一種微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略的研究

夏晗，朱勝輝，周富強(qiáng)，王海波，詹昕（.國網(wǎng)嘉興供電公司 浙江嘉興 34000；.國網(wǎng)揚(yáng)州供電公司 江蘇揚(yáng)州 5000）

一種微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略的研究

夏晗1，朱勝輝1，周富強(qiáng)1，王海波1，詹昕2
（1.國網(wǎng)嘉興供電公司 浙江嘉興 314000；2.國網(wǎng)揚(yáng)州供電公司 江蘇揚(yáng)州 225000）

能源日益枯竭以及環(huán)境污染問題使得分布式發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展，微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電的有效利用形式，解決了分布式發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的問題。本文以微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略為研究對象，以提高保護(hù)可靠性為目標(biāo)，對微電網(wǎng)繼電保護(hù)方法進(jìn)行深入研究，闡述傳統(tǒng)功率方向元件的原理、動作判據(jù)以及不足之處，分析負(fù)序功率方向元件的動作特性，并設(shè)計(jì)了負(fù)序電壓法與負(fù)序功率方向元件相結(jié)合的一種繼電保護(hù)策略。

微電網(wǎng)；繼電保護(hù)；負(fù)序電壓法；負(fù)序功率方向元件；保護(hù)策略

本文引用格式：夏晗，朱勝輝，周富強(qiáng)，等.一種微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略的研究［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：46-50.

0　引言

微電網(wǎng)作為分布式發(fā)電的有效利用形式，解決了分布式發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的問題［1］。然而，微電網(wǎng)慣性小，穩(wěn)定性差，系統(tǒng)的短時波動就可能導(dǎo)致分布式電源退出。同時，微電網(wǎng)存在短路故障檢測困難、繼電保護(hù)參數(shù)整定困難、故障后系統(tǒng)恢復(fù)困難等特點(diǎn)［2］。因此，對微電網(wǎng)保護(hù)研究的重點(diǎn)之一是微電網(wǎng)的短路保護(hù)。

本文主要以線路級保護(hù)為研究對象，對線路級保護(hù)進(jìn)行深入研究，針對電力電子接口型分布式電源故障電流小的特點(diǎn)，利用其他電氣量作為故障判據(jù)，設(shè)計(jì)一種具備速動性、可靠性且能有效回避微電網(wǎng)影響的保護(hù)方法：負(fù)序電壓法和負(fù)序功率方向元件相結(jié)合的保護(hù)策略。

1　微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略

1.1系統(tǒng)級保護(hù)

系統(tǒng)級的保護(hù)即是針對PCC點(diǎn)的保護(hù)，目前主要有兩個思路。一種是以IEEE 1574系列規(guī)定中關(guān)于分布式電源接入的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，當(dāng)檢測到PCC點(diǎn)電氣量不滿足接入標(biāo)準(zhǔn)時，PCC點(diǎn)立即斷開。這種設(shè)計(jì)思路可以減少微電網(wǎng)對主網(wǎng)的沖擊，降低主網(wǎng)改造成本，但大大限制了分布式能源的有效利用。另外一種思路是，微電網(wǎng)PCC點(diǎn)保護(hù)與整個主網(wǎng)保護(hù)相配合。

1.2線路級保護(hù)

根據(jù)微電網(wǎng)線路上所聯(lián)接的元件類型不同，可以將微電網(wǎng)中的饋線分為只含有電源的饋線、只含有負(fù)載的饋線以及既含有負(fù)載又含有電源的饋線三類。不同類型的饋線在發(fā)生故障時所表現(xiàn)的故障特性不同，因此可以對不同類型的饋線分別設(shè)置不同的繼電保護(hù)方式。

1.3設(shè)備級保護(hù)

由于微電網(wǎng)中含有大量基于電力電子接口的分布式電源，設(shè)備在控制中采用了限流措施，最大短路電流被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，分布式電源出力隨自然條件波動，導(dǎo)致流經(jīng)各處的電流大小隨之變化，并且微電網(wǎng)的潮流靈活多變，在配電網(wǎng)中任意位置的接入使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)的單向潮流結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，對故障電流的大小、方向和分布等方面的影響更為嚴(yán)重。這些影響使得三段式保護(hù)的范圍和傳統(tǒng)方向保護(hù)的判定都發(fā)生了改變，使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)容易拒動或誤動。

2　負(fù)序電壓法

由序分量分解原理可知，三相電網(wǎng)可以分解成正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)、零序網(wǎng)絡(luò)，三者疊加形成全網(wǎng)絡(luò)［3］。正序網(wǎng)絡(luò)僅含有正序電源，只產(chǎn)生正序電流；負(fù)序網(wǎng)絡(luò)僅含有負(fù)序電源，只產(chǎn)生負(fù)序電流；零序網(wǎng)絡(luò)僅含有零序電源，只產(chǎn)生零序電流。三者相互獨(dú)立，相互解耦。

以電壓為例，正序分量、零序分量、負(fù)序分量分別按圖1定義：

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生非對稱故障時，相當(dāng)于在故障處疊加了一組非對稱電源。各序電源通過各序網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生各序電流。

