DG接入對(duì)微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

丁婧，王欣，鄭淑文，陳宇，孫仕奇

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DG接入對(duì)微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

丁婧1，王欣1，鄭淑文2，陳宇3，孫仕奇1

（1．國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北省 鄂州市 436000；2．國(guó)網(wǎng)河南省電力有限公司平頂山供電公司，河南省 平頂山市 467000；3．湖北華電西塞山發(fā)電有限公司，湖北省 黃石市 435001）

分布式電源(DG)接入微電網(wǎng)后，微電網(wǎng)由單源變?yōu)槎嘣聪到y(tǒng)，會(huì)改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)的潮流分布以及故障短路電流流向，造成原有保護(hù)的靈敏度下降，出現(xiàn)誤動(dòng)拒動(dòng)等現(xiàn)象。分析DG接入位置與接入容量的不同對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)的影響，并在PSCAD軟件上搭建微電網(wǎng)模型，接入DG，驗(yàn)證DG接入位置不同以及接入容量不同對(duì)微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響。

分布式電源；微電網(wǎng)；電流保護(hù)

0 引言

微電網(wǎng)是為了滿足用戶的需求而在用戶側(cè)安裝分布式電源(distributed generator，DG)的低壓配電網(wǎng)，主要由DG、負(fù)荷、儲(chǔ)能及控制裝置組成，與大電網(wǎng)結(jié)合具有能源利用率高、兼容環(huán)境、適應(yīng)可再生能源等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，我國(guó)中低壓配網(wǎng)一般采用傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，與傳統(tǒng)配電網(wǎng)類似，但由于其含有高滲透率的DG，而DG“即插即用”的特性使得微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，微電網(wǎng)中的潮流分布及故障時(shí)的電流大小和方向也受DG影響發(fā)生了根本性變化。DG對(duì)微網(wǎng)中的故障電流分布和傳統(tǒng)電流保護(hù)之間的整定配合關(guān)系都會(huì)產(chǎn)生影響，這些與DG的接入位置、接入容量和接入方式等有關(guān)[6-12]。

DG對(duì)微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響由下列因素決定[13-15]：

1）DG接入位置。DG接入位置的不同導(dǎo)致DG與故障點(diǎn)的位置之間不同，線路阻抗不同導(dǎo)致提供的故障電流不同。

2）DG接入容量。DG接入容量不同導(dǎo)致DG接入阻抗不同，提供的短路電流不同。

3）DG接入方式。DG直接并網(wǎng)和通過(guò)電力電子裝置并網(wǎng)2種接入方式。通過(guò)電力電子設(shè)備并網(wǎng)的DG受限制故障時(shí)提供的短路電流很小，直接并網(wǎng)的DG故障時(shí)提供的短路電流大。

1 DG接入對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)影響的理論分析

1.1 DG對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的影響與DG位置的關(guān)系

如圖1所示，S為大電網(wǎng)等效電源，DG為分布式電源，系統(tǒng)等效電源與分布式電源分別通過(guò)降壓變壓器與升壓變壓器接入微電網(wǎng)。母線電壓為10kV，線路保護(hù)裝置均采用電流保護(hù)。微電網(wǎng)末端接有負(fù)荷PQ1與PQ2。

圖1 簡(jiǎn)單微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微電網(wǎng)等效電路圖

1）DG從母線C接入。

線路CD上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)保護(hù)1、2、3的短路電流為：

2）DG從母線E接入。

線路CD上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3上的短路電流值：

僅由系統(tǒng)電源向故障點(diǎn)提供短路電流，保護(hù)3可準(zhǔn)確切除保護(hù)范圍內(nèi)的故障。

同時(shí)，保護(hù)4上的短路電流值：

DG提供的短路電流流過(guò)保護(hù)4，當(dāng)其超過(guò)正向整定值時(shí)，有可能造成保護(hù)4誤動(dòng)。

3）DG從母線F接入。

線路CD上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)6上的短路電流值：

DG向故障點(diǎn)提供反向短路電流，當(dāng)其超過(guò)正向整定值時(shí)，保護(hù)6有可能誤動(dòng)作。保護(hù)1、2、3上的短路電流值：

通過(guò)保護(hù)1、2、3的故障電流由系統(tǒng)和DG同時(shí)提供，對(duì)故障電流起到了助增作用，電流速斷保護(hù)范圍將增大，甚至延伸至下一段，導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性而誤動(dòng)。

