韓仕富

(國網(wǎng)恩施供電公司，湖北恩施445000)

基于通信的微網(wǎng)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置方案研究

韓仕富

(國網(wǎng)恩施供電公司，湖北恩施445000)

配電系統(tǒng)中微網(wǎng)的運(yùn)用可以解決清潔能源零散分布的問題，但微網(wǎng)的接入，配電系統(tǒng)的故障特征受分布式發(fā)電的影響發(fā)生改變，且有了更加復(fù)雜的電氣量變化，這對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)和故障檢測(cè)造成了影響，還有可能使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確定位故障的位置.因此先以10kV配電網(wǎng)絡(luò)為例，分析了微網(wǎng)接入對(duì)其網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，然后提出考慮了重合閘裝置的基于通信的繼電保護(hù)配置方案，最后在PSCAD/EMTDC中建立了10kV配電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，對(duì)繼電保護(hù)新方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.

配電系統(tǒng)；微網(wǎng)；繼電保護(hù)；通信；PSCAD

分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG).技術(shù)可以整合零散分布的清潔能源并將其轉(zhuǎn)化為電能，且有以下優(yōu)點(diǎn):減少輸電損耗、高效、清潔、提高供電可靠性、靈活、投資少[1－3].但在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DG對(duì)電網(wǎng)有沖擊性，在第一時(shí)間里被要求從大電網(wǎng)中解列，限制了DG技術(shù)的發(fā)展.而微網(wǎng)[4].(Micro－Grid，MG)與大電網(wǎng)結(jié)合，能夠彌補(bǔ)前者的不足，在配電系統(tǒng)穩(wěn)定性和供電可靠性方面得到提高；可以提升系統(tǒng)對(duì)各種分布式發(fā)電設(shè)備的接納能力；可以更好地實(shí)現(xiàn)無功功率控制，從而提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低諧波對(duì)系統(tǒng)的污染；還可以利用儲(chǔ)能裝置的削峰填谷作用，有效解決由負(fù)荷用電峰谷差造成的裝機(jī)容量偏小的問題[5－6].

但在含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)中，但微網(wǎng)的接入，配電系統(tǒng)的故障特征受分布式發(fā)電的影響發(fā)生改變，且有了更加復(fù)雜的電氣量變化，這對(duì)傳統(tǒng)的保護(hù)和故障檢測(cè)造成了影響，還有可能使系統(tǒng)無法準(zhǔn)確定位故障的位置[7].針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[7]在文中提出在DG的并網(wǎng)線上串聯(lián)電抗器以減小分布式電源的助增電流，但阻抗值將很難確定.因此，本文提出了考慮重合閘裝置的基于通信的微網(wǎng)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置方案，并且在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型，以此驗(yàn)證繼電保護(hù)配置方案的有效性.

1 微網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

微網(wǎng)由以下4部分構(gòu)成:DG、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置和控制裝置[8]，它對(duì)外自成一個(gè)整體，與電網(wǎng)的連接是通過一個(gè)公共連接點(diǎn)(Point of Common Coupling，PCC)實(shí)現(xiàn)的.微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其潮流能雙向流動(dòng)，即潮流的方向可以是流向微網(wǎng)的，也可以是流向配電網(wǎng)的.相較于常規(guī)配電網(wǎng)中潮流的單向流動(dòng)，具有優(yōu)越性，同時(shí)微網(wǎng)利用電力電子技術(shù)接入配電網(wǎng)相對(duì)柔和，微網(wǎng)接入和常規(guī)的“旋轉(zhuǎn)”發(fā)電機(jī)接入具有不同的電源特性，微網(wǎng)接入對(duì)常規(guī)配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置造成影響[9－12].本文是通過一個(gè)常規(guī)中壓配電網(wǎng)作為實(shí)例，來分析微網(wǎng)接入配電網(wǎng)后，其接入點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響.

1.1 在系統(tǒng)某線路末端接入微網(wǎng)

1)微網(wǎng)下游F2發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)流過故障點(diǎn)的電流由兩部分提供，一是分布式電源，二是系統(tǒng)電源，其比微網(wǎng)接入前流過的短路電流大.保護(hù)3、4中無故障電流，其保護(hù)動(dòng)作與接入微網(wǎng)前相同.保護(hù)1、2中的電流仍僅由系統(tǒng)提供，與微網(wǎng)接入前流過其中的電流無差，保護(hù)2能夠可靠動(dòng)作，切除故障區(qū)域.

