含分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法研究*

古展基，黃煜翰，黃 勇，魏長(zhǎng)春，蔡澤祥

（1.廣州穗華能源科技有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；3.廣州穗華能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，廣州 510530）

0 引言

在電力工業(yè)發(fā)展的過程中，分布式發(fā)電技術(shù)得以與大電網(wǎng)密切結(jié)合，促使電網(wǎng)靈活性、可靠性得到提升，從而使電能利用率和質(zhì)量得到提高，滿足電力事業(yè)的發(fā)展需求。而目前在分布式發(fā)電方面，目前分布式電源以配電網(wǎng)的接入為主。作為單電源網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)只規(guī)劃單向功率流動(dòng)，并采取相應(yīng)的單電源網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)系統(tǒng)。接入分布式電源后，配電網(wǎng)將向多電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，在影響短路電流、電能質(zhì)量等情況的同時(shí)，容易引起原有保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)等故障。因此，想要使分布式發(fā)電優(yōu)勢(shì)得到較好發(fā)揮，還要結(jié)合分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響提出科學(xué)的自適應(yīng)保護(hù)方法，保證配電系統(tǒng)能夠始終維持安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響

分布式電源大量接入，導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)從單電源輻射型向多端、多源型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。而在故障電流和潮流不確定的情況下，過去采用的常規(guī)三段式電流保護(hù)將出現(xiàn)靈敏性下降的問題，無(wú)法使裝置保護(hù)選擇性得到保證。

1.1 對(duì)相鄰饋線電流保護(hù)的影響

在實(shí)際運(yùn)行的過程中，配電網(wǎng)多采用開環(huán)運(yùn)行方式，利用一端電源為部分線路供電。按照該種供電模式，短路電流將從電源側(cè)向故障點(diǎn)流動(dòng)。采用三段式電流保護(hù)方案，無(wú)法對(duì)短路電流方向進(jìn)行判別，為保證線路發(fā)生瞬時(shí)故障能夠得到切除，并恢復(fù)正常供電，需要完成自動(dòng)重合閘裝置的配置[1]。如圖1所示，在典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，通常會(huì)在母線A位置進(jìn)行系統(tǒng)電源S1的接入，從而實(shí)現(xiàn)輻射性供電。在接入分布式電源SDG時(shí)，需要在母線B位置進(jìn)行電源連接。一旦線路D、E位置有三相故障產(chǎn)生，S1的等效阻抗Zs將比線路阻抗要小，導(dǎo)致線路AE上集中出現(xiàn)由短路電流引起的電壓降落。此時(shí)，母線A位置電壓并未發(fā)生顯著變化，分布式電源只帶來(lái)了較小短路電流，并未對(duì)相鄰饋線1、2保護(hù)產(chǎn)生顯著影響。但是相較于未接入分布式電源的狀態(tài)，系統(tǒng)電源和分布式電源將同時(shí)向故障點(diǎn)進(jìn)行短路電流的提供，導(dǎo)致保護(hù)4檢測(cè)到較大故障電流，促使保護(hù)裝置靈敏性提高。在接入的分布式電源擁有較高滲透率的情況下，將造成下級(jí)線路故障的產(chǎn)生，引發(fā)保護(hù)4誤動(dòng)，繼而造成保護(hù)選擇性喪失。

圖1 分布式電源接入典型配電網(wǎng)的架構(gòu)圖

1.2 對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

在B、C位置發(fā)生三相故障的情況下，故障點(diǎn)短路電流由分布式電源和系統(tǒng)電源同時(shí)提供，使得母線B電壓有所提升。此時(shí)，系統(tǒng)電源提供的短路電流將有所下降，保護(hù)3位置只能檢測(cè)到較少短路電流。在分布式電源作用下，保護(hù)3靈敏性有所降低，在發(fā)生故障時(shí)可能出現(xiàn)拒動(dòng)問題，無(wú)法為線路BC提供保護(hù)。從繼電保護(hù)整定角度來(lái)看，針對(duì)保護(hù)3，按照分布式電源接入后的系統(tǒng)最大允許方式和電源出力開展整定工作，一旦分布式電源出力減少或發(fā)生退出允許，將導(dǎo)致裝置感受到的短路電流隨輸出功率減少而增大，繼而導(dǎo)致裝置保護(hù)靈敏性提升，出現(xiàn)喪失選擇性問題[2]。針對(duì)保護(hù)4，按照上述方法整定將在分布式電源出現(xiàn)問題時(shí)造成裝置保護(hù)靈敏性下降，繼而導(dǎo)致保護(hù)失效。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法

