图1 某配电系统典型拓扑
Fig.1 Typical topology of distribution system
摘要 随着高比例光伏电源的接入，配电系统运行状态易发生大范围变化，常规三段式电流保护性能下降，难以快速准确动作。针对此问题，该文提出基于配电系统运行方式感知的自适应电流保护方法。首先探明光伏并网对配电系统运行方式感知的影响机理，进而构建计及光伏特性的故障暂态全频段阻抗模型，提出融合多频点计算的运行方式感知方法。在此基础上，提出配电系统自适应电流保护方法，根据运行方式计算结果快速调整保护定值，大幅提高保护性能。硬件在环测试结果表明，相较于其他方法，所提方法感知的运行方式等效阻抗最大误差降低了39.1%，保护的最小灵敏度提高了25.3%，且在各种测试工况下均能正确动作。
关键词：配电系统运行方式 光伏电源 阻抗辨识 电流保护
在国家“双碳”目标推动下，光伏装机飞速增长，2024年底达到8.9亿kW。在江苏、山东、河南等区域，配电系统光伏发电在高峰时段已超越本地负荷，展现出电能由配电网反向输送至主网的新特征[1-3]。与传统配电系统不同，光伏电源的强不确定性使得配电系统运行状态会发生大范围变化，常规电流保护难以快速准确动作[4-6]。因此，亟待研究新型配电系统自适应保护方法。
为使配电系统保护适应高比例光伏电源接入，大量研究针对配电系统保护开展了改进工况。根据保护改进对象的不同，自适应保护研究内容可以分为改进保护策略与改进电流保护整定方法。
对于改进保护策略的研究，大多倾向于借鉴输电网保护方法，例如，差动保护、距离保护等方法。文献[7-8]结合分布式电源的低电压穿越特性，修正差动量的幅值和方向特征，提出了一种有源配电系统纵联保护方法。文献[9-10]在传统保护基础上考虑分布式电源对故障电流的助增、外汲作用。文献[11]通过获取配电网保护系统的虚拟量测，提出一种新型配电系统网络化保护方案。这类方法因采用了与现有配电系统保护原理完全不同的机制，故而在工程实践中全面替代现有保护原理面临挑战，同时在配电系统中实现高速通信也存在困难。
对于改进电流保护整定方法的研究，通常从电流保护的整定公式入手，着手优化短路电流的计算方法或提升对系统运行方式的感知能力。
对于优化短路电流计算方法的研究，文献[12]根据分布式电源电流与电压的关系，提出在线自适应整定的电流保护策略。文献[13]通过高斯迭代的方法实时计算不同新能源出力下的保护定值。文献[14-15]提出了一种利用分布式新能源实时运行参数调整保护定值的方案。这类方法通过利用光伏出力信息，能够有效缓解光伏电源接入引发的保护性能退化问题。然而，由于光伏实时出力易受天气条件制约，其精确信息的实时获取难度使得该类方法难以实现。
而基于系统运行方式感知的保护改进方法研究中，工频相量信息被广泛应用，文献[16-17]采用协方差法、最小二乘法计算系统等值阻抗，但是该类方法需要依赖源荷波动特性。文献[18]利用故障分量法计算配电系统运行方式来实现保护整定，但是光伏电源建模较为理想。宽频信息也是计算系统运行方式的典型方法，文献[19]利用了新能源正常运行时的自身微小波动，文献[20]需要依赖主动注入，文献[21]需要配电系统自身存在的波动。可见，基于系统运行方式感知的保护改进方法可以就地应用，但多数方法准确计算的前提是负荷与分布式电源的动态波动，且在光伏高比例接入后会导致运行方式辨识误差较高。
针对这一问题，本文首先探明了光伏电源接入对运行方式感知的影响机理，进而构建了计及光伏特性的故障暂态全频段阻抗模型，该模型利用故障前后各5 ms数据即可量化光伏电源阻抗特征，从而利用多频点精确计算系统工频等值阻抗，且无需依赖通信或源荷波动特性。然后利用故障类型与故障方向辨识结果，提出了配电系统自适应电流Ⅰ段、Ⅱ段保护整定与校验方法，大幅提高了保护灵敏度，确保了在各种光伏出力和噪声环境下均能准确、可靠地动作。
近年来，在传统电网拓扑基础上，光伏电站和屋顶光伏大量接入电网。绘制中国南方某地区典型配电系统拓扑如图1所示，系统采用非有效接地方式，同时馈线线路和上游电网均接有光伏电源，系统具体参数见附录。
图1 某配电系统典型拓扑
Fig.1 Typical topology of distribution system
系统运行方式一般由保护背侧包括源网荷的复杂线路串并联而成，如图1的点画线部分。由于涉及上游线路不同开关、不同设备的状态而使得系统运行方式多样，例如，发电机、变压器、线路、母线检修等都会导致运行方式发生改变，一般可以利用系统工频等值阻抗大小来等效系统运行方式，配电系统运行方式等值阻抗示意图如图2所示。
图2 配电系统运行方式等值阻抗示意图
