張　堯　晁　勤　李育強(qiáng)

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院1，新疆 烏魯木齊　830047；新疆工程學(xué)院2，新疆 烏魯木齊　830052)

分布式發(fā)電接入電網(wǎng)繼電保護(hù)研究

張堯1,2晁勤1李育強(qiáng)1

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院1，新疆 烏魯木齊830047；新疆工程學(xué)院2，新疆 烏魯木齊830052)

摘要：常規(guī)電源與分布式電源的差異使得分布式電源接入電網(wǎng)時(shí)，傳統(tǒng)繼電保護(hù)受到很大影響。先從分布式電源的類型、分布式電源容量方面，介紹了對(duì)電流保護(hù)的影響，得出分布式電源容量越大、短路電流越大的結(jié)果。然后從分布式電源接入位置及測(cè)量電壓電流特性方面，介紹了對(duì)距離保護(hù)的影響，得出分布式發(fā)電帶來(lái)助增電流、頻率偏差等是影響距離保護(hù)的主要因素。通過(guò)改變整定值、分區(qū)隔離、附加分量和邏輯等途徑，改進(jìn)電流距離保護(hù)方案。最后展望了自適應(yīng)保護(hù)是保護(hù)發(fā)展的重要方向。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電大電網(wǎng)繼電保護(hù)電流保護(hù)距離保護(hù)整定節(jié)能減排

0引言

20世紀(jì)90年代，全球性的電力改革浪潮宣告了一個(gè)新的電氣時(shí)代的誕生，即采用大電網(wǎng)和分布式發(fā)電相結(jié)合的方式，以節(jié)省投資、降低能耗，并提高電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性。分布式電源主要指基于可再生能源的太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等。分布式電源的引入對(duì)原有配電網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布、短路電流、電能質(zhì)量和系統(tǒng)保護(hù)等產(chǎn)生一系列的影響。

針對(duì)分布式電源接入電網(wǎng)引起電流保護(hù)、距離保護(hù)誤動(dòng)拒動(dòng)等問(wèn)題，尋找消除這些影響的具體措施是學(xué)者們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。首先從分布式電源的類型和分布式電源容量角度，介紹了分布式發(fā)電對(duì)電流保護(hù)的影響，得出不同電源提供的短路電流可達(dá)額定電流的100%～1 000%范圍。分布式電源接入容量越大，短路電流越大。其次從分布式電源接入位置及接入后測(cè)量的電壓、電流特性方面，介紹了分布式發(fā)電對(duì)距離保護(hù)的影響，得出分布式發(fā)電接入后帶來(lái)的助增電流、頻率偏差、測(cè)量阻抗變化是影響距離保護(hù)的主要因素。然后通過(guò)改變整定值、分區(qū)隔離、附加分量和邏輯等途徑，改進(jìn)電流距離的保護(hù)方案。最后對(duì)保護(hù)的研究前景進(jìn)行了展望。

1分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)保護(hù)的影響

隨著節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的大力倡導(dǎo)，大規(guī)模應(yīng)用分布式發(fā)電及并網(wǎng)是大勢(shì)所趨。隨著分布式發(fā)電并網(wǎng)容量的不斷提高，分布式發(fā)電給電網(wǎng)的運(yùn)行與保護(hù)帶來(lái)的影響越來(lái)越不容忽視。

1.1對(duì)電流保護(hù)的影響

1.1.1分布式電源類型影響

文獻(xiàn)[1]提出的分布式發(fā)電(distributed generation,DG)概念的引入，使得配電系統(tǒng)從傳統(tǒng)的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成雙端甚至多端網(wǎng)絡(luò)，從而改變故障電流的大小、持續(xù)時(shí)間及其方向。分析了不同類型的分布式電源對(duì)故障電流的影響:①換流器型DG，故障電流注入能力為100%～400%，持續(xù)時(shí)間取決于控制裝置；②同步電機(jī)型DG，故障電流注入能力達(dá)到500%～1 000%，逐漸衰減到200%～400%；③感應(yīng)電機(jī)型DG，故障電流注入能力達(dá)到500%～1 000%，在10個(gè)周波內(nèi)衰減至可忽略。最后得出，對(duì)電流保護(hù)的影響主要體現(xiàn)在以下3方面：①導(dǎo)致本線路保護(hù)動(dòng)作的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至拒動(dòng)；②由于原保護(hù)沒(méi)有方向元件，在DG容量足夠大的情況下，流過(guò)本線路的反向電流會(huì)使保護(hù)誤動(dòng)作；③導(dǎo)致相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)誤動(dòng)作，失去選擇性。

文獻(xiàn)[2]研究了在最大最小運(yùn)行方式下，風(fēng)電電源提供的短路電流分別對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入處的下級(jí)保護(hù)及上級(jí)保護(hù)產(chǎn)生不同影響，結(jié)論同文獻(xiàn)[1]。

1.1.2分布式電源容量影響

文獻(xiàn)[3]分析了光伏系統(tǒng)不同接入位置、不同容量對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響。由此得出，同容量光伏系統(tǒng)距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，短路電流增加越明顯。同一點(diǎn)接入光伏系統(tǒng)，容量越大，短路電流越大。理清這些影響關(guān)系，有助于提高配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行以及并網(wǎng)光伏發(fā)電的普及。

