含分布式電源的配電網(wǎng)保護影響機理及故障定位①

梁華敏,高 輝,王晨清

1(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院、人工智能學(xué)院,南京 210023)

2(江蘇省電力試驗研究院有限公司,南京 211103)

隨著全球石油資源儲量逐漸減少,碳排放過量與空氣污染等環(huán)境問題日益嚴重,發(fā)展清潔有效、環(huán)境友好的能源技術(shù)對解決能源與環(huán)境問題具有重要意義[1,2].以光伏、風(fēng)力發(fā)電為主的分布式電源(distributed generation,DG)接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)能有效緩解環(huán)境問題,并且提高系統(tǒng)運行的可靠性[3,4].然而DG 并網(wǎng)會對配電網(wǎng)造成影響,其中對整個系統(tǒng)的繼電保護影響最為明顯[5,6],DG 接入配電網(wǎng)使傳統(tǒng)配電網(wǎng)的單一電源輻射網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p端或多端供電網(wǎng)絡(luò)[7,8].因此,針對含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護研究尤為關(guān)鍵.

關(guān)于分布式電源并網(wǎng)的相關(guān)研究對進行配電網(wǎng)故障定位與切除工作,保證系統(tǒng)安全運行尤為重要[9-12].文獻[13,14]總結(jié)了國內(nèi)外對直流配電網(wǎng)保護、交直流混合配電網(wǎng)繼電保護以及換流器保護等技術(shù)以及環(huán)境效益方面取得的最新進展與成果.文獻[15]提出將距離保護作為過電流保護的替代方法來進行故障檢測.文獻[16]提出了基于本地信息量的自適應(yīng)電流保護方案,為DG 并網(wǎng)后的繼電保護算法研究提供了一定理論依據(jù).在故障定位方面的研究,現(xiàn)有的方法主要有阻抗法、行波法、信號注入法、矩陣算法、遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[17,18].文獻[19]提出了基于分布式智能饋線自動化系統(tǒng)的故障定位方案,能夠準確地對故障進行定位與隔離,分析方法值得借鑒,但該系統(tǒng)方案對設(shè)備間的通信要求較高.文獻[20]提出了一種自適應(yīng)矩陣算法,具有良好的容錯性.文獻[21]提出一種基于子網(wǎng)絡(luò)劃分的配電網(wǎng)故障區(qū)段定位算法,無論是單一故障還是多重故障均可準確定位,但是對算法精確度要求較高.文獻[22]提出了一種環(huán)網(wǎng)故障定位的矩陣算法,但必須要對不同電源假定不同的功率正方向才能確保判別故障區(qū)域.文獻[23]對矩陣算法進行了改進,但是需要對上傳的故障信息進行修正.

針對上述不足,本文選取含DG 接入的配電網(wǎng)作為研究對象,分析DG 分別以不同位置接入配電網(wǎng)對電流保護產(chǎn)生的影響,通過PSCAD 仿真驗證理論分析的準確性,針對含DG 的配電網(wǎng)發(fā)生短路故障動作值難以整定的問題,提出一種基于智能電子設(shè)備(intelligent electronic device,IED)上傳故障信息的矩陣算法,并通過算例驗證了該算法的準確性.該算法無須對元素進行修正與規(guī)格化處理,且適用于單一故障與多重故障,可實現(xiàn)故障區(qū)域的精準定位,為含DG 的配電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行提供保障.

1 DG 對配電網(wǎng)電流保護的影響機理

本節(jié)以雙饋線配電網(wǎng)為例,研究當線路不同區(qū)段發(fā)生故障時,DG 分別接入配電網(wǎng)饋線末端母線、非末端母線與首段母線,對電流保護的影響.如圖1、圖2所示.由于DG 采用電流型PQ 控制方式接入配電網(wǎng),故在進行故障分析時可將DG 簡化為電壓控制的電流源.

圖1 DG 接在饋線末端母線D 示意圖

圖2 DG 接在饋線非末端母線C 示意圖

1.1 DG 接在饋線末端母線

(1)線路AB末端發(fā)生故障

當線路AB末端f1處發(fā)生故障時,如果配電網(wǎng)沒有DG 接入,保護裝置1 正常啟動,切除故障; DG 接入配電網(wǎng)后,向故障點f1提供電流,電流經(jīng)過保護2 和保護3,保護靈敏度度提高,將有可能導(dǎo)致保護誤動作.

(2)線路AE末端發(fā)生故障

當線路AE末端f2處發(fā)生故障時,由于DG 位置與故障點f2距離相差較遠,對保護4 的影響較小.

1.2 DG 接在饋線非末端母線

(1)線路AB末端發(fā)生故障

當AB末端f1處發(fā)生故障時,為了更直觀地分析流經(jīng)各個保護的電流大小,可將故障線路等效成如圖3所示的電路圖進行分析.