4）DG從母線B接入。

線路CD上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)保護(hù)3的短路電流為

綜上所述，DG接入后對(duì)電流保護(hù)的影響主要包括4個(gè)方面：1）DG產(chǎn)生的助增作用。當(dāng)DG在故障點(diǎn)上游時(shí)，線路的短路電流將由系統(tǒng)電源和DG共同提供，其短路電流值將增大，電流速斷保護(hù)范圍也隨之增大，可能導(dǎo)致保護(hù)裝置失去選擇性而誤動(dòng)；2）DG產(chǎn)生的汲流作用。當(dāng)DG在故障點(diǎn)上游時(shí)，DG將影響上游短路電流的分布，使上游線路的短路電流值減小，電流限時(shí)速斷保護(hù)范圍隨之減小，可能導(dǎo)致保護(hù)裝置因靈敏度降低而拒動(dòng)；3）DG產(chǎn)生的反向作用。當(dāng)DG在故障點(diǎn)下游或在相鄰饋線時(shí)，DG將向上游保護(hù)裝置提供反向短路電流，使其失去方向性而誤動(dòng)；4）DG離故障點(diǎn)越近，對(duì)電流保護(hù)的影響越大。

1.2 DG對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的影響與DG容量的關(guān)系

1）線路CD發(fā)生故障。

線路CD上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)保護(hù)3的短路電流值：

流過(guò)保護(hù)1和保護(hù)2的短路電流值：

2）線路DE發(fā)生故障。

線路DE上f1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，DG向保護(hù)4提供反向電流，流過(guò)保護(hù)4的短路電流為

綜上所述，DG對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的影響與DG容量的關(guān)系主要表現(xiàn)在DG的容量將影響其阻抗的大小，從而短路電流值也隨之改變，對(duì)電流保護(hù)間的整定與配合關(guān)系間存在一定的影響。

2 DG接入對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)影響的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

圖3 簡(jiǎn)單微電網(wǎng)模型

10kV的含兩饋線簡(jiǎn)單微電網(wǎng)模型如圖3所示，系統(tǒng)額定電壓和額定容量為10.5kV和100MV×A，大電網(wǎng)電壓為110kV，變壓器采用D-yn11接線，變比為110/10.5kV，并通過(guò)PCC連接點(diǎn)與微網(wǎng)相連。DG額定容量均為8MV×A，輸出電壓為0.69kV。線路1、線路2和線路3為架空線(LGJ-120/25鋼芯鋁絞線)，線路阻抗單位長(zhǎng)度的標(biāo)幺值為0.245+j0.304，長(zhǎng)度分別為3、3、4km；線路4、線路5為地下電纜(YJLV21-150/60銅芯交聯(lián)聚氯乙烯電纜)，線路阻抗單位長(zhǎng)度的標(biāo)幺值為0.254+j0.0717，長(zhǎng)度分別為12、10km，相鄰饋線上線路6和線路7為架空線路，其阻抗單位長(zhǎng)度標(biāo)幺值為0.245+j0.304，長(zhǎng)度分別為3、3km。線路負(fù)荷為4+j3MV×A。在各線路上裝設(shè)傳統(tǒng)電流保護(hù)裝置CB1—CB8。

2.2 DG接入對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)影響的仿真結(jié)果分析

2.2.1 線路的傳統(tǒng)保護(hù)配置

首先考慮DG未接入微網(wǎng)時(shí)的保護(hù)配置，根據(jù)所搭建的微電網(wǎng)模型與系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)各線路進(jìn)行短路故障仿真，各線路的I段整定電流值如 表1所示。

由于線路的II段整定值需與下一級(jí)線路I段整定值相配合，根據(jù)表1的I段整定值計(jì)算出各線路的II段整定值如表2所示。

表2 各線路II段整定電流值與靈敏度

以上數(shù)據(jù)為所搭建微電網(wǎng)模型的各線路保護(hù)裝置參數(shù)要求。

2.2.2 DG接入位置不同對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響

為了研究DG接入位置不同對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響，保持DG容量不變，故障點(diǎn)位置固定，改變DG位置，對(duì)所搭建模型進(jìn)行短路故障仿真。

