孙文文 ，张 君 ，张祥成 ，张桂红 ，王宇波

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192;2.国网青海省电力公司经济技术研究院，青海省 西宁市 100045;3.北京德意联科技有限公司，北京市 昌平区 102299)

0 引言

“3060”双碳目标是我国积极响应全球气候变化、践行能源安全新战略的重要举措。在双碳目标下，我国将会加速能源供给侧清洁低碳化转型，大力发展新能源，坚持新能源集中式和分布式开发并举格局，推动构建新型电力系统[1-2]。2021年，我国光伏新增装机5 488万kW，其中，光伏电站2 560万kW、分布式光伏2 928万kW[3]，分布式光伏新增装机首次超过光伏电站，在政策、市场和技术进步等多重利好因素驱动下，我国分布式光伏仍将继续高速增长。

分布式光伏主要接入35 kV 及以下低压配电网[4]，电网故障主要以单相接地故障为主，约占70%以上。当电网发生故障时，分布式光伏与下游负荷形成非计划孤岛运行[5-6]，由于电网无法感知其当前运行状态，孤岛运行对检修人员的人身安全造成危险，同时，也易引起线路重合闸失败，扩大事故范围。

常规分布式光伏孤岛保护方法主要包括主动式和被动式方法。主动式孤岛保护方法即分布式光伏以一定时间间隔向电网注入扰动功率，通过监测分布式光伏并网点电压、频率等电气量是否越过孤岛保护阀值，从而实现分布式光伏的孤岛保护。常见的主动式孤岛保护方法有有功功率扰动法[7-8]、无功功率补偿法[9-10]和有源频率偏移法[11-12]等。主动式孤岛保护方法的缺点是向大电网注入了大量谐波，对于分布式光伏占比高的局部电网，大量谐波注入会造成电网电能质量严重不满足标准要求，影响电网用户的可靠用电。被动式孤岛保护方法即通过实时监测分布式光伏并网点电压、频率等电气量是否异常来识别孤岛。常见的被动式孤岛保护方法有过电压保护[13-14]、过电流保护[15-16]、过频保护[17-18]以及频率变化率保护[19-21]等。当配电网高压侧发生单相故障时，电网线电压仍然不变，低压侧电气设备可以继续运行1～2 h，由此我们可以得出这样的结论，即“单相接地故障不影响电网功率正常输送，功率大小对电网单相接地故障特征几乎无影响”。因此，传统基于功率变化的被动式孤岛保护方法，在电网发生单相接地故障时存在2个不足。(1)分布式光伏无法感知电网故障。其一，故障期间电网输送总功率与正常运行时相等或有微小变化，此时孤岛保护参量仍在阀值范围内，分布式光伏处于孤岛识别盲区，仍然判别系统处于正常运行状态，直到故障线路被切除引起电网功率不平衡时，分布式光伏此时才会识别故障并退出运行;其二，故障线路切除后，若分布式光伏与负荷功率匹配，则孤网电压和频率基本不变，基于电压、频率等电气量的孤岛保护方法失效。(2)分布式光伏误动作退出运行。故障线路切除后，由于分布式光伏无法识别是本线路还是相邻线路发生故障，导致不加区分退出运行，如果是相邻线路发生故障，则非故障线路分布式光伏退出会加剧整个电网功率不平衡，连锁故障风险增大。

通过推导电网发生单相接地故障时的零序电压表达式，对比分析电网中性点不接电和经消弧线圈接地两种方式下，电网发生单相接地故障时的零序电压大小和相位变化规律，而且该规律具有普适性，即该规律与分布式光伏接入数量、接入容量、故障发生位置等因素无关。在此基础上，本文提出一种基于零序电压相位变化的分布式光伏孤岛识别方法，并通过算例分析对该方法进行验证。

1 单相接地故障后零序电压表达式

电网主站中性点经消弧线圈接地，A 相发生经过渡电阻接地等效电路如图1所示，在计算零序电压时，作以下假设:

图1 电网A相发生经过渡电阻接地的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of grid phase A occurs via transition resistance grounding

(1) 电网每相对地存在着分布式电容和分布绝缘电阻，在计算零序电压时，将其统一用集中参数来表示。

(2) 电网正序和负序阻抗是电网线路与电网对地阻抗的并联，其值很小，均可忽略。电网零序阻抗是电网线路阻抗与电网对地阻抗的串联，在低压配电网中，电网线路阻抗远小于电网对地阻抗，因此电网零序阻抗近似等于电网对地阻抗。

图1中:GA、GB、GC分别为三相对地电导，CA、CB、CC分别为三相对地电纳，YN为电网主站中性点接地导纳;Rf为过渡电阻为三相对地电压。

根据对称分量法的原理，当电网A 相经过渡电阻接地时，则故障点处的三相对地电压可分解成正序电压，负序电压和零序电压因此，故障点处的三相对地电压为

可以得出:

在故障点处存在正序电压和零序电压，负序电压约等于0。根据基尔霍夫定律有:

将式(2)代入式(3)，可得:

当电网A 相经过渡电阻Rf发生单相接地故障时，那么A 相对地电导就会增加Gf(Gf=1/Rf)，此时，YA变为

将A、B、C三相和中性点对地导纳参数带入式(6)，可以得到:

式(7)分子分母同时除以j（BA+BB+BC），则公式(7)可简化为

式中:k、v、d0和dn分别为电网对地不对称度、脱谐度、三相对地自然阻尼率和电网中性点对地阻尼率。k、v、dn和d0的表达式为

此外:

则式(8)可简化为

通过对比式(11)和式(12)可知，过渡电阻Rf影响了系统不对称度k和阻尼率d，而故障前后脱谐度v不变。

当中性点为不接地方式时:dn=0，v=1，对应式(11)和式(12)为

当中性点为谐振接地时，设定v=-5%，则:

对比式(13)和式(15)可知，同一个电网中性点分别经消弧线圈和不接地2种不同接地方式，不对称度k相同，分母中除了脱谐度v不同，阻尼率d也有区别。中性点经消弧线圈接地时电网对地阻尼率为dn和d0之和，而中性点不接地方式下只有d0，即三相对地自然阻尼率。

2 算例分析

以上述公式为基础，结合10 kV 配电网典型参数(见表1)，分析电网故障期间和故障线路切除后，零序电压的变化规律，如图2所示。

表1 电网参数Table 1 Grid parameters

图2 故障期间和故障切除后零序电压Fig.2 Zero sequence voltage during and after fault removal

图2 中曲线L1为电网中性点经消弧线圈接地，A 相发生单相经过渡电阻Rf接地时的零序电压，当过渡电阻等于0，表示电网发生金属性接地故障，此时零序电压幅值等于A 相电压幅值，相位相差180°。随着过渡电阻从零开始逐渐增大，零序电压分布曲线为L1，当过渡电阻无穷大时，零序电压则跳变为电网正常运行状态下的零序电压。当下游接有分布式光伏的故障线路切除后，电网故障由转移到由分布式光伏带负荷独立运行的电网上，同时接地方式由中性点经消弧线圈接地转变为不接地方式，随着过渡电阻从零开始逐渐增大，零序电压分布曲线为L2。同样地，当过渡电阻无穷大时，零序电压则跳变为电网中性点不接地，正常运行状态下的零序电压。

图中P1、P2和P3、P4分别为电网中性点经消弧线圈和不接地2种方式下，过渡电阻等于500Ω和3 000Ω 时的零序电压。当过渡电阻等于500Ω时，故障期间的零序电压大于故障切除后的值，但是，需要特别说明的是，电网发生单相接地故障时，其接地过渡电阻在故障期间并不是保持不变，往往是逐渐恶化，即过渡电阻变小，从而引起零序电压变化，因此，从零序电压的幅值变化趋势无法可靠地判别到底是故障线路切除还是过渡电阻恶化，因此不能作为孤岛检测方法。

对比L1和L2曲线可知，电网中性点经消弧线圈接地，A 相发生单相经过渡电阻接地时，故障期间零序电压分布在下半圆，相位在180°～270°内，而故障切除后的零序电压分布在上半圆，相位在90°～180°内，也就是说180度线是L1和L22条曲线的分界线。由此可知，对于中性点经消弧线圈接地方式，过渡电阻恶化时，故障期间零序电压相位永远大于180°，而故障切除后的零序电压相位永远小于180°，因此，通过对比故障期间和故障切除后零序电压的相位大小就能可靠地判别是否发生孤岛。

如果电网主站含有多回出线，当故障线路切除后，电网主站减少一回出线，对电网参数影响较小，即k、v、dn和d0不变，电网主站接地方式仍然是消弧线圈接地，零序电压基本不变，因此，非故障线路的分布式光伏不会保护脱网。

3 结论

(1) 本文提出了一种基于零序电压相位变化的分布式光伏孤岛保护方法，该方法具有普适性，与分布式光伏接入数量、接入容量、故障发生位置等因素无关，通过该方法，分布式光伏能够可靠识别单相接地故障并退出运行。

(2) 本文提出的孤岛保护方法实际应用中需具备2个条件:一是电网中性点接地方式必须为消弧线圈接地;二是分布式光伏高压侧需增加零序电压测量点。

(3) 实际工程应用中，为了能够预估电网发生单相接地故障时，零序电压相位的变化规律和范围，需要精准测量电网对地不对称度、脱谐度和阻尼率等参数。