含分布式電源的計劃內(nèi)孤島保護方案研究

陶軻，齊貝貝，黃磊

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京　211100）

含分布式電源的計劃內(nèi)孤島保護方案研究

陶軻，齊貝貝，黃磊

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京211100）

分布式電源的接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與特性，降低了傳統(tǒng)繼電保護技術(shù)的適用性。本文分析了分布式電源接入對于配電網(wǎng)保護的影響，對含分布式電源的配電網(wǎng)進行了分區(qū)，以采用有針對性的保護方案。隨后基于饋線自動化（Feed Automation，F(xiàn)A）系統(tǒng)設(shè)計了兼容分布式電源的保護方案。最后，對保護動作后形成的含分布式電源的計劃內(nèi)孤島內(nèi)故障的切除方案進行了設(shè)計。并通過仿真算例驗證了相應(yīng)的保護方案的有效性。

分布式電源；配電網(wǎng)保護；饋線自動化；計劃內(nèi)孤島

分布式電源作為未來能源的發(fā)展方向，具有可持續(xù)性，清潔性等特點。分布式電源由于容量較小，通常以微電網(wǎng)或直接接入方式并入配電網(wǎng)運行［1-2］。分布式電源的并入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其注入的有功及無功功率改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的大小及流向。當(dāng)分布式電源以微電網(wǎng)形式接入時，故障發(fā)生后，分布式電源將脫離配電網(wǎng)，以計劃內(nèi)孤島方式脫網(wǎng)運行，由于分布式電源具有慣性小，承流能力差的特點，這使得分布式電源以計劃內(nèi)孤島方式運行時，不具有既輸出故障電流，又為保護裝置提供必要故障信息的能力。

為了使得含分布式電源配電網(wǎng)具有更為良好的保護性能，文中提出了分區(qū)管理的方式，即當(dāng)故障發(fā)生在配電網(wǎng)線路上時，利用饋線自動化系統(tǒng)（Feed Automation System，F(xiàn)A）與分布式電源的并網(wǎng)點保護相互配合切除故障；當(dāng)故障發(fā)生在微電網(wǎng)中時，優(yōu)先斷開PCC（Point of Common Coupling）節(jié)點，使得分布式電源以計劃內(nèi)孤島方式運行，進一步結(jié)合已有的逆變器電源故障后控制方式提出新的故障處理方案，并結(jié)合算例說明了其有效性。

1　分布式電源接入對于配電網(wǎng)保護的影響

分布式電源的接入將會導(dǎo)致配電網(wǎng)潮流分布的改變，如圖1所示。

圖1　分布式電源直接接入的配電網(wǎng)

在接入逆變器電源DG2后，對同一故障點F1而言，母線側(cè)的故障電流減小，而下游流經(jīng)的故障電流增大，產(chǎn)生的結(jié)果會使上游的保護范圍減小，同時下游的保護范圍增大。從上述分析可見，含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護若直接采用配電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的三段式電流保護，會使其性能劣化，甚至失去選擇性［6］。

如圖2所示，當(dāng)分布式電源以微網(wǎng)形式接入，并且故障F1發(fā)生在微網(wǎng)內(nèi)部，PCC點并網(wǎng)保護裝置將會動作，使得K1斷開，分布式電源將脫網(wǎng)以計劃內(nèi)孤島方式運行，此時，由于分布式電源作為唯一提供故障信息的來源，而分布式電源無法在故障后既輸出故障電流，又為保護提供可靠保護信息，導(dǎo)致故障無法定位切除，最后計劃內(nèi)孤島將會解列，對供電可靠性產(chǎn)生影響。

圖2　分布式電源以微網(wǎng)形式接入的配電網(wǎng)

圖3　含分布式電源接入的配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

2　含分布式電源配電網(wǎng)的分區(qū)保護方案

圖3為典型分布式電源配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)圖。DG1，DG2以直接接入方式并網(wǎng)運行，DG3，DG4以微網(wǎng)形式并網(wǎng)運行，當(dāng)故障發(fā)生在原配電網(wǎng)線路上（虛線內(nèi)）時，根據(jù)故障點的不同，饋線自動化裝置配合分布式電源的并網(wǎng)保護裝置切除故障；當(dāng)故障發(fā)生在DG1，DG2出口處時，DG1，DG2并網(wǎng)保護裝置K1，K2動作將DG1，DG2從配網(wǎng)中解列；當(dāng)故障發(fā)生在微網(wǎng)內(nèi)部（實線內(nèi)），公共連接點的并網(wǎng)保護裝置將使得K3動作，DG3，DG4形成的計劃內(nèi)孤島脫網(wǎng)運行。

2.1故障發(fā)生于原配網(wǎng)線路

饋線自動化，又稱配電線路自動化，按照國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）對配電自動化的定義，饋線自動化系統(tǒng)（FAS一Feeder Automation System）是對配電線路上的設(shè)備進行遠(yuǎn)方實時監(jiān)視、協(xié)調(diào)及控制的一個集成系統(tǒng)。故障發(fā)生時，F(xiàn)A系統(tǒng)可以實現(xiàn)故障檢測、故障定位、非故障區(qū)段的恢復(fù)等功能［4-5］。

