含分布式電源的配網自適應保護方案

含分布式電源的配網自適應保護方案余瓊;余勝;李曉暉【摘要】Foradistributionsystemwiththeinterconnectionofdistributedgenerations(DG),DGmaybringaboutnegativeeffectsonthepowerdistributionsystem,especiallythepowersystemprotection.Thechangingofdirectionandlevelsoffaultcurrentswillcausede-sensitivityandmaloperationofprotectionrelays.Inordertosolvetheproblems,thispapersummarizesthecharacteristicoftheinverter-basedDG(IIDG)duringafault,andthenanalyzestherelationshipbetweenthefaultcurrentandtheIIDGcapacity,whichprovesthattheIIDGpoweroutputvariationisinproportiontothefaultcurrentvariationtherelayfeels.Basedontheanalysisresultsabove,thispaperpresentsanadaptiveprotectionmethod,enablingtherelaysettingchangesitselfwiththefaultcurrentlevel.Theprotectionschemehastheadvantagesofsimpleprinciple,high-sensitivity,feasibilityandpracticability.Resultsofimplementationofthisschemeonanactual10kVdistributionfeederusingPSCAD/EMTDCproveitseffectivenessandrationality.%針對分布式電源接入配網引起的短路電流方向及大小變化造成的保護誤動、靈敏度降低等問題,總結了逆變型分布式電源故障特點并分析了故障電流與分布式電源容量變化關系.分析結果證明三相短路故障時,逆變型分布式電源功率輸出變化量與保護感受到的故障電流變化量成正比例關系.在此基礎上，提出一種保護整定值隨DG功率輸出水平、故障電流水平同進退的配網保護新策略.該方案具備保護原理簡單可行、靈敏度不受分布式電源影響、經濟性好、實用性高的優(yōu)點?最后應用PSCAD/EMTDC軟件以10kV實際配網系統為對象驗證其具有有效性和合理性.期刊名稱】《電力系統保護與控制》年(卷),期】2012(040)005【總頁數】6頁(P110-115)關鍵詞】分布式電源;逆變型;自適應保護;靈敏度;新方案【作者】余瓊;余勝;李曉暉【作者單位】襄陽供電公司,湖北襄陽441002;武漢供電公司,湖北武漢430051;湖北超高壓輸變電公司,湖北武漢430051正文語種】中文中圖分類】TM770引言傳統化石能源的日益枯竭、環(huán)境污染的日益嚴重，加速了供電企業(yè)尋求清潔能源的步伐。分布式電源(DG)，特別是利用可再生能源如風能、太陽能等的中小型發(fā)電機得到了迅猛發(fā)展。分布式電源容量一般在數千瓦到幾十兆瓦間，靠近電力用戶端。它不僅可以提高供電可靠性，改善電能質量，更具有獨特的環(huán)保節(jié)能性、高效性、靈活性和經濟性等優(yōu)點［1］。目前，大電網與分布式發(fā)電相結合的發(fā)電形式被世界許多能源、電力專家認為是能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高供電可靠性和靈活性的主要方式，是電力工業(yè)發(fā)展的方向［2］。然而，高滲透率的分布式能源接入配網也對配電網繼電保護提出了挑戰(zhàn)。分布式電源使得配網由單電源輻射狀結構變?yōu)槎嚯娫聪到y，故障電流方向、大小都將發(fā)生變化。