考慮DG接入位置和容量的配電網(wǎng)保護(hù)綜合改進(jìn)方案

黃大為，潘 波

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考慮DG接入位置和容量的配電網(wǎng)保護(hù)綜合改進(jìn)方案

黃大為，潘 波

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132000)

為了解決分布式電源(distributed generations，DG)接入配電網(wǎng)后引起的傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)、靈敏度降低等問(wèn)題，提出一種適應(yīng)DG大量接入配電網(wǎng)的改進(jìn)保護(hù)方案。從DG接入位置和容量角度，分析接入母線和饋線對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的影響，并計(jì)算傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)允許接入容量。通過(guò)配置低電壓加速反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，以及加裝少量方向元件對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)來(lái)滿足含大量DG的配電網(wǎng)保護(hù)要求。利用PSCAD/EMTDC對(duì)含DG的10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，該改進(jìn)方法能夠滿足不同容量的DG接入配電網(wǎng)保護(hù)要求，具有很好經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，符合我國(guó)當(dāng)前配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀。

分布式電源；配電網(wǎng)；接入位置；三段式電流保護(hù)；低電壓加速反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

0 引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要是以單電源供電的輻射狀網(wǎng)絡(luò)為主，采用的繼電保護(hù)以三段式電流保護(hù)[1]為主。DG接入后配電網(wǎng)變成了多電源供電的有源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流大小、方向等都會(huì)發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)單純基于故障電流大小而動(dòng)作的三段式電流保護(hù)已經(jīng)不能滿足DG大量接入[2]。

DG種類多樣，按照并網(wǎng)方式可以分為兩類[3]：一類是變壓器直接并網(wǎng)的電機(jī)型DG；一類是通過(guò)逆變器并網(wǎng)的DG簡(jiǎn)稱逆變型DG(inverter interfaced distributed generation，IIDG)。在故障分析時(shí)，電機(jī)型DG故障電流特性類似于同步電機(jī)可以等效成電壓源和電抗串聯(lián)的形式[3]；IIDG故障電流取決于控制方式可以等效成電流源[4-7]，其最大故障電流一般為額定電流1.2倍[8]。

現(xiàn)有的含DG配電網(wǎng)保護(hù)主要可以分為兩類：第一類對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)的改進(jìn)，第二類利用發(fā)達(dá)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)信息交換的智能保護(hù)。文獻(xiàn)[9-11]根據(jù)DG容量大小、接入位置，以及電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)保護(hù)整定值在線實(shí)時(shí)進(jìn)行整定，但是沒(méi)有考慮DG故障時(shí)的電流特性；文獻(xiàn)[12]在DG上游線路兩側(cè)分別配置帶方向的三段式電流保護(hù)，由于風(fēng)電、光伏等利用可再生能源發(fā)電的DG具有波動(dòng)性，保護(hù)整定難度增加，降低了保護(hù)的可靠性；文獻(xiàn)[13]通過(guò)比較線路兩端故障分量電流方向，判斷故障發(fā)生位置，但該方法線路兩端需要配置通訊裝置。文獻(xiàn)[14-15]提出了一種基于通訊的區(qū)域保護(hù)方案，把配電網(wǎng)劃分成多個(gè)區(qū)域，通過(guò)比較流過(guò)保護(hù)正序電流分量的方向，判斷故障位置；文獻(xiàn)[16]提出了一種基于SDH的EOS板卡通信技術(shù)的區(qū)域保護(hù)方案。文獻(xiàn)[17]利用配電網(wǎng)自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)的通訊功能和各Agent之間的協(xié)作能力，提出了含DG配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方案，該方案需要對(duì)全網(wǎng)保護(hù)實(shí)時(shí)同步采樣，通信信息量大，投資成本較高。相對(duì)于智能保護(hù)，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度考慮，對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)更能適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀。

本文以DG接入配電網(wǎng)位置和容量為切入點(diǎn)，分析DG接入對(duì)三段式電流保護(hù)和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)(inverse-time overcurrent protection，ITOC)的影響。計(jì)算了滿足三段式電流保護(hù)要求DG最大允許接入容量的此基礎(chǔ)上，提出了含DG配電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合改進(jìn)方案。

1 DG接入對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)影響分析

我國(guó)配電網(wǎng)保護(hù)主要以三段式電流保護(hù)為主，部分采用反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)[18-19]，本文按DG接入母線和饋線兩種情況，分析DG對(duì)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的影響。

