电在内的配电网的保护方案，可以提高配电网吸收光伏发电的能力，对推动配电网中光伏发电的应用具有重要的理论意义和实用价值。

研究内容和方法

太阳能光伏（PV）是典型的分布式发电技术。为适应未来越来越多的光伏配电网接入的趋势，本文研究了光伏配电网通道分区保护方案

多光伏配电网分区保护的总体思路

基于电网故障的考虑，分析设计配电网分区保护，使光伏电站按计划稳定运行。这里以配电网为例进行说明，如图1所示。其基本结构如下：首先将包含多个分布式光伏发电的配电网划分为数千个子区Z₁〜Z₆，每个子区域通过断路器CB1〜CB6连接，该断路器接收并对外部控制信号作出快速响应，并且断路器连接到子区域配置了检查同步功能^[1]; 配电网馈线的在线监测功能主要由馈线终端智能型FTU实现，监测数据包括电压，电流，有功功率，无功功率，开关位置等; 最后在配电网中心站的连接处配置了一套基于高速处理器的智能保护控制装置，主要实现对大量数据的保护、其他设备的运行和通信。

图1.分布式网络分区结构示意图

多PV配电网负载分配方案介绍

分配网络分区与访问的各种PV的容量和访问位置有关。配电网应按照与所有发电能力相匹配的次区域负荷能力原则进行分配。在该区域的总负载不超过PV总发电的前提下，PV的子区域尽可能包含负载。具体步骤如下：首先是划分包含PV的子区域，从接入点最近距离的馈线终端的PV开始划分，以太阳能总线接入为起点，根据馈线各相预测的年负荷数据，向下游馈线进行支出，直至负荷的堆载容量与光伏年平均发电量相平衡，并表示为该地区的边界。 如果馈线的末端与PV的年平均发电量不平衡，则继续延伸到PV接入点所在的公共汽车的上游，直到其平衡。然后，通过从第二个PV的总线接近上游进行分区，直到所有分区完成。在完成对包含PV的子区域的划分之后，根据常规优化方法并结合现场情况将除PV之外的部分分开。

配电网分区保护算法流程

• • 1. 故障检测和故障类型识别

1. 故障检测

根据继电保护的差动原理，配电网（不包括主电源和光伏）作为保护区，实时在线计算每个FTU通过主测量和保护装置采集的数据^[2]。 如果

（其中I_主要代表主功率输出电流，I_PVI代表i PV的输出电流），这表明PV电源发生故障，然后关闭并网断路器相应的PV，从而隔离故障; 如果

表明配电网中存在故障，然后在进一步处理之前判断故障类型。

1. 故障类型识别

配电网的短路故障分为三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路这四种，其中保护监控装置只需发出监测到单相短路后对应的报警信号，系统可继续运行2h; 在其他相短路动作后，需要进行断路器的跳闸操作^[3]。为了识别故障类型，可以通过分析主电源的三相电流来实现。在本文中，通过使用故障电流序列分量变化，判断故障类型。首先，计算正序故障分量，负序故障分量以及三相故障电流的零序故障分量，然后根据计算出的值进一步确定故障类型。

故障定位算法

基于传统配电网故障定位方法，提出了一种基于多光伏配电网的故障定位方法，比传统方法更加简洁。在不改变FTU硬件变更的传统配电网的情况下，将FTU安装在各个子区域的连接断路器和各种功率的电网断路器中。只有对传统故障定位方法进行软件升级才能有效定位故障区域。在此基础上，考虑故障定位算法等不完全故障信息的特殊情况影响，并给出相应的解决方案。具体的网络结构如图2所示。以图2给出的配电网分区结构为例，给出具体的故障区域定位算法。

图2. PV配电网结构示意图

对网格分布子区域之间的连接断路器进行编号。规定功率从系统的主电源流向每个馈线负载或PV正向，以保证故障的正向不受光伏和并网位置容量的影响^[4]。假设分布网络中节点的数量为n，参照正向，nXn阶故障描述矩阵D中的元素d_ij（i，j，n）可以定义如下：

当d_ij= 1时，节点i和节点j通过子区域连接，i位于j的正方向; 当d_ij= 0时，它代表其他情况。

在识别配电网故障类型时，馈线自动化FTU报告故障信息，主站对故障信息进行选择分析，然后为1*n维向量生成故障信息矩阵G，其中任何元素g_i（in）定义如下：

g_i= 1时，FTU监测流经正向的i节点的故障电流; 当g_i= 0时，FTU监视流过或未能监视故障电流的电流故障信息矩阵中的元素g_i对应于电网分配网络中i连接断路器的编号。因此，在最终生成的故障判别矩阵P中，仅保留通过正故障电流的开关信息，并且排除通过反向电流和故障电流流动的所有节点。显然，故障区域必须位于正向故障电流的断路器链路中最后一个断路器的下游，即故障区域始终指故障电流“仅进入而不流出”的区域。故障电流“进入并流出”和“仅进入没有流出”的区域不是故障区域。