當(dāng)故障發(fā)生在離逆變器電源出口處較近的位置時，將會導(dǎo)致逆變器電源輸出電流增大，并網(wǎng)保護裝置動作，所以必須考慮并網(wǎng)保護裝置與FA的配合問題。無論并網(wǎng)保護裝置是否動作，根據(jù)FA的故障定位邏輯，F(xiàn)A都可以定位并切除故障，但當(dāng)故障發(fā)生在離逆變器電源出口處較近的位置時，可能產(chǎn)生的過電流會對逆變器電源產(chǎn)生一定的不利影響，所以設(shè)定并網(wǎng)保護裝置動作先于FA動作，其目的在于避免可能產(chǎn)生的過電流對逆變器電源的破壞。

圖4　故障后保護動作示意圖

如圖4所示，當(dāng)開關(guān)K1，K2之間發(fā)生故障，由于故障點距逆變器電源較近，故障發(fā)生時，并網(wǎng)點保護裝置將優(yōu)先動作，跳開K7，K8，將DG1，DG2從配電網(wǎng)中解列。接著CB1，K1，K2所在終端檢測到故障電流，并上報故障信息給FA控制器。FA控制器根據(jù)拓?fù)湫畔?，開關(guān)K1上報故障而開關(guān)K2沒有上報，則定位故障點在K1，K2之間，F(xiàn)A控制器給終端下發(fā)指令，跳開開關(guān)K1，K2。FA控制器收到K1，K2隔離成功信息，合開關(guān)CB2，恢復(fù)對非故障區(qū)域K3～K6之間的供電。

2.2故障發(fā)生于微電網(wǎng)內(nèi)部

分布式電源以直接并網(wǎng)或微電網(wǎng)形式并網(wǎng)運行。當(dāng)分布式電源采用直接并網(wǎng)方式并網(wǎng)時，故障發(fā)生時保護裝置將分布式電源從配電網(wǎng)系統(tǒng)中直接解列；而當(dāng)分布式電源以微電網(wǎng)形式接入時，無論故障發(fā)生在微電網(wǎng)內(nèi)部或者配電網(wǎng)絡(luò)，故障發(fā)生時都將優(yōu)先將微電網(wǎng)從配網(wǎng)中切除，微網(wǎng)以計劃內(nèi)孤島方式獨立運行。當(dāng)故障發(fā)生在微網(wǎng)內(nèi)部，需由分布式電源單獨提供故障信息，而由于其承流能力的限制，在正?？刂品绞较?，故障時無法輸出故障電流，導(dǎo)致保護裝置拒動。

文獻［6］提出了一種逆變器電源故障后控制方式，即通過阻抗限流器（Fault Current Limiter，F(xiàn)CL）的投入與占空比調(diào)節(jié)，達到故障時逆變器電源既不閉鎖輸出，又可以為保護裝置提供故障信息的目的。然而由于FCL的投入使得線路阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)側(cè)阻抗，導(dǎo)致過電流保護保護范圍較小，難以滿足要求；對于電壓保護而言，故障后的控制方式下能有較高的靈敏度，但是微網(wǎng)中線路長度較短，各節(jié)點電壓的跌落幅度相差不大，單獨使用低電壓保護會存在誤動作情況。

由此提出了利用電流閉鎖電壓保護作為分布式電源計劃內(nèi)孤島運行的線路保護方案，電流閉鎖電壓保護利用電壓元件控制保護區(qū)，保證動作選擇性，按躲過本線路末端線路末端短路故障整定；電流元件作為閉鎖元件，按保證本線路末端故障有足夠的靈敏度整定。有效的保證了選擇性與可靠性。

對于幾個檢測元件構(gòu)成的整套保護，因為各個檢測元件擔(dān)任的任務(wù)不同，對它們的靈敏度的要求也不同，一般應(yīng)滿足：

閉鎖元件的Klm＞起動元件的Klm＞測量元件的Klm，因而上述的保護策略對電壓、電流保護提出了最低要求：

低電壓保護范圍：

過電流保護范圍：

Zm為電源系統(tǒng)阻抗；ZL為線路阻抗；Kk為可靠性系數(shù)。

3　算例分析

下面通過一個典型微電網(wǎng)算例在故障后控制方式下，對故障下的響應(yīng)特性進行分析。

3.1保護性能分析

圖5為一個含逆變器電源的微電網(wǎng)配電系統(tǒng)。系統(tǒng)線電壓為400 V，中性點接地運行，線路長度如圖 5所示，線路單位長度序參數(shù)為X1=X2=0.0723Ω/km，R1=R2=0.253Ω/km，逆變器電源DG1為VF控制電源（提供電壓支持），最大輸出功率（容量）為15 kVA；DG2為可變功率電源，最大輸出功率為20 kW，功率因數(shù)為0.95；所有逆變器電源最大輸出電流均為其額定電流的2倍；當(dāng)開關(guān)K1閉合時，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，反之則為孤島運行狀態(tài)。通過設(shè)定各開關(guān)（斷路器）的狀態(tài)使微電網(wǎng)運行于不同模式，其中L3、L6、L7、L8構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，可以開環(huán)運行（K12、K13打開），也可以閉環(huán)運行（開關(guān)全部閉合）。

