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        一種適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方案

        2015-03-06 04:32:28明,王
        黑龍江電力 2015年2期
        關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)動(dòng)作故障

        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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