根据三个区域存在故障信息时，故障信息矩阵P反映的故障信息，可以准确定位故障信息。准则的主要依据：1）对于多分支区域，如果p_ij=1且对于所有p_ij=1存在p_ij=0，则表明根节点i和子节点j组成连接树，故障位于该区域节点i和j之间^[5]; 2）对于单分支区域，如果p_ij= 1，则只有一个p_ij=1且p_ij=0，则故障位于节点i和j之间的区域; 3）对于端节点，节点i和其他节点不能连接到连接树，因此只要满足pij =1的条件就可以确定节点i之后的区域发生的故障。

通过使用上述准则，即一组故障判别矩阵P，可以得出结论，满足故障判断矩阵P中的故障准则的包括：

从上述结果可以确定故障位于节点2和3之间以及节点5之后的区域。因此，当配电自动化系统处于正常运行时，所提出的故障定位算法可以实现分布式网络具有单一故障和多个故障^[6]。而且算法简单，只需要区分矩阵中的每个故障元素即可。

故障区隔离和电源恢复

确定故障区域后，主站监控保护装置将立即发出跳闸命令，并断开与预期故障相关的所有连接的断路器。如果故障区域有PV，则需要向光伏并网发电断路器发出跳闸命令，实现断开故障区域与系统主电源系统和光伏发电系统之间的全部电气接触，所以故障电弧尽快熄灭。为了提高电源的可靠性，本文采用自动重合闸装置。故障隔离后，通过预先设定的延时启动自动关闭制动。 并按照先检查电压再检查周期的原则，重合断路器并恢复供电。

图2. PV配电网结构示意图

对网格分布子区域之间的连接断路器进行编号。规定功率从系统的主电源流向每个馈线负载或PV正向，以保证故障的正向不受光伏和并网位置容量的影响[4]。假设分布网络中节点的数量为n，参照正向，nXn阶故障描述矩阵D中的元素d_ij（i，j，n）可以定义如下：

当d_ij= 1时，节点i和节点j通过子区域连接，i位于j的正方向; 当d_ij= 0时，它代表其他情况。

在识别配电网故障类型时，馈线自动化FTU报告故障信息，主站对故障信息进行选择分析，然后为1 * n维向量生成故障信息矩阵G，G，其中任何元素g_i（in）定义如下：

g_i= 1时，FTU监测流经正向的i节点的故障电流; 当g_i= 0时，FTU监视流过或未能监视故障电流的电流故障信息矩阵中的元素g_i对应于电网分配网络中i连接断路器的编号。因此，在最终生成的故障判别矩阵P中，仅保留通过正故障电流的开关信息，并且排除通过反向电流和故障电流流动的所有节点。显然，故障区域必须位于正向故障电流的断路器链路中最后一个断路器的下游，即故障区域始终指故障电流“仅进入而不流出”的区域。故障电流“进入并流出”和“仅进入没有流出”的区域不是故障区域。

根据三个区域存在故障信息时，故障信息矩阵P反映的故障信息，可以准确定位故障信息。准则的主要依据：1）对于多分支区域，如果p_ij=1且对于所有p_ij=1存在p_ij=0，则表明根节点i和子节点j组成连接树，故障位于该区域节点i和j之间[5]; 2）对于单分支区域，如果p_ij= 1，则只有一个p_ij=1且p_ij=0，则故障位于节点i和j之间的区域; 3）对于端节点，节点i和其他节点不能连接到连接树，因此只要满足pij =1的条件就可以确定节点i之后的区域发生的故障。

通过使用上述准则，即一组故障判别矩阵P，可以得出结论，满足故障判断矩阵P中的故障准则的包括：

从上述结果可以确定故障位于节点2和3之间以及节点5之后的区域。因此，当配电自动化系统处于正常运行时，所提出的故障定位算法可以实现分布式网络具有单一故障和多个故障^[6]。而且算法简单，只需要区分矩阵中的每个故障元素即可。

故障区隔离和电源恢复

确定故障区域后，主站监控保护装置将立即发出跳闸命令，并断开与预期故障相关的所有连接的断路器。如果故障区域有PV，则需要向光伏并网发电断路器发出跳闸命令，实现断开故障区域与系统主电源系统和光伏发电系统之间的全部电气接触，所以故障电弧尽快熄灭。为了提高电源的可靠性，本文采用自动重合闸装置。故障隔离后，通过预先设定的延时启动自动关闭制动。 并按照先检查电压再检查周期的原则，重合断路器并恢复供电。

示例分析结果和讨论

以IEEE33节点配电系统为研究对象，设置接入光伏电源PV₁--PV₅中的配电网总线5,17,22,21,27，额定容量为0.8MWp，0.25MWp ，0.4MWp，1.0MWp和1MWp。配电网分为Z₁-Z₇子区^[7]。子区域通过一个断路器连接，该断路器可以接收并快速响应外部控制信号，并且根据后续子区域的编号，断路器编号为CB₁-CB₇。

1）故障检测和故障类型识别

通过仿真计算表明，如果主站检测到主站的2.14和30故障，则每个序列组件的短路电流如表1所示。

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