圖2表示一個簡單電力網(wǎng)絡(luò)在故障時的網(wǎng)絡(luò)分解，圖中aE.、bE.表示系統(tǒng)原有電源，1E.表示故障處疊加的正序電源，2E.表示故障處疊加的負(fù)序電源，0E.表示故障處疊加的零序電源。

圖1　電壓序分量示意圖Fig.1 The voltage sequence component diagram

圖2　故障網(wǎng)絡(luò)分解Fig.2 The fault network decomposition

其中，負(fù)序分量和零序分量從故障點(diǎn)發(fā)出，沿著負(fù)序網(wǎng)絡(luò)通路和零序網(wǎng)絡(luò)通路向全網(wǎng)擴(kuò)散。對于接地故障，故障處疊加零序電源與負(fù)序電源。對于相間故障，故障處僅疊加負(fù)序電源，不含零序電源。

當(dāng)負(fù)序電源在故障點(diǎn)時，故障點(diǎn)的負(fù)序電壓最高。系統(tǒng)中距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)處的負(fù)序電壓越低，負(fù)序電壓的分布如圖3所示。

3　負(fù)序功率方向元件

功率方向元件當(dāng)正方向出口附近發(fā)生三相短路時，由于故障電壓近似于零，保護(hù)裝置將失去動作判定依據(jù)而拒動［4］。并且功率方向元件雖然采用非故障相的線電壓作為參考相量，以此減小和消除單相不對稱故障時的電壓死區(qū)，但是對于兩相不對稱故障依然存在電壓死區(qū)。而且功率方向元件為了使繼電器在發(fā)生短路故障時能夠獲得最大靈敏角，需要采用900接線方式，接線復(fù)雜。因此，本文采用負(fù)序功率方向元件代替功率方向元件。

圖3　負(fù)序電壓分布圖Fig.3　Negative sequence voltage distribution

如圖4所示的接地短路故障時的負(fù)序序網(wǎng)圖中，規(guī)定負(fù)序電壓的正方向是母線電位為正、中性點(diǎn)電位為負(fù)。負(fù)序電流的正方向是由母線指向線路。當(dāng)正方向發(fā)生短路故障（即保護(hù)F2所在A-B線路內(nèi)部故障）時，可得式（1）：

圖4　正方向接地短路時的負(fù)序序網(wǎng)圖Fig.4　Normal direction short circuit when the negative sequence network diagram

設(shè)系統(tǒng)中各元件負(fù)序阻抗的阻抗角?k=75°（其值為0°＜?＜90°），對于負(fù)序功率元件，加入

k的負(fù)序電壓U.2與負(fù)序電流 I.2，當(dāng)正方向短路故障時元件中負(fù)序電壓與負(fù)序電流之間的相角為：

式中，符號arg表示相量U.2/I.2的幅角，即負(fù)序電壓超前負(fù)序電流的角度。

當(dāng)反方向發(fā)生短路故障（即保護(hù)F2所在A-B線路外部故障）時，如圖5所示，可得式（3）：

圖5　反方向接地短路時的負(fù)序序網(wǎng)圖Fig.5　Grounding short circuit in the opposite direction when the negative sequence of sequence network diagram

如圖6相量圖所示，元件中負(fù)序電壓與負(fù)序電流之間的相角為：

圖6　反方向短路相量圖Fig.6　The opposite direction short circuit phasor diagram

或

用?k2表示負(fù)序電壓超前于負(fù)序電流的角度，并用功率的形式表示，則式（5）可寫成：

負(fù)序功率方向元件利用負(fù)序分量作為判定依據(jù)，因?yàn)楣收宵c(diǎn)越靠近保護(hù)裝置則負(fù)序電壓越高，因此不存在電壓死區(qū)，對于所有不對稱故障都能可靠動作。并且負(fù)序功率方向元件無需采用900接線方式，因此接線簡單。

4　微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略

以圖7所示的微電網(wǎng)拓?fù)錇槔唧w說明保護(hù)策略設(shè)計(jì)。圖中含有4條饋線，其中饋線1只含有光伏微電源，饋線2只含有負(fù)載，饋線3與饋線4內(nèi)部各有兩條支路，既含有光伏微電源，也含有負(fù)載。當(dāng)饋線1、饋線2上發(fā)生故障時，該饋線出口處跳閘，切掉故障饋線。當(dāng)饋線3上發(fā)生的故障，可能有如下圖所示的三種情況：

圖7　饋線3上三種故障Fig.7　Three types of fault on the feeder line

圖7中，負(fù)載Load、光伏電源PV、保護(hù)開關(guān)BRK3_1、保護(hù)開關(guān)BRK3_2、BRK3_3、 BRK3_4和保護(hù)開關(guān)BRK3_5共同構(gòu)成既含有負(fù)載又含有電源的微電網(wǎng)饋線［5］。