1.1 DG對(duì)三段式電流保護(hù)影響

DG例如風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電具有很大的隨機(jī)性。圖1為DG接入配電網(wǎng)母線的情況，本文以保護(hù)K2為例對(duì)其電流I、Ⅱ和III段保護(hù)影響進(jìn)行分析。DG接入后縮短了保護(hù)K2保護(hù)范圍，有可能造成保護(hù)K2的I段不能滿足最小保護(hù)范圍要求，一般為被保護(hù)線路全長(zhǎng)的15%~20%。保護(hù)K2電流Ⅰ段滿足最小保護(hù)范圍約束如式(1)。

DG接入后保護(hù)K2靈敏度會(huì)降低，可能造成保護(hù)K2的Ⅱ段靈敏度不滿足保護(hù)靈敏度要求，一般。保護(hù)K2電流Ⅱ段靈敏度約束如式(2)。

保護(hù)Ⅲ段是按照可能流過(guò)的最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定的，因此DG接入母線對(duì)饋線保護(hù)影響不大。

圖1 DG接入母線的配電網(wǎng)系統(tǒng)

圖2 DG接入饋線

圖2為DG接入配電網(wǎng)饋線的情況，DG接入饋線最大不同在于DG上游發(fā)生故障時(shí)，存在的逆向潮流可能造成上游保護(hù)電流Ⅲ段誤動(dòng)作。圖2保護(hù)K2電流Ⅲ段不誤動(dòng)作約束如式(3)。

1.2 DG對(duì)反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)影響

以圖2為例進(jìn)行分析，DG接入配電網(wǎng)后反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)存在的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 兩個(gè)DG中游L2或DG下游L3發(fā)生短路故障時(shí)，DG會(huì)對(duì)保護(hù)K1故障電流有分流作用，若DG容量較大可能造成保護(hù)K1動(dòng)作延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

(2) DG下游L3發(fā)生故障時(shí)，DG1對(duì)保護(hù)K2故障電流有助增作用，DG2對(duì)保護(hù)K2故障電流有分流作用，且故障點(diǎn)距離DG2接入點(diǎn)越遠(yuǎn)分流作用越明顯，因此保護(hù)K2故障電流改變大小不能確定，當(dāng)DG容量較大時(shí)可能造成K2和K3保護(hù)配合失效。

(3) 兩個(gè)DG下游L3發(fā)生故障時(shí)，兩個(gè)DG都會(huì)對(duì)保護(hù)K3故障電流有助增作用，若保護(hù)K3動(dòng)作時(shí)限低于保護(hù)K3的固有動(dòng)作時(shí)限，可能導(dǎo)致保護(hù)K3和K1、K2配合失效。

2 含DG的配電網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)方案

當(dāng)DG接入容量較小時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)進(jìn)行重新整定即可滿足配電網(wǎng)保護(hù)要求。當(dāng)DG容量較大時(shí)，通過(guò)對(duì)ITOC進(jìn)行改進(jìn)和配置方向元件滿足配電網(wǎng)保護(hù)要求。

當(dāng)DG接入母線容量大于下游保護(hù)電流Ι或Ⅱ段最大允許接入容量時(shí)，可以采用UAITOC解決三段式電流保護(hù)容量限制和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)以最小方式運(yùn)行且DG輸出功率最小，線路發(fā)生相間短路時(shí)，流過(guò)保護(hù)的電流最小，有可能保護(hù)延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足保護(hù)速動(dòng)性要求，這種情況下保護(hù)安裝處故障電壓也較小，且保護(hù)安裝處距離故障點(diǎn)越近，電壓跌落越明顯，所以本文在反時(shí)限特性曲線的基礎(chǔ)上乘以故障相相電壓標(biāo)幺值，這樣就解決了因DG輸出功率減小，故障電流減小，保護(hù)延時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。含隨機(jī)性DG配電線路故障時(shí)電流變化較大，且需要與上下級(jí)保護(hù)配合，應(yīng)該采用反時(shí)限特性曲率較大的曲線[20]，所以本文采用曲線形狀為1的反時(shí)限特性曲線。低電壓加速反時(shí)限特性曲線數(shù)學(xué)模型如下。

(5)

圖3 低電壓反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)曲線

DG接入饋線時(shí)以圖4為例進(jìn)行分析，接入點(diǎn)上游L1和中游L2線路相當(dāng)于兩端供電網(wǎng)絡(luò)，所以線路兩端都需要配置保護(hù)，當(dāng)DG接入容量小于上游保護(hù)K1電流Ⅲ段保護(hù)允許接入容量時(shí)， DG對(duì)上游電流Ι段和Ⅱ段保護(hù)影響不大，且沒(méi)有超出電流Ⅲ段保護(hù)允許接入容量，原先的三段式電流保護(hù)就能滿足繼電保護(hù)要求，線路對(duì)側(cè)保護(hù)可以采用聯(lián)動(dòng)的動(dòng)作方式，即靠近電網(wǎng)側(cè)保護(hù)K1動(dòng)作則線路對(duì)側(cè)保護(hù)K5同時(shí)動(dòng)作，這樣就能隔離故障。當(dāng)DG接入容量大于上游保護(hù)K1電流Ⅲ段允許接入最大容量時(shí)，上游靠近電網(wǎng)側(cè)保護(hù)K1加裝方向元件，只有電流由電網(wǎng)側(cè)流向下游饋線時(shí)保護(hù)才啟動(dòng)，線路對(duì)側(cè)保護(hù)K5也是和電網(wǎng)側(cè)保護(hù)聯(lián)動(dòng)方式動(dòng)作，從而隔離故障線路。

