分布式電源對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

王訓(xùn)哲，曹昂，盛逸標(biāo)

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072；2.新南威爾士大學(xué)電氣工程與通信學(xué)院，悉尼2032）

0 引 言

能源是當(dāng)代人類物質(zhì)文明發(fā)展的根基。過去的幾個世紀(jì)中，以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為核心的能源結(jié)構(gòu)對人類文明的發(fā)展做出了十分突出的貢獻(xiàn)。隨著化石能源日益的枯竭，如何更多的利用可再生的清潔能源進(jìn)行發(fā)電，減少化石燃料的消耗，改善能源結(jié)構(gòu)單一的現(xiàn)狀，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)電力領(lǐng)域研究的熱點問題。

目前我國的供電系統(tǒng)都是以大機組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統(tǒng)，而大電網(wǎng)由于自身固有的缺陷，已經(jīng)無法滿足當(dāng)今時代發(fā)展對電力行業(yè)越來越高的需求。隨著當(dāng)前負(fù)荷種類的增加，負(fù)荷的變化將變得更加迅速，大的電網(wǎng)難以追蹤這種變化，當(dāng)負(fù)荷的峰值與谷值之間的差距越來越大時，電網(wǎng)中的相關(guān)設(shè)施的利用率會下降，減少經(jīng)濟效益。發(fā)達(dá)國家的相關(guān)經(jīng)驗可以證實：以超高壓和特高壓為構(gòu)架的大型電網(wǎng)系統(tǒng)，輔之以風(fēng)能、太陽能等為主的分布式發(fā)電系統(tǒng)，能有效增加能源利用效率，提高電力系統(tǒng)安全性以及靈活，也將是未來電力行業(yè)的發(fā)展趨勢［1-3］。

分布式發(fā)電系統(tǒng)通常是指容量在幾千瓦至數(shù)十兆瓦之間的、以分散方式布置在用戶附近的、為環(huán)境兼容并且較為節(jié)能的發(fā)電裝置。DG主要用以提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下維持重要用戶的可靠供電。此外DG還具有提高能源利用率、調(diào)峰、減少溫室效應(yīng)、節(jié)省輸電走廊等效益。DG接入到已經(jīng)存在的配電網(wǎng)中，將改變系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)，原有的單輻射供電網(wǎng)絡(luò)因分布式電源的接入會改變?yōu)殡p端或者多端的網(wǎng)絡(luò)，可能會引起原有的繼電保護(hù)誤動或者拒動，降低了供電可靠性［4-6］。

1 分布式電源的建模

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對逆變型分布式電源的研究，關(guān)注的重點是逆變型電源輸出響應(yīng)速度上的差異［7-9］。在分布式電源的外部發(fā)生故障時，變流裝置會對外部的故障迅速做出反應(yīng)，分布式電源在故障后輸出的有功及無功在極短時間內(nèi)能夠很快的恢復(fù)到正常值。在次暫態(tài)過程中，由于有沖擊電流的存在，分布式電源輸出的有功和無功與故障前相比都會有所增加。但是次暫態(tài)過程存在的時間較短，在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中，可以將逆變型分布式電源假定為恒功率模型。在系統(tǒng)正常運行的情況下，電網(wǎng)的潮流確定其電壓、電流值；發(fā)生故障時，保持故障前后的輸出功率不變，由于故障原因，IIDG接入點的電壓將下降，而電流將與電壓成反比例的關(guān)系。因此，本文將使用一個可控電流源來對逆變型的分布式電源進(jìn)行等效處理［10-11］。

在PSCAD仿真軟件中，具體的模型如圖1所示。

圖1 分布式電源的恒功率等效模型Fig.1 Constant power equivalent model of DG

逆變型的分布式電源在發(fā)生短路故障前后，對外輸出的功率可以看作是恒定的，因此本文所采納的模型是三相受控電流源，用三個獨立的正弦信號發(fā)生器構(gòu)成該受控電流源的三相，如圖2所示。

圖2 可控電流源的模型圖Fig.2 Controlled current source model diagram

對于ABC三相而言，初始相角定義為可調(diào)的。ph I為初始相角，phA為 90°，phB為 210°，phC為-30°，彼此相差 120°，如圖3所示。

圖3 可控電流源的相位控制Fig.3 Phase control of controlled current source

在圖4中，首先通過實時電壓測量器Epv得到分布式電源接入點的電壓值。仿真中分布式電源的容量設(shè)定為10 MVA，利用除法器得到該受控電流源輸出的電流值。由于正弦發(fā)生器輸入的電流值Ipvm是電流的幅值，而Epv所測量的結(jié)果是三相受控電流源的線電壓，因此由除法器S/Edg所得到的結(jié)果乘以得到受控電流源的幅值Ipvm。

