分布式微电网的自调节接地故障自愈算法∗

孙为兵 吴志坚 张丰丰 李培培 贺 琰

（国网扬州供电公司 扬州 225009）

1 引言

微电网（MG）设计具有连接分布式发电（DG）的功能，如光伏，风力发电机组，燃料电池和水电站等［1～3］。其中，电池和超级电容器也可用作能量存储［4～5］。这些类型的电源和储能装置可以产生具有不同幅度和频率的直流电压或交流电压，并且通过转换器连接到智能电网应用接口［6］。近年来，对于MG 的研究受到了国内外学者高度关注［7～9］，并将电能分销系统带入了一个全新的时代。功率潮流对于故障分析来说是一个非常重要的技术工具［10］，它可用于分布式微电网管理（MGDN）的运营和规划。在MG 中，电网拓扑结构灵活且连接具有动态性［11］，因此，接地故障电流（GFC）可能会不断发生改变。此外，故障自愈是智能电网研究的主要方向，分布式微电网（MGD）的继电器在识别和定位故障后自动进行配电网重构时，也应具备自动协调和设置能力。

面向操作领域的实时故障分析应用程序可使得MGDN 系统具有混合补偿和自主驱动。这些研究的结果可用于执行MGD 在故障自愈时的分布式微电网管理自适应中继调整和设置，这将是未来智能电网应用的趋势。另外，可靠和快速的故障分类技术也需要有效的GFC 分析方法。正确地判断故障信息不仅需要利用故障定位算法，还需要继电器的合适操作和正确识别故障类型。对于分布式微电网传输线路进行有限的故障电路分析而言，Z-矩阵判断［12］是最有效的解决方法，其中故障电路分析可通过使用具有零序，正序和负序列的网络来执行。与被监控的序列线路相关的Z-矩阵元素通常与预应急负载潮流结合使用，以控制切换操作后MG的电流变化。

本研究基于实际MGD 和故障边界条件，设计了一种新的自调节接地故障分析自愈算法。利用电网拓扑特性构建了三种接地故障电流（GFC）分析模式，通过等效驱动点（EDP）分析分布式微电网的阻抗和电压，从而可以有效地进行故障电流分析及自愈调节。

2 EDP矩阵建立

通过等效驱动点（EDP）方法［13］建立具有分支电流注入总线的MG 模型，如图1 所示。其中，VEDP，i和ZEDP，i是连接总线i 的等效驱动点电压和阻抗。

图1 利用EDP的MGD总线模型

在MG 中网络拓扑结构灵活，DG 的连接具有动态性。因此，所提出的方法可以被整合到MG中：

其中，V 是MGD 的电压矩阵，I 是总线注入电流矩阵，ZMGD是阻抗矩阵。MGD 潮流的解决方案可以通过直接使用带电阻的ZEDP矩阵迭代求解来获得：

其中，V0是空载电压或所参考总线的电压。

MG 由大量分布式发电机（DG）组成，其可包括微型涡轮发电机（MTG）、电池储能系统（BESS）、光伏发电、柴油发电机、风力发电转换系统和燃料电池等［14-15］。本研究开发了的分布式微电网利用静态开关（SS）控制DG 之间连接到智能电网的500KVA 变压器中。电网连接和独立运行配置由SS 控制。在独立运行的情况下，独立DG 电源组成的MG用作电压频率控制。

对于带有DG 接入总线的MG 由动态阻抗YD-G1的内部可变电流源iDG建模，如图2所示。

图2 DG连接到MG中的总线的模型

3 自调节接地故障电流分析

针对MGD 的接地故障电流（GFC）分析，可以基于边界条件和迭代过程采用混合补偿方法来解决。对于各种故障，需要获得适当的故障边界条件［16］，并且使用ZEDP矩阵计算它们对分支电流和总线电压的影响。

3.1 单线接地故障

当带有阻抗Zf的单线接地（SLG）故障发生在总线i 的单相上时，SLG的故障电流可以描述为

其中，故障前的潮流解决方案Vi，a(（k）i，f。用迭代初始条件∆Va(k)i,f。YaEDPf，i用1×1 矩阵[ZEDP]-1表示故障发生瞬间的位置。

3.2 双线接地故障

类似地，对于带有阻抗Zf的双线接地（DLG）故障发生在总线i 的a 和b 双相上时，DLG 的故障电流可以表示为

故障前的负载电流和电压用于解决上述电压不匹配的初始条件，并且YEaDbPf，i用2×2 矩阵[ZEDP]-1表示故障发生瞬间的位置。

3.3 三线接地故障

类似于前面叙述，对于带有阻抗Zf的三线接地（TLG）故障发生在总线i 的所有相上时，故障点处TLGF的边界条件和迭代过程使得故障电流必须满足：

其中，YEaDbcPf，i用3×3矩阵[ZEDP]-1表示故障发生瞬间的位置。

多数配电系统具有放射状结构，由于分布式发电机的集成性和微电网连接的可利用性，未来的电力分配系统将变成弱网状结构。因此，当MGD 电力系统处于弱网状结构时，所提出的方法可用于获得接地故障分析的解决方案。

4 仿真分析

图3 给出了IEEE-7 的分布式微电网系统，它由智能电网、静态开关（SS）、涡轮发电机（MTG）、电池储能系统（BESS）、高浓度光伏电池（HCPV）、负载（L1和L2）、部分三相线路和总线组成。

图3 IEEE-7的MGD系统

如图3 所示，对总线系统的三个阶段线段接地故障进行大量的试验。对于总线4和总线6给出了各种DG建模方案。GFC仿真在并网模式下进行测试，其中每个继电器的GFC通过所提出的迭代过程和边界条件来计算，如图4 所示。获得ZEDP和Zf后可计算出GFC。测试结果表明，该方法系统、高效、准确。

图4 每个继电器的GFC故障自愈

当图3所示的MGD系统接入IEEE-30系统时，总线2 上发生接地故障分析收敛性测试如图5 所示。可以看出，所提出的算法仅在前几次迭代中快速收敛，这是由于雅可比矩阵的病态问题会导致潮流程序发散，这种现象通常发生在系统包含一些非常短的线路或接地故障时。

图5 接地故障分析的收敛性试验

5 结语

本文针对分布式微电网自调节接地故障问题，提出了基于三阶段模型的混合补偿自愈平衡算法。该算法的输入数据可利用智能仪表的简单总线EDP数据。结合微电网系统动态特性的优点，有效地解决接地故障自愈保护。