图1 有源配电网示意图
Fig.1 Schematic diagram of active distribution network
摘要 随着“双高（高比例清洁能源、高比例电力电子装置）电网”的普及，逆变型与旋转型分布式电源（DG）接入配电网的渗透率越来越高，其对小电流接地故障暂态特征及暂态检测的影响尚需进一步明确。该文建立了有源配电网接地故障等效电路，研究了不同DG类型（旋转型、逆变型）、接入位置及接入数量时接地故障暂态特征的变化规律，并分析其对暂态选线/定位原理与装置性能的影响。结果表明，由于DG接入不改变故障零模网络，现有利用暂态零模信号的选线与定位方法在原理上仍能适用；旋转型DG将使故障暂态电流的主谐振频率及幅值增大，衰减时间分布范围扩大，相应地，接地故障检测装置的采样频率与电流测量范围应适度增加。仿真验证了该文结果的正确性。
关键词：有源配电网 分布式电源 小电流接地故障 暂态特征 暂态选线 暂态定位
对于不含分布式电源（Distributed Generation, DG）的常规不接地与谐振接地方式配电网，现阶段关于单相接地（即小电流接地）故障稳态及暂态特性的研究已较为成熟，并提出了一系列接地故障选线及定位方法，其中利用暂态信号的选线与定位装置近年在现场得到了广泛应用[1-6]。随着逆变型、旋转型DG在配电网中的应用范围越来越广泛、渗透率越来越高[7-12]，亟须明确有源配电网中小电流接地故障的暂态特征如何变化、已有选线定位方法是否继续适用、已有检测装置性能能否继续满足要求等一系列问题。
关于DG接入对小电流接地故障特征的影响方面，文献[13]认为DG的接入会影响故障后各相之间的工频与暂态电容电流的分布，对于各条线路出口的零序电流几乎不影响；文献[14]提出DG并网变压器高压侧采用三角形联结时，不影响系统零序电流分布，采用星形联结并中性点接地时，零序电流大小和分布均受DG容量影响，但由于会改变系统接地方式，现场很少应用；文献[15]提出，单DG接入配电网时仅改变了系统正序网络拓扑，对零序网络没有多大影响，零序电流在系统中的分布与常规配电网相同。综合上述文献，关于有源配电网中小电流接地故障，可以得到定性结论：DG接入不会影响零模网络中的暂态电气量分布，但会改变线模网络的暂态电气量分布。上述分析均未区分逆变型DG和旋转型DG的不同作用，未就接地故障暂态电气量自身的特征（如主谐振频率、幅值、衰减速度等）变化给出量化结论，也未涉及已有暂态检测方法与检测装置性能的适用性问题。
本文建立了有源配电网单相接地故障等效电路，分析了不同DG类型、接入位置及接入数量对接地故障等值网络的影响，研究了DG接入对故障暂态过程及暂态电气量分布特征的影响，进而分析了DG接入对接地故障暂态选线、定位装置适应性的影响，并利用数字仿真和现场数据进行了验证。
如图1所示为典型的含DG的10kV小电流接地系统配电网示意图。其中，T1为110kV/10kV主变压器；T2为接地变压器；Lp为消弧线圈电感；开关S闭合为经消弧线圈接地系统、打开为不接地系统；共有n条出线L1、L2、…、Ln；设单相接地故障发生在L1上，F为故障点位置；DG1与DG2为线路L1故障点上游、下游的分布式电源，DGx为健全线路接入的分布式电源；T3、T4、Tx为DG并网变压器，为了不改变系统接地方式，其高压侧均采用不接地方式；PCC1、PCC2、…、PCCx为并网连接点。
图1 有源配电网示意图
Fig.1 Schematic diagram of active distribution network