圖4 可控電流源的幅值控制Fig.4 Amplitude control of controlled current source

2 DG對三段式電流保護(hù)影響的理論分析

分布式電源位于不同的位置，會給繼電保護(hù)帶來不同的影響。本文對以下三種情況進(jìn)行了理論分析，分別是：分布式電源位于故障點的上游，分布式電源位于故障的下游和分布式電源位于故障的相鄰饋線。

2.1 DG位于故障的上游

如圖5所示，當(dāng)在母線f2處發(fā)生短路現(xiàn)象時，分布式電源會和大電網(wǎng)同時向短路點流過短路電流，這樣會導(dǎo)致流過保護(hù)R2的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當(dāng)DG容量較大或DG與保護(hù)越近時，有可能會造成保護(hù)R2的瞬時電流速斷保護(hù)誤動。保護(hù)R1檢測到的電流值將減小，當(dāng)保護(hù)R2不能動作而由保護(hù)R1動作切除故障時，由于檢測到電流值的減小，可能會造成保護(hù)的拒動。

圖5 DG位于故障的上游Fig.5 DG is upstream of the fault

2.2 DG位于故障的下游

如圖6所示，當(dāng)在母線f2處發(fā)生短路現(xiàn)象時，分布式電源會和大電網(wǎng)同時向短路點流過短路電流，這樣會導(dǎo)致流過保護(hù)R2的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當(dāng)DG容量較大或DG與保護(hù)越近時，有可能會造成保護(hù)R2的瞬時電流速斷保護(hù)誤動。保護(hù)R1檢測到的電流值將減小，當(dāng)保護(hù)R2不能動作而由保護(hù)R1動作切除故障時，由于檢測到電流值的減小，可能會造成保護(hù)的拒動。

圖6 DG位于故障的下游Fig.6 DG is downstream of the fault

2.3 DG位于故障的相鄰饋線

如圖7所示，當(dāng)保護(hù)R5出口附近的fl母線發(fā)生短路現(xiàn)象時，分布式電源和大電網(wǎng)同時向短路點流過短路電流，這樣會導(dǎo)致流過保護(hù)R4的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當(dāng)分布式電源的容量很大時，有可能會使其大于電流保護(hù)的動作值，從而造成保護(hù)的誤動。

圖7 DG位于故障的相鄰饋線Fig.7 DG is on adjacent feeder of the fault

3 仿真分析

根據(jù)某10 kV配電網(wǎng)的實際參數(shù)，搭建了含DG的配電網(wǎng)模型，進(jìn)行仿真驗證。DG通過C母線連入配電網(wǎng)，三相短路故障發(fā)生在D母線，所搭建的含DG配電網(wǎng)仿真模型如圖8所示。

在PSCAD中進(jìn)行仿真分析，可以得到故障前后流過保護(hù)BRK1到保護(hù)BRK4的電流值。

圖8 DG位于故障上游的配電網(wǎng)圖Fig.8 Distribution network with DG upstream of fault

（1）無DG時和有DG時，配電網(wǎng)故障發(fā)生前后流過 BRK1的短路電流分別如圖9（a）和圖9（b）所示；

（2）無DG時和有DG時，配電網(wǎng)故障發(fā)生前后流過 BRK2的短路電流分別如圖10（a）和圖10（b）所示；

（3）無DG時和有DG時，配電網(wǎng)故障發(fā)生前后流過BRK3的短路電流分別如圖11（a）和圖11（b）所示；

（4）無DG時和有DG時，配電網(wǎng)故障發(fā)生前后流過BRK4的短路電流分別如圖12（a）和圖12（b）所示。

圖9 BRK1的短路電流Fig.9 Short circuit current of BRK1

圖10 BRK2的短路電流Fig.10 Short circuit current of BRK2

圖11 故流過BRK3的短路電流Fig.11 Short circuit current of BRK3

圖12 流過BRK4的短路電流Fig.12 Short circuit current of BRK4

當(dāng)DG下游的D母線發(fā)生三相短路故障時，有DG時和無DG時流過保護(hù)1的短路電流基本相等。對于保護(hù)4，母線D發(fā)生短路故障時不會影響流過保護(hù)4的短路電流，因此重點是分析保護(hù)2和保護(hù)3在有無分布式電源時的情況。

對于保護(hù)2，由于分布式電源和大電網(wǎng)一起向短路點流過短路電流，大電網(wǎng)經(jīng)保護(hù)2向短路點注入短路電流。由于DG的接入，使得保護(hù)2測量大電網(wǎng)提供的短路電流降低，當(dāng)降低到保護(hù)2的整定值時，保護(hù)2將會拒動。對于保護(hù)3，大電網(wǎng)和分布式電源一起向短路點流過短路電流，此時保護(hù)3測量電流值將增大，保護(hù)的可靠性會提高，但有可能會造成保護(hù)3的誤動作。在MATLAB中計算故障時流過保護(hù)2和保護(hù)3的基波電流的幅值。