Fig.2 Schematic diagram of equivalent impedance in the operation mode of the power distribution system
对于不含有光伏电源的配电系统，可以直接利用保护安装处采集的电压、电流量计算保护背侧等值阻抗大小，如图2所示，从而实现系统运行方式的感知，计算式为
（1）
式中，
为系统等值电压源；Zs为系统等值阻抗，
、
分别为保护安装处第i时刻电压、电流相量。
对于就地的电流保护而言，仅已知单点的电压、电流测量值，因此式（1）的4个变量中包含2个未知变量。对于该欠定方程，需要获取不同时刻、不同大小的电压、电流值才能求解，故障前后时刻提供了不同大小的电压电流值，所以具备了计算条件。
（2）
式中，
和
、
和
分别为保护安装处故障前、故障后的电压和电流相量。
然而，由于海量分布式电源的接入，式（1）和式（2）不再适用。当保护安装处上游接入实时电流为
的光伏电源时，式（1）和式（2）变为
（3）
（4）
式中，
为保护安装处上游新能源第i时刻（故障前i=1，故障后i=2）电流相量。
然而光伏的出力受天气影响因而随机性较强，且在故障发生后，由于多样的故障控制策略，光伏电流也将存在多种变化可能，保护装置难以准确获得或计算得出某时刻光伏电源的实时电流大小，因此传统运行方式感知方法难以适用于含高比例光伏电源的新型配电系统。
配电系统运行方式会受到光伏并网的影响，而难以准确计算。为此提出了融合多频点计算的新型配电系统运行方式感知方法，可以就地准确计算系统运行方式，且不受光伏出力、控制策略等因素影响。
首先，多频点计算需要先明晰全频段故障分量产生的机理。当配电线路发生故障后，此时故障瞬时出现的电气量跃变可以看作是正常运行的电气量叠加一个变化到故障后的阶跃信号，故障实测录波电流波形与计算窗如图3所示。图3中蓝色数据窗的数据做拉氏变换后在理论上具有衰减后的全频段信息[6]。
图3 故障实测录波电流波形与计算窗
Fig.3 Fault measured recording current waveforms and calculation window
故障后的全频段信号产生于故障点，并流向系统左右两侧。将保护安装处测量得到的三相电压电流暂态量经过小波变换或傅里叶变换等方法[1]，从时域信息转变为频域信息，然后选取一定的频率间隔，将每一个频率下的电压值和电流值提取出来，利用式（5）计算其全频段阻抗。
（5）
式中，
、
分别为保护安装处测量得到的全频段电压、电流量；Zf(ω)为计算得到的全频段阻抗。
本节首先对光伏全频段等值阻抗进行定量计算，得到光伏在低频段阻抗不稳定且非线性、高频段阻抗稳定的结论；然后进行新型配电系统计及光伏特性的运行方式感知计算，实现高频段光伏电源阻抗与系统等值阻抗解耦；最后在多频点选取原则下，利用Huber损失函数进行拟合，得到等值阻抗计算结果，为保护调整定值提供当前状态依据。
1.3.1 光伏电源全频段阻抗计算方法
光伏电源拓扑结构如图4所示，光伏阵列经过滤波电路、逆变器连接电网。图4中，Cd为直流侧电容。Z1(ω)、Z2(ω)、Zc(ω)为滤波器参数，Z1(ω)=R1+jωL1，Z2(ω)=R2+jωL2，ZC(ω)=R3+1/(jωC)。
图4 光伏电源拓扑结构
Fig.4 Photovoltaic power source topology
光伏电源具备多样的控制策略，当频率较低时，光伏电源等值阻抗与控制策略相关；随着频率的升高，直流侧电容在高频段下相当于短路，该情况下逆变器被旁路，此时光伏的阻抗特性主要由滤波器决定。此外，光伏逆变器控制响应时间在十几至数十毫秒，而在故障初始阶段可不考虑控制策略的影响[22]。
光伏电源的逆变器根据上下桥臂的不同开关状态，可以列写8种开关状态组合，从电网侧分别以两相故障和三相故障列写光伏电源的全频段阻抗结构如图5所示。
图5 光伏电源不同故障下阻抗结构
Fig.5 High frequency impedance structure of photovoltaic power supply under different faults
由图5可以看到阻抗测量结果均为滤波电容电感的混联电路，通常情况下根据电路的并联理论，如果滤波电容支路的容抗小于并联的电感支路阻抗的1/10，则可以忽略该并联支路。因此，忽略后拓扑结构如图5a蓝色部分所示，得到光伏电源两相故障下的全频段阻抗统一表达式为
（6）
式中，ZPV(ω)为光伏电源等值全频段阻抗。
如图5b蓝色部分所示，光伏电源三相故障下的全频段阻抗约为两相故障下的全频段阻抗的一半，统一表达式为
（7）