2)微網(wǎng)上游F1發(fā)生短路故障時(shí).與1)中所述情況不同的是，由于保護(hù)1對(duì)側(cè)沒有安裝保護(hù)元件，保護(hù)2中會(huì)流過由DG產(chǎn)生的短路電流，如果DG的容量比較大，保護(hù)2動(dòng)作不可靠，可能導(dǎo)致被切除的故障區(qū)域擴(kuò)大.

3)同一母線的其他饋線F4發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)流過故障點(diǎn)的電流同①，保護(hù)3不流過短路電流.微網(wǎng)的接入使得保護(hù)4中流過電流增大，保護(hù)4能可靠動(dòng)作，切除故障區(qū)域.但保護(hù)1、2中也會(huì)流過由DG產(chǎn)生的故障電流，如果DG的容量比較大，保護(hù)2動(dòng)作不可靠，可能會(huì)將LD1切除而擴(kuò)大故障區(qū)域.

4)同一母線的其他饋線F3發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)流過保護(hù)3、4的電流同①，如果保護(hù)4中流過的電流大于電流速斷保護(hù)的整定值，那么保護(hù)4會(huì)動(dòng)作將LD2線路切除，造成無法選擇保護(hù)并動(dòng)作；另一方面，保護(hù)2可能會(huì)誤動(dòng).

圖1 微網(wǎng)接在末端的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 The distribution network with a Micro－Grid connected to the end

圖2 微網(wǎng)接在中間的配電網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The distribution network with a Micro－Grid connected to the middle

1.2 在線路中間接入微網(wǎng)

1)微網(wǎng)下游F2發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)故障點(diǎn)電流由兩部分提供，一是分布式電源，二是系統(tǒng)電源.保護(hù)3、4沒有故障電流，保護(hù)3、4動(dòng)作不發(fā)生改變.由于微網(wǎng)的接入，使得保護(hù)2中的短路電流增大，動(dòng)作可靠，能準(zhǔn)確切除故障區(qū)域.相反，流過保護(hù)1中的短路電流要略微減小，DG的容量越大，保護(hù)1中的短路電流要越小，這將降低保護(hù)1的靈敏度，縮小保護(hù)1的保護(hù)范圍.

2)微網(wǎng)上游F1發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)保護(hù)3、4中沒有故障電流流過，其保護(hù)動(dòng)作不發(fā)生改變.保護(hù)1的電流僅由系統(tǒng)提供，能正常動(dòng)作.但微網(wǎng)的接入使得對(duì)側(cè)沒有安裝繼電保護(hù)的保護(hù)1中仍有短路電流，導(dǎo)致保護(hù)1動(dòng)作不可靠，不能沒有完全切除故障區(qū)域.

3)同一母線的其他饋線F4發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)保護(hù)2、3中無故障電流流過.流過保護(hù)4的故障電流由兩部分提供，一是分布式電源，二是系統(tǒng)電源，電流增大，保護(hù)4動(dòng)作可靠，能完全準(zhǔn)確地切除故障.保護(hù)1中有DG產(chǎn)生的反向短路電流，如果DG的容量比較大，保護(hù)2動(dòng)作不可靠，可能會(huì)將LD1切除而擴(kuò)大故障區(qū)域.

4)同一母線的其他饋線F3發(fā)生短路故障時(shí).此時(shí)保護(hù)2中沒有故障電流.保護(hù)3、4中流過的電流由兩部分提供，一是分布式電源，二是系統(tǒng)電源，電流增大，如果該電流大于保護(hù)4瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的整定值，那么保護(hù)4動(dòng)作不可靠，可能導(dǎo)致被切除的故障區(qū)域擴(kuò)大.而且如果DG的容量比較大，還有可能引起保護(hù)1的誤動(dòng).

另外，當(dāng)微網(wǎng)接入配電網(wǎng)后，若微網(wǎng)上游線路發(fā)生瞬時(shí)性故障，在重合閘裝置動(dòng)作前要保證切除線路上的DG.否則微網(wǎng)可能繼續(xù)向故障點(diǎn)供電，導(dǎo)致絕緣擊穿，瞬時(shí)故障將變成永久性故障.如果重合閘在DG沒有被切除的情況下進(jìn)行動(dòng)作，重合閘會(huì)因?yàn)榫€路的再次跳閘而動(dòng)作失敗，使配電系統(tǒng)再次經(jīng)歷短路過程；還有可能導(dǎo)致重合閘失效或引起非同期重合閘.所以在饋線發(fā)生故障的時(shí)候，DG應(yīng)先從配網(wǎng)中解列，等配網(wǎng)成功重合閘后，再利用檢同期裝置重新并入配網(wǎng).