在電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程中，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜。按照傳統(tǒng)電流保護(hù)方案，需要依靠三段式距離保護(hù)的配置加強(qiáng)線路無(wú)通道保護(hù)，在對(duì)側(cè)斷路器動(dòng)作電流電壓相關(guān)序分量故障信息進(jìn)行利用的基礎(chǔ)上，對(duì)各種故障的全線速動(dòng)問題展開分析，得到不同的判據(jù)，造成配電網(wǎng)保護(hù)較為復(fù)雜。針對(duì)這些問題，自適應(yīng)保護(hù)理念得以被提出，能夠結(jié)合配電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)變化對(duì)線路保護(hù)定值或特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1 自適應(yīng)保護(hù)方法

針對(duì)含分布式電源的配電網(wǎng)，相關(guān)學(xué)者提出的自適應(yīng)保護(hù)方法較多。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)，有專家通過在MATLAB中建立雙饋式異步機(jī)風(fēng)力發(fā)電模型，對(duì)各種故障狀態(tài)下電流和電壓展開計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)下配電網(wǎng)電流特性不同，還要實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性保護(hù)配置，利用部分母線節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電流量判斷，然后根據(jù)故障特性完成自適應(yīng)保護(hù)區(qū)域劃分[3]。但是采取該種保護(hù)方法需要實(shí)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)分布式計(jì)算，保護(hù)裝置只有在獲得對(duì)應(yīng)區(qū)域電流數(shù)據(jù)時(shí)才能保證動(dòng)作正確，造成配電保護(hù)過度依賴通信系統(tǒng)，保護(hù)的選擇性遭到了削弱[4]。一些學(xué)者提出在IEC 61850分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用IEEE1588協(xié)議，借助以太網(wǎng)低成本、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)電源線路過渡電阻短路電流的同步計(jì)算，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)算法學(xué)習(xí)，從而根據(jù)過渡電阻類型變化完成在線實(shí)時(shí)分析，達(dá)到實(shí)現(xiàn)距離保護(hù)自適應(yīng)調(diào)整的目標(biāo)[5]。但就目前來(lái)看，采用該方法需要完成復(fù)雜在線整定計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)提出了較高容錯(cuò)性和智能化要求。未來(lái)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以借助計(jì)算時(shí)完成小波變換分析或正序故障分量計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)高頻暫態(tài)分量自適應(yīng)保護(hù)。然而就現(xiàn)階段來(lái)看，還要提出切實(shí)有效的方法解決含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)問題。

綜合考慮各方面要求，還應(yīng)加強(qiáng)自適應(yīng)速斷保護(hù)的利用，結(jié)合分布式電源短路特性完成故障信息測(cè)算，從而根據(jù)等效阻抗完成故障判定，將得到數(shù)據(jù)帶入到自適應(yīng)整定公式中[6]。通過確定相應(yīng)的動(dòng)作閾值，可以直接通過軟件升級(jí)加強(qiáng)自適應(yīng)保護(hù)，使得傳統(tǒng)保護(hù)方案硬件資源得到充分利用的同時(shí)，加強(qiáng)線路全方位保護(hù)[7]。經(jīng)過上述分析可知，可以根據(jù)配電網(wǎng)故障電流特性和分布式電源特性提出科學(xué)的自適應(yīng)保護(hù)方法。具體來(lái)講，就是由于配電網(wǎng)原有保護(hù)靈敏性將隨著分布式電源輸出功率變化而變化，所以根據(jù)接入的分布式電源的容量實(shí)現(xiàn)保護(hù)整定值調(diào)整，能夠通過對(duì)各支路三相短路電流進(jìn)行計(jì)算加強(qiáng)保護(hù)自適應(yīng)整定[8]。