根据图5中的8种阻抗结构与统一表达式（6）、式（7），将附表1中参数代入，得到图6，其中图6a是全频段阻抗特性图，图6b是低频段局部（图6a虚线框）放大图。可见，光伏电源在较低频率的时候，不同路径呈现差异化的阻抗特征，同时非线性特征明显，而在频率较高的时候呈现一致性的阻抗特征，因此在下一步计算配电系统运行方式时，通过计算高频段阻抗可以量化光伏影响，从而准确计算运行方式的工频阻抗。
图6 光伏电源全频段阻抗特性
Fig.6 Full frequency impedance characteristics of photovoltaic power source
1.3.2 融合多频点计算的配电系统运行方式感知方法
在图1中FH线路上设置故障点，电流故障高频段分量流通路径如图7所示。图中，ZL1(ω)、ZL2(ω)分别表示FH、HJ线路等值全频段阻抗；ZLoad1(ω)、ZLoad2(ω)分别表示H、J负荷等值全频段阻抗。
图7 配电系统高频段分量流通路径
Fig.7 High frequency component flow path of distribution network
对于保护1而言，此时保护安装处测量得到的高频段阻抗为系统高频段阻抗与光伏高频段阻抗的并联，即
（8）
利用1.3.1节式（6）、式（7）计算得到的光伏高频段阻抗，与保护安装处计算得到的高频段阻抗式（8），即可进行系统高频段阻抗的准确计算，从而完成系统高频段阻抗与光伏高频段阻抗的解耦。
（9）
然后，将多频点的计算结果进行拟合。本文采用Huber损失函数对所选频段的阻抗测量结果进行拟合[23]，该方法抗扰性强，面对异常点时仍具有较好的拟合效果。首先定义高频段阻抗与频率的关系为
（10）
式中，α与β分别为线性拟合的截距和斜率；ε为独立同分布的误差项。
定义残差e为
（11）
则Huber损失的目标函数为
（12）
式中，a、b分别为所选频段的下限和上限；δ为调节参数，控制损失函数对离群值的敏感度。
通过求解该方程，最终得到拟合结果α与β，代入式（10）得到全频段阻抗拟合值，寻找工频下的阻抗Zs.est大小即完成运行方式计算。下一步通过调整保护定值大小而实现保护性能的提高。
1.3.3 多频点选取原则
运行方式感知的频点选取原则主要从测量准确性出发，有以下选取原则：
（1）由于光伏电源结构拓扑复杂，在1.3.1节光伏不同频率的阻抗计算过程中进行一定的忽略，需要保证所选频率f可以使得C的容抗小于L1电抗的十分之一，即
（13）
（2）光伏并网系统一般包括LCL滤波电路，而电容、电感的交互影响会导致某些频率点阻抗计算误差较大，应避免谐振频率点。
（14）
（3）根据采样定理，频率不应超过采样频率
的一半，才能实现准确测量。
（15）
（4）最大频率的数值应低于互感器、变压器的有效高频段线性响应范围上限，以确保高频段信号的幅值、相位均可被有效检测。根据相关文献[24-25]的分析，电流互感器可在数千赫兹甚至数万赫兹频段以内实现高频信号的有效传变，电压互感器、变压器仅可在数千赫兹频段内具备有效的信号传变能力，因此综合考虑选取
（16）
实际应用中，可根据实际情况调整具体频点选择。本文参数选取参考附录，经过计算，按照上述选取原则，应选取范围为451～2 000 Hz，同时考虑一定裕度，本文频点选取范围为700～1 300 Hz。
如图7所示，对于故障上游的保护1而言，此时保护安装处测量得到的全频段阻抗如式（8）所示。由于阻抗包含阻性分量与感性分量，而感性分量大小与频率正相关，因此在高频段时，阻抗应以感性为主。同时，考虑此时保护1的电流正方向与高频段故障电流方向相反，因此理论上高频段阻抗相位为-π/2。
对故障下游的保护2而言，此时保护2的电流正方向与高频段故障电流方向相同，因此理论上高频段阻抗相位为π/2。
可见，借助高频段阻抗相位作为辅助判据可以有效区分故障方向，同时考虑互感器测量误差、高频段计算误差等影响，故障正方向判据为
（17）
同时，式（17）判据还可以进行故障类型的判断，故障相高频段阻抗相位约为-π/2，而非故障相由于没有明显电压突变量而不为-π/2。
2.2.1 自适应电流保护整定原则
对于电流保护Ⅰ段，为了保证和下级线路保护的有效配合，整定值必须大于线路末端发生故障时的故障电流。
（18）
式中，
为保护Ⅰ段可靠系数；
为最大运行方式线路末端发生三相短路的电流大小；
为保护Ⅰ段整定值；tI为Ⅰ段延时。
对于电流保护Ⅱ段，整定原则是保护线路全长，并与下一级线路Ⅰ段保护进行配合，即
（19）
式中，
为保护Ⅱ段可靠系数；
为下一条线路保护Ⅰ段整定值；
为下一条线路保护Ⅰ段整定值；
为Ⅱ段延时；Dt为级差。
在电流保护整定过程中，一般为大方式进行整定，小方式进行灵敏度校验。当系统最大运行方式与最小运行方式相差较大时，将导致保护难以同时满足选择性与灵敏性。此时通常需要牺牲速动性，导致保护动作时间大大延长。