文獻(xiàn)[4]提到風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行機(jī)組數(shù)、輸出有功功率、故障類型、故障點(diǎn)這些因素的改變都會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生不同影響。由此得出，風(fēng)電場(chǎng)有功出力相同的情況下，投運(yùn)的機(jī)組越多，故障電流越大。根據(jù)故障類型不同，風(fēng)電場(chǎng)提供的短路電流也不同，三相短路電流約為穩(wěn)定運(yùn)行電流的8倍，兩相故障和單相故障的短路電流約為穩(wěn)定運(yùn)行電流的4～5倍。

1.2對(duì)距離保護(hù)的影響

1.2.1分布式電源接入位置影響

文獻(xiàn)[5]研究了自適應(yīng)接地距離保護(hù)，分析了助增電流對(duì)距離II段阻抗繼電器測(cè)量的影響。由此得出，助增電流增大了測(cè)量阻抗，降低了保護(hù)裝置的靈敏度。

文獻(xiàn)[6]把分布式電源與原配電網(wǎng)看作雙側(cè)電源，分析了分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線保護(hù)的影響。由此得出，在最小運(yùn)行方式下，由于分布式電源歸算至并網(wǎng)變110 kV母線側(cè)的阻抗過(guò)大，當(dāng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時(shí)，近分布式電源的距離保護(hù)有可能拒動(dòng)，這樣會(huì)威脅到變壓器的絕緣安全。

文獻(xiàn)[7]分析了分布式電源接入對(duì)變電站距離保護(hù)的影響。由此得出，非系統(tǒng)電源進(jìn)線段故障時(shí)，分布式機(jī)組的正向助增電流使距離保護(hù)II段范圍縮小，可能降低其靈敏度，但不會(huì)使其失去選擇性。

1.2.2測(cè)量電壓電流特性影響

文獻(xiàn)[8]對(duì)雙饋式風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量到的電壓、電流進(jìn)行分析。由此得出，電壓、電流的頻率有所差別，會(huì)對(duì)基于傅氏相量算法的距離元件產(chǎn)生很大誤差。

文獻(xiàn)[9]分析了風(fēng)電系統(tǒng)距離III段保護(hù)的動(dòng)作特性。以異步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，計(jì)算表明其呈現(xiàn)負(fù)電阻、正電抗特性，使得線路遠(yuǎn)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量阻抗接近反向故障。當(dāng)輸入機(jī)械功率增加和定子電壓降低時(shí)，將減小異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)阻抗模值，降低風(fēng)電場(chǎng)近線端距離III段保護(hù)的動(dòng)作裕度。

2電流保護(hù)的改進(jìn)方案

電壓等級(jí)在35 kV及以下的配電網(wǎng)的主保護(hù)一般采用電流保護(hù)。分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的短路電流的大小及方向，必須改變傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電流保護(hù)，才能保證短路時(shí)正確切除故障。

2.1整定值改進(jìn)

文獻(xiàn)[2]在整定原則上作改進(jìn)。在原來(lái)的電流速斷整定公式中增加了故障類型系數(shù)Kd，系統(tǒng)的等效電勢(shì)和系統(tǒng)阻抗根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入容量和故障位置的不同，實(shí)時(shí)在線計(jì)算。

文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]也是改進(jìn)電流整定公式，具體方法同文獻(xiàn)[2]。

文獻(xiàn)[12]提出對(duì)故障時(shí)刻前電壓電流值實(shí)時(shí)采樣，利用短路電流計(jì)算公式估算故障電流值，并依此來(lái)確定電流繼電保護(hù)的整定值。由于估算故障電流是實(shí)時(shí)更新并且估算出來(lái)的誤差也不大，故該方法可以作為工程上進(jìn)行整定計(jì)算的一個(gè)依據(jù)。

2.2非正序分量改進(jìn)

文獻(xiàn)[13]提出利用序分量得到的綜合值作為保護(hù)定值，該方法也是在空載情況下成立的。文獻(xiàn)[14]提出將定值和短路電流全部采用故障分量來(lái)消除負(fù)荷電流影響的方法，但因電壓分量是忽略負(fù)荷電流的影響，因而靈敏度仍然受負(fù)荷電流的影響。

2.3自適應(yīng)整定值改進(jìn)

文獻(xiàn)[15]考慮了負(fù)荷電流對(duì)兩相短路電流的影響，提出將實(shí)測(cè)的兩相短路電流歸算為同一點(diǎn)的三相短路電流，然后再與定值進(jìn)行比較。這樣可以去除目前自適應(yīng)保護(hù)定值里的故障類型系數(shù)Kd，克服了目前電流保護(hù)普遍存在的由于受負(fù)荷電流的影響而使保護(hù)在兩相故障時(shí)靈敏度降低的缺陷。

文獻(xiàn)[16]將分布式電源等效為注入電流，將保護(hù)背側(cè)網(wǎng)絡(luò)用等值阻抗表示，利用戴維南等值模型求得電壓和等值阻抗，仍然保留故障類型系數(shù)Kd，從而確定了自適應(yīng)電流保護(hù)的整定值。

