含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)繼電保護配置方案研究

印力群

摘要：近年來，風電和光伏等分布式發(fā)電（distribution generation，DG）接入配電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，對配電網(wǎng)的繼電保護造成嚴重影響，研究含DG的配電網(wǎng)繼電保護配置方案顯得尤為重要。首先，分析DG接入配電網(wǎng)不同母線上、不同容量接入配電網(wǎng)對繼電保護的影響;其次，針對DG接入對配電網(wǎng)保護的影響機理以及DG出力的不確定特性，提出DG接入配電網(wǎng)的自適應(yīng)保護配置方案;最后，通過算例對所提出的保護配置方案進行驗證，結(jié)果表明了該配置方案的有效性和可行性。

Abstract： In recent years， the scale of distributed generation （DG） such as wind power and photovoltaic access to the distribution network is increasing， which has a serious impact on the relay protection of distribution network. It is particularly important to investigate the relay protection configuration scheme of distribution network with DG. Firstly， the influence of DG access to distribution network with different buses and different capacities on relay protection is analyzed. Secondly， an adaptive protection configuration scheme for DG access to distribution network is proposed in the light of the influence mechanism of DG access on distribution network protection and the uncertain characteristics of DG output. Finally， the proposed protection configuration scheme is verified by an example， and the results show that the scheme is effective and feasible.

關(guān)鍵詞：分布式電源;自適應(yīng)保護;配電網(wǎng)

Key words： distributed generation;adaptive protection;power distribution network

中圖分類號：TM61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0216-03

0? 引言

迫于一次能源逐漸枯竭的壓力和人類對環(huán)境保護的日益重視，分布式電源由于其環(huán)境友好性和接入配電網(wǎng)的靈活性，越大越受到人們的重視，具有很好的應(yīng)用前景[1-2]。然而，分布式發(fā)電接入，會改變配電網(wǎng)原有的結(jié)構(gòu)方式和潮流分布，對現(xiàn)有配電網(wǎng)的電流保護造成嚴重影響，因此，計算DG接入配電網(wǎng)的故障電流，研究含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護配置方案具有很好的研究意義和實用價值。

關(guān)于DG接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響已有不少文獻報道過，并進行了大量的研究工作[3-4]。普遍采用的方法就是將DG等效為恒流源和恒壓源，這樣大大簡化了含DG配電網(wǎng)的故障電流計算模型。然而，隨著DG接入容量的逐漸增加，為了保證配電網(wǎng)故障下的安全穩(wěn)定性，中國、德國等多個國家已對DG接入配電網(wǎng)提出了新的要求，當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，DG不應(yīng)立即退出運行，應(yīng)持續(xù)運行一定的時間，并要求根據(jù)并網(wǎng)點的電壓幅值提供相應(yīng)的無功功率。此時，將DG等效為恒流源和恒壓源將無法提供無功功率。為此，需研究含DG的配電網(wǎng)短路電流計算模型和計算方法，進一步提出含DG的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護方案。

文獻[5]將將保護側(cè)網(wǎng)絡(luò)進行等值變換，完成保護整定值的自適應(yīng)設(shè)定;文獻[6]將DG設(shè)為恒壓源，并建立了考慮控制策略的 DG 模型，研究了自適應(yīng)的正序電流速斷保護;文獻[7]將 DG等效為線性函數(shù)，并提出了含 DG 的自適應(yīng)保護模型和算法。本文考慮了DG的控制策略，提出了一種新的自適應(yīng)保護方案，并給出了DG 接入母線和“T 接線”情況下的配置方案，最后通過算例驗證了該方案的正確性。

1? DG接入對配電網(wǎng)保護的影響

目前，我國中低壓配電網(wǎng)絡(luò)采用的是閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運行的方式，即采取單輻射型的供電結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)下配電網(wǎng)的潮流為單一方向，即電流由電源流向負荷。當配電網(wǎng)有DG接入后，配電網(wǎng)由單輻射型網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎嚯娫垂╇姷木W(wǎng)絡(luò)，造成配電網(wǎng)的潮流發(fā)生改變，線路中電流幅值及方向也會發(fā)生改變，這樣會對配電網(wǎng)的電流保護造成一定的影響。接下來通過一個簡單的供電網(wǎng)絡(luò)分析DG接入對電流保護的影響，配電網(wǎng)接線圖如圖1所示。

通過選擇3個故障點分析，其中f1和f2、f3和f4以及f5和f6分別表示為發(fā)生在DG接入母線上游、下游以及相鄰線路的故障點。接下來，從上述三種情況分析DG接入對配電網(wǎng)保護的影響。

f1 點發(fā)生短路故障時，除了電源向故障點注入電流，DG也會向f1點注入反向電流，當注入的反向電流較小時，會影響f1點保護的自動重合閘，當注入電流較大且大于保護2整定值時，會引起保護2動作;當f2點發(fā)生短路故障時，DG的接入對保護2無影響，保護2能夠正確動作。f3點發(fā)生短路故障時，短路電流由電源ES和DG共同產(chǎn)生，短路電流增加，增大了保護3的保護范圍和靈敏度，同時不會影響保護1和2;f4點發(fā)生故障時，增加了短路電流，致使本應(yīng)由保護4動作由于電流的增加可能造成保護3誤動;f5和f6點發(fā)生故障時，與保護3和4的影響效果一致。

