新能源電源規(guī)?；稚⒔尤氲呐潆娋W(wǎng)保護與自動重合閘技術(shù)

金巍昊

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261441）

1 新能源電源接入對配電網(wǎng)保護和自動重合閘帶來的影響

1.1 配電網(wǎng)保護

按照分布式電源接入技術(shù)規(guī)范，可以采取專線、T接以及開關(guān)站等方式來接入配電網(wǎng)。以新能源電源通過專線接入配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)（圖1）為例，分析新能源電源專線接入對本線和相鄰線保護帶來的影響。

圖1 專線接入配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

在相鄰線路存在短路故障時，例如F4部位存在故障，新能源電源經(jīng)過所在饋線向鄰近饋線流出短路電流，電源接入點上游會發(fā)生保護，K1、K2位置發(fā)生保護而產(chǎn)生反向短路電流，此電流值大于保護整定值時會引起保護誤動作。若電源容量比較大，則會使K4位置短路電流變大，Ⅰ段存在保護誤動作。

如果本線路出現(xiàn)短路故障，例如F2位置存在故障，接入點上游K1位置保護的Ⅰ段不會受到影響，Ⅱ段保護和下級線路共同配合保護，當(dāng)接入雙饋型電源并采取撬棒保護動作時，接入電源類似于異點電動機負(fù)荷而形成外汲電流，易引發(fā)Ⅱ段保護失配而產(chǎn)生誤動作。由于存在電源饋出短路電流，Ⅲ段保護會因遠(yuǎn)后備靈敏度不夠而拒動[1-4]。

新能源電源接入配電網(wǎng)會產(chǎn)生諸多影響，影響程度、影響范圍均與接入位置和電源容量具有直接關(guān)系，要采取有效的應(yīng)對措施來進行準(zhǔn)確保護。對于反向短路引起的保護誤動作，可以采取增設(shè)方向元件的方式來確保動作的正確性。對于電源接入形成的助增電流或外汲電流，可以通過優(yōu)化整定計算來解決。新能源電源故障具有復(fù)雜性，會使Ⅰ段電流保護范圍變小，保護整定變得愈發(fā)困難，無法達(dá)到足夠的靈敏度且保護動作時間變長，這是因為電流保護采取就地測量方式，可利用的配網(wǎng)故障信息較少，無法進一步提升保護性能[5,6]。

1.2 自動重合閘

采取重合閘前加速保護方式，如果相鄰線路存在故障，例如F2或F3位置，本線保護不會出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象和重合閘，而相鄰線路為單電源輻射結(jié)構(gòu)，不會對重合閘產(chǎn)生影響。如果本饋線出現(xiàn)故障，例如F4位置，饋線出口K1部位斷路器會瞬時跳閘保護，雙饋電源或逆變電源會向故障部位流出短路電流，不能將故障點電弧消除，重合閘會失敗。在該種重合閘方式下，饋線中電源要確保同時跳開且退出，可以有效消除故障部位電弧，但需要合理延長重合閘時間，在配電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時故障時可靠恢復(fù)。

采取重合閘后加速保護方式，如果相鄰線路存在故障，電源接入點不會對重合閘產(chǎn)生任何影響。在本線出現(xiàn)故障時，如果故障點發(fā)生在電源接入位置下游，就不會對重合閘產(chǎn)生影響。在電源接入點上游出現(xiàn)故障時，F(xiàn)4位置饋線出口K1部位存在斷路器跳閘，電源在勵磁調(diào)節(jié)情況下向故障點輸出短路電流，故障點電弧無法消除，無法成功實現(xiàn)重合閘。在采用該種重合閘的方式下，每個位置點出現(xiàn)保護并跳閘，需要將下游電源接入切除，才能保證重合閘準(zhǔn)確動作。

2 區(qū)域信息網(wǎng)絡(luò)化保護模式與原理

2.1 網(wǎng)絡(luò)化保護系統(tǒng)構(gòu)建與功能

中心決策單元以通信方式接收就地單元上傳的實時數(shù)據(jù)信息，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源接入位置以及故障信息矩陣發(fā)送主備、后備保護控制指令，用于實現(xiàn)電流保護和重合閘功能。結(jié)合故障位置對自動重合閘造成的影響，制定科學(xué)、合理的重合閘控制方案，根據(jù)計算和決策結(jié)果向就地單元發(fā)送控制指令。就地單元應(yīng)用于變壓器等部位，對交流量和開關(guān)量進行采集，對數(shù)據(jù)進行處理后上傳至中心決策單元，獲取決策單元的下發(fā)指令。通過過流、方向和啟動元件來識別出配電網(wǎng)故障，向中心決策單元提供數(shù)據(jù)支持，在電壓恢復(fù)不理想或異常孤島運行時可以在出口部位準(zhǔn)確動作來切除電源。通信系統(tǒng)是中心決策單元與就地單元信息交互的樞紐，可通過以太網(wǎng)按照IEC61850規(guī)約與就地單元進行通信。

2.2 保護原理

配電網(wǎng)供電范圍廣、就地單元數(shù)量較多，因此多采取集中式差動保護，每個節(jié)點將采集到的信息都上傳至中心決策單元，通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會變大，對保護信息實時性帶來影響，同時采樣數(shù)據(jù)同步誤差還會影響差動保護。為降低通信系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和擺脫對同步技術(shù)的依賴，采取新能源電源接入保護，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新能源電源接入保護結(jié)構(gòu)

就地單元采集故障電流大小、方向等數(shù)據(jù)信息，中心決策單元對故障信息進行綜合分析處理，確定相應(yīng)的配電線路和區(qū)段，對故障點進行準(zhǔn)確切除，可實現(xiàn)主備與后備保護，不再要求不同就地單元的同步采樣。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)矩陣

