A New Fault Isolation Scheme for Active Distribution Network Based on Comparison of Memorial Current Phase
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摘要:
针对分布式电源接入配电网对故障隔离的影响，提出了一种基于记忆电流相位比较的有源配电网故障隔离新方案。该方案利用配电线路上各FTU在故障前电流相位相同的特点，记忆故障前电流相位并作为基准，计算故障分量电流与记忆电流的相位关系，通过比较相邻FTU的相位关系构成故障隔离判据。即若相邻FTU所测量到故障分量电流方向相同，则判定为区外故障，否则为区内故障。该方案对通信要求低，无须装设电压互感器。通过大量的仿真验证，新方案能够解决传统故障隔离方案应用于有源配电网所带来的故障隔离误判以及失效等问题，具有良好的应用前景。
Abstract:This paper presents a new fault isolation scheme for distribution network with high penetration rate of DG, on the basis of comparing the memorial current phase. According to the same current phase information of the FTU of distribution line before the fault, the method gets the phase of current fault component on reference of the current phase before the fault. Fault isolation criterion is got by comparing the phase relationship between adjacent FTUs: if adjacent FTUs get the same phase of current, it's the external fault; otherwise the fault is internal one. Extensive simulations show that the scheme needs little communication traffic, need not to install voltage transformers. It is possible to solve fault isolation misjudgment and failure or other issues brought by the applying of the traditional fault isolation to active distribution network, and possess a good prospect of engineering application.
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Keywords:
- DG /
- fault isolation /
- fault component /
- high penetration rate of DG
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0. 引言
随着新能源发电技术的日渐成熟，分布式电源被更多的用户所接受，大量的分布式电源接入配电网，一定程度上改变了传统配电网辐射性的单电源网络结构，使配电网网络中的潮流流向由单向变为双向潮流，致使传统配电网利用FTU测量电流进行故障区段定位，进而隔离故障的方案失效。当配电网中的分布式电源渗透率较低时，可以通过设定合适的电流阈值，来消除分布式电源提供的短路电流的影响，传统的故障隔离方案仍能可靠地隔离故障[1]。但是，若分布式电源的渗透率较高时，其提供短路电流的能力与主电源相差不大时，很难单独利用故障电流的幅值实现可靠地隔离故障。因此，研究适用于有源配电网的故障隔离方案具有重要的意义。
随着配电网中分布式电源的渗透率不断提高，越来越多的研究者开始关注有源配电网的故障隔离问题。文献[2-4]提出了利用电压量，在原有FTU上加装方向元件，构建基于功率方向的故障隔离方案。文献[5-6]指出配电网中的FTU一般不装设电压互感器（TV），若大量加装TV，无疑将增加投资，这对配电网来说是不实际的。文献[7-10]提出了基于广域信息的故障定位和隔离方案，但对通信有较高的要求，也不适用于配电网的现状。文献[11]提出了一种以纵联保护原理为基础，通过不同位置的方向元件动作情况满足含高渗透率DG的配电系统对继电保护的要求。文献[12]通过分析馈线首端到 DG 接入点之间的限时电流速断保护和 DG 接入点到馈线末端之间的定时限过电流保护的动作信息，利用保护动作信息之间的逻辑关系实现故障定位和隔离。文献[13]利用故障前后电流相角的变化，得出了电流相角突变量方向与故障位置的关系，并由此提出一种新的电流纵联方向保护方案，但是高过渡电阻的故障会影响这种故障区段定位的可靠性。文献[14]研究故障电流的高频暂态分量特性，提出了一种基于高频分量的电流纵联保护方案，但是对于闭环配电网的故障定位会有判断失效的情况。