假設(shè)DG分別從母線B2、B3、B4接入，當(dāng)線路4末端發(fā)生三相短路時(shí)，各線路電流測(cè)量值如表3所示。

表3 各線路電流測(cè)量值

由表3可知，DG接入微電網(wǎng)后，微電網(wǎng)各線路上短路電流的分布將發(fā)生變化，DG上游的短路電流減小，DG下游的短路電流增大。在DG容量不變，故障位置固定，DG接入位置不同時(shí)，DG越接近故障位置，DG提供的故障電流越大。

線路4發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)由保護(hù)4切除故障，則線路4的電流保護(hù)I段整定值與保護(hù)范圍如 表4所示。

表4 線路4的故障電流整定值與保護(hù)范圍

由表4可知，DG接入后線路4末端短路電流值增大，且DG距離故障點(diǎn)越近，保護(hù)4測(cè)量的短路電流值越大。DG接入后保護(hù)4測(cè)量的短路電流增大，而傳統(tǒng)電流保護(hù)I段整定值相對(duì)較小，使保護(hù)4的保護(hù)范圍發(fā)生變化，DG接入母線4時(shí)尤為明顯，導(dǎo)致保護(hù)4的電流保護(hù)I段在線路5故障時(shí)因失去選擇性而誤動(dòng)。

DG接入后對(duì)上游裝置的影響主要體現(xiàn)在電流II段保護(hù)上。為了研究DG對(duì)II段保護(hù)的影響，保持DG容量不變，改變DG和故障點(diǎn)位置，對(duì)所搭建模型進(jìn)行短路仿真。

假設(shè)DG分別從母線B2、B3、B4接入，同時(shí)線路2、線路3、線路4分別發(fā)生故障，各線路電流測(cè)量值如表5所示。

表5 各線路電流測(cè)量值

由表5可知，DG的接入改變了故障電流的分布，受電流助增作用影響DG下游故障線路電流增大，而上游非故障線路電流比故障線路電流小。傳統(tǒng)II段整定值按限時(shí)電流速斷范圍不超過(guò)下一級(jí)線路電流速斷保護(hù)范圍整定。DG接入后各線路的傳統(tǒng)電流保護(hù)II段整定值與靈敏度如表6所示。

表6 各線路的電流保護(hù)II段整定值與靈敏度

由表6可知，傳統(tǒng)電流II段保護(hù)未涉及DG的汲流作用，DG下游故障線路電流增大，I段整定值增大，上游線路II段整定值相應(yīng)增大，而實(shí)際流過(guò)上游非故障線路的短路電流小于流過(guò)下游故障線路的電流，導(dǎo)致傳統(tǒng)II段保護(hù)靈敏度降低，可能拒動(dòng)而不滿足保護(hù)要求。

2.2.3 DG接入容量不同對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響

為了研究DG接入容量不同對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響，保持DG位置不變，故障點(diǎn)位置固定，改變DG容量，對(duì)所搭建模型進(jìn)行短路故障仿真。

假設(shè)容量為4、6、8、10MV×A的DG分別從B4接入，線路4末端發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)4測(cè)量的故障電流值與其對(duì)應(yīng)的保護(hù)范圍見(jiàn)表7。

表7 保護(hù)4測(cè)量的故障電流值與其對(duì)應(yīng)的保護(hù)范圍

由表7可知，當(dāng)線路4末端發(fā)生短路故障時(shí)，在不改變DG接入位置情況下，DG接入的容量越大，保護(hù)4測(cè)量的故障電流越大，其保護(hù)范圍隨之增大甚至延伸至下一級(jí)線路，導(dǎo)致線路5故障時(shí)，保護(hù)4失去選擇性而誤動(dòng)。

保護(hù)3的限時(shí)速斷保護(hù)范圍不應(yīng)超過(guò)保護(hù)4的電流速斷保護(hù)范圍，保護(hù)3的II段保護(hù)整定值應(yīng)大于保護(hù)4的I段保護(hù)整定值。保護(hù)3的II段整定值和各線路電流測(cè)量值如表8所示。

表8 保護(hù)3的II段整定值和各線路電流測(cè)量值

當(dāng)線路4末端發(fā)生短路故障時(shí)，在不改變DG接入位置情況下，DG接入的容量越大，DG接入的容量越大，保護(hù)4測(cè)量的故障電流越大，保護(hù)3測(cè)量的故障電流越小，保護(hù)3的II段整定值按大于保護(hù)4的I段整定值進(jìn)行計(jì)算，忽略了DG的汲流作用，使II段整定值偏高，靈敏度降低，導(dǎo)致保護(hù)3可能因靈敏度不足而拒動(dòng)，且DG接入容量越大，此現(xiàn)象越為明顯。