對于保護(hù)2，在無DG和有DG的情況下，計算得到的基波短路電流基幅值如圖13所示。

圖13 BRK2的短路電流基波幅值Fig.13 Short circuit amplitude current of BRK2

對于保護(hù)3，在無DG和有DG的情況下，計算得到的基波短路電流基幅值如圖14所示。

當(dāng)D母線發(fā)生三相短路故障，即DG位于故障的上游，針對保護(hù)2和保護(hù)3，可以得出如下結(jié)果：

圖14 BRK3的短路電流基波幅值Fig.14 Short circuit amplitude current of BRK3

（1）對于線路BC的保護(hù)2，在無 DG時的情況下，故障電流基波幅值為1.647 kA；在有DG時的情況下，故障電流基波幅值為0.746 4 kA，有DG時的短路電流小于無DG時的短路電流。當(dāng)保護(hù)2作為后備保護(hù)時，有可能造成保護(hù)的拒動；

（2）對于線路CD的保護(hù)3，在無DG時的情況下，故障電流基波幅值為1.612 kA（有效值為1.14 kA），未超過整定值，電流I段保護(hù)不會動作；在有DG時的情況下，故障電流基波幅值為3.099 kA（有效值為2.19 kA），超過I段的整定值1.36 kA。因為故障發(fā)生在線路末端，在發(fā)生三相短路故障時，保護(hù)3的電流速斷保護(hù)不會動作。但是在有DG接入配網(wǎng)的情況下，流過保護(hù)3的短路電流超過了整定值，因此保護(hù)3會發(fā)生誤動，與理論分析相符。

通過在含DG的10 kV配電網(wǎng)中進(jìn)行仿真驗證，驗證了理論分析的正確性。

4 基于本地信息量的自適應(yīng)電流保護(hù)方案

提出了基于本地信息量的自適應(yīng)保護(hù)方案，在接入恒功率的分布式電源后，已有保護(hù)不能滿足繼電保護(hù)動作可靠性的要求。自適應(yīng)保護(hù)通過實時觀測當(dāng)前系統(tǒng)的故障狀態(tài)信息，通過計算機對保護(hù)值進(jìn)行在線的整定，改變保護(hù)原有性能以適應(yīng)運行狀態(tài)的變化，進(jìn)一步改善保護(hù)的性能［12］。

通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得基于通信信息的廣域保護(hù)受到廣泛研究?？紤]到信息傳輸時延對系統(tǒng)響應(yīng)的影響；其次，系統(tǒng)發(fā)生故障時，通信網(wǎng)絡(luò)會傳輸大量的故障信息，如何保證可靠、迅速地傳送關(guān)鍵的數(shù)據(jù)也是當(dāng)前面臨的難點；當(dāng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，基于廣域信息的保護(hù)也將失效。因此，研究基于本地信息量的自適應(yīng)電流保護(hù)具有重要且意義。例如可以通過本地變電站檢測到的故障信息，區(qū)分潮流轉(zhuǎn)移過負(fù)荷和保護(hù)區(qū)域內(nèi)故障，對保護(hù)定值進(jìn)行修改。基于本地信息的系統(tǒng)保護(hù)位于傳統(tǒng)保護(hù)和穩(wěn)控技術(shù)的結(jié)合區(qū)域，可以有效降低對通信網(wǎng)絡(luò)和通信實時性的依賴程度［13-14］。

5 結(jié)束語

分布式電源作為現(xiàn)有大電網(wǎng)的有力補充，對增強原有電力系統(tǒng)的安全性、降低能源損失、改善環(huán)境質(zhì)量和實現(xiàn)能源的永續(xù)利用方面，發(fā)揮著決定性的作用。當(dāng)分布式電源接入到已經(jīng)存在的配電網(wǎng)中，將改變系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)，原有的單輻射供電網(wǎng)絡(luò)因分布式電源的接入會改變?yōu)殡p端或者多端的網(wǎng)絡(luò)，對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置帶來諸多不利影響。本文建立了分布式電源的恒功率等效模型，詳細(xì)分析了DG并入配電網(wǎng)不同位置時對三段式電流保護(hù)動作行為的影響，在PSCAD中通過仿真驗證了理論分析的正確性，并提出了基于本地信息量的自適應(yīng)電流保護(hù)方案，為并入DG后的配電網(wǎng)繼電保護(hù)算法研究提供了一定的理論依據(jù)。