本文提出了一种基于记忆电流相位比较的有源配电网故障隔离新方案。该方案利用故障前同一馈线所有FTU电流相位相同的特点，记忆故障前电流并作为基准，计算故障分量电流与记忆电流的相位关系，并通过比较相邻FTU相位关系构造故障定位判据，实现故障隔离。本文所提出的故障隔离方案只利用了电流的信息量，不用采集电压信息，无须加设电压互感器，对于大规模配电网具有一定的经济性；由于电流相位变化判断可以在本地装置实现，只须上报判断结果的0/1信号，不要求同步性，对通信要求不高。仿真结果表明该方法不受故障类型、故障位置、分布式电源类型、过渡电阻等因素的影响，大大增加了故障隔离的可靠性，适用于含高渗透率分布式电源的配电网，具有很好的应用前景。
1. 以记忆电流为基准的故障分量电流相位特征
如图1所示的变电站出口馈线结构图为例，其中A-I为馈线终端，且负荷在线路上均匀分布。当DG接入馈线时，传统网架结构由单电源供电转变为双电源的系统，故障发生时线路两端的系统都可以提供故障电流，使传统的仅利用电流幅值信息进行故障隔离的方案失效。
2. 记忆式电流比相纵联故障隔离方案
2.1 方案原理
本方案利用故障前后一个周波的电流量信息，经过全周傅氏算法提取基频分量，得到正常运行状态下的负荷电流Ipre和故障期间的故障电流If，经过计算可以得到故障分量信息Ig。
\boldsymbol{I}_{\mathrm{g}}=\boldsymbol{I}\mathrm{_{\rm f}}-\boldsymbol{I}_{\rm{p}re}。 (1) 本方案借助相模变换，将三相电流分量解耦为正序、负序、零序分量，如式（2）所示。由于正序分量在任何故障类型下都存在，所以选取正序电流分量作为故障区段定位的判定量。
\left[\begin{array}{*{20}{c}}{ {\boldsymbol I}}_{\rm g}^{(1)}\\ { {\boldsymbol I}}_{\rm g}^{(2)}\\ { {\boldsymbol I}}_{\rm g}^{(0)}\end{array}\right]=\frac{1}{3} \left[\begin{array}{*{20}{c}} 1& \text{ }a& \text{ }{a}^{2}\\ 1& \text{ }{a}^{2}& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{*{20}{c}} { {\boldsymbol I}}_{\rm ga}\\ { {\boldsymbol I}}_{\rm gb}\\ { {\boldsymbol I}}_{\rm gc}\end{array}\right] 。 (2) 式中： a=e^{\mathrm{j}120^{\circ}}，a^2=e^{\mathrm{j}240^{\circ}} ，且有 1+a+{a}^{2}=0， {a}^{3}=1 。
为了避免功率方向元件存在的数据同步问题，减轻两端保护对通信的要求，本文提出设置电流相位参考值\varphi_{\rm ref} ，将线路两端FTU计算得到的结果与\varphi_{\rm ref} 进行比较，给出表征故障电流方向的0/1信息，判定规则如下：
{\varphi _{\rm ref}} - 90^\circ < \arg \left(\frac{{\boldsymbol I_{\rm g}^{(1)}}}{{\boldsymbol I_{{\rm pre}}^{(1)}}}\right) < {\varphi _{\rm ref}} + 90^\circ \text{，}结果输出0 \text{；} -{\varphi }_{\rm ref}-90^{\circ}<\mathrm{arg}\left(\frac{{\boldsymbol I}_{\rm g}^{(1)}}{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}}^{(1)}}\right) < 90^{\circ}-{\varphi }_{\rm ref} \text{，}结果输出1 \text{；} FTU通过上传0/1信号到线路另一端FTU，馈线终端对自身上传的信号和对方上传的信号进行比较，如果两者上传的0/1信号相同，则判断故障发生在区外；如果两者上传的0/1信号不同，则判断故障发生在区内，两端终端下达跳闸命令，进行故障隔离。
以图2为例，馈线终端B、馈线终端C上传本站计算结果信息到对方，如果两者上传信息相同，则判断故障不在线路BC上；如果两者上传信息不同，则判断故障在线路BC上，跳开FTU所控制的开关，将其进行故障隔离。
记忆式电流比相纵联故障隔离方案的流程见图3。
2.2 最大灵敏角计算
当发生区内故障时，如图2和图3所示，在忽略电源等效阻抗的情况下，各阻抗的阻抗角大致相等，可得：
\begin{gathered} \arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) = \arg ({{\boldsymbol I}_{\rm g1}}) - \arg (\boldsymbol I_{{\rm pre}1}^{}) =\arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}}\right) -\\ \arg \left(\frac{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}\right)= \arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) - \arg \left(\frac{{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}}{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}\right) \approx\\ \arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) 。 \end{gathered} (3) 式中：Ig1、Ig2为由馈线终端B和馈线终端C处计算得到故障分量电流相量；Z1和Z2分别为线路两端B、C的背侧等效阻抗；Uf为附加电源；Us为系统侧电源。
以系统侧电源相位为基准值，假定故障附加电源与系统电源的相位差为\theta ，则：
\arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) \approx \arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) \approx -90^\circ - \frac{\theta }{2} 。 (4) 同理可得：
\arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g2}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}2}}}}\right) = - \arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) \approx 90^\circ + \frac{\theta }{2} 。 (5) 当发生区外故障时，如图2和图4所示，在忽略电源等效阻抗的情况下，各阻抗的阻抗角角大致相等，可得：
\begin{gathered} \arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) = \arg ({{\boldsymbol I}_{\rm g1}}) - \arg (\boldsymbol I_{{\rm pre}1}^{}) =\arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{Z_1} + {Z_{\rm BC}}+{Z_{{\text{\rm CF}}}}}}\right) - \\ \arg \left(\frac{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}{{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}}\right) =\arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) - \arg \left(\frac{{{Z_1} + {Z_{\rm BC}}+{Z_{{\text{\rm CF}}}}}}{{{Z_1} + {Z_{\rm BF}}}}\right) \approx \\\arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) 。 \end{gathered} (6) 式中：Us为系统侧电源。
在正常运行情况下，由于线路上的电压降很小，故障附加电源与系统电源大小、相位相差不大。则：
\arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) \approx \arg \left(\frac{{{U_{\rm f}}}}{{{U_{\rm s}} - {U_{\rm f}}}}\right) \approx-90^\circ - \frac{\theta }{2} 。 (7) 同理可得：
\arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g2}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}2}}}}\right) = \arg \left(\frac{{{{\boldsymbol I}_{\rm g1}}}}{{{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}1}}}}\right) \approx -90^\circ - \frac{\theta }{2} 。 (8) 综上所述，则\theta \approx 0 。定义从变电站出口到馈线末端为正方向，则正向最大灵敏角接近–90°，反向的最大灵敏角接近90°，所以下文仿真中取\varphi_{\rm ref} 为正向最大灵敏角–90°。则给出表征故障电流方向的0/1信息，判定规则如下：
-180^\circ < \arg \left(\frac{{\boldsymbol I_{\rm g}^{(1)}}}{{\boldsymbol I_{{\rm pre}}^{(1)}}}\right) < 0^\circ \text{，}结果输出0 \text{；} 0^{\circ}＜\mathrm{arg}\left(\frac{{\boldsymbol I}_{\rm g}^{(1)}}{{\boldsymbol I}_{{\rm pre}}^{(1)}}\right) < 180^{\circ} \text{，}结果输出1 。 3. 仿真验证
3.1 仿真系统
在PSCAD搭建图4所示网络，并进行仿真计算。