若DG1的接入容量小于保護(hù)K2電流Ι、Ⅱ最大允許接入容量，且DG2接入容量小于保護(hù)K2電流Ⅲ段最大允許接入容量時(shí)，只需要對(duì)K2三段式電流保護(hù)重新整定即可。若DG1的接入容量大于保護(hù)K2電流Ⅰ、Ⅱ段最大允許接入容量，且DG2接入容量小于保護(hù)K2電流Ⅲ段最大允許接入容量時(shí)，保護(hù)K2則采用UAITOC，同時(shí)保護(hù)K2配置電流Ⅲ段保護(hù)與之配合使用。若DG1的接入容量小于保護(hù)K2電流Ⅰ、Ⅱ最大允許接入容量，且DG2接入容量大于保護(hù)K2電流Ⅲ段最大允許接入容量時(shí)，需要對(duì)保護(hù)K2三段式電流保護(hù)重新整定和配置方向元件。若DG1的接入容量大于保護(hù)K2電流Ⅰ、Ⅱ段最大允許接入容量，且DG2接入容量大于保護(hù)K2電流Ⅲ段最大允許接入容量時(shí)，需要對(duì)K2配置帶方向的UAITOC和電流Ⅲ段保護(hù)。對(duì)側(cè)保護(hù)K6動(dòng)作特性同K5。

接入點(diǎn)下游保護(hù)類似于DG接入母線情況，DG接入容量小于保護(hù)K3和K4電流Ι、Ⅱ段最大允許接入容量時(shí)，對(duì)保護(hù)進(jìn)行重新整定就可以滿足保護(hù)要求。DG接入容量大于保護(hù)K3和K4電流Ι、Ⅱ段最大允許接入容量時(shí)采用UAITOC，保護(hù)K3和保護(hù)K2存在保護(hù)配合失效的問(wèn)題，可以通過(guò)在保護(hù)K3除配置電流Ⅲ段保護(hù)來(lái)解決。

圖4為DG1的接入容量小于保護(hù)K2電流Ι、Ⅱ最大允許接入容量，DG2接入容量大于保護(hù)K2電流Ⅲ段最大允許接入容量，DG1和DG2接入容量大于保護(hù)K3和K4電流Ι、Ⅱ段最大允許接入容量。保護(hù)K1采用原有的三段式電流保護(hù)，保護(hù)K2采用三段式電流保護(hù)重新整定和配置方向元件，保護(hù)K3和K4配置UAITOC電流Ⅲ段保護(hù)。

圖4 階段式電流保護(hù)的配合和實(shí)際動(dòng)作時(shí)間示意圖

不同容量DG接入母線和饋線綜合改進(jìn)方法如表1所示。

表1 保護(hù)綜合改進(jìn)方法

3 保護(hù)方案仿真驗(yàn)證

圖5為某市10 kV中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)，系統(tǒng)容量為200 MVA，額定電壓為10 kV，最大運(yùn)行方式電源等效阻抗為0.5 Ω，最小運(yùn)行方式電源等效阻抗為0.8 Ω。線路為架空線路，線路參數(shù)為=0.342Ω/km，=0.33 Ω/km，每段線路長(zhǎng)度均為2 km。每條母線接有額定容量為2 MVA，功率因數(shù)為0.85的負(fù)荷，DG模型采用隨機(jī)的IIDG，其輸出最大故障電流為額定電路1.2倍，最小為零。利用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)提出的保護(hù)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖5 DG接入母線配電系統(tǒng)

根據(jù)上文分析IIDG接入后對(duì)保護(hù)K1和K5的I、Ⅱ段整定值影響最大且相同，對(duì)電流III段保護(hù)沒(méi)有影響，表2為Bus1母線接入容量分別為：0、3、4.21、6 MW的IIDG時(shí)，保護(hù)K1電流I段整定值，其中電流I段可靠系數(shù)為1.2，電流Ⅱ段可靠配合系數(shù)為1.1。

表2 保護(hù) K1整定值

圖6(a)為系統(tǒng)以最小方式運(yùn)行，且IIDG輸出功率為0時(shí)，線路1距離Bus1母線15%處；圖6(b)線路1末端發(fā)生兩相短路故障流過(guò)保護(hù)K1電流波形圖，其中K1配置UAITOC。