文獻(xiàn)[12]研究了逆變型分布式電源功率輸出與流過(guò)保護(hù)的故障電流的關(guān)系。由此得出，當(dāng)逆變型分布式電源容量在0～50 MVA范圍內(nèi)變化時(shí)，它與短路電流呈正比例關(guān)系。因此，提出根據(jù)DG功率輸出變化而反映故障電流變化的自適應(yīng)保護(hù)。

2.4分區(qū)隔離改進(jìn)

文獻(xiàn)[17]提出將DG上游、下游電流保護(hù)I段構(gòu)成一個(gè)通信單元，依據(jù)這兩級(jí)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果判斷故障并將其隔離在最小范圍內(nèi)。該方案在較高程度上依賴于通信單元，一旦通信失效，保護(hù)也隨之失效。

文獻(xiàn)[18]把分布式電源接在原電網(wǎng)的母線處，提出分區(qū)的概念，在分布式電源的上游區(qū)域配置方向縱聯(lián)保護(hù)和弱饋保護(hù)，下游區(qū)域仍保留過(guò)電流保護(hù)。

3距離保護(hù)的改進(jìn)方案

在110～220 kV的配電網(wǎng)中，往往采用距離保護(hù)作為主保護(hù)，它比單一反應(yīng)電流的電流保護(hù)靈敏度高。但是距離保護(hù)的保護(hù)范圍也受運(yùn)行方式變化的影響，所以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)距離保護(hù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能有效避免故障。

3.1附加分量自適應(yīng)改進(jìn)

文獻(xiàn)[19]提出了自適應(yīng)接地距離保護(hù)的整定公式。該公式考慮了保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的線路正序阻抗，還考慮了由于兩側(cè)電勢(shì)相位差和過(guò)渡電阻引起的附加分量。該距離保護(hù)的動(dòng)作特性隨著系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化作出相應(yīng)的校正。

3.2附加邏輯改進(jìn)

文獻(xiàn)[7]針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)使分布式電源側(cè)距離保護(hù)拒動(dòng)這一問(wèn)題，提出在聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)加裝必要的邏輯構(gòu)成允許式方向縱聯(lián)保護(hù)，在分布式電源側(cè)加裝弱饋保護(hù)。

3.3附加阻抗改進(jìn)

文獻(xiàn)[20]針對(duì)我國(guó)西北大規(guī)模風(fēng)電基地輸送采用可控串補(bǔ)和可控電抗器的實(shí)際情況，提出一種考慮風(fēng)電波動(dòng)性的基于附加阻抗的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)新原理。仿真結(jié)果表明，該原理具有較好的性能，適用于對(duì)風(fēng)電送出聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)。

4結(jié)束語(yǔ)

分布式電源接入電網(wǎng)對(duì)距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)還有待于學(xué)者進(jìn)行更深入全面的探討。尤其是影響距離保護(hù)正確動(dòng)作的過(guò)渡電阻、電壓互感器、電流互感器的誤差、電力系統(tǒng)振蕩等因素，影響差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的電流互感器的誤差和不平衡電流、導(dǎo)引線的阻抗和分布電容、感應(yīng)過(guò)電壓等因素，可以通過(guò)尋找新的算法、新的保護(hù)裝置、新的技術(shù)來(lái)排除這些因素的影響。

目前，自適應(yīng)保護(hù)是保護(hù)發(fā)展的重要方向，自適應(yīng)行波保護(hù)將是自適應(yīng)保護(hù)發(fā)展的重要方向。對(duì)故障信息的研究和充分利用是發(fā)掘繼電保護(hù)新原理的基礎(chǔ)。利用小波變換，尤其是利用二進(jìn)小波變換實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、行波檢測(cè)和識(shí)別，為自適應(yīng)行波保護(hù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

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Research on the Relay Protection for Distributed Generation Accessing to Power Grid

Abstract：The traditional relay protection is greatly affected by the difference between conventional power supply and distributed power supply at the time that the distributed power is connected to the power grid.Firstly,from the types of distributed power supply and the capacity of distributed power,the influence on the current protection is introduced,it is concluded that the larger the distributed power capacity is,the higher the short-circuit current is.Then,the influence on the distance protection is introduced from the accessing location of the distributed power supply and the characteristics of measurement voltage and current,and the conclusion is that the assisted increasing current produced by distributed generation and the frequency deviation are the main factors affecting the distance protection.By the ways of changing the tuning value,zoning isolation,and additional component and logic,etc.,the current and distance protection scheme is improved.Finally,the research prospect that adaptive protection is the important direction of protect development.

Keywords:Distributed generationLarge power gridRelay protectionCurrent protectionDistance protectionTuningEnergy-saving and emission-reduction

中圖分類號(hào)：TH-3;TP2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605003

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51367017)；

科技部國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013DFG61520)。

修改稿收到日期：2015-11-27。

第一作者張堯(1982-)，女，現(xiàn)為新疆大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)在讀博士研究生；主要從事繼電保護(hù)方向的研究。