其中系统的变电站基准容量100 MV·A，基准电压为10.5 kV，K0～K9为分段开关，分段母线A、B、C、D、E都接有负荷，大小为2 MW。线路AB、BC、CD、DE为输电馈线，长度均为1 km，其线路电阻r1 = 0.138 Ω/km，线路电抗x1 = 0.369 Ω/km。分布式电源接在母线D上，对FTU所控制的分段开关K1～K6处的电流的相位进行检测。其中根据分布式电源的并网特点，将其分为传统的旋转电机型 DG 和基于逆变器接口的逆变型 DG，在仿真中也将对两者分别进行验证，逆变型DG采用光伏发电模型进行仿真。
3.2 记忆式电流相位比较故障隔离仿真案例分析
3.2.1 故障点位于近系统电源侧
如图4所示，分布式电源类型选择传统旋转式分布式电源，接入母线D处，在线路AB段50%处发生三相故障，无相间过渡电阻情况下，各开关处计算得到的本站信息情况如表1所示。
表 1 近系统电源侧三相故障时各开关处的电流相位情况线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -77.99 0 区内 是 K2 109.30 1 BC K3 100.42 1 区外 是 K4 100.42 1 CD K5 81.66 1 区外 是 K6 81.66 1 从表1可以看出，当发生故障时，线路AB上游分段开关K1的正序分量为–77.99°，判定信号为“0”，而线路AB的下游分段开关K2的正序分量为109.3°，判定信号为“1”，两者正序分量判定的信号不同，所以判断区内故障。线路BC、CD段的分段开关的正序分量的判定信号相同，所以判断为区外故障。
如图4所示，分布式电源类型选择传统旋转式分布式电源，接入母线D处，线路AB段50%处发生两相相间故障，无过渡电阻的情况下，各开关处所计算得到的本站信息情况如表2所示。
表 2 近系统电源侧相间故障时各开关处的电流相位情况线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -71.35 0 区内 是 K2 116.02 1 BC K3 107.31 1 区外 是 K4 107.31 1 CD K5 88.64 1 区外 是 K6 88.64 1 从表2可以看出，当发生故障时，线路AB上游分段开关K1的正序分量为–71.35°，判定信号为“0”，而线路AB下游分段开关K2的正序分量为116.02°，判定信号为“1”，两者正序分量判定的信号不同，所以判断为区内故障。线路BC、CD段的分段开关的正序分量的判定信号相同，所以判断为区外故障。
3.2.2 故障点位于近分布式电源侧
如图4所示，分布式电源类型选择传统旋转式分布式电源，接入母线D处，线路CD段50%处发生三相故障，无相间过渡电阻情况下，各开关处所计算得到的本站信息情况如表3所示。
表 3 近分布式电源侧故障时各开关处的电流相位情况线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -75.60 0 区外 是 K2 -75.60 0 BC K3 -82.51 0 区外 是 K4 -82.51 0 CD K5 -99.29 0 区内 是 K6 73.31 1 从表3可以看出，当发生故障时，线路CD上游分段开关K5的正序分量为–75.60°，判定信号为“0”，而线路CD下游分段开关K6的正序分量为99.29°，判定信号为“1”，两者正序分量判定的信号不同，所以判断为区内故障。线路AB、BC段的分段开关的正序分量的判定信号相同，所以判断为区外故障。可以看出在靠近分布式电源并网点的故障，本方案能准确进行故障区段定位并隔离。
3.2.3 分布式电源类型不同对本方案的影响
如图4所示，分布式电源类型选择基于逆变器的逆变式分布式电源，接入母线D处，线路BC段50%处发生三相故障，无相间过渡电阻情况下，各开关处计算所得本站信息情况见表4。
表 4 逆变式分布式电源接入时各开关处的电流相位情况线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -75.33 0 区外 是 K2 -75.33 0 BC K3 -82.12 0 区内 是 K4 97.55 1 CD K5 79.04 1 区外 是 K6 79.04 1 从表4可以看出，当发生故障时，线路BC上游分段开关K3的正序分量为–82.12°，判定信号为“0”，而线路BC下游分段开关K4的正序分量为97.55°，判定信号为“1”，两者正序分量判定的信号不同，所以判断为区内故障。线路AB、CD段的分段开关的正序分量的判定信号相同，所以判断为区外故障。可以看出分布式电源的类型对本文提出的记忆电流纵联故障隔离方案没有影响。
3.2.4 故障过渡电阻对本方案的影响
如图4所示，分布式电源类型选择传统旋转式分布式电源，接入母线D处，线路BC段50%处发生两相相间故障，相间高过渡电阻为15 Ω的情况下，传统功率方向故障隔离方案、文献[13]所提出的故障隔离方案和本文基于记忆电流比相故障隔离方案的性能比较，见表5。
表 5 高相间过渡电阻时，各开关处的电流相位情况线路 所选