故障發(fā)生的位置可能為故障1處、故障2處、故障3處。理想的繼電保護(hù)效果是：

（1）當(dāng)故障1處發(fā)生故障，應(yīng)當(dāng)僅有BRK3_3和BRK3_5跳閘切除故障切除PV；其余保護(hù)裝置均不動作，繼續(xù)運(yùn)行；

（2）當(dāng)故障2處發(fā)生故障，應(yīng)當(dāng)僅有BRK3_4跳閘切除故障切除Load；其余保護(hù)裝置均不動作，繼續(xù)運(yùn)行。

（3）當(dāng)故障3處發(fā)生故障，BRK3_1和BRK3_2跳閘，切除整條饋線，光伏微電源退出運(yùn)行。

為了達(dá)到這個效果，首先定義各母線及其所包含的線路為“母線監(jiān)測區(qū)”。

第1步 監(jiān)測各母線負(fù)序電壓，當(dāng)母線監(jiān)測到負(fù)序電壓時，保護(hù)啟動。

式中S表示啟動信號，vk2表示故障時母線負(fù)序電壓。

第2步 在各母線監(jiān)測區(qū)中檢測最大負(fù)序電壓所在的母線監(jiān)測區(qū)，該區(qū)域即為故障區(qū)，然后通過負(fù)序功率方向元件判定故障區(qū)內(nèi)各線路上的負(fù)序功率方向，正方向即為故障線路，反方向?yàn)榉枪收暇€路。若兩條及以上的母線檢測到的最大負(fù)序電壓相同，則同時對兩條及以上的母線所連接的線路進(jìn)行負(fù)序功率方向判定，當(dāng)線路上保護(hù)裝置負(fù)序功率方向均為正方向時，則該線路為故障線路［6］。

式中Ffault表示故障線路，F(xiàn)k表示第k條線路，Ui2表示第k條母線的負(fù)序電壓。

微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略流程如圖8所示。

如上，采取上述策略后，保護(hù)裝置能正確定位故障所在饋線（支路），在最小范圍內(nèi)切除故障。光伏微電網(wǎng)中負(fù)荷多為照明單相負(fù)荷，正常情況下就含有負(fù)序/零序電流，傳統(tǒng)的序分量法依靠提高啟動閾值來觸發(fā)保護(hù)，若單相負(fù)載過重時，會導(dǎo)致序分量保護(hù)誤動。本方法中由于依靠負(fù)序電壓與負(fù)序功率方向同時作為保護(hù)動作判定依據(jù)，在微電網(wǎng)正常運(yùn)行時含有負(fù)序/零序電流，但電壓中不含有負(fù)序電壓，保護(hù)不動作。此外，該方法不依賴于電流幅值的絕對大小，故在微電源出力波動以及微電網(wǎng)運(yùn)行在不同模式時，盡管短路電流大小會變化，本方法仍然有效。

圖8　微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略流程圖Fig.8　The flow chart of micro power grid relay protection strategy

5　結(jié)論

本文以微電網(wǎng)繼電保護(hù)策略為研究對象，以提高保護(hù)可靠性為目標(biāo)，對微電網(wǎng)繼電保護(hù)方法進(jìn)行深入研究，闡述傳統(tǒng)功率方向元件的原理、動作判據(jù)以及不足之處，分析負(fù)序功率方向元件的動作特性，并設(shè)計(jì)了負(fù)序電壓法與負(fù)序功率方向元件相結(jié)合的一種繼電保護(hù)策略。

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Research on the Integrated Relay Protection Strategy of Micro-grid

XIA Han1，ZHU Sheng-hui1，ZHOU Fu-qiang1，WANG Hai-bo1，ZHAN Xin2
（1.Jiaxing power supply company of State Grid，Zhejiang Jiaxing 314000，China；2.Yangzhou power supply company of State Grid，Jiangsu 225000，China）

With the popularization and application of intelligent substation large operation and unmanned substation unattended and remote operation，how to ensure the safe and reliable operation of the relay protection，relay protection is facing the important and urgent problem.This paper is focused on the spatial dimension，and actively explore the control means of the smart substation，and construct the relay protection system，so as to improve the health level and processing effciency of relay protection equipment，ensure the correct rate of protection action 100％，ensure the safe and stable operation of power network.

Intelligent substation；Relay protection；Spatial dimension；Control means

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.008

XIA Han，ZHU Sheng-hui，ZHOU Fu-qiang，et al.Research on the Integrated Relay Protection Strategy of Micro-grid［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：46-50.

夏晗（1988-），男，浙江嘉興，工程師，于嘉興供電公司從事二次繼電保護(hù)相關(guān)工作；朱勝輝（1983-），男，浙江嘉興，工程師，于嘉興供電公司從事二次繼電保護(hù)相關(guān)工作；周富強(qiáng)（1981-），男，浙江嘉興，工程師，于嘉興供電公司從事二次繼電保護(hù)相關(guān)工作；王海波（1987-），男，浙江嘉興，工程師，于嘉興供電公司從事二次繼電保護(hù)相關(guān)工作；詹昕（1988-），男，江蘇揚(yáng)州，工程師，從事事電力系統(tǒng)運(yùn)行方面工作