当具备系统运行方式感知后，此时保护整定过程中不再区分最大或最小运行方式，均采用当前的运行方式感知结果即可，此时式（18）中短路电流大小为
（20）
式中，ZL为本级线路阻抗。
电流保护Ⅲ段作为后备保护，其整定原则是躲过负荷最大电流，因为负荷电流受运行方式影响较小，因此按照最大运行方式下的最大负荷电流进行整定即可，并充分利用级差配合实现保护的最后防线。由于与常规电流保护Ⅲ段无异，在此不进行Ⅲ段的相关分析。
2.2.2 自适应电流保护灵敏度分析
电流保护灵敏度与可靠系数、故障类型、运行方式、线路长度息息相关。传统电流保护Ⅰ段灵敏度表示为
（21）
式中，
为自适应保护Ⅰ段灵敏度；k3为三相故障系数，一般为1；k2为两相故障系数，一般为
；Zs.min、Zs.max分别为系统工频等值阻抗最小值、最大值。
同时，代入运行方式感知结果与故障类型辨识结果，自适应保护Ⅰ段的灵敏度，即保护范围为
（22）
根据相关标准要求[26]，电流Ⅰ段保护的灵敏度应不小于线路全长的15%～20%。
可见，自适应电流Ⅰ段保护的灵敏度与可靠系数、系统阻抗与保护线路阻抗大小的比值有关。对于不同的灵敏度大小，可以得到可靠系数和系统阻抗与保护线路阻抗大小的比值的关系，如图8所示，本文综合考虑保护范围不易过大以避免引起下级保护误动，将电流Ⅰ段保护的灵敏度设置为70%。
图8 可靠系数与阻抗比值关系
Fig.8 Relationship between reliability coefficient and impedance ratio
不同于常规保护可靠系数选取固定值，自适应保护可以根据当前系统阻抗的感知结果来实时修改可靠系数，保证灵敏度。同时设置可靠系数最低阈值1.1，防止测量误差等情况影响保护误动。
（23）
对于自适应电流保护Ⅱ段，一般需要与下一级保护的Ⅰ段进行配合，灵敏度计算公式为
（24）
式中，
为自适应保护Ⅱ段灵敏度；可以取定值1.1；kn为不同故障类型系数（两相故障时n=2，三相故障时n=3）。
本文提出的基于配电系统运行方式感知的自适应电流方向保护方法具体流程如图9所示。其中，保护采用常规电压、电流突变量启动判据。
所提保护方法具体步骤如下：
（1）终端实时采样电压、电流运行数据，并实时判断是否达到故障启动判据，即电压或电流突变量达到阈值。
（25）
（26）
图9 所提保护流程
Fig.9 Proposed protection process
（2）保护启动后，利用故障前后各5 ms的电压、电流测量数据进行系统运行方式感知计算。同时根据高频段阻抗相位判断故障方向，若保护位于故障上游则继续；否则保护返回。
（3）判断故障类型是三相故障或两相故障，根据系统工频等值阻抗感知大小，计算自适应电流保护Ⅰ段、Ⅱ段保护定值与灵敏度，并根据计算结果更新保护定值。
（4）判断电流大小是否达到保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定值，若达到定值，则按照经过延时后保护跳闸；否则，保护返回。
为了验证所提自适应电流保护方法的有效性，在RTDS实时仿真平台中搭建了图1所示的拓扑进行半实物仿真实验，如图10所示。保护装置是北京四方公司CSC-271F馈线远方终端，该终端基于ARM和ZYNQ，计算速度可达到667 MHz，自适应保护算法总计算耗时约5 ms，具体参数见附表1。
图10 自适应保护装置半实物仿真平台
Fig.10 Semi-physical simulation platform of adaptive protection device
在图1所示的配电系统拓扑中，保护上游光伏出力15 MW，以配电系统等值阻抗为1.64 Ω、发生ABC金属性故障为例。利用式（9）计算所选频段阻抗幅值，结果如图11a所示，图中蓝色虚线为利用式（10）～式（12）基于计算值的拟合线，延长至50 Hz得到工频阻抗大小。可见，系统等值阻抗计算值Zs.est为1.57 Ω，与理论值1.64 Ω非常接近，误差为4.26%，可有效地为保护提供准确的运行方式感知结果。
下面验证不同过渡电阻对所提配电系统运行方式感知方法的影响，通过设置三相故障（RfABC）、两相故障（RfAB）下的不同过渡电阻大小，得到结果如图12所示。可见，所提方法不受过渡电阻影响。
图11 不同运行方式下等值阻抗计算结果
Fig. 11 Equivalent impedance calculation results under different operating modes
图12 过渡电阻对所提运行方式感知方法的影响