方案分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB 本文方案 K1 -10.87 0 区外 是 K2 -10.87 0 文献[13]方案 K1 -3.05 — 区外 是 K2 -3.05 — 传统方案 K1 — 区外 是 K2 — BC 本文方案 K3 -15.05 0 区内 是 K4 165.09 1 文献[13]方案 K3 -5.34 — 区外 否 K4 9.64 — 传统方案 K3 — 区外 否 K4 — CD 本文方案 K5 149.58 1 区外 是 K6 149.58 1 文献[13]方案 K5 35.53 — 区外 是 K6 35.53 — 传统方案 K5 — 区外 是 K6 — 当发生高过渡电阻两相相间故障时，由于故障电流呈现穿越特性，所以功率流向与正常状况相近。从表5可以看出，利用功率方向故障隔离方案，线路BC的分段开关K3、K4的判断方向为区外故障，即判断线路BC为非故障段；利用文献[13] 所提出的故障隔离方案，由于两端的FTU所检测到的故障电流相位相差不足20°，判断两者正序分量方向相同，所以判断线路BC段为非故障段；利用本文基于记忆电流比相故障隔离方案，线路BC的一端分段开关K3的正序分量为–15.05°，判定信号为“0”，而线路BC的一端分段开关K4的正序分量为165.09°，判定信号为“1”，两者正序分量判定的方向不同，仍然可以判断为区内故障。
所以在有高过渡电阻的情况下，功率方向故障隔离方案和文献[13]所采用的故障隔离方案会遇到故障区段定位失效问题。而本文所提出的故障隔离方案仍然能准确进行故障区段定位，并进行隔离故障。
综合上述仿真结果可得：
1）不论是三相故障还是两相故障，即故障的严重程度不同时，记忆电流比相式纵联故障隔离方案都能准确进行故障区段定位。
2）不论是靠近变电站出口处的故障，或是靠近分布式电源并网点的故障，当不同故障位置时，记忆电流比相式纵联故障隔离方案都能准确进行故障区段定位。
3）配电网所接入分布式电源的类型，对记忆电流比相式纵联故障隔离方案判断没有影响。
4）在高阻故障下，传统功率方向元件判断失效，利用文献[13]的故障隔离方案也会错误定位故障区段，造成拒动的危险。但是不论有无故障过渡电阻，不论过渡电阻或大或小，记忆电流比相式纵联故障隔离方案都会准确定位故障区段，进行故障隔离。
4. 结束语
本文分析了高渗透率分布式电源接入配电网后，故障位置与电流相位的关系，通过比较区内区外故障时，故障分量电流相位的不同，构成了记忆电流比相式纵联保护方案的判据，该方案具有以下的优点：
相比于传统的故障隔离方案，记忆电流比相式纵联故障隔离方案能在潮流方向变化的配电网中准确判断出区内、区外故障，进行故障隔离。
记忆电流比相式纵联故障隔离方案不受故障类型、故障位置、分布式电源类型、分布式电源渗透率、故障过渡电阻的影响，适用性广，可靠性高。
记忆电流比相式纵联故障隔离方案不需要架设方向元件，虽然用到了通信装置，但是不要求同步性，并且只传输逻辑信号，对通信要求低，大大地提高了经济性和实用性。
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表 1 近系统电源侧三相故障时各开关处的电流相位情况
线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -77.99 0 区内 是 K2 109.30 1 BC K3 100.42 1 区外 是 K4 100.42 1 CD K5 81.66 1 区外 是 K6 81.66 1 
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表 2 近系统电源侧相间故障时各开关处的电流相位情况
线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -71.35 0 区内 是 K2 116.02 1 BC K3 107.31 1 区外 是 K4 107.31 1 CD K5 88.64 1 区外 是 K6 88.64 1
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表 3 近分布式电源侧故障时各开关处的电流相位情况
线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -75.60 0 区外 是 K2 -75.60 0 BC K3 -82.51 0 区外 是 K4 -82.51 0 CD K5 -99.29 0 区内 是 K6 73.31 1
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表 4 逆变式分布式电源接入时各开关处的电流相位情况
线路 分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB K1 -75.33 0 区外 是 K2 -75.33 0 BC K3 -82.12 0 区内 是 K4 97.55 1 CD K5 79.04 1 区外 是 K6 79.04 1
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表 5 高相间过渡电阻时，各开关处的电流相位情况
线路 所选
方案分段
开关号正序分量
值/(°)本站0/1
信号判定
方向判断是
否准确AB 本文方案 K1 -10.87 0 区外 是 K2 -10.87 0 文献[13]方案 K1 -3.05 — 区外 是 K2 -3.05 — 传统方案 K1 — 区外 是 K2 — BC 本文方案 K3 -15.05 0 区内 是 K4 165.09 1 文献[13]方案 K3 -5.34 — 区外 否 K4 9.64 — 传统方案 K3 — 区外 否 K4 — CD 本文方案 K5 149.58 1 区外 是 K6 149.58 1 文献[13]方案 K5 35.53 — 区外 是 K6 35.53 — 传统方案 K5 — 区外 是 K6 —
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