2 含微網(wǎng)配電系統(tǒng)的保護(hù)配置

本文針對(duì)上述微網(wǎng)接入對(duì)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響，提出的基于通信的保護(hù)方案的保護(hù)動(dòng)作框圖如圖3所示.

以圖4為例，是一個(gè)10kV的配電網(wǎng)絡(luò)，我們規(guī)定功率和電流的正方向是從系統(tǒng)流向DG，然后對(duì)各個(gè)保護(hù)的動(dòng)作方案進(jìn)行具體說明.

1)當(dāng)F1處發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3中流過負(fù)方向的功率，保護(hù)3不進(jìn)行動(dòng)作，不能把閉鎖信號(hào)發(fā)送給保護(hù)1，保護(hù)2中流過短路電流和正方向的功率，能夠?qū)收衔恢枚ㄎ?，確定其發(fā)生在線路AB上，線路AB上的保護(hù)1動(dòng)作，發(fā)送跳閘信號(hào)給斷路器2，使斷路器2跳閘，隔離故障.

2)當(dāng)F3處發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)5中流過負(fù)方向的功率，保護(hù)5不進(jìn)行動(dòng)作，不能把閉鎖信號(hào)發(fā)送給保護(hù)3，開放保護(hù)3.而保護(hù)3中流過負(fù)方向的功率，能進(jìn)行動(dòng)作且將閉鎖信號(hào)發(fā)送給保護(hù)1，同時(shí)將跳閘信號(hào)發(fā)送給對(duì)側(cè)斷路器4，使斷路器4跳閘，隔離故障.

3)當(dāng)微網(wǎng)上游最末端線路CD上的F5處發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)5中流過正方向的功率，保護(hù)5動(dòng)作，但保護(hù)6中流過負(fù)方向的功率，因此能對(duì)故障進(jìn)行定位，確定其發(fā)生在CD線路上，使得斷路器4和線路DE上的斷路器跳閘，切除故障.

每當(dāng)斷路器跳閘之后，重合閘裝置會(huì)在經(jīng)過預(yù)設(shè)的延時(shí)之后啟動(dòng)進(jìn)行合閘.如果兩次進(jìn)行合閘都不成功，那么此故障為永久性故障，重合閘會(huì)鎖定，然后永久性隔離故障線路.

圖3 動(dòng)作原理圖Fig.3 The principle figure of action

圖4 含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)的新保護(hù)方案示意網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The new protection scheme of distribution system with Micro－Grid

圖5 含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)仿真模型Fig.5 The simulation model of distribution system with Micro－Grid

3 仿真算例分析

3.1 仿真模型的建立

以10kV配電網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合微網(wǎng)，建立如圖5所示的仿真模型.

3.2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)仿真模型的保護(hù)模塊、斷路器動(dòng)作信號(hào)模塊、重合閘模塊進(jìn)行預(yù)設(shè)置，得到以下結(jié)果.

1)線路AB段的F1發(fā)生故障.

①瞬時(shí)性故障.此時(shí)，保護(hù)1檢測(cè)到的電流超過預(yù)設(shè)整定值，接著斷路器1收到跳閘信號(hào)后迅速跳閘，斷路器2也收到跳閘信號(hào)跟著跳閘，切除F1處故障，電流變?yōu)?.重合閘在0.2s后起動(dòng)，因故障被切除，重合閘重合成功，可以從圖7看出.在圖6中，0.2s后電流恢復(fù)，這說明了線路恢復(fù)正常.而且由圖7、圖8可知，整個(gè)故障切除過程進(jìn)行動(dòng)作的只有斷路器1和2，符合保護(hù)的選擇性原則.

②永久性故障.此時(shí)，保護(hù)1檢測(cè)到電流突然變大，斷路器1、2收到動(dòng)作信號(hào)后迅速跳閘，故障被切除，如圖9所示.重合閘在0.2 s后進(jìn)行第一次起動(dòng)，使斷路器1、2閉合.但因?yàn)镕1處發(fā)生的是永久性故障，導(dǎo)致重合失敗，重合閘進(jìn)行第二次重合，以避免由于線路狀態(tài)不穩(wěn)造成的誤判.重合閘在第二次重合失敗后，斷路器1、2跳閘，同時(shí)重合閘閉鎖并處于斷開狀態(tài)，由圖10可以看出.