圖6 保護(hù)K1仿真波形圖

由圖6(a)當(dāng)IIDG接入容量為4.21MW時(shí)，流過(guò)保護(hù)K1的故障電流為5.50 kA，若采用的電流Ι段保護(hù)，則故障電流小于整定值導(dǎo)致拒動(dòng)，采用本文UAITOC則能正確動(dòng)作。由圖6(b)知故障電流為3.3 kA，若采用電流Ⅱ段保護(hù)，則不能滿足保護(hù)線路全長(zhǎng)，采用本文的UAITOC則能正確動(dòng)作。

表3為保護(hù)K1按照Bus1母線處接有6 MW的IIDG時(shí)進(jìn)行整定。系統(tǒng)以最小方式運(yùn)行，且IIDG源輸出功率為0時(shí)，線路1距離Bus1母線15%處和線路1末端發(fā)生兩相短路故障分別采用ITOC和UAITOC動(dòng)作情況。

表3 保護(hù)K1動(dòng)作情況

由表3可知采用本文所提出的UAITOC不僅能夠正確切除故障。而且動(dòng)作時(shí)間明顯比常規(guī)反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間短。

圖7 DG接入饋線配電系統(tǒng)

圖7各參數(shù)同圖5。根據(jù)上文可知DG對(duì)保護(hù)K3和K4影響類似，配置的保護(hù)也基本相同，仿真結(jié)果也表明相同，這里就不再贅述。其中保護(hù)K1和K2電流III段整定值分別為：0.52 kA和0.34 kA。DG接入后引起的逆向潮流可能造成上游保護(hù)K1和K2電流III段誤動(dòng)作，表4為DG容量分別是0、3、6、9 MW時(shí),線路首段故障時(shí)流過(guò)保護(hù)K1和K2的故障電流

表4 保護(hù) K1、K2故障電流

由表4可知當(dāng)DG容量大于3.35 MW時(shí)會(huì)引起保護(hù)K2電流Ⅲ段誤動(dòng)作。當(dāng)DG容量大于上游保護(hù)電流Ⅲ段最大允許接入容量時(shí)，采用本文提出的在保護(hù)K1和K2出配置方向元件，可以避免保護(hù)誤動(dòng)作。

4 結(jié)論

本文分析了DG接入母線和饋線對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)和反時(shí)限過(guò)電流保戶影響，并計(jì)算滿足配電網(wǎng)保護(hù)三段式電流保護(hù)約束的最大允許接入容量。根據(jù)我國(guó)配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度，在傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)基礎(chǔ)上，提出了含DG配電網(wǎng)保護(hù)綜合改進(jìn)方案。通過(guò)對(duì)改進(jìn)方案分析可知傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)母線允許接入容量大于饋線允許接入容量；DG接入母線相對(duì)于接入饋線對(duì)原有的保護(hù)改動(dòng)少，且不需要額外增加方向元件經(jīng)濟(jì)性更好，實(shí)用性更強(qiáng)，因此，從繼電保護(hù)的角度來(lái)看DG更適合接入母線。方案適用于多個(gè)不同容量DG接入配電網(wǎng)情況，根據(jù)DG接入位置和容量確定不同的保護(hù)方式，從而解決了傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)DG滲透率低的問(wèn)題。通過(guò)算例分析驗(yàn)證了方案的有效性。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Improved methods of distribution network protection scheme considering connection locations and capacity of DG

HUANG Dawei, PAN Bo

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132000, China)

When distributed generations are connected into distribution network, it will bring about many problems in traditional distribution network, such as protective relays refusing to operate, mal-operation, de-sensitivity, etc. Therefore, an improved protection scheme adapt to mass DG access to distribution network is put forward. From the perspective of DG connecting location and capacity, the impact of connected bus and feeder on traditional three-stage current protection and inverse-time over-current protection is analyzed, and the allowed accessing capacity of three-stage current protection is calculated. Verse-time over-current protection based on low voltage acceleration and a few directional components are configured to meet the protection requirements of the distribution network with mass DG. A 10 kV distribution system with DG issimulated and analyzed by PSCAD/EMTDC. Simulation results show that the improved method can meet protection requirements of distribution network with different capacity DG access, has good economy and practicality, and confirms to the development status of current distribution network.

DG; distribution network; connection location; three-section current protection; UAITOC

10.7667/PSPC151584

吉林省科技廳科技發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(20130102026JC)

2015-07-31；

2016-01-25

黃大為(1976-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和發(fā)電企業(yè)決策；E-mail: hdw76@163.com 潘 波(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)繼電保護(hù)與新能源并網(wǎng)。