Fig.12 The influence of transition resistance on the perception method of the proposed operating mode
下面对所提运行方式感知方法与目前研究中的其他方法进行对比。考虑在配电系统实际运行中，发电机、线路、变压器、母线发生检修等情况需要停用或备用时，会导致保护上游开关具有不同的开闭情况，可以得到四种不同的配电系统运行方式Case 1～4，其等值阻抗分别为0.82、1.13、1.52、1.64 Ω。计算结果如图11b所示，同时与协方差法[16]、最小二乘法[17]、故障分量法[18]进行对比。
可见，在高比例光伏电源接入配电系统下，所提方法在四种运行方式下的最大误差为8.5%，而其他方法的最大误差为18.9%、14.0%、25.6%，误差最小降低了39.3%。
需要额外说明的是，以上计算均是在已知光伏电源相关参数下进行计算的。由于实际保护计算中，光伏参数可能与本文参数出现一定的偏差，从而给系统运行方式带来一定的计算误差[27-29]，下面进行光伏实际参数与计算参数（附表1）出现偏差（+50%表示实际参数比计算参数多50%，-50%表示实际参数比计算参数少50%）时，系统运行方式（Zs=1.64 Ω）的计算验证。不同光伏电路参数对系统运行方式辨识的影响见表1。
表1 不同光伏电路参数对系统运行方式辨识的影响
Tab.1 The influence of different photovoltaic circuit parameters on the identification of network operation mode
电感变化范围(%)电容变化范围(%)Zs.est /Ω误差(%) +5001.676.1 0+501.574.3 +50+501.665.5 -5001.555.5 0-501.574.3 -50-501.564.9
由表1可见，当光伏实际参数与计算参数出现一定偏差时，计算结果的误差可以接受。主要原因是，根据变压器理论可知，当光伏箱式变压器电压比为10.5 kV/ 0.38 kV时，箱式变压器高压侧进行光伏电源高频段阻抗与系统阻抗解耦时，由于感知的光伏电源阻抗较大，参数一定范围内变化不会导致误差显著提高。
首先验证所提故障类型与方向辨识方法，在3.1节的仿真场景下进行计算，判别结果如图13所示。由图13可见，故障上游保护B相、C相作为故障相，与2.1节的理论推导一致，相位在-π/2左右；而A相作为非故障相，与其他两相相位相差较远。
图13 故障类型与方向辨识结果
Fig.13 Fault type and direction identification results
故障下游保护故障相则为π/2左右，可以利用式（17）相位区分故障上游与下游。
下面分别修改运行方式、光伏出力、噪声来验证所提自适应保护Ⅰ段、Ⅱ段的性能。首先设置故障为ABC三相故障，过渡电阻为0.7 Ω，在每个测试项目过程中，其他未提到的参数中运行方式设置为Case 4、光伏出力设置为5 MW、不添加噪声，自适应电流保护Ⅰ段性能测试结果见表2。由表2可见，常规保护在测试故障场景下几乎无法正确动作，且不具有保护范围。传统运行方式感知的保护方法可以有效地改善常规保护性能，但仍旧在光伏大出力情况下难以正确动作。所提保护在测试故障场景下均能正确动作，且自适应Ⅰ段保护的灵敏度（保护范围）均在限值70%左右，远高于其他保护方法的灵敏度。
下面测试自适应电流保护Ⅱ段性能，修改故障为BC两相故障，过渡电阻为0.01 Ω，自适应电流保护Ⅱ段性能测试结果见表3。由表3可见，常规保护在测试故障场景下几乎无法正确动作，灵敏度仅为0.77。传统运行方式感知的保护方法同样在光伏大出力情况下难以正确动作。所提保护在测试故障场景下均能正确动作，且自适应Ⅱ段保护的最小灵敏度相较于其他保护的最小灵敏度提高了25.3%。
最后需要说明的是，本文提出的配电系统运行方式感知方法不受过渡电阻影响。然而，由于所提保护方法是基于常规电流保护原理进行改进的，因此仍难以应对高过渡电阻场景。尽管如此，相较于常规保护和传统方法，其保护范围显著提升，有效地增强了系统的适应性。
表2 自适应电流保护I段性能测试结果
Tab.2 The performance test results of adaptive current protection I section
测试项目参数设置Zs /Ω短路电流仿真值/kA常规配电系统保护基于传统运行方式感知方法的配电系统保护方法[18]所提运行方式感知的配电系统自适应电流保护方法 (%)动作情况Zs.est/Ω(%)动作情况Zs.est/Ω(%)动作情况 运行方式case 10.823.493.35-5.5√0.793.4055.2√0.891.223.3070.9√ case 21.133.083.35-5.5×1.102.9648.8√1.191.202.9669.6√ case 31.522.593.35-5.5×1.492.5640.8√1.441.172.5469.1√ case 41.642.493.35-5.5×1.592.4738.3√1.731.152.2770.9√ 光伏出力0 MW1.642.313.35-5.5×1.632.0338.3√1.711.152.2870.7√ 10 MW1.642.643.35-5.5×1.342.7038.8×1.611.162.3769.7√ 15 MW1.642.783.35-5.5×1.222.8338.3×1.571.162.4169.3√ 噪声45 dB1.642.493.35-5.5×1.592.4738.3√1.721.152.2870.8√ 40 dB1.642.493.35-5.5×1.592.4738.3√1.731.152.2770.9√ 35 dB1.642.493.35-5.5×1.602.4638.3√1.751.152.2571.1√
表3 自适应电流保护Ⅱ段性能测试结果
Tab.3 The performance test results of adaptive current protection II section
测试项目参数设置Zs/Ω短路电流仿真值/kA常规配电系统保护基于传统运行方式感知方法的配电系统保护方法[18]所提运行方式感知的配电系统自适应电流保护方法 动作情况Zs.est/Ω动作情况Zs.est /Ω动作情况 运行方式Case 10.822.482.270.77√0.782.301.07√0.871.821.30√ Case 21.132.182.270.77×1.112.101.02√1.091.711.26√ Case 31.521.942.270.77×1.491.910.97√1.441.541.22√ Case 41.641.862.270.77×1.611.850.95√1.551.501.21√ 光伏出力0 MW1.641.842.270.77×1.631.830.95√1.721.431.19√ 10 MW1.641.862.270.77×1.511.900.96×1.691.451.19√ 15 MW1.641.872.270.77×1.471.920.97×1.711.441.19√ 噪声45 dB1.641.862.270.77×1.611.850.95√1.691.451.19√ 40 dB1.641.862.270.77×1.611.850.95√1.661.461.19√ 35 dB1.641.862.270.77×1.611.850.95√1.541.501.21√
本文提出了基于配电系统运行方式感知的自适应电流保护，并得出如下结论：
1）传统运行方式感知方法在高比例光伏接入后，由于光伏实时出力信息未知而难以准确计算。所提运行方式感知方法可以仅利用故障前后各5 ms数据，通过多频点计算完成运行方式感知，且不受光伏出力、控制策略等因素的影响。
2）所提自适应电流保护Ⅰ段、Ⅱ段方法在区分三相和两相故障后，分别基于实时运行方式感知结果进行整定计算。通过硬件在环实验验证，所提保护方法可以大幅提高保护性能，在不同运行方式、光伏出力、噪声下均能正确动作，且最小灵敏度提高了25.3%。
附 录
附表1 半实物测试系统主要参数
App.Tab.1 The main parameters of semi-physical test system
名称参数数值 光伏电源直流侧电容/μF5 000 LCL滤波器2.5 mH/500 μF/2 mH 采样频率/ kHz10 下游光伏额定容量/ MW5
（续）
名称参数数值 电网35 kV电源等效内阻/Ωj2.95 变压器容量/(MV·A)12 变压器短路阻抗(%)8 线路AC、BD长度/km18 线路EG、FH长度/km3 线路GI、HJ长度/km3 35 kV线路单位阻抗/(Ω/km)0.45+j0.402 10 kV线路单位阻抗/(Ω/km)0.263+j0.365