2.2 三相短路電流確認(rèn)

在實(shí)際分析過程中，假設(shè)配電網(wǎng)發(fā)生三相故障，故障點(diǎn)電流為If，系統(tǒng)側(cè)電勢(shì)和等效電源分別設(shè)為E和G，分布式電源接入位置母線電壓為U，在分布式電源容量為S，采取PQ控制方法的情況下，可以得到如下電路原理：

式中：I1為供給側(cè)短路電流；I2為分布式電源提供的短路電流；ZL為分布式電源接入位置到短路點(diǎn)等效阻抗。

實(shí)際在接入配電網(wǎng)過程中，多采用逆變類分布式電源，在控制策略影響下故障后輸出電流不超過1.2～2 p.u.。受過渡電阻、故障位置等各種條件影響，限制最大輸出電流策略可變。在PQ控制策略下，分布式電源會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)功率增大的情況，并在1～2個(gè)周期后恢復(fù)至給定值，可以得到：

結(jié)合各式，可以得到：

2.3 自適應(yīng)保護(hù)分析

按照配電網(wǎng)原有保護(hù)方案，需要在系統(tǒng)最大運(yùn)行狀態(tài)下，根據(jù)線路末端三相短路電流與對(duì)應(yīng)可靠系數(shù)完成電流速斷保護(hù)整定值的計(jì)算。實(shí)現(xiàn)分布式電源的接入，還要考慮到自然因素給電源接入容量帶來(lái)的影響[9]。在分布式電源容量不斷變化的情況下，短路電流也將隨之改變，從而導(dǎo)致配電網(wǎng)保護(hù)無(wú)法適應(yīng)。針對(duì)這一問題，采用自適應(yīng)保護(hù)方法還要在分布式電源接入位置的上游加強(qiáng)保護(hù)配置。具體來(lái)講，就是在電路結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，采取雙電源供電保護(hù)方法?？紤]到接入位置下游也將受到分布式電源影響，因此同樣需要完成保護(hù)整定自適應(yīng)調(diào)整分析。

（1）主保護(hù)整定。針對(duì)保護(hù)3的主保護(hù)，在自適應(yīng)調(diào)整時(shí)還要將系統(tǒng)側(cè)等效阻抗設(shè)定為Zsmin，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式最大；在運(yùn)行方式最小時(shí)，可以得到等效阻抗Zsmax。在最大運(yùn)行方式下，將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到最大故障電流，從而得到：

（2）后備保護(hù)整定。考慮到如果接入位置下游保護(hù)3拒動(dòng)，上游保護(hù)2還應(yīng)起到后備保護(hù)的作用。結(jié)合之前分析可知，在分布式電源的分流作用下，保護(hù)2只能進(jìn)行較小短路電流感受，可能因靈敏性下降出現(xiàn)無(wú)法切除DE故障的問題，因此需要重新進(jìn)行保護(hù)整定。具體來(lái)講，就是在系統(tǒng)運(yùn)行方式最大的條件下，將系統(tǒng)側(cè)等效阻抗設(shè)定為Zsmin，得到相應(yīng)的等效阻抗Zsmax。再將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到得到：

在實(shí)際接入分布式電源過程中，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到其具有隨機(jī)性，容量波動(dòng)隨著時(shí)間變化而改變。想要加強(qiáng)自適應(yīng)保護(hù)，還要完成相應(yīng)整定判據(jù)的設(shè)定，以便在滿足設(shè)定要求時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重新整定[10]。采取該種措施，能夠避免系統(tǒng)頻繁重新進(jìn)行自適應(yīng)保護(hù)調(diào)整，因此能夠使系統(tǒng)可靠性得到提高。按照這一思路，可以提出配電網(wǎng)接入分布式電源后的自適應(yīng)保護(hù)流程。由于短路電容不變，配電系統(tǒng)短路電流將受分布式電源出力因素的影響，所以可以根據(jù)出力進(jìn)行重新整定判據(jù)的設(shè)定。具體來(lái)講，就是在一開始，根據(jù)上次整定獲得的分布式電源出力S，對(duì)目前實(shí)時(shí)出力S′進(jìn)行分析，完成相應(yīng)線路末端短路電流If和If′的計(jì)算。在變化數(shù)值超出[0，0.1]的范圍內(nèi)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)重新整定，使電源出力S=S′，然后重新進(jìn)行整定判斷觀測(cè)。

