喬 明，王 瑩

(哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030)

分布式發(fā)電(Distributed Generation，即DG)以其節(jié)能環(huán)保、能源形式多樣、配置靈活、與大電源系統(tǒng)互補(bǔ)等諸多優(yōu)勢(shì)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注［1－6］。然而，隨著分布式電源接入配電網(wǎng)［7］，傳統(tǒng)的單電源輻射狀配電網(wǎng)變成了一個(gè)多電源系統(tǒng)，它徹底改變了配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原有的故障特征，使故障后的電氣量變化變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的保護(hù)原理和故障檢測(cè)方法受到了巨大的影響，以致無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障的位置及傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方法無(wú)法滿足要求［8－11］。為此，本文提出了一種適用于含分布式電源配電網(wǎng)的保護(hù)方案。PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)表明，該保護(hù)方案能夠滿足于含分布式電源配電網(wǎng)各種運(yùn)行方式繼電保護(hù)的需要，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速。

1 分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

隨著分布式電源的接入，原有的配電網(wǎng)變成了多電源系統(tǒng)，這對(duì)配電網(wǎng)中原有繼電保護(hù)將產(chǎn)生以下不良影響［12－15］:

1)對(duì)于分布式電源接入點(diǎn)下游的保護(hù)裝置，在下游發(fā)生故障時(shí)流過(guò)相應(yīng)保護(hù)處的電流有所增加，使保護(hù)靈敏度升高，保護(hù)范圍擴(kuò)大，會(huì)出現(xiàn)超范圍動(dòng)作。

2)對(duì)于分布式電源接入點(diǎn)上游的保護(hù)，當(dāng)上游線路故障時(shí)，流過(guò)上游保護(hù)處的故障電流因DG的接入而降低，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

3)對(duì)于分布式電源的容量，其容量越大，對(duì)故障電流的影響也越大，對(duì)保護(hù)的動(dòng)作情況影響也越大。

為了使得分布式發(fā)電與大電源能夠更好的協(xié)調(diào)與配合，最大限度地發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，探討接入大量分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護(hù)策略，找出解決分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)影響問(wèn)題的合理方案勢(shì)在必行。

2 適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方案

2.1 保護(hù)方案的邏輯原理

本方案以配電網(wǎng)各保護(hù)安裝處建立遠(yuǎn)方通信為基礎(chǔ)，其邏輯框圖如圖1所示，基本原理是:將相鄰兩條線路作為一個(gè)保護(hù)單元，利用后級(jí)線路方向性電流保護(hù)閉鎖前級(jí)三段式方向電流保護(hù)。當(dāng)本線三段式方向電流保護(hù)動(dòng)作，而相鄰線路三段式方向電流保護(hù)不動(dòng)，判為本線故障，同時(shí)保護(hù)出口跳開(kāi)本側(cè)斷路器，通過(guò)通信裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)本線對(duì)側(cè)斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)方跳閘。

圖1 保護(hù)方案邏輯框圖Fig.1 Protection scheme diagram

在圖1中，時(shí)間元件t1的主要作用是防止通信通道信號(hào)傳遞的時(shí)間延誤而使故障線路上一級(jí)保護(hù)因接收不到閉鎖信號(hào)而發(fā)生誤動(dòng)作;時(shí)間元件t2的主要作用是防止故障被故障線路保護(hù)切除后，故障線路保護(hù)三段式方向電流部分返回快，故障線路上級(jí)線路保護(hù)三段式方向電流部分返回慢而造成保護(hù)誤動(dòng)作，造成故障影響范圍擴(kuò)大。當(dāng)配電線路與主系統(tǒng)脫離孤島運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，由于分布式電源的容量較小，故障電流達(dá)不到三段式方向電流保護(hù)的動(dòng)作值，孤島網(wǎng)絡(luò)將失去保護(hù)作用。

針對(duì)上述情況，在靠系統(tǒng)側(cè)保護(hù)安裝處增設(shè)一過(guò)流保護(hù)，靠分布式電源側(cè)配置如圖2所示，定值按躲過(guò)孤島情況下DG所提供的最大負(fù)荷電流來(lái)整定，并由前級(jí)線路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定其投退。