在條件允許的情況下，新能源電源可以有計劃地采取孤島方式運行，有效提升供電可靠性，縮小停電范圍。如果故障位置在電源接入位置下游，如圖3中的F3位置，饋線故障線配置的K6可以對故障進行切除，不會引起孤島運行。如果故障出現(xiàn)在電源節(jié)點上游，如F4位置，K9、K10斷開以后，DG2與L3線路用戶為孤島運行狀態(tài)，新能源電源也可向接入點用戶供電，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠茉春碗娫唇尤胛恢眯纬烧蚺c反向2種關(guān)聯(lián)矩陣。

將配電保護區(qū)間的每個斷路器視作單元節(jié)點并進行編號，電源側(cè)斷路器的編號生成矩陣為DgL，電源出口斷路器的編號生成矩陣為Dg，中心決策單元形成電源接入位置的正向關(guān)聯(lián)矩陣T1和反向關(guān)聯(lián)矩陣T2，存在n個節(jié)點單元的配電保護區(qū)域，正向和反向矩陣都為n×n形式的矩陣。采用正向關(guān)聯(lián)矩陣可以同時滿足主備和后備保護。當(dāng)配電網(wǎng)存在故障時，故障點下游電源可能存在孤島運行情況，而反向關(guān)聯(lián)矩陣可以為后續(xù)故障點的下游保護提供依據(jù)。斷路器以單電源輻射進行配置，也就是在系統(tǒng)側(cè)線路端來配置斷路器，用于構(gòu)造反向關(guān)聯(lián)矩陣時，后備保護由距離主保護斷路器最近的斷路器來實現(xiàn)。如果配電網(wǎng)不允行孤島運行，則需要切除電源，避免對配電網(wǎng)可靠性帶來影響，通過建立防孤島反向關(guān)聯(lián)矩陣進行保護。

2.2.2 故障信息矩陣

中心決策單元獲取就地單元故障信息來進行決策并確定故障線路，控制相關(guān)斷路器來進行故障隔離。為降低信息傳送量，就地單元對故障進行識別，將邏輯信息上傳至中心決策單元。

就地單元故障上傳公式為

其中，正方向為電流從系統(tǒng)側(cè)流向饋線末端或電源。中心決策單元結(jié)合就地單元上傳的故障信息，形成正向故障信息矩陣F1和反向故障信息矩陣F2。F2中電流側(cè)就地單元信息為-1，電源側(cè)信息也改為-1。如果配電網(wǎng)不可以孤島運行，則構(gòu)建防孤島反向故障信息矩陣F3。饋線存在就地單元故障信息-1的上游節(jié)點，此節(jié)點下游所有電源側(cè)就地單元信息改為-1，其他節(jié)點為0。相鄰饋線故障時，饋出故障電流會使就地單元出現(xiàn)過流和反向信息，易引發(fā)誤動作，要結(jié)合每個饋線出口就地單元故障信息形成修正矩陣H。修正處理后的正向故障信息矩陣、反向故障信息矩陣以及防孤島反向故障矩陣為

2.2.3 故障跳閘方案

當(dāng)P1=0時，斷路器線路無故障；當(dāng)P1=1時，斷路器線路存在故障，斷路器主保護跳閘；當(dāng)P1=2時，斷路器相鄰線路故障，后備保護斷路器動作。

當(dāng)P2=0時，斷路器相連的上級配電線路無故障；當(dāng)P2=1時，斷路器上級相鄰線路故障，后備保護斷路器動作。

當(dāng)P3=0時，斷路器不動作；當(dāng)P3=1時，電源接入點上游故障，在配電網(wǎng)禁止孤島運行條件下斷開電源出口斷路器。

3 基于區(qū)域信息的自動重合閘

根據(jù)正向故障跳閘矩陣P1和反向故障跳閘矩陣P2，構(gòu)建后加速重合閘矩陣為

式中：k為斷路器編號。如果Rk=1，控制中心延遲t1set對斷路器k發(fā)送采用檢無壓方式形成的重合閘命令，時間可設(shè)置為0.3～0.5 s；如果Rk=2，控制中心延時t1set后對斷路器發(fā)送采用檢同期方式形成的并網(wǎng)控制命令。如果配電網(wǎng)故障是瞬時性故障，上游斷路器會合閘成功，下游孤島采用過檢同期方式來進行平滑并網(wǎng)，配電網(wǎng)恢復(fù)正常供電。如果配電網(wǎng)出現(xiàn)永久性故障，上游保護采取檢無壓方式完成重合閘。重合故障發(fā)生后，就地單元重啟，正向跳閘矩陣發(fā)送跳閘命令，用于切除故障。下游斷路器如果允許配電網(wǎng)孤島運行，采用檢同期方式來完成并網(wǎng)，斷路器不能重合，故障下游配網(wǎng)會以孤島方式運行。如果配網(wǎng)禁止孤島運行，則用防孤島反向故障跳閘矩陣P3取代矩陣P2。

4 結(jié) 論

新能源電源大規(guī)模分散接入配電網(wǎng)會給就地保護和自動重合閘帶來新的挑戰(zhàn)，影響程度、范圍與電源接入點位置、容量有著直接關(guān)系?；趨^(qū)域信息網(wǎng)絡(luò)保護，充分利用就地單元故障電流的過流和方向信息，通過集中決策來確定故障線路，可以用于主后備保護，也可以兼顧電源孤島。自動重合閘結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化保護創(chuàng)建正向故障跳閘矩陣、反向故障跳閘矩陣、孤島反向故障跳閘矩陣，形成重合閘矩陣用于斷路器合閘控制，可以防止電源不必要退出，避免非同期重合閘帶來的沖擊。