綜上所述，在DG容量一定，故障點(diǎn)位置不變的情況下，改變DG的位置，或在DG位置一定，故障點(diǎn)位置不變的情況下，改變DG的容量，都將導(dǎo)致饋線上故障電流的分布發(fā)生了改變，DG下游線路因DG電流助增作用而導(dǎo)致故障電流增大，DG上游線路因DG電流汲流作用而導(dǎo)致故障電流減小，影響下游線路的I段保護(hù)和上游線路的II段保護(hù)，導(dǎo)致下游保護(hù)失去選擇性而誤動(dòng)，上游保護(hù)靈敏度降低而拒動(dòng)，對(duì)保護(hù)之間的整定配合關(guān)系造成了很大地影響，且此現(xiàn)象在DG越靠近故障點(diǎn)位置或DG容量越大時(shí)尤為明顯。

3 結(jié)論

分別從DG的接入位置和接入容量個(gè)方面分析微電網(wǎng)短路故障時(shí)，DG接入對(duì)微電網(wǎng)傳統(tǒng)電流保護(hù)所產(chǎn)生的影響，并通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建簡(jiǎn)單的微電網(wǎng)模型對(duì)所述理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。1）DG的接入改變了微電網(wǎng)短路電流水平，對(duì)下游線路的短路電流具有助增作用，使DG下游I段保護(hù)范圍增大，導(dǎo)致微電網(wǎng)傳統(tǒng)電流I段保護(hù)因選擇性降低而誤動(dòng)。同時(shí)DG離故障點(diǎn)位置越近，且DG容量越大，短路電流增大越明顯，對(duì)I段保護(hù)的影響越嚴(yán)重。2）DG下游故障時(shí)，DG上游線路的短路電流由于分流作用保護(hù)范圍將減小，導(dǎo)致傳統(tǒng)電流II段保護(hù)靈敏度降低而拒動(dòng)。DG容量越大，短路電流減小的越多，II段保護(hù)拒動(dòng)情況越明顯，II段保護(hù)的靈敏度越小。

因此傳統(tǒng)電流保護(hù)亟需改進(jìn)，以適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變的微電網(wǎng)。自適應(yīng)電流保護(hù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了一些思路[12]。自適應(yīng)電流保護(hù)能夠根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的改變而自適應(yīng)調(diào)整電流保護(hù)定值，使其保護(hù)區(qū)域不受微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。1）利用信息共享的方法實(shí)時(shí)獲取分布式電源的狀態(tài)信息在線計(jì)算并調(diào)整各保護(hù)裝置的定值；當(dāng)本地保護(hù)單元檢修或拒動(dòng)時(shí)，由保護(hù)中心替代其保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程后備保護(hù)。2）利用線路在微電網(wǎng)內(nèi)部故障與故障切除過(guò)程中電流存在的明顯差異特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷自啟動(dòng)過(guò)程的準(zhǔn)確識(shí)別：當(dāng)連續(xù)兩次檢測(cè)到電流突變量大于設(shè)定門限值時(shí)，即認(rèn)為負(fù)荷產(chǎn)生自啟動(dòng)過(guò)程?？筛鶕?jù)負(fù)荷變化而做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而構(gòu)建自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)方案。

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The Impact of DG Access on Microgrid Current Protection

DING Jing1, WANG Xin1, ZHENG Shuwen2, CHEN Yu3, SUN Shiqi1

(1. State Grid Hubei Electric Power Co., LTD., Ezhou Power Supply Company, Ezhou 436000, Hubei Province, China; 2. State Grid Henan Electric Power Co., LTD., Pingdingshan Power Supply Company, Pingdingshan 467000, Henan Province, China; 3. Hubei Huadian Xisaishan Power Generation Supply Company, Huangshi 435001, Hubei Province, China)

When distributed generator (DG) is connected to the microgrid, the microgrid will change from single source system to multiple source system, which will change the power flow distribution and fault short-circuit current flow of the original network, the sensitivity will decrease, and the phenomenon of false rejection will occur. In this paper, the influence of DG on the protection of microgird is analyzed, and the model is built on the PSCAD. The effect of DG on the protection of microgird is verified.

distributed generator; microgird; current protection

10.12096/j.2096-4528.pgt.18192

2018-11-05。

丁婧(1992)，女，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)，503673557@qq.com。

丁婧

(責(zé)任編輯 辛培裕)