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有源配电网的故障检测和保护

电力系统故障检测与保护

2013年1月15日

有源配电网的故障检测和保护

0引言

为了满足用户对电能日益增长的需要，保证用电的可靠性和电能质量，太阳能发电、燃料电池、风能等分布式电源（DistributedGeneration,DG）并网发电变得越来越普遍。

分布式电源通常连接到配电网上，直接向当地负荷供电，其容量一般小于50MW[1,2]。

传统配电网中由于DG的大量接入，形成了有源配电网（ActiveDistributionNetwork），也叫主动配电网。

有源配电网指的就是DG高度渗透、功率双向流动的配电网络。

所谓“高度渗透”是指分布式电源容量足够大，接入分布式电源对配电网的潮流、短路电流产生了实质性的影响，使得传统配电网的规划设计、保护控制、运行管理方法不再有效。

有源配电网的概念是相对于对DG接入容量做出严格限制的配电网而提出的，它是让DG尽可能地多发电（特别是对可再生能源）、充分地发挥其对配电网的积极作用以及节省整体投资，DG的容量客观上是可以替代一部分配电容量的[3]。

因此，考虑DG对配电容量的替代作用，是有源配电网的一个重要特征。

有源配电网使配电系统发生了根本性的变化：

将一个辐射式的配电网络变为一个遍布电源和用户互联的配电网络，其目的是加大配电网对于可再生能源的接纳能力、提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资，以及提高用户的用电质量和供电可靠性。

有源配电网作为未来智能配电网的一种发展模式，欧美国家正积极开展相关技术的研究。

目前，欧盟已经在丹麦、西班牙以及英国等地深入开展了有源配电网技术研究及示范工程建设。

其中最具影响力的是欧盟FP6主导的ADINE（即activedistributionnetwork）示范工程，其核心理念是利用自动化、信息、通信，以及电力电子等新技术实现对大规模接入DG的配电网进行主动管理（activenetworkmanagement）[4]。

ADINE示范工程通过实例演示了有源配电网管理系统是如何与含大规模DG的有源配电网进行交互，从而解决有源配电网中的保护、电压控制、电能质量、故障穿越和孤岛运行等一系列问题。

ADINE示范工程的实例表明，通过有源配电网管理技术，DG在配电网的接入更加容易，还可以优化网络的运行状况。

2012年以来，中国也在大量开展有源配电网及其相关技术领域的深入研究。

本文将阐述有源配电网的含义及其内在特征，并在此基础上系统论述有源配电网孤岛保护相关关键技术。

1有源配电网的含义及特征

根据CIGREC6.11工作组的工作报告，有源配电网可定义为：

可以综合控制分布式能源（DG、柔性负载和储能）的配电网，可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理，分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用。

有源配电网在微网对于DG协调控制技术的基础上，注重信息价值的作用，并且采用自上而下的设计理念，同时关注局部区域的自主控制（如微网）和全网的最优协调，是一种可以兼容微网及其他新能源集成技术的开放体系结构，是智能配电网发展的高级阶段。

此外，从规模效益来看，有源配电网是在整个配电网层面对可再生能源进行消纳，其对于可再生能源的接入半径更大，可接入的可再生能源容量规模更大，因此对绿色清洁能源的利用也更多[4]。

有源配电网与传统的配电网有明显的区别，主要表现以下几个方面[4]。

1）间歇式能源消纳

传统的配电网采用就地消纳间歇式能源模式，若间歇式能源所发电力过剩，配电网本身没有调节能力，无法上送配电网，只能降低其出力运行；而有源配电网具有消纳间歇式能源的调节能力，若间歇式能源所发电力过剩，在满足配电网运行约束的条件下，通过柔性负荷以及多层次电网的分层消纳能力消纳过剩的间歇式能源。

2）DG的调度

传统的配电网中DG用来平衡本地负载，由于功率无法上送至配电网，无法参与配电网的最优潮流运行；而在有源配电网中，通过源网的协调控制系统，将DG作为可控可调度机组参与最优潮流的运行调度。

3）DG的保护

传统的配电网出现故障时，DG退出运行；而在有源配电网中，当配电网出现故障时，允许在有源配电网的管理系统协调控制下，继续给非故障区域的重要负荷供电。

4）DG的监控

传统的配电网中独立建立DG监控系统，无法与配电自动化协调控制；而在有源配电网中，DG监控系统与配电自动化系统实现源网协调的一体化设计，可以协调DG与配电网的控制。

主动配电网是未来大容量DG以及多个微网接入电网运行的主要渠道。

2有源配电网的孤岛保护

在有源配电网中，分布式电源并网运行会带来一系列问题，孤岛（Islanding）就是其中之一。

一般来说，在与主系统分开以后，非计划孤岛内的功率是不平衡的，若长时间运行，必然会导致孤岛系统中电压和频率的严重偏离，造成DG及其周围负荷用电设备的严重损坏。

此外，若在主配电系统侧故障，配电系统侧保护装置动作跳闸后，非计划孤岛系统中的DG仍有可能继续向故障点提供短路电流，使故障得以维持，绝缘无法恢复，将会导致系统侧重合闸、备自投或故障后配网重构等无法正确运行，危害事故处理人员的人身安全。

因此，需要配置孤岛保护，在非计划性孤岛方式让DG退出运行。

根据所利用信息的不同，孤岛保护可分为基于通信的保护与基于本地测量信号的保护两类，而基于本地测量信号的保护又根据所利用信息的来源分为无源保护与有源保护。

基于通信的孤岛保护是利用在系统中传输断路器跳闸信号或载波信号，通过检测信号综合判断是否出现孤岛运行。

无源保护通过检测并网发电系统与电网连接处电压或频率等的变化来判断是否出现孤岛运行。

有源保护是在DG的输出中加入扰动信号，通过检测系统中电压、频率以及阻抗等的相应变化，以确定电网的存在与否。

图1分布式电源并网运行系统图

2.1基于通信的孤岛检测方法

目前提出的基于通信的孤岛检测方法主要有两种，一种是传输断路器跳闸信号孤岛检测法，一种是电力线载波通信孤岛检测法（简称载波孤岛保护）。

1.传输断路器跳闸信号孤岛检测法[5,6]

它是监控所有DG与电网之间的断路器和自动重合闸的状态，一旦发现有开关操作使一部分配电网与主网脱离，即通过中央处理算法确定孤岛范围，跳开分布式电源并网开关。

该方法的优点是实时性强，检测速度快，稳定性高；对电网系统正常运行无影响。

主要缺点是成本高、执行复杂；对于多重网络拓扑，需要一个中央算法处理；当自动重合闸和配电线路的拓扑结构发生变化时，运算算法需要及时更新配电网拓扑信息；为保证方案的可靠性，必须连续发送信号，所以需要大量的通信做支持，对于无线电和电话线不能覆盖的有源配电网，若采用此方法代价难以评估[3]。

2.载波孤岛保护[7]

载波孤岛保护的原理图如图2所示。

从变电站母线向系统注入载波信号，利用电力线路将信号在配电网中传输开来，每个DG设备均装设信号接收器，如果接收器没有检测到该注入信号，则说明变电站和该DG设备之间的断路器可能跳闸，认为DG处于孤岛运行状态，孤岛保护立即动作，将DG从电网中切除。

其中，信号发生器有几个辅助输入，任一输入停止发送信号都将导致信号发生器停止向系统注入信号，使DG从电网中切除。

图2载波孤岛保护原理

该方案能可靠执行，必须满足以下几点要求：

l）注入信号必须是连续的。

因为一旦信号中断，基于以检测信号的连续性为基础的该方案，可能认为DG与变电站母线之间的断路器跳闸，导致保护误动作。

2）注入信号在整个有源配电网中能可靠地传输，经过变压器或系统对地电容时信号衰减不能太大。

因为变压器的串联电感将中断高频信号，所以注入信号必须使用低频信号。

3）注入信号应与电力系统中的任何可能产生的信号区别开来。

为了方便检测，不受电力系统中其他固有信号的干扰，次谐波信号或不同频率信号的混合信号是比较理想的选择。

该方法的优点是当配电网中的分布式电源密度增加时，信号发生器仍可以共用，不需要增加；信号接收器只检测信号的连续性，可靠性相对较高；不受配电网络拓扑结构变化的影响；注入信号对系统计量、检测等干扰较小，对输出电能质量和系统的暂态响应影响很小；利用电力线本身作为信号的通道，易于实现，投资相对较小。

缺点是信号发生器为低压设备，需通过一个升压变压器连接在变电站母线上，如果有源配电网中只有一台或两台分布式电源，成本需要考虑；系统中的噪声和谐波等干扰信号可能影响信号接收器对载波信号的检测结果，注入的载波信号可能干扰其它电力线路载波通信，如自动读表等。

另外，该方法没有考虑信号发生装置故障和系统故障等因素对信号传输和信号接收情况的具体影响，保护存在误动和拒动的可能，检测原理还需要进一步完善，离实用化还有很大的距离。

2.2无源保护方法（被动式孤岛保护方法）

被动法是通过检测电网断电时逆变器输出的端电压幅值、频率、相位、谐波是否出现异常来判断是否产生孤岛。

主要包括低频低压、高频高压、关键电量变化率检测法、矢量移向法和功率波动法等。

1.低频低压与高频高压检测[8,9]

DG并网运行时，频率和电压不会有很大的波动，总能够在允许的范围之内。

出现孤岛时，若干负荷不匹配，则频率和电压的很难维持稳定，由此可以作为孤岛发生的判据。

频率判据：

当检测到的频率在49.5～50.5Hz之间时，认为DG处于并网状态，而低于49.5Hz或高于50.5Hz时，认为DG处于孤岛状态。

电压判据：

当检测到的电压在电网额定电压的90～108%之间时，认为DG处于并网运行状态。

而低于90%或高于108%时，认为DG处于孤岛状态。

利用低频低压与高频高压法检测孤岛状态的优点是原理简单、实现方便，但由于仅反映频率及电压的大小，容易受重负荷切换或大电源跳闸等原因引起的频率、电压变化的影响，误动率较高。

此外，如果孤岛部分的功率基本平衡或发电机有一定的调节能力，形成孤岛以后频率电压也可能基本不变，或变化不超出整定的范围,将会造成孤岛状态的漏检。

所以这种检测方式一般仅用在较小容量的分布式发电设备上或仅作为一种辅助的检测手段。

2.电压谐波检测法[10]

电压谐波检测法的原理是通过监控逆变器端电压的总谐波畸变（THD），一旦THD超出了设定的阂值，就会检测到孤岛的发生。

在逆变器的输出电流中总是会不可避免地包含一些谐波信号，并网运行的时候，由于电网是低阻抗电压源，所以逆变器的端电压谐波畸变非常低，谐波畸变数值

当发生孤岛现象时，逆变器的端阻抗将会增大，这导致输出谐波电流促使端电压电压谐波也增大。

3.关键电量变化率检测法[11]

孤岛发生以后，由于系统的不稳定，功率、频率等电量都比较敏感，其变化率将增大，可以通过检测功率变化率、频率变化率、谐波畸变率、不平衡度、频率对功率的偏导等变量值是否超出限值来判断孤岛的产生。

4.一种新的被动式孤岛检测方法[12,13]

该方法以并网公共连接点（pointofcommoncoupling,PCC）处频率变化与负荷电压变化之比

作为检测指标，利用其计算值与所给门槛值相比较来判断并网系统是否发生孤岛现象。

该方法检测盲区较小。

被动检测法优点：

由于并网逆变器本身的控制策略就需要检测端电压，此法不需要增加额外的硬件电路或者独立的保护继电器；对电网无干扰，对电能质量无影响；在多台逆变器下，检测效率不会降低。

被动检测法缺点：

检测盲区（NDZ）较大；门槛阈值难以设定，既要高于正常运行时的值，又要小于孤岛时的值。

为了减小NDZ，常提高装置的灵敏度，但会引发设备无故障误跳闸，影响系统的正常运行；在某些特定的情况下，NDZ很大；某些参数不能直接测量，需要复杂的计算才能得到，其计算误差以及计算时间对检测效果也会产生影响。