隨著分布式電源的容量越來越大，接入數量越來越多，傳統的三段式電流保護之間可能會失去配合，重合閘失敗，從而無法滿足配電網系統保護的要求［3-7］。為了消除DG接入配網后對保護及自動重合閘裝置的不良影響，IEEEStandard1547標準規(guī)定，如果故障發(fā)生在DG所在饋線，DG應當停止向配電網供電；在DG所在饋線的自動重合閘動作前，DG必須跳離配電網［8］。然而，根據實際電網中DG運行經驗，故障發(fā)生時，DG有可能沒有及時斷開，從而向故障點持續(xù)提供短路電流導致線路保護的不正確動作。因此，有必要研究DG未及時退出運行時對保護動作的影響以及此情況下配電網的保護及控制策略。目前，對于DG接入配網后保護方案的提出，歸納起來大致有兩種［9］:—種是應用發(fā)達的通信網絡實現配電網保護間信息交換；另外一種是基于目前配網的配置，提出保護整定的新算法，包括采用自適應保護原理、加裝方向元件等。第—種保護方案在較高程度上依賴于通信網絡，—旦通信失效，整個保護系統也隨之失效，況且就目前我國配網實際建設情況而言，若要實現發(fā)達可靠的通信網絡，還得投入大量財力物力，需要很長—段時間。因此，此方法在當前并不十分實用。第二種方案較第—種方案具有更好的實用性，然而提出的大部分保護新方案并沒有充分考慮DG的運行工況，而只是在DG投退、出力信息已知的前提下得出結論，而這與實際情況并不相符。實際運行中，DG的投退與否、出力水平是隨太陽照射強度、風力強弱等自然環(huán)境而變化的，甚至是隨機的，其工況信息也是保護系統未知的。鑒于此情況，本文綜合考慮DG運行特性，并針對DG引起配網保護誤動、靈敏度下降等問題，提出了—系列解決措施。逆變型分布式電源的故障特性分析分布式電源大致分為兩種，一種是傳統的旋轉電機型DG,其原理與傳統的發(fā)電機相同，僅在容量上相對較??；另一種是逆變型分布式電源IIDG,目前的小容量DG大部分為此類型，如燃燒渦輪發(fā)電機、燃料電池、風力發(fā)電機、光伏電池陣列等，這些發(fā)電技術都需要采用電力電子控制技術，通過電力電子接口與電網并聯，其故障特性與逆變器控制方法有關，不能簡單等效為電壓源和阻抗串聯的形式。IIDG并網逆變器的控制主要有電壓型和電流型兩種控制方式。無論是電壓型還是電流型控制方式，都是在輸出功率保持恒定這一基礎上的，即當系統故障時，故障后的次暫態(tài)過程（故障后1~2個周波）中，IIDG輸出功率將增加，之后的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程IIDG輸出的功率又會回到給定值［10-12］，因此，在故障仿真分析時將IIDG等效為恒功率模型。即系統發(fā)生短路故障后，IIDG輸出的功率水平與故障前輸出功率相同，輸出的電流值和電壓值成反比例關系變化。據此，本文將IIDG等效為恒功率模型，在系統正常運行時，由潮流計算確定其電壓、電流值；故障時電壓降低，IIDG提供的短路電流將增大，二者成反比例關系變化。DG接入后對配網保護及重合閘影響DG接入造成保護靈敏度下降如圖1所示配網系統，對于保護1、保護2而言，若其電流保護按照DG最大出力、系統最大運行方式進行整定，則在DG退出運行或出力減少情況下發(fā)生故障時，保護感受到的短路電流會隨著DG輸出功率的減小而下降，從而導致保護范圍縮小，保護靈敏度下降。圖1DG造成保護靈敏度降低Fig.1De-sensitivityofrelaycausedbyinterconnectionofDGDG接入造成上游保護誤動如圖2所示配網系統，在DG上游d1處發(fā)生故障時，DG向故障點提供的短路電流IkDG流過保護2，有可能造成保護2誤動；相鄰線路d2處發(fā)生故障時，DG提供的短路電流會流過保護2和保護3，也可能造成保護2和保護3的誤動。另外，若BC區(qū)域發(fā)生故障，僅由保護2動作是不夠的，需要在保護2對側加裝保護裝置，使二者同時動作才能將故障完全隔離。即DG接入時必須在接入點兩側都加裝保護裝置。