圖6 保護(hù)1檢測(cè)到的電流Fig.6 Protection 1′s detected currents

圖7 斷路器1、2的狀態(tài)Fig.7 Breaker 1′s and 2′s State

圖8 斷路器3、4、5、6的狀態(tài)Fig.8 Breaker3′s，4′s，5′s and 6′s State

圖9 保護(hù)1檢測(cè)到的電流Fig.9 Protection 1′s detected current

圖10 斷路器1、2的狀態(tài)Fig.10 Breaker 1′s and 2′s detected state

2)線路BC段的F3發(fā)生故障.

①瞬時(shí)性故障.此時(shí)，斷路器3收到跳閘信號(hào)后迅速跳閘，斷路器4也收到跳閘信號(hào)跟著跳閘，切除F3處故障，電流變?yōu)?，如圖12.重合閘在0.2s后起動(dòng)，因故障被切除，重合閘重合成功，由圖11可知，0.2s后電流恢復(fù)，這說明了線路恢復(fù)正常.

圖11 保護(hù)3檢測(cè)到的電流Fig.11 Protection 3′s detected currents

圖12 斷路器3、4的狀態(tài)Fig.12 Breaker3′s，4′s State

②永久性故障.此時(shí)，斷路器3、4第一次跳閘，F(xiàn)3處故障被切除.重合閘在0.2 s后進(jìn)行第一次起動(dòng)，斷路器3、4收到信號(hào)后閉合.但因?yàn)镕3處發(fā)生的是永久性故障，導(dǎo)致重合失敗，斷路器3、4都會(huì)跳閘，重合閘進(jìn)行第二次重合也會(huì)失敗，同時(shí)重合閘閉鎖并處于斷開狀態(tài)，如圖14所示.

圖13 保護(hù)3檢測(cè)到的電流Fig.13 Protection 3′s detected current

圖14 斷路器3、4的狀態(tài)Fig.14 Breaker 3′s，4′s detected state

4 結(jié)論

本文基于通信，詳細(xì)探討了一種繼電保護(hù)方案，該方案根據(jù)微網(wǎng)接入配電網(wǎng)之后，其上游線路的電流保護(hù)，以及下級(jí)線路的電流保護(hù)來分析，以確定故障所在范圍，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)將重合閘裝置納入考慮，對(duì)微網(wǎng)接入后，配電網(wǎng)的不同故障點(diǎn)周圍保護(hù)的動(dòng)作情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后在PSCAD/EMTDC中建立了10kV配電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，證明了上述分析的正確性和新繼電保護(hù)方案的有效性.

[1] ACKERMANN T，ANDERSSON G，S?der L.Distributed generation:a definition[J].Electric power systems research，2001，57(3):195－204.

[2] 王翠香.含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)研究[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[3] 洪峰，陳金富，段獻(xiàn)忠.微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀研究及展望[C]//中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[4] LASSETER R H.Microgrids[C]//Power Engineering Society Winter Meeting[C]//IEEE，2002，1:305－308.

[5] 何鑫.微網(wǎng)故障分析與保護(hù)策略研究[D].吉林:東北電力大學(xué)，2012.

[6] 孫曉娜.含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)繼電保護(hù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2014.

[7] 梁明輝.微網(wǎng)故障特性分析和保護(hù)原理研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2011.

[8] 張世翔，章言鼎.微網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)安全運(yùn)行的影響分析及解決方案[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015(1):54－57.

[9] SO C W，LI K K.Protection relay coordination on ring－fed distribution network with distributed generations[C]//TENCON'02.Proceedings.2002 IEEE Region 10 Conference on Computers，Communications，Control and Power Engineering[C].IEEE，2002，3:1885－1888.

[10] 王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(2):10－14.

[11] 郭建勇，李瑞生，李獻(xiàn)偉，等.微電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(10):135－140.

[12] 王樹東，錢其三.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，28(1):87－90.

責(zé)任編輯:時(shí) 凌

Study on Relay Protection Configuration Scheme of Micro－grid Distribution System Based on Communication

HAN Shifu
(State Grid Enshi Power Supply Company，Enshi 445000，China)

The micro－grid in the distribution system can be used to solve the problem of scattered distribution of clean energy.However，with its access，the fault characteristics of the distribution system are changed under the influence of distributed generation and there is more complex electric quantity change，which has impact on traditional protