含分布式電源配電網(wǎng)的改進反時限過電流保護算法

劉 玉，李季英

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東，陽江 529500）

隨著我國的能源與環(huán)境問題日益突出，可再生分布式發(fā)電（distributed generatinn，簡稱DG）技術(shù)逐漸受到關(guān)注［1－3］。目前為并網(wǎng)方便，我國大多數(shù)分布式電源采取就地接入配電網(wǎng)的方式［4－6］，此種并網(wǎng)方式會改變配電網(wǎng)原有的單端供電結(jié)構(gòu)，在配電網(wǎng)發(fā)生短路時影響短路電流分布情況，可能導(dǎo)致保護裝置的誤動或拒動［7－9］。反時限過電流保護作為主保護和后備保護在配電網(wǎng)中被廣泛采用［10］，分布式電源接入將改變短路電流分布，可能改變繼電器檢測短路電流的大小，從而影響其動作時限，造成各保護間失去配合或保護失效。若能在分布式電源接入后對反時限保護算法進行改進，以消除分布式電源接入對動作時限的不良影響，將極大提高反時限保護在含分布式電源配電網(wǎng)中的適用性。本文分析了分布式電源接入對配電網(wǎng)短路電流分布和反時限過電流保護的影響。仿真分析驗證了所提改進反時限過電流保護算法的有效性。

1 反時限過電流保護的動作原理

反時限過電流保護采用動作時限與繼電器流過電流大小有關(guān)的繼電器，所用繼電器具有反時限動作特性，其流過電流越大，保護的動作時限越小，反之，保護的動作時限越大。反時限過流繼電器Ri的動作特性方程為［10］：

式中：Iop為啟動電流，當(dāng)流過繼電器的電流大于啟動電流Iop時，繼電器啟動，反之，繼電器不動作；Ki為時間整定系數(shù)，改變Ki值可獲得不同的動作時限曲線，Ki值越大，動作時限越長，反之，動作時限越短。

2 分布式電源接入對反時限過電流保護的影響

圖1為含分布式電源的10kV 配電網(wǎng)，以此為例說明分布式電源接入對反時限過電流保護的影響。圖中，R1、R2和R3分別為線路1、線路2 和線路3的繼電器，ZS、Z1、Z2和Z3分別為系統(tǒng)電源、線路1、線路2和線路3的最小等值阻抗分別為1號和2號分布式電源的次暫態(tài)電抗，則分布式電源的等值阻抗分別為：

式中：SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量，SDG1和SDG2分別為1號和2號分布式電源的容量。

圖1 10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接線

設(shè)線路單位阻抗為Z。分布式電源接入前，在距離線路L1首端l0處短路時，其上游各繼電器檢測的最大短路電流為：

加入分布式電源后，分別分析對R3、R2和R1反時限過電流保護的影響。

2.1 對R3反時限過電流保護的影響

分布式電源接入后，流過R3短路電流為：

與公式（4）比較有：

則在原有的保護整定值下將縮短R3的動作時限。

2.2 對R2反時限過電流保護的影響

分布式電源接入后，流過R2的短路電流如下。

a.距離線路L2首端l處短路時：

b.距離線路L3首端l處短路時：

與公式（4）比較有：

I2－3與I2的大小關(guān)系與分布式電源容量及短路位置有關(guān)，即在兩個分布式電源中游線路L2短路時，流過R2的短路電流增加，將縮短R2對中游線路故障的動作時限；而在兩個分布式電源下游線路L3短路時，流過繼電器短路電流的改變效果不定，或可延長或可縮短R2對下游線路L3故障的動作時限。

2.3 對R1反時限過電流保護的影響

a.距離線路L1首端l處短路時：

b.距離線路L2首端l處短路時：

c.距離線路L3首端l處短路時：

與公式（4）比較有：

I1－1＝I1；I1－2＜I1；I1－3＜I1

綜上所述，分布式電源接入將會改變配電網(wǎng)短路電流分布，從而縮短或延長保護動作時限，可能導(dǎo)致保護失去選擇性，或由于故障切除時間過長而失去保護意義。

3 反時限過電流保護的改進

設(shè)分布式電源接入前后流過繼電器Ri的短路電流有如下函數(shù)關(guān)系：

式中，Ii為分布式電源接入前流過繼電器Ri的短路電流，Ii－j為分布式電源接入后，在第j條線路短路時流過繼電器Ri的短路電流。

將式（13）代入式（1），即將Ii－j修正為Ii，可得各繼電器的修正反時限動作方程：

此時若已知繼電器短路電流Ii－j，根據(jù)公式（14）計算所得動作時限與分布式電源接入前的動作時限相同，可有效消除分布式電源接入對反時限動作時限的影響。

應(yīng)用動作方程（14）的關(guān)鍵是得到分布式電源接入前后短路電流的函數(shù)關(guān)系Ii＝fi－j（Ii－j），下面以圖1所示10kV 配電網(wǎng)為例詳細介紹其計算方法。