根据图1建立有源配电网单相接地故障等效电路如图2a～图2c所示，分为故障线路不含DG时、故障线路下游含DG时、故障线路上游含DG时单相接地故障等效电路，后文研究主要基于以上三种等值网络进行分析。由于并网变压器高压侧采用不接地方式，DG的接入对故障等效电路的零模网络无影响，仅影响线模网络（1模、2模网络）。其中，uf为故障点虚拟电源，u1f、u2f、u0f分别为其1模、2模和零模分量；Rf为故障点过渡电阻；Z1a1、Z1a2分别为PCC1点到母线和故障点的1模阻抗，Z1b1、Z1b2分别为PCC2点到故障点和线路末端的1模阻抗，Z1Ln1、Z1Ln2分别为PCCx点到母线与到线路末端的1模阻抗，Z1L2为不含DG的健全线路L2的1模阻抗，Z1T为主变压器的1模阻抗，Z1d1、Z1d2及Z1dn分别为故障线路及健全线路L2、Ln负荷的1模阻抗，Z1DG1、Z1DG2、Z1DGx分别为故障线路上游、下游及某条健全线路的DG与其并网变压器的综合1模阻抗；Z0a、Z0b分别为故障线路故障点上游区段和下游区段的零模阻抗，C0a、C0b分别为故障线路故障点上游区段和下游区段的零模分布电容，C02、C0n分别为健全线路L2和Ln的零模分布电容，Z0L1、Z1L2分别为健全线路L2和Ln的零模阻抗。
图2 有源配电网单相接地故障等效电路
Fig.2 Single-phase earth fault equivalent circuit of active distribution network
图2d为小电流接地故障复合网络模型：从故障点看，Z1a(Z1b)、Z2a(Z2b)、Z0a(Z0b)分别为故障点上游（下游）1、2、0模阻抗；i1a(i1b)、i2a(i2b)、i0a(i0b)分别为故障点上游（下游）1、2、0模电流。
DG及并网变压器的线模等效电路如图3所示，其中，LT、RT分别为并网变压器的漏感和漏阻，Lm、Rm分别为并网变压器的励磁电感和励磁电阻，Ls、Rs分别为DG的等效线模电感和电阻。
图3 DG及并网变压器线模等效电路
Fig.3 Line-mode equivalent circuit of DG and transformer
DG及并网变压器的综合等值线模阻抗Z1DG为
（1）式中，ZT=RT+jωLT、Zm=Rm+jωLm分别为变压器的漏阻抗和励磁阻抗；Zs=Rs+jωLs为DG等效阻抗。
对于并网变压器，其漏阻抗很小，一般为数欧姆左右，而其励磁阻抗很大，可达数千到数十千欧姆。以型号S9-2500/10(6)，电压比为10.5kV:0.4kV，容量为2.5MV·A的并网变压器为例，|
|=2.56Ω，|
|=5 435Ω。对于旋转型DG，文献[16-18]将其输出特性等效为电压源特性，那么当其接入小电流接地系统时，其本身等效阻抗远小于线路阻抗与变压器励磁阻抗，这时等效阻抗
在单相接地故障分析中所起的作用可以忽略。
因此由式（1）可得，旋转型DG接入时有
（2）也即，其在线模网络的作用类似于小容量电源（即主变压器），将影响故障点上游、下游或健全线路的线模阻抗。
对于逆变型DG，文献[17-18]将其输出特性等效为电流源特性，那么当其接入小电流接地系统时，其等效阻抗远远大于线路阻抗与变压器励磁阻抗，其等效阻抗在接地故障分析中的作用接近于无穷大。
因此由式（1）可得，逆变型DG接入时有
（3）那么，其在线模网络的作用类似于大容量负荷，几乎不影响线模网络。
同时，由于接地故障电流较小，系统正序电压仍处于DG正常运行范围（一般为0.9(pu)～1.1(pu)）之内，且DG本身必须要具有一定的低电压穿越能力，此时DG运行状态不调整，其等效阻抗在接地前后保持不变。
本节以下分析中主要针对旋转型DG。
根据图2a所示故障线路不含DG时单相接地故障等效电路与图2d小电流接地故障复合网络模型图可知，故障点上游线模阻抗Z1a由各健全线路线模阻抗（
）与各自负荷线模阻抗（
）串联后（DGx接入某健全线路n），共同与变压器线模阻抗
并联，最后再与故障点上游故障线路线模阻抗（