被动法适用范围：

被动法一般与主动法结合起来运用，应用于负载频率变化不大，且与逆变器的功率输出不匹配的场合。

2.3有源保护方法（主动式孤岛保护方法）

主动检测通过控制DG对系统施加一个外部干扰，然后监视系统的响应来判断是否形成孤岛，一般是通过调制DG的有功或无功输出，检测电压和频率的响应变化。

主要包括阻抗测量法、特定频率的阻抗测量法、电抗插入法、Sandia电压偏移法、输出功率扰动法、主动频率偏移法、带正反馈的主动频率偏移法、频率突变检测法、滑模频率漂移法、自动相位偏移法、Sandia频率偏移法、电压前馈正反馈检测法、负序电压正反馈检测方法等。

1.阻抗测量法（主动电流干扰法）[14]

它通过逆变器向电网周期性地注入电流幅值扰动，使其输出功率发生变化，进而使输出电压改变。

当并网运行时，由于电网阻抗很小，由电流幅值变动产生的电压改变很小；当电网断开时，由于负载阻抗较大，引入扰动后的电流与负载阻抗相乘得到的电压会明显地变化，触发过/欠压保护动作。

2.特定频率的阻抗测量法[11]

通过逆变器人为地注入特定频率的电流谐波，逆变器并网运行时，谐波电流流入电网，不会出现异常电压；孤岛情况下，谐波电流流入本地负载，如果负载是线性的，那么注入的谐波电流将在负载上产生谐波电压，当谐波电压足够大时，则可检测到孤岛。

3.电抗插入法[15]

在DG与本地负载容量匹配的区域附近的继电器上加装可自动投切的电感或者电容，改变系统负载阻抗，当市电故障时，即将电感或者电容并入，通过无功功率破坏系统平衡，可以通过检测到电压、频率的异常变化来判断是否发生孤岛。

4.Sandia电压偏移法[10]

对逆变器的输出电流有效值或有功调节环施加正反馈，使电网断开后，公共点电压能很快地偏离正常范围，从而检测出孤岛状态。

5.输出功率扰动法[16]

通过在逆变器的输出有功功率P或无功功率Q中周期性地加入扰动，当电网断电后，扰动值足够大时，将会使公共耦合点电压或频率发生明显变化，从而检测到孤岛的发生。

6.主动频率偏移法（AFD）[8,14]

通过周期性地在逆变器输出电流的频率中引入微小变化

，电网正常工作时，由于PLL作用，输出电流频率与电网电压进行同步，输出电流频率不会偏离额定值。

当电网断电后，为了达到负载电路的谐振频率和相角，逆变器的输出频率跟随电网电流和负载的性质变化，会持续地增减，直至超越频率额定值，孤岛状态被检测出来。

7.带正反馈的主动频率偏移法[17]

为避免因负载性质造成AFD孤岛效应检测方法效果下降，在原有的AFD法的基础上，采用周期性不间断地对逆变器输出电压进行正反两个方向的频率扰动，以消除负载性质对单一频率扰动方向的平衡作用，加速频率偏离正常值，使得NDZ进一步减小。

8.频率突变检测法[18]

按预先设定模式把死区插入到输出电流波形，每隔几个周期插入一次死区。

正常情况下，逆变器电流引起频率突变，但是电网阻止电压波动；电网断开后，可迫使对频率产生偏差，通过检测逆变器输出电压频率变化来检测孤岛。

9.滑模频率漂移法[19]

在正常并网时，由于PLL作用，电网通过提供固定的参考相角和频率，逆变器工作点稳定在工频；当孤岛形成后，引入相角偏移，公共耦合点电压频率增大，又会使偏移角进一步增大，形成正反馈，使公共耦合点的频率超出阈值，从而检测到孤岛发生。

10.自动相位偏移法[20]

在正常并网时，系统工作在电网电压额定频率以及相角为0处；当孤岛产生时，

有一个额外的相角增量

，这打破系统的平衡，在达到新的平衡点过程中，由于负载相角与频率成正比，系统输出电流为了跟上给定值，不断增大

，导致

幅值逐周期增大，增大的相角又导致

进一步增大，因此形成正反馈，最终到频率越限，检测到孤岛。

反之，稳态频率有微小减小，最终导致欠频越限，检测到孤岛。

11.Sandia频率偏移法[21]