3.1 針對R1的Ii＝fi－j（Ii－j）

a.當(dāng)I1－j≥min（I1－1）時，可判斷為線路L1短路，此時在分布式電源接入前后流過R1的短路電流相等，即：

b.當(dāng)min（I1－2）≤I1－j≤max（I1－2）時，可判斷為線路L2短路，由公式（7）、公式（11）及公式（4）可得：

c.當(dāng)min（I1－3）≤I1－j≤max（I1－3）時，可判斷為線路L3短路，同理由式（5）、（8）和（12）可得短路點距離線路L3首端的距離l，將其代入到式（4）中可得到此時I1與I1－j的關(guān)系。

3.2 針對R2的I2＝f2－j（I2－j）

a.當(dāng)I2－j≥min（I2－2）時，可判斷為線路L2短路，由式（7）可得短路點距離線路L2首端的距離l，將其代入到式（4）中可得到此時I2與I2－j的關(guān)系。

b.當(dāng)min（I2－3）≤I2－j≤max（I2－3）時，可判斷為線路L3短路，由式（5）和（8）可得短路點距離線路L3首端的距離l，將其代入到式（4）中可得到此時I2與I2－j的關(guān)系。

3.3 針對R3的I3＝f3－3（I3－3）

當(dāng)R3流過正向電流大于min（I3－3）時，可判斷為線路L3短路，由式（5）可得短路點距離線路L3首端的距離l，將其代入到式（4）中可得到I3與I3－3的關(guān)系。

4 仿真分析

基于某10kV 配電網(wǎng)（見圖1），分析分布式電源接入對短路電流分布和保護動作時限的影響，驗證所提改進反時限過電流保護算法的有效性。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1。

4.1 分布式電源接入對短路電流和保護動作時限的影響分析

分布式電源接入前，流過各繼電器的短路電流與故障位置的關(guān)系見圖2，各保護的動作時限特性曲線見圖3，各保護對L1、L2 和L3 末端故障的動作時見表2。

表1 10 kV配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

圖2 繼電器短路電流與故障位置關(guān)系曲線（DG接入前）

圖3 各保護動作的時限特性曲線（DG接入前）

表2 R1、R2和R3的動作時限（DG接入前） s

由圖2可知分布式電源接入前，流過各繼電器的短路電流相等。由圖3和表2可知各保護可實現(xiàn)相互配合，且動作時限較短，滿足保護對選擇性和速斷性的要求。

分布式電源接入后，流過各繼電器的短路電流與故障位置的關(guān)系見圖4，各保護的動作時限特性曲線見圖5，各保護對L1、L2和L3末端故障的動作時限見表3。

圖4 繼電器短路電流與故障位置關(guān)系曲線（DG接入后）

圖5 各保護動作的時限特性曲線（DG接入后）

表3 DG接入后R1、R2和R3的動作時限 s

由圖4可知分布式電源接入后，流過各繼電器的短路電流不再相等。由圖5和表3可知各保護動作時限仍存在一定階梯，但R1對下游線路的線路動作時限延長，最大已達到1.482 4s，可能由于故障切除時間過長而導(dǎo)致保護失去意義。

4.2 改進反時限過流保護算法有效性驗證

采用改進反時限過流保護算法后，根據(jù)分布式電源接入前后短路電流曲線得到其對應(yīng)函數(shù)關(guān)系見圖6。

對分布式電源接入后，根據(jù)圖6得到的函數(shù)關(guān)系曲線對短路電流進行修正，可得到修正后R1、R2和R3對各條線路末端故障的動作時限，結(jié)果采用改進反時限過電流保護算法后，各保護的動作時限與分布式電源接入前的數(shù)值相同，有效避免了分布式電源接入導(dǎo)致的動作時限延長或縮短。

圖6 分布式電源接入前后短路電流的函數(shù)關(guān)系曲線

5 結(jié)論

本文提出了一種可自適應(yīng)修正短路電流的改進反時限過電流保護算法，使分布式電源接入前后繼電器的時限曲線保持不變，以有效消除分布式電源接入對動作時限的影響。仿真分析驗證了所提改進反時限過電流保護算法的有效性，該方法可有效消除分布式電源接入對繼電器動作時限的延長或縮短作用，保證繼電器有效切除各條線路故障。

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