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Abstract Driven by the national “dual carbon target” policy, the installed capacity of photovoltaic power has increased rapidly, reaching 890million kilowatts by the end of 2024. In Jiangsu, Shandong, Henan and other regions of China, the photovoltaic power generation of distribution system has exceeded the local load demand during peak hours, showing a new feature of reverse transmission of electric energy from the distribution network to the main network. Different from the traditional distribution system, the strong uncertainty of photovoltaic power source makes the operation state of distribution system change in a wide range, and the conventional current protection is difficult to trip quickly and accurately.
In the existing research, according to the different protection improvement objects, the research content of adaptive protection can be divided into improved protection strategy and improved current protection setting method. Because the improved protection strategy adopts a mechanism completely different from the protection principle of the existing distribution system, it is challenging to comprehensively replace the existing protection principle in engineering practice. At the same time, it is also difficult to realize high-speed communication in the distribution system. The improved current protection setting methods can be divided into local application and non-local application. The protection improvement methods based on system operation mode perception can be applied locally, but the premise of accurate calculation of most methods is the dynamic fluctuation of load and distributed generation, and the operation mode identification error will be high after the high proportion of photovoltaic is connected.
Aiming at this problem, this paper first explores the influence mechanism of photovoltaic power source access on the operation mode perception, and finds that the main source of operation mode perception error is that the protection device is difficult to accurately obtain or calculate the real-time current of photovoltaic power source at a certain