圖3 線路AB 末端發(fā)生故障等效電路圖

其中,I1為流經(jīng)保護1 的電流,I2為DG 向故障點f1輸出的反向電流,Us為系統(tǒng)基準電壓,Zs為系統(tǒng)電源阻抗,ZCD為線路CD的阻抗,ZBC為線路BC的阻抗,ZAf1為從母線A到故障點f1之間距離的等效阻抗,ZBf1為從母線B到故障點f1之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,P為DG 的功率,通過式(2)對UDG進行求解,計算結(jié)果如式(3)所示.

由式(1)-式(4)可知,當AB末端f1處發(fā)生故障時,DG 向故障處提供故障電流,使得流過保護2 的電流增大,這將導(dǎo)致保護2 誤動作,有可能導(dǎo)致線路斷電范圍延長,而保護1 的電流不受DG 接入的影響,仍然能夠正常動作切除故障.

(2)線路CD末端發(fā)生故障

當線路CD末端f2處發(fā)生故障時,可將線路等效為如圖4 所示的簡化電路模型.

圖4 線路CD 末端發(fā)生故障等效電路圖

根據(jù)簡化電路模型圖,可得到流經(jīng)保護1、保護2 以及保護3 的電流I1、I2、I3.

其中,Us為系統(tǒng)基準電壓,Zs為系統(tǒng)電源阻抗,ZAC為線路AC的阻抗,ZCf2為母線A到故障點f2之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,通過式(7)對UDG進行求解,計算結(jié)果如式(8)所示.

所以,當CD末端f2處發(fā)生故障時,先由保護3 動作,保護2 延時動作,而DG 接在母線C上,使得流經(jīng)保護3 的電流增大,保護3 的靈敏度得到提高,流經(jīng)保護2 的電流減小,保護2 的靈敏度降低.

(3)線路AE末端發(fā)生故障

當AE末端f3處發(fā)生故障時,可將故障線路等效成如圖5 所示的電路圖進行分析.其中,Us為系統(tǒng)基準電壓,Zs為系統(tǒng)電源阻抗,ZAC為線路AC的阻抗,ZCD為線路CD的阻抗,ZAf3為母線A到故障點f3之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,I1為DG 輸出流經(jīng)保護1 的反向電流,I2為DG 輸出流經(jīng)保護2 的反向電流.

圖5 線路AE 末端發(fā)生故障等效電路圖

當AE末端f3處發(fā)生故障時,在DG 接入前,由保護4 動作即可切除故障,當DG 接入后,DG 向故障點輸出反向故障電流,保護1 和保護2 都可能誤動,但如果DG 距離故障點足夠遠,提供的故障電流就不足以造成保護的誤動作.

1.3 DG 接在饋線首端母線

當DG 接入到配電網(wǎng)饋線首端母線上時,DG 與系統(tǒng)原有電源共同為線路供電,相當于增大了系統(tǒng)電源的容量,無論是當線路CD末端或者線路AE首端發(fā)生故障時,相較于DG 接入前,對線路中各個保護的影響都是較小的.如圖6 所示.

圖6 DG 接在饋線首端母線A 示意圖

2 DG 對配電網(wǎng)電流保護影響仿真分析

在PSCAD 平臺建立如圖7 所示的仿真模型,仿真的具體參數(shù)配置如下:

(1)系統(tǒng)側(cè)仿真參數(shù)

配電網(wǎng)系統(tǒng)的基準電壓值為10.5 kV,系統(tǒng)側(cè)的阻抗值為j0.35 Ω.

(2)線路參數(shù)

配電網(wǎng)的線路AB、BC、CD、AF均采用架空線路,其參數(shù)設(shè)置為:R=0.26 Ω/km,X=0.355 Ω/km,由圖7可知,配電網(wǎng)絡(luò)為兩條饋線,其參數(shù)分別為:

圖7 分布式光伏電源接入配電網(wǎng)PSCAD 仿真模型

饋線1:AB的長度為3 km,其阻抗值為ZAB=0.78+j1.065 Ω; BC 的長度為3 km,其阻抗值為ZBC=0.78+j1.065 Ω; CD 的長度為10 km,其阻抗值為ZCD=2.6+j3.55 Ω.

饋線2:AF的長度為4 km,其阻抗值為ZAF=1.04+j1.42 Ω.

饋線1 和饋線2 末端的負荷的容量均為6 MVA,功率因數(shù)為0.85.

PV 輸出功率在0-10 MW 可調(diào).

2.1 饋線末端接分布式電源仿真結(jié)果對比

DG 接在BUSD 上,設(shè)置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC三相短路,故障發(fā)生在仿真1 s,為永久性故障.

