含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的雙斜率電流差動(dòng)保護(hù)

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 牟 宏 汪 湲 王春義 趙 鵬

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司 張婷婷

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 張 彬

含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的雙斜率電流差動(dòng)保護(hù)

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 牟 宏 汪 湲 王春義 趙 鵬

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司 張婷婷

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司 張 彬

針對(duì)含微網(wǎng)配電系統(tǒng)中傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)法同時(shí)保證區(qū)內(nèi)和區(qū)外動(dòng)作正確性的問(wèn)題,提出有源配電網(wǎng)雙斜率電流差動(dòng)保護(hù),解決了傳統(tǒng)保護(hù)對(duì)高阻故障容易拒動(dòng)的問(wèn)題,提高了保護(hù)的可靠性.最后利用PSCAD進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明提出的保護(hù)方法能夠正確動(dòng)作,滿足有源配電網(wǎng)保護(hù)要求.

有源配電網(wǎng);微電網(wǎng);雙斜率;電流差動(dòng)保護(hù)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的快速增長(zhǎng),用戶對(duì)電網(wǎng)供電能力的要求越來(lái)越高,對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性和電能質(zhì)量提出了新的要求,分布式電源、微電網(wǎng)大量接入配電網(wǎng),使配電網(wǎng)成為有源配電網(wǎng),也給配電網(wǎng)的運(yùn)行保護(hù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1-3].

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),其潮流實(shí)現(xiàn)了雙向流動(dòng),即潮流可以由配電網(wǎng)流向微網(wǎng),也可以由微網(wǎng)流向配電網(wǎng),改變了常規(guī)配電網(wǎng)單向流動(dòng)的特征,傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)的靈敏度和動(dòng)作正確性難以保證,可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng).同時(shí)微網(wǎng)接入采用了電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的"柔性"接入,與常規(guī)的發(fā)電機(jī)相比具有不同的電源特性,會(huì)影響常規(guī)的配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置.傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)方法已經(jīng)不能直接應(yīng)用于有源配電網(wǎng),應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)方法使其適應(yīng)有源配電網(wǎng)特點(diǎn).本文以傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)為基礎(chǔ),針對(duì)有源配電網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn),提出了一種適合有源配電網(wǎng)的保護(hù)方法.

1 有源配電網(wǎng)

有源配電網(wǎng)指微網(wǎng)滲透率較高、功率雙向流動(dòng)的配電網(wǎng),如圖1所示.微網(wǎng)的接入對(duì)潮流和短路電流產(chǎn)生了影響,傳統(tǒng)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多為單端電源供電網(wǎng)絡(luò),饋線上的保護(hù)一般不需要方向元件,多為階段式電流保護(hù),微網(wǎng)接入配電網(wǎng)后,在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),配電網(wǎng)和微網(wǎng)中的分布式電源都會(huì)向故障點(diǎn)提供故障電流,因此配電系統(tǒng)變?yōu)槎嚯娫垂╇娤到y(tǒng),改變了配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)短路電流,微網(wǎng)中分布式電源的容量、接入點(diǎn)等因素都會(huì)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的正確動(dòng)作造成影響.

圖1 有源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)接入配電網(wǎng),給傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)配置的影響主要有故障電流助增、保護(hù)靈敏度降低、相鄰線故障保護(hù)誤動(dòng)以及重合閘不成功等問(wèn)題.微網(wǎng)中不同的分布式電源采用不同的控制方法,風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電都受隨機(jī)因素的影響,為了保證最大的利用率,微網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)使這類(lèi)電源即插即用[4-5].然而這更加劇了微網(wǎng)潮流的不確定性,所以設(shè)計(jì)保護(hù)方案時(shí)要盡量避免潮流的影響.微電網(wǎng)可以作為電源向配電網(wǎng)輸送功率,可以作為負(fù)荷由配電網(wǎng)為其提供功率,也可以只供給本地負(fù)荷.當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí),短路點(diǎn)處電壓降低,微電源將會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流,這時(shí)微電網(wǎng)呈現(xiàn)電源特性,所以在研究微電網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響時(shí)可以將微電網(wǎng)看成獨(dú)立的電源.

電流差動(dòng)保護(hù)是通過(guò)比較線路兩側(cè)流過(guò)電流的幅值和相位來(lái)判斷保護(hù)區(qū)內(nèi)是否發(fā)生故障,它的選擇性不受雙向潮流的影響,原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單,而且靈敏度高,動(dòng)作快速,具有絕對(duì)選擇性,被廣泛地用于電力系統(tǒng)重要設(shè)備和系統(tǒng)的保護(hù)[6-8].但傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)受不平衡電流影響大,而有源配電網(wǎng)復(fù)雜的運(yùn)行方式和潮流特性導(dǎo)致其短路時(shí)電流情況更加復(fù)雜,因此需要對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)方法進(jìn)行改進(jìn),提出更加適合有源配電網(wǎng)的保護(hù)方法.