它是对逆变器输出电压频率应用正反馈检测方法，从而强化了频率偏差。

为实现正反馈，斩波系数

定义为：

，式中：

为无频差时的斩波系数；

为加速增益；

为逆变器输出电压频率；

为电网工频。

正常情况下，逆变器输出端电压频率即电网频率；当电网断电后，在正反馈的作用下，频差随

频率和增益

的增加而增加，

也增加，

加速偏移，直至触发过频保护；反之，如果

减小，

最后变为负数，逆变器输出电流的周期大于输出电压周期。

12.电压前馈正反馈检测法[16]

为了加快检测速度，将a点电压前馈，经过预设算法得到的输出量作为电流幅值扰动量。

预设算法为：

，式中：

为电流幅值扰动量；

为反馈系数；

为a点电压峰值；

为电网电压峰值；

为周期扰动量，初始值为0，每隔1s将其设置为预设值，当

﹥

时，

=

而当

≤

时，

=

。

逆变器处于并网运行状态时，

＝

，电压出现平衡状态；当电网断电后，

>

或

≤

，根据正反馈，

一直呈上升或下降趋势，直至超出阈值，系统检测到孤岛。

13.负序电压正反馈检测方法[22]

在逆变器并网运行时引入负序电压正反馈，它不影响输出电流频率，不增加输出电流谐波，公共耦合点正常工作电压不平衡度ε可为2%~4%，正常情况下电压负序分量项很小，对输出电流影响不大；但当电网断路后，逆变器单独为负载供电，电压负序分量正反馈环路将导致负序分量呈放大趋势，根据负序分量超出预设值可判断孤岛的发生。

主动检测法的特点：

当分布式电源输出功率与负载所需功率匹配时，主动检测法仍能检测出孤岛，与被动检测法相比，其检测效率明显提高，检测盲区较小；由于引入了扰动，势必会对电能质量产生影响；控制算法过于复杂或使得输出谐波较大；在多逆变器的情况下，注入的扰动信号可能相互抵消，检测效率会有所下降。

由于无源法与有源法各有优缺点，最近有文献提出将有源法和无源法结合起来的方法，称为混合法。

文献（23,24）结合正反馈技术（positivefeedback,PF）和总谐波失真检测法（voltageunbalanceandtotalharmonicdistortion,VU/THD）原理提出一种混合孤岛检测法。

文献（25）提出一种结合电压平均变化率和有功偏移的混合孤岛检测方法，能够克服有源法和无源法的不足。

另外，还可以考虑基于广域信息的孤岛检测方法，文献（26）提出了基于双端正序电压相位差变化的新的孤岛检测判据，该方法以双端检测取代单端检测，解决单端量方法对于干扰或某些特殊故障所引起的问题无能为力的缺陷。

3.有源配电网故障分析方法简述

在有源配电网中，消弧线圈自动跟踪补偿，即跟踪实际电网电容电流的大小，实时调整消弧线圈的电感，使系统在发生单相接地故障后，消弧线圈产生的感性电流能够完全补偿系统对地电容产生的容性电流，使接地点电流减小，利于接地点电弧的自行熄灭，降低故障的危害程度，是保证电网可靠运行的一种重要技术措施[1-3]。

单相接地故障选线，即在系统发生单相接地故障后，尽快找出故障线路，在进行必要的负荷转移后，人为地将接地设备从系统中切除，能防止故障引起的过电压危害系统绝缘，引发更为严重的短路故障，是减少故障损失，提高配电网供电可靠性和用户满意度的一种主要技术措施[1-3]。

4.结论

有源配电网的推广应用能极大地提升电网对绿色能源的兼容性以及对已有资产利用的高效性，是未来智能配电网的发展趋势。

有源配电网的实施与部署必将引起传统配电网的重大变革，将彻底改变已有配电网的规划、设计以及运行方式，其关键点在于有源配电网故障计算、DG并网保护和孤岛保护原理、馈线保护原理以及保护的整定配置方法等方面取得新的突破，形成完整的有源配电网保护解决方案[27]。

不过，为了鼓励多方参与，促进技术创新，电力市场还需要进一步放宽监管、拓展交易机制，在电网管理者、系统研究开发人员、系统运行人员、供电用户以及能源供应商之间找到一个平衡点，使得未来的有源配电网成为一个开放、公平和绿色的配电网。

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