圖2DG造成保護誤動Fig.2Mal-operationofrelaycausedbyinterconnectionofDGDG接入對重合閘裝置的影響配電網中90%的故障為瞬時性故障，采用重合閘，可以大大提高系統的可靠性，減少停電次數，具有顯著的經濟效益。然而，DG接入配網后，如果線路故障跳閘后，DG在重合閘動作時未及時退出運行，將會帶來以下不利影響：a） 非同期重合閘。在系統電源跳開后至重合閘內的這段時間，系統側電源與DG間會存在一定的相角差，重合瞬間的沖擊電流可能使保護誤動作，從而使重合閘失去迅速恢復供電的能力。b） 故障點電弧重燃。由于DG的存在，保護動作后，DG仍向故障點提供短路電流，引起故障點電弧重燃，導致絕緣擊穿，使瞬時性故障變?yōu)橛谰眯怨收?，擴大停電范圍。因此，DG接入配網后，在重合閘裝置重合之前，應確保DG及時退出運行。另外，在重合閘裝置中還應安裝檢同期裝置，以防止非同期重合沖擊電流造成DG的損壞。IIDG接入后對配網保護新方法3.1IIDG系統三相短路分析圖3為含IIDG的配網系統等效電路圖，Es、Zs為IIDG接入點上游配網系統等效電動勢及系統側等效阻抗，最小運行方式和最大運行方式下分別為Zs.max和Zs.min,Sg為IIDG容量,Eg為IIDG等效電動勢，Zg為IIDG等效阻抗，假設di處發(fā)生三相短路，Ig為IIDG向di點提供的短路電流，ZL為母線到短路點阻抗，Ik為總的短路電流，U為母線電壓。根據IIDG的控制原理，有圖3d1處發(fā)生短路時故障等效電路Fig.3Shortequivalentcircuitwhenthefaultoccursind1根據電路原理，并由式(1)、式(2)得出又因為將式(1)~式(4)帶入式(5)并進行化簡，得到其中：由式(6)可知，該10kV配網系統某處發(fā)生的三相短路故障時，由于ZL、Zs、Es均為固定的已知量，即a、b均為常量，則IIDG的容量Sg是短路電流Ik的常系數二次函數。對式(6)求反函數，從而得到由于Ik恒為正值，舍掉Ik2，并化簡，得到：式(8)中：Es單位為kV,阻抗單位為Q;Sg單位為MVA，則電流單位取kA。假設取Es為10.5kV,Zs為0.5Q,線路阻抗為0.4Q/km,線路總長為10km,若在線路總長20%處發(fā)生三相短路，則由Matlab仿真得出Ik=f(Sg)圖像如圖4所示。圖4三相短路時IIDG容量與短路電流關系Fig.4TherelationshipbetweenSgandIk由圖4可知，盡管公式推導得出IIDG的容量Sg是短路電流Ik的二次函數，然而由于Sg的取值范圍比較?。―G容量較小，-般為數千瓦至50MW），由仿真結果可以得出，當IIDG容量Sg在0~50MVA范圍內變化時,Sg與Ik可近似為成正比例線性關系。3.2整定值隨IIDG出力自動調整保護方案傳統電流速斷保護整定方法為即系統最大運行方式下本線路末端發(fā)生三相短路時最大短路電流乘以可靠系數Krel,Krel—般為1.2~1.3。由上節(jié)分析可知，IIDG提供的故障電流與IIDG輸出功率近似成正比，即Ik^Sg,假設比例系數為c,即AIk/ASg=c,c為常數。即當IIDG容量每減少1MVA時，保護感受到的短路電流同時Ik減少ckA。以圖2所示配網系統為例，若di處發(fā)生三相短路，IIDG在故障初始未及時退出運行，則IIDG對故障點提供短路電流Ig，保護1感受的短路電流為系統側電源提供的短路電流和IIDG提供的短路電流之和；若故障發(fā)生ts后IIDG退出運行，則Ig變?yōu)?,造成保護感受到的短路電流水平由Ik降為Ik-Ig，此時有可能造成保護靈敏度不足而拒動。解決的方法是，若故障期間保護1感受到的故障電流由Ik降為Ik',即故障電流變化量AIk=Ik-Ik',若AIk為一常數，則說明故障電流變化是由于IIDG退出運行或出力水平降低而導致的,若此時將保護整定值也相應由Iset.1I降為Iset.1I',且滿足AIset.1I=Iset.1I-Iset.1I'=KrelIxAIk,即速斷保護定值減少量與故障電流的減少量成正比，，比例系數為Krell。