2 雙斜率電流差動(dòng)保護(hù)

傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)如式(1)所示,其中Im和In為電流差動(dòng)保護(hù)兩端的電流,由母線流向線路為正方向.Id為差動(dòng)電流,是線路兩端電流的矢量和;Ir為制動(dòng)電流,是線路兩端電流的矢量差.K(0

傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線如圖2,時(shí),動(dòng)作區(qū)將縮小,保護(hù)將更難動(dòng)作,當(dāng)發(fā)生區(qū)外短路時(shí),不平衡電流很大,此時(shí)較大的K值能保證差動(dòng)電流始終不越限,保護(hù)不會(huì)誤動(dòng),但較大的K值在區(qū)內(nèi)故障制動(dòng)電流較大時(shí)容易使保護(hù)拒動(dòng),即K值的設(shè)定需要同時(shí)兼顧區(qū)內(nèi)故障靈敏度和區(qū)外故障可靠性的問(wèn)題,雙斜率差動(dòng)保護(hù)則能很好的改善這一點(diǎn).

圖2 傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性曲線

雙斜率差動(dòng)電流保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)如式(2)所示,Is是拐點(diǎn)電流;K1和K2(0

動(dòng)作特性曲線如圖3,S稱為拐點(diǎn),制動(dòng)特性的第一段是水平線,因?yàn)榇藭r(shí)短路電流很小,不平衡電流很小,并不需要制動(dòng),Iset按最大負(fù)荷電流下不平衡電流整定.若區(qū)內(nèi)發(fā)生高阻故障時(shí),差動(dòng)電流Id減小,此時(shí)K1不能過(guò)大,否則整定值可能會(huì)過(guò)高而使保護(hù)拒動(dòng).同時(shí)區(qū)內(nèi)發(fā)生短路時(shí),微網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的短路電流可能比發(fā)電機(jī)側(cè)小很多,從而增大了制動(dòng)量,不利于保護(hù)動(dòng)作,有源配電網(wǎng)的這一特點(diǎn)也使得K1不能過(guò)大.而K2可以適當(dāng)增加,使得區(qū)外短路時(shí)即使不平衡電流很大,保護(hù)的動(dòng)作電流也總是大于不平衡電流,保護(hù)不會(huì)誤動(dòng).

圖3 雙斜率差動(dòng)電流保護(hù)動(dòng)作特性曲線

3 仿真驗(yàn)證

在PSCAD中建立有源配電網(wǎng)模型如圖4所示:

圖4 有源配電網(wǎng)PSCAD模型

以微電網(wǎng)外部線路T2為例,假設(shè)線路T2處出現(xiàn)高阻故障,設(shè)置故障發(fā)生的時(shí)刻為0.5s,故障持續(xù)時(shí)間為0.1s.由于微電網(wǎng)接入,故障電流增大,沖擊電流可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的損害.設(shè)置Iset為0.5A,制動(dòng)系數(shù)K1為0.3,K2為0.8,拐點(diǎn)電流Is為1.5A.電流變化如圖5所示,各線路兩端的斷路器動(dòng)作情況分別如圖6、圖7和圖8所示.

從圖5可以看出,當(dāng)線路T2發(fā)生A相接地短路故障時(shí),A相電流增加,但由于故障為高阻故障,電流增加并不多,因K1設(shè)置合理,即使制動(dòng)量處于K1段,保護(hù)也不會(huì)因?yàn)檎ㄖ荡笥贗set而拒動(dòng),所以線路T2兩端的斷路器迅速動(dòng)作,切除了故障線路,如圖7所示.而線路T1和線路T3兩端的斷路器都沒(méi)有誤動(dòng)作,如圖6和圖8所示.仿真結(jié)果表明保護(hù)能正確動(dòng)作.

圖5 發(fā)生單相短路故障時(shí)的故障電流

圖6 線路T1兩端斷路器動(dòng)作情況

圖7 線路T2兩端斷路器動(dòng)作情況

圖8 線路T3兩端斷路器動(dòng)作情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)有源配電網(wǎng)的特點(diǎn),在改善傳統(tǒng)差點(diǎn)電流保護(hù)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了雙斜率電流差動(dòng)保護(hù),有效解決了保護(hù)區(qū)內(nèi)高阻故障靈敏性和區(qū)外故障產(chǎn)生較大不平衡電流時(shí)動(dòng)作正確性難以兼顧的問(wèn)題,提高了有源配電網(wǎng)的安全性,通過(guò)仿真驗(yàn)證了保護(hù)方法的可行性.

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牟宏(1968-),男,碩士研究生,國(guó)網(wǎng)山東省電力公司級(jí)工程師,研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行分析和電網(wǎng)規(guī)劃.