該保護(hù)方案具有以下主要特點(diǎn):

1)在原有配電網(wǎng)三段式電流基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，保護(hù)簡(jiǎn)單，新增輔助設(shè)備少。

圖2 方向過(guò)流保護(hù)邏輯框圖Fig.2 Direction over current logic diagram

2)本線路內(nèi)故障時(shí)，Ⅱ段保護(hù)變?yōu)樗賱?dòng)保護(hù)，提高了本線路內(nèi)部故障的切除速度。當(dāng)下一級(jí)線路故障時(shí)，本線保護(hù)又可以作為下級(jí)線路的遠(yuǎn)后備。

3)由于下級(jí)線路對(duì)本保護(hù)具有遠(yuǎn)方閉鎖功能，因此保護(hù)新方案中三段式電流保護(hù)部分均可按未接入分布式電源時(shí)整定，避免因?yàn)榉植际诫娫吹耐锻嗽斐深l繁改動(dòng)保護(hù)定值。

4)該方案既適用分布式電源滲透率較低的配電網(wǎng)，也適用分布式電源滲透率較高的配電網(wǎng)，不會(huì)因?yàn)榕潆娋W(wǎng)中分布式電源的增減而影響保護(hù)性能。

5)通過(guò)線路本側(cè)保護(hù)聯(lián)跳對(duì)側(cè)斷路器，故線路對(duì)側(cè)無(wú)需安裝保護(hù)裝置，簡(jiǎn)化了保護(hù)配置，節(jié)省投資。

2.2 整定計(jì)算

三段式方向電流部分按配電網(wǎng)未接入分布式電源時(shí)三段式電流保護(hù)的整定方法整定。在分布式電源上游部分線路內(nèi)故障，雖然該線路三段式方向電流保護(hù)受分布式電源的影響靈敏度有所降低［12］，但是Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)因定值相對(duì)較低，不會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)，并且Ⅱ段為了速動(dòng)保護(hù)，可快速的切除保護(hù)范圍內(nèi)的故障;在分布式電源下游線路內(nèi)故障時(shí)，故障線路上游線路保護(hù)因?yàn)楣收戏植际诫娫吹闹鲎饔枚谷问椒较螂娏鞅Ｗo(hù)范圍擴(kuò)大［14］，但是由于故障線路保護(hù)的閉鎖作用而不會(huì)出現(xiàn)超范圍動(dòng)作的情況。

過(guò)電流保護(hù)部分按躲過(guò)保護(hù)安裝處背向所有分布式電源提供最大負(fù)荷電流，并考慮電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)過(guò)程中該保護(hù)能可靠返回，整定計(jì)算如式(1)所示。

式中:Krel為可靠系數(shù)，取1.15～1.25;KMs為電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù)，取1.5～3;Krel為返回系數(shù)，取0.85。

動(dòng)作時(shí)間t按階梯時(shí)限整定。

時(shí)間元件t1按躲信號(hào)在通道中傳輸一次的時(shí)間來(lái)整定，并留有一定的裕度。

式中:tcs為信號(hào)傳輸一次所需時(shí)間，Δt為時(shí)間裕度。

參照高壓輸電線路閉鎖式方向高頻保護(hù)，可取t1=10 ms。

時(shí)間元件t2按躲開(kāi)三段式方向電流保護(hù)中Ⅰ段、Ⅱ段返回時(shí)間整定，并留有一定的裕度。

式中:th為電流元件的返回時(shí)間;Δt為時(shí)間裕度。

參照高壓輸電線路閉鎖式方向高頻保護(hù)，可取t2=40 ms。

該保護(hù)的整定簡(jiǎn)單，整定后無(wú)需頻繁更改。

3 仿真分析

3.1 配電網(wǎng)模型及參數(shù)

10 kV典型配電接線系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 含分布式電源的配電網(wǎng)接線圖Fig.3 Distribution conection diagram with distributed power

1)電源參數(shù):系統(tǒng)額定電壓為10.5 kV，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為300 MVA;最大方式下系統(tǒng)側(cè)阻抗Zs.min=j0.054，Ω;最小方式下系統(tǒng)側(cè)阻抗 Zs.max=j0.076，Ω;分布式電源 DG1、DG2的容量均為1.5 MVA;ZDG=j7.35，Ω。