這樣，就能使得IIDG接入后保護的最小保護范圍維持IIDG接入系統前的水平，即消除了IIDG接入后其投退及出力對保護靈敏度的不利影響,提高了保護的可靠性。相應的電流II段限時電流速斷保護整定值也隨著下級線路速斷保護定值進行調整。即Iset.1II=KrelIIxIset.2I,隨著保護2的速斷保護定值變化，保護1的限時電流速斷保護同比例變化，比例系數為Krelll，一般為1.1~1.2。DG接入造成上游保護誤動解決方案3.3.1防止DG接入造成保護誤動方法如3.2節(jié)問題所述，DG接入配網后，在上游或相鄰線路發(fā)生故障時，DG會向故障點提供反向故障電流，有可能造成上游保護的誤動作。此問題最簡單的解決辦法就是，在可能發(fā)生誤動的保護處加裝方向元件，通過整定值和方向元件共同判斷保護是否動作。例如在圖5所示系統中，d1處發(fā)生故障時，DG提供的短路電流可能造成保護2誤動，因此要在保護2處加裝方向元件。保護2對側也加裝保護8及方向元件，保證在d2處發(fā)生故障時將故障完全隔離。若d3處發(fā)生故障，根據故障電流大小情況決定保護3是否加裝方向元件，確保反方向故障時保護3不誤動。另外，在保護3對側加裝保護裝置，可采用方向縱聯保護作為AC區(qū)域的主保護，區(qū)內故障時可瞬時跳開保護。另一種可行的方法是，若DG在母線C處，母線B處可不加裝任何保護裝置，而由保護2負責AB及BC區(qū)域故障的切除。而保護2對側需加裝保護裝置（保護8）及方向元件。圖5IIDG接入后造成上游保護誤動解決方案Fig.5Solutionsformal-operationofupstreamrelaycausedbyinterconnectionofIIDG3.3.2改進方案中保護動作分析若d1處發(fā)生故障，保護3感受的故障電流達到整定值，且方向元件判斷為正，于是保護3跳開，并發(fā)信號給保護2，保護2接收到跳閘信號后也動作跳閘，將故障區(qū)域隔離。若d2處發(fā)生故障，保護3感受到的短路電流未達到整定值，因此不動作。保護8達到整定值且方向元件判斷為正，因此動作跳閘，并發(fā)跳閘信號給保護2，保護2接到跳閘信號后跳閘，從而使故障隔離。若d3處發(fā)生故障，DG向故障點提供的短路電流流過保護2和保護3，為防止其誤動作，應在保護2和保護3加裝方向元件。同時，保護2和保護3發(fā)閉鎖信號給相應的對側保護將其閉鎖。算例仿真驗證如圖6所示，10kV配網為例，取系統最大運行方式下的阻抗Xsmin=0.1Q,最小運行方式下的阻抗Xsmax=0.9Q；線路參數為X=0.4Q/km,AB、BC長度分別為10km、6km；末端負荷阻抗均為(30+j15.7)Q。DG的容量取50MVA。圖6某市10kV配電網系統Fig.6Anactual10kVdistributionsystem(1)當di處發(fā)生發(fā)生三相短路時，IIDG出力Sg在0~50MVA內變化，故障點位置卩(故障點距離母線A長度占AB總長百分比)為60%,可靠系數取1.2。仿真結果如表1所示。表1系統短路水平與IIDG出力關系Table1RelationshipbetweenSg&IkSg/MVAIk/kAAIk/A504.31170404.2898-21.9304.2677-22.1204.2454-22.3104.2228-22.604.2001-22.7由表1可知，隨著IIDG容量逐漸減少，保護3速斷保護定值也降低，且其變化率比值基本不變。(2)IIDG出力Sg在0~50MVA內變化，保護3整定值及保護范圍情況進行仿真。結果如表2所示。表2保護定值及最小保護范圍隨DG容量變化情況Table2SettingandprotectivezonechangewithSDGSg/MVAIkmax/kAAIkmax/AIset.3I/kAAIset.3I/A502.628003.15360402.6149-13.13.1379-15.7302.6016-13.33.1219-16.0202.5882-13.43.1058-16.1102.5747-13.53.0896-16.202.5610-13.73.0732-16.4(3)保護范圍比較分別計算本系統中，采用傳統電流一段保護下IIDG在不同出力情況下的最小保護范圍，并與采用該保護方案下的最小保護范圍進行比較，如表3所示。