通過上述分析可以看出，故障點在DG上游線路時，故障點離DG越近，對自動重合閘及保護的影響越大;故障點發(fā)生在DG下游線路時，故障點離DG越近，由于斷流電流的增大，使得DG下游線路上一段線路保護失去選擇性，發(fā)生保護誤動的概率就越大?？傊?，DG的接入使得原有保護方案的可靠性、選擇性和靈敏性受到了不同程度的影響。

2? 含DG的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護方案

當DG 接入母線點上游線路發(fā)生短路時，DG 會對影響自動重合閘動作，因此在上游線路的末端增加帶方向的繼電保護裝置，當有反向電流時保護可靠動作。圖2中的保護 1′、保護2′就是帶方向的保護裝置，該保護裝置的啟動值就是按照離DG最遠的線路首端短路電流進行整定。

加入保護2′后的電流 I 段、電流 II 段以及護護 1′電流 I 段的自適應(yīng)保護整定值計算如下：

通過同樣的分析方法，可以計算故障發(fā)生在DG接入母線的下游線路以及相鄰線路的饋線線路上保護3和4以及保護5和6的自適應(yīng)保護整定值。通過對原有配電保護方案的整改，可獲得DG接入配電網(wǎng)的自適應(yīng)保護方案，提高了含DG的配電網(wǎng)繼電保護的選擇性、可靠性和靈敏性。

自適應(yīng)保護配置方案如下：

①DG接入母線上游線路原有的保護方案不變，仍按照電流的III段式保護或II段式保護進行整定;

②DG接入母線上游各支路末端均增設(shè)帶方向原件的保護裝置，保護電流整定值采用公式（1）的自適應(yīng)電流保護來計算;

③DG接入母線下游線路和相鄰饋線線路全部支部的III段式電流保護或II段式電流保護均改為自適應(yīng)保護方案，電流整定值計算與上游發(fā)生故障時計算方法一樣。

總之，僅需在DG接入上游線路各支路末端增加增加帶方向原件的保護裝置，其余保護裝置只對動作啟動值重新進行整定計算即可。

3? 算例分析

算例的保護配置示意圖如圖3所示。其中，電源E的額定電壓為10.5kV，容量為600MVA，電源內(nèi)阻忽略不計，等值電抗為j0.8;網(wǎng)絡(luò)中各支路線路型號相同，線路阻抗為0.18+j0.35Ω/km，且各支路AB、BC、CD、DE、AF、FG的長度分別為4km、4km、15km、3km、10km和6km，DG輸出功率為12MW。

由上文分析可知，圖3中保護1′、2′為新增的保護裝置，保護1和2采用原有保護整定方法，保護1′、2′、3、4、5和6采用自適應(yīng)保護整定方法，圖中均標記為灰色字體。各保護整定值計算的結(jié)果如表1所示。由于保護1′和4、6不存在II段整定值，為此表1沒有給出具體值。

下面計算故障發(fā)生在各段分支線路據(jù)下游母線1/3線路長度處時，三相短路故障時流過各保護的短路電流、新方案電流保護整定值，以及按照新方案配置在配電線路上各保護的動作情況。

計算的過程中，僅計算了DG接入母線上游AB支路和下游CD支路，具體計算結(jié)果和動作情況如表2所示。

由表 2 可以看出，短路故障發(fā)生在DG接入母線上游線路時，保護 1 的正向短路電流為 8.621kA，大于其整定值 7.667kA，能夠可靠動作;而DG作用下，流入保護1的反向短路電流幅值為0.656kA，傳統(tǒng)輻射網(wǎng)絡(luò)的保護配置下，該反向短路電流必然會影響保護的自動重合閘。而在AB末端配置保護1′時，流過保護1′的短路電流幅值大于 I 段整定值，也能夠可靠動作，切斷了DG注入的短路電流，進而避免影響該線路的自動重合閘問題。

同理，發(fā)生在CD線路的短路故障，也可使保護3可靠動作，提高了配電網(wǎng)繼電保護的自適應(yīng)性。

4? 結(jié)論

針對DG接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響，分析了DG接入配網(wǎng)后不同位置發(fā)生短路故障時配電網(wǎng)短路電流的分布情況，給出了DG接入后對原有保護配置方案的影響程度。提出了含DG的配電網(wǎng)自適應(yīng)繼電保護方案，算例驗證了該保護方案的可行性和有效性，有效提高配電網(wǎng)繼電保護的可靠性。

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