當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時，PCC點開關(guān)K1打開，微電網(wǎng)脫網(wǎng)獨立運行，分布式電源進入故障后控制方式。

表1為分布式電源故障后控制下，電流閉鎖電壓保護的性能，可以看出I段的定值難以滿足線路的瞬時動作要求，同時不同位置的低電壓保護定值相差很小，容易發(fā)生誤動作。究其根本原因是由于微電網(wǎng)自身線路阻抗很小，而串入逆變器電源的限流器件阻抗較大，導(dǎo)致了線路上的電流保護區(qū)縮小，線路間的殘壓相差不大。

3.2故障后控制方式改良

圖5　典型含分布式電源接入配電網(wǎng)示意圖

表1　故障后控制方式下的保護性能

當(dāng)計劃內(nèi)孤島運行的分布式電源發(fā)生故障時，其故障電流主要取決于分布式電源故障后控制方式，為了提升線路保護的性能，對原有的故障后控制方式進行了合理的改進。如圖6所示，將集中串入逆變器電源側(cè)的大電抗分散到每個線路保護的出口處，一旦微電網(wǎng)的線路發(fā)生故障，可以根據(jù)故障點的不同，協(xié)調(diào)控制故障限流器的投入，合理地調(diào)節(jié)逆變器電源的功率器件輸出。

圖6　逆變器電源故障后控制的改進方案

表2　改進后故障后控制方式下的保護性能

如表2所示，這種改進方案有效的增加了保護線路側(cè)阻抗大小，減小了背側(cè)系統(tǒng)的阻抗，不僅改善了過電流保護的有效動作范圍，而且提高了保護出口的殘壓，使得與相鄰母線上的故障電壓相差明顯，有利于故障的準(zhǔn)確定位。

4　結(jié)束語

文中通過分析分布式電源接入對于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的影響，合理地提出了針對于含有分布式電源接入的配電網(wǎng)的分區(qū)管理策略，對不同區(qū)域的故障采取不同的處理措施。當(dāng)故障發(fā)生在原配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)先切除分布式電源，結(jié)合FA裝置快速動作，可靠切除故障；當(dāng)故障發(fā)生在微電網(wǎng)中，并網(wǎng)點保護優(yōu)先動作，使得微電網(wǎng)脫網(wǎng)孤網(wǎng)運行，同時逆變器電源進入故障后控制方式，結(jié)合電流閉鎖電壓保護的線路保護方案可以更為準(zhǔn)確地切除故障，進一步的，通過對原有故障后控制方式的改良，提升了保護性能，加強了微電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行能力。

［1］李永麗，金強，李博通，等.低電壓加速反時限過電流保護在微電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2011，44（11）：955-960.

［2］Piagi P，Lasserters R H.Autonomous control of microgrids［C］//Proceedings of 2006 IEEE Power engineering Society General Meeting，Jun18-22，2006，Montreal Quebec，Canada. Piscataway，NJ，USA：IEEEE，206：8-15.

［3］Dimeas A L，Hatzeargyriou N D.A MAS architecture formicrogrids control［C］//Proceedings of the 13th International conference on Intelligent systems Application to Power Systems，Nov6-10，2005，Washington DC，USA.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2005：420-406.

［4］許健，趙春雷，喬峰，等.針對多分布式電源的孤網(wǎng)繼電保護［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，31（2）：78-82.

［5］徐丙垠.饋線自動化技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22（22）：55-60.

［6］林功平.配電網(wǎng)饋線自動化技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，1998，22（4）：65-68.

［7］周海成.含分布式電源配電網(wǎng)絡(luò)繼電保護應(yīng)用研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

［8］李瑞生.微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實踐及實驗［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，41（2）：74-78.

Research on the protection scheme of the intentional island with distributed power supply

TAO Ke，QI Bei-bei，HUANG Lei
（College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

The distributed power access has changed the structure and characteristics of the traditional distribution network，and reducetheapplicabilityoftraditionalrelayprotectiontechniques.Thispaperanalyzestheinfluenceofthedistributedpowersupply ontheprotectionofthedistributionnetwork.Theprotectionschemeisproposedbasedonthepartitionofthedistributionnetworkwith distributed power supply.Then compatible protection scheme of distributed power is designed with the feeder automation system. Finally，aschemeforthefaultremovalintheintentionalislandisproposed，itsvalidityisverifiedbysimulation.

distributed generation（DG）；distribution network protection；feeder automation；planned island

TN302

A

1674－6236（2016）06-0053-03

2015-10-13稿件編號：201510070

陶 軻（1991—），男，湖北云夢人，碩士研究生。研究方向：分布式電源及微電網(wǎng)保護。