(1)線路AB末端發(fā)生故障如圖8 所示,根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,無DG 時系統(tǒng)保護1 (P1)動作正常,但在饋線末端接入DG 后,由于DG 向故障點倒送電流,會造成保護2 (P2)和保護3(P3)的Ⅲ段保護誤動作.

圖8 線路AB 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

(2)線路AE末端發(fā)生故障

如圖9 所示,由仿真結(jié)果可以看出,饋線末端接入DG 后,保護4 正常動作,其他保護不誤動.

圖9 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2.2 饋線非末端母線接分布式電源仿真結(jié)果對比

DG 接在BUSC 上,設(shè)置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC三相短路,故障發(fā)生在仿真1 s,為永久性故障.

1)線路AB末端發(fā)生故障

如圖10 所示,由仿真結(jié)果可以看出,在AB線路末端故障時,P1 的Ⅰ段不能保護線路全長,只能通過P1 的Ⅱ段延時切除故障,其他保護不動作,保護選擇性正確.而在C點加入DG 時,會使P2 的Ⅲ段發(fā)生動作,P2 誤動作,這是由于AB線路末端故障時,DG 會向故障點倒送電流,導(dǎo)致P2 誤動作.

圖10 線路AB 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2)線路CD末端發(fā)生故障

如圖11 所示,由仿真結(jié)果可以看出,CD末端發(fā)生故障時,保護不誤動,這是因為雖然含DG 的系統(tǒng)功率方向發(fā)生改變,但是故障后流過P2 的電流依然達不到P2 過流Ⅱ段保護的整定值,所以保護不誤動.

圖11 線路CD 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

3)線路AE末端發(fā)生故障

如圖12 所示,由仿真結(jié)果可以看出,在AE末端發(fā)生故障時,無DG 系統(tǒng)只有P4 動作,其他保護不誤動,在含DG 的系統(tǒng)中,由于DG 接入位置距離故障點較遠,倒送的短路電流較小,所以對配網(wǎng)的電流保護影響不大.

圖12 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2.3 饋線首端母線接分布式電源仿真結(jié)果對比

DG 接在BUSA 上,設(shè)置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC 三相短路,故障發(fā)生在仿真1 s,為永久性故障.

1)線路CD末端發(fā)生故障

如圖13 所示.由仿真結(jié)果可以看出,分布式電源接入饋線首端后,保護動作正常,無誤動.這是因為分布式電源接在饋線始端的母線上時,僅相當于增大了系統(tǒng)的容量,雖然饋線上發(fā)生故障時短路電流會增大,但由于分布式電源與系統(tǒng)相比容量依舊很小,因此下游故障時DG對各個保護的影響都很小.

圖13 線路CD 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2)線路AE末端發(fā)生故障

如圖14 所示.由仿真結(jié)果可以看出,DG 接入系統(tǒng)后保護動作正常,無誤動,與CD末端發(fā)生故障時相同,分布式電源的加入僅相當于增大系統(tǒng)容量,對系統(tǒng)故障的保護動作影響很小.

圖14 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

3 基于矩陣算法的含DG 配電網(wǎng)故障定位

3.1 算法原理

通過上文對含DG 的配電網(wǎng)電流保護影響分析可知,當大規(guī)模DG 接入配電網(wǎng)運行,系統(tǒng)由原來的單電源線路變?yōu)閺?fù)雜的多電源網(wǎng)絡(luò),發(fā)生短路故障時DG對各段線路的電流保護造成了不同程度的影響,各個保護動作值整定工作也隨之變得困難,而使用矩陣算法故障判據(jù)所需信息量少,可適用于多電源網(wǎng)絡(luò),盡可能地減少DG 接入造成的不良影響.當前,配電網(wǎng)線路中大部分都裝設(shè)有可以采集測量點電流、電壓等信息的智能電子設(shè)備IED,各IED 通過將信息上傳到?jīng)Q策子站,數(shù)據(jù)信息在子站中經(jīng)過處理統(tǒng)一發(fā)送到?jīng)Q策中心,決策中心可實時監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的線路運行情況,并可根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)信息結(jié)合預(yù)設(shè)的算法判斷線路是否發(fā)生故障,給子站下發(fā)命令切除故障,為本文的矩陣算法提供了現(xiàn)實基礎(chǔ).

(1)網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D

將饋線上的IED 作為節(jié)點進行編號,與各個節(jié)點相連的饋線部分作為區(qū)域進行編號,假設(shè)配電網(wǎng)共有i個區(qū)域與j個節(jié)點,則可以構(gòu)造一個i行j列的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D,矩陣D每個元素的值根據(jù)式(12)來確定,當區(qū)域i與節(jié)點j相連且潮流方向為由i指向j,則元素dij的值為1; 相反地,當區(qū)域i與節(jié)點j相連且潮流方向為由j指向i,則元素dij的值為-1; 當區(qū)域i與節(jié)點j不相連,則元素值為0.