3 算例分析

為驗(yàn)證提出的自適應(yīng)保護(hù)方法的保護(hù)效果，還要結(jié)合實(shí)例展開分析。如圖2所示，為典型配電網(wǎng)的等效電路。采用該配電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在PSCAD軟件中進(jìn)行仿真分析計(jì)算。結(jié)合分布式電源并網(wǎng)特點(diǎn)，設(shè)定d1位置發(fā)生三相故障，在最大運(yùn)行條件下，系統(tǒng)阻抗為0.6Ω，最小運(yùn)行方式下則為0.1Ω。在線路參數(shù)Z為0.4Ω/km，長(zhǎng)度為AB=BC=8 km的情況下，接入容量為15 MVA的分布式電源。

圖2 典型配電網(wǎng)的等效電路

按照提出的自適應(yīng)保護(hù)方法進(jìn)行保護(hù)1和2的整定判斷，同時(shí)將傳統(tǒng)保護(hù)方案保護(hù)效果當(dāng)成是對(duì)照，能夠使方法的有效性得到驗(yàn)證。如表1所示，為容量變化情況下主保護(hù)整定值及保護(hù)范圍變化。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，配電網(wǎng)在分布式電源接入后受到了較大影響。在接入的分布式電源功率發(fā)生變化時(shí)，采用傳統(tǒng)保護(hù)方案的系統(tǒng)主保護(hù)將在1.2%～69.4%范圍內(nèi)波動(dòng)，采用自適應(yīng)保護(hù)方法能夠使系統(tǒng)主保護(hù)維持在50.5%～69.4%范圍內(nèi)，波動(dòng)幅度較小。采用相同方法對(duì)后備保護(hù)波動(dòng)情況展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在0～15 MVA容量變化范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)保護(hù)方案的系統(tǒng)后備保護(hù)將在12.2%～35.1%范圍內(nèi)波動(dòng)，采用自適應(yīng)保護(hù)方法能夠使系統(tǒng)主保護(hù)維持在35.1%～59.1%之間。相較于傳統(tǒng)方法，自適應(yīng)保護(hù)方法擁有相對(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方式，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性。由此可見，采用自適應(yīng)保護(hù)方法能夠有效進(jìn)行配電系統(tǒng)保護(hù)整定值的調(diào)節(jié)，使分布式電源給配電網(wǎng)帶來(lái)的影響得到盡可能的降低。從整體上來(lái)看，經(jīng)過自適應(yīng)保護(hù)調(diào)整，配電網(wǎng)主保護(hù)性能可以得到提升，備用保護(hù)變化范圍也能得到縮小，因此能夠使配電網(wǎng)維持安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 主保護(hù)整定值及保護(hù)范圍變化

4 結(jié)束語(yǔ)

利用分布式電源容量與配電網(wǎng)短路電流關(guān)系實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)側(cè)電源和分布式電源短路電流計(jì)算，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)整定值的自適應(yīng)調(diào)整，從而削弱分布式電源接入給配電網(wǎng)性能帶來(lái)的影響得，經(jīng)過算例分析后取得了較好結(jié)果。但在如下兩方面，仍存在改進(jìn)空間：

（1）在控制方式不同的情況下，故障后電流大小不同，所以在實(shí)現(xiàn)保護(hù)整定值計(jì)算分析時(shí)，需要結(jié)合不同控制方式實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整分析，驗(yàn)證方法的有效性。

（2）隨著接入配電網(wǎng)的分布式電源種類的變化，配電網(wǎng)故障瞬間短路電流也將得到提高，因此在自適應(yīng)保護(hù)方面還要尋求有效方法。