表3最小保護范圍比較Table3ComparisonofminimumprotectivezoneSg/MVALmin/%（傳統）Lmin/%（新方案）5080.980.94077.679.13074.077.92070.175.41065.771.5049.665.9由仿真結果可知，整定值隨故障電流值變化關系為即隨著保護感受到故障電流水平降低，保護整定值要以1.2倍變化速度減小，這樣，不論IIDG出力為多少，保護3的最小保護范圍均比傳統保護的最小保護范圍高，因此比傳統保護更能滿足DG下游保護靈敏度的要求。結論本文對分布式電源對保護靈敏性及選擇性的影響做了理論分析，并根據IIDG特有的故障特性，分析了其接入后配網故障電流水平與IIDG容量變化的關系，分析結果表明，分布式電源容量的變化量與故障電流變化量成正比，比例系數為一常數。由此提出了一種根據故障電流變化情況自行改變整定值的自適應保護新原理。即若故障期間，保護感受到的故障電流變化量為一常數，則說明故障電流的變化是由IIDG的投退而引起的，此時保護定值相應變化，適應此時的DG容量及故障電流水平。PSCAD仿真證明該方法能在DG容量變化時保護靈敏度均比傳統保護要好。另外，該保護方法原理簡單、經濟性好、實用性高。由于工作量及篇幅的限制，本文僅分析了系統發(fā)生三相短路故障的情況，而對于兩相短路、兩相接地短路故障等非對稱故障的情況是后續(xù)重點分析研究的問題。參考文獻相關文獻】黃益莊?變電站智能電子設備的電磁兼容技術J]?電力系統保護與控制,2008,36(15):6-9.HUANGYi-zhuang.EMCtechnologyforIEDinsubstations[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(15):6-9.El-khattamW,SalamaMMA.Distributedgenerationtechnologies,definitionsandbenefits[J].ElectricPowerSystemsResearch,2004,(71):119-128.溫陽東，王欣.分布式發(fā)電對配電網繼電保護的影響J].繼電器，2008,36(1):12-14,26.WENYang-dong，WANGXin.Effectofdistributedgenerationonprotectionindistributionsystem[J].Relay,2008,36(1):12-14,26.張超,計建仁，夏翔.分布式發(fā)電對配電網饋線保護的影響J].繼電器,2006,34(13):9-12.ZHANGChao,JIJian-ren,XIAXiang.Effectofdistributedgenerationonthefeederprotectionindistributionnetwork[J].Relay,2006,34(13):9-12.⑸周衛(wèi)，張堯，夏成軍,等.分布式發(fā)電對配電網繼電保護的影響[幾電力系統保護與控制,2010,38(3):1-6.ZHOUWei,ZHANGYao,XIACheng-jun,etal.Effectofdistributedgenerationonrelayprotectionofdistributedsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(3):1-6.馮?？?，邰能靈，宋凱，等.DG容量對配電網電流保護的影響及對策研究J].電力系統保護與控制,2010,38(22):156-160.FENGXi-ke,TAINeng-ling,SONGKai,etal.ResearchontheimpactofDGcapacityonthedistributionnetworkcurrentprotecti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