(2)故障信息矩陣G

當節(jié)點j有故障電流經(jīng)過其方向與規(guī)定正方向相同時,則元素gjj的值為1; 當節(jié)點j有故障電流經(jīng)過其方向與規(guī)定正方向相反時,則元素gjj的值為-1; 若節(jié)點j沒有檢測到故障電流經(jīng)過,則gjj為0; 除了對角線外的其他元素統(tǒng)一為0,形成故障信息矩陣G.

(3)故障判斷矩陣P

故障判斷矩陣P的構(gòu)造方法為,先將網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D與故障信息矩陣G相乘得到一個n×n的矩陣P*,然后分別對P*每行元素進行求和,得到如式(15)所示n×1 的故障判斷矩陣P,當P中某元素pi1＜0,表示流出該區(qū)域的短路電流小于流入的短路電流,則可以判斷在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障; 當pi1=0,表示流入該區(qū)域的短路電流與流出的短路電流相等,則該區(qū)域沒有發(fā)生故障; 當pi1＞0,表示該區(qū)域為T 型區(qū)域或者與系統(tǒng)主電源或DG 直接相連,區(qū)域內(nèi)流過了電源產(chǎn)生的反向電流,所以該區(qū)域也沒有發(fā)生短路故障.故障定位判別流程如圖15 所示.

圖15 故障定位判別流程圖

3.2 算例分析

下面以如圖16 所示的配電網(wǎng)模型來驗證算法的正確性與有效性,規(guī)定箭頭方向為每個開關(guān)節(jié)點的正方向.

圖16 含分布式電源的配電網(wǎng)模型

假設(shè)區(qū)域(2)與區(qū)域(4)發(fā)生三相短路故障,配電網(wǎng)的潮流方向會發(fā)生改變.根據(jù)裝設(shè)在各個開關(guān)上的IED 采集的故障信息,首先建立網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D與故障信息矩陣G分別為:

由式(14)、式(15)計算得到P=[0 -2 1 -2 1 0 0 1 0 0]T,可見,p21與p41＜0,則在區(qū)域(2)與區(qū)域(4)發(fā)生短路故障,判斷正確,決策中心發(fā)出指令,及時切除故障.

通過對配電網(wǎng)不同區(qū)域設(shè)置短路故障并運用矩陣算法進行故障定位驗證算法的普遍性,得到驗證結(jié)果如表1 所示,無論是單一故障還是多重故障,該算法都能準確定位故障區(qū)域.

表1 矩陣算法故障定位驗證結(jié)果

此外,配電網(wǎng)在實際運行過程中有可能因為檢測設(shè)備故障或者通信原因?qū)е戮€路中的部分故障信息無法傳遞到?jīng)Q策中心,從而影響故障判斷矩陣的建立,此時應(yīng)根據(jù)信息漏報的節(jié)點所處位置做出相應(yīng)的應(yīng)對措施,當與信息漏報節(jié)點相鄰的兩個節(jié)點故障信息為1 時,則將漏報故障信息記為1; 當與信息漏報節(jié)點相鄰的兩個節(jié)點故障信息為-1 時,則漏報故障信息記為-1,通過上述方法仍然可以得到準確的故障定位結(jié)果.例如,當區(qū)域(5)發(fā)生故障時,如果節(jié)點7 號節(jié)點故障信息漏報,因與之相鄰的6、8 號節(jié)點故障信息都為0,則可以將漏報故障信息置0,最后得出短路故障發(fā)生在區(qū)域(5).而當與信息漏報節(jié)點相鄰的兩個節(jié)點故障信息為互不相同時,無法對漏報信息進行修正,需要通過智能電子設(shè)備重新采集故障信息,所以在配電網(wǎng)實際工作中,保證設(shè)備之間能夠進行正常通信極為重要.

4 結(jié)論與展望

本文分析了在線路不同位置發(fā)生三相短路故障時,分布式光伏電源接入不同位置,對線路中流經(jīng)各個保護的短路電流大小影響.當故障發(fā)生在DG 上游,會造成故障位置保護誤動作; 當故障發(fā)生在DG 下游,處于DG 上游的保護有可能拒動,處于DG 下游的保護會誤動作; 當故障發(fā)生在DG 相鄰饋線位置,DG 所在饋線上游的保護靈敏度提高,有可能會誤動作,但是當故障位置距離DG 較遠時,對各個保護的影響較小.針對DG 接入后電流保護動作值難以整定的問題,提出了運用IED 采集故障信息的矩陣算法來進行故障區(qū)段定位,該算法具有普遍適用性,可實現(xiàn)故障區(qū)段的精確定位,對確保配電網(wǎng)安全運行具有實際意義.