2)線路參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation model

3)負(fù)荷參數(shù):為了方便起見(jiàn)，將各段的負(fù)荷全部集中在母線上，并采用恒阻抗模型代替負(fù)荷，負(fù)荷的功率因數(shù)均取0.9。各母線處等效負(fù)荷的阻抗參數(shù)如表2所示。

表2 各母線處負(fù)荷等效阻抗Tab.2 Equivalent load resistance of all buses Ω

3.2 保護(hù)配置及整定情況

3.2.1保護(hù)配置

保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3、保護(hù)4、保護(hù)7配置圖1邏輯原理的保護(hù);保護(hù)5、保護(hù)6配置圖2邏輯過(guò)流保護(hù)。

3.2.2 各保護(hù)定值整定

1)三段式電流部分。各母線處短路電流計(jì)算如表3所示。

表3 各母線處故障短路電流Tab.3 Short circuit current of all buses A

各線路流過(guò)的最大負(fù)荷電流如表4所示。

表4 各線路處最大負(fù)荷電流Tab.4 Maximum load current of lines A

對(duì)各個(gè)保護(hù)裝置進(jìn)行整定，整定結(jié)果如表5所示。

表5 各保護(hù)三段電流定值Tab.5 Three-step current settings of protections A

2)過(guò)電流部分，其定值如表6所示。保護(hù)5的動(dòng)作時(shí)間為t5=0.5 s，保護(hù)6的動(dòng)作時(shí)間為t6=1.0 s。

表6 過(guò)流部分定值表Tab.6 Settings of part over current A

3.3 仿真結(jié)果

利用PSCAD/EMTDC軟件以圖3所示配電網(wǎng)為原型搭建仿真模型，選取三相短路故障情況作為仿真驗(yàn)證的故障類(lèi)型;選取分布式電源上游線路(線路 B－C)和兩分布式電源之間線路(線路C－D)作為仿真故障線路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。孤島運(yùn)行模擬主系統(tǒng)與配電線路脫離QF0斷開(kāi)時(shí)。

為書(shū)寫(xiě)方便、減少篇幅，現(xiàn)只將各保護(hù)出口的動(dòng)作結(jié)果編排在下文中，以說(shuō)明各保護(hù)動(dòng)作情況(t=0.2 s時(shí)刻發(fā)生故障)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)線路BC、C－D內(nèi)故障各保護(hù)動(dòng)作情況如圖4、圖5所示，孤島運(yùn)行時(shí)線路B－C、C－D內(nèi)故障各保護(hù)動(dòng)作情況如圖6、圖7所示。

圖4 B－C線路三相短路時(shí)各保護(hù)的動(dòng)作情況Fig.4 Operation under three-short circuit of B－C line

由上述仿真結(jié)果可以看出，該保護(hù)方案在上述運(yùn)行情況下均能準(zhǔn)確動(dòng)作。需要指出的是，主電源一側(cè)保護(hù)動(dòng)作后，需遠(yuǎn)方通信裝置來(lái)完成對(duì)側(cè)跳閘，所以只要主電源一側(cè)保護(hù)出口正確，遠(yuǎn)方通信裝置工作正常，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)跳功能。

圖5 線路C－D內(nèi)部三相短路各保護(hù)的出口情況Fig.5 Protection output under three-short circuit of C－D line

圖6 孤島運(yùn)行線路B－C故障時(shí)保護(hù)6出口情況Fig.6 Output of protection 6 under B－C line in micro-grid

圖7 孤島運(yùn)行線路C－D三相短路時(shí)保護(hù)3的動(dòng)作情況Fig.7 Operation of protection 3 under three-short circuit of C－D line in micro-grid

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)原有三段式電流保護(hù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方案，并利用PSCAD進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明:該保護(hù)方案在含有分布式電源的配電網(wǎng)中能夠正確動(dòng)作，既適用于主系統(tǒng)與分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行的情況，也適用于主系統(tǒng)與配電線路脫離的孤島運(yùn)行情況。

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