time. Then, a fault transient full band impedance model considering photovoltaic characteristics is constructed. The model can quantify the impedance characteristics of photovoltaic power source by using 5 ms data before and after the fault. It is concluded that the impedance of photovoltaic power source is uncertain and nonlinear in low frequency band and stable in high frequency band. Then, the operation mode perception calculation of the new distribution system considering photovoltaic characteristics is carried out to realize the decoupling of high-frequency photovoltaic power source impedance and system equivalent impedance. Finally, under the principle of multi frequency point selection, the power frequency impedance of operation mode is obtained by fitting with Huber loss function. This method does not need to rely on communication and source load fluctuation characteristics. On this basis, an adaptive current protection method for distribution system is proposed, which can quickly adjust the protection setting according to the calculation results of operation mode, and greatly improve the protection performance. The hardware in the loop test results show that compared with other methods, the maximum error of equivalent impedance perceived by the proposed method is reduced by 39.1%, and the minimum sensitivity of protection is increased by 25.3%, and it can operate accurately and reliably in various operation modes, photovoltaic output and noise environment.
Keywords：Operation mode of distribution system, photovoltaic power, impedance identification, current protection
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250484
中图分类号：TM771
国家电网有限公司总部管理科技项目“源荷互动的新形态配电网保护控制技术及应用研究”（5400-202411177A-1-1-ZN）资助。
收稿日期 2025-03-24
改稿日期 2025-04-21
孔嘉靖 男，2000年生，博士研究生，主要研究方向为新型配电系统保护与控制。E-mail：kjj20100304@126.com。
贾 科 男，1986年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统保护与控制、新型配电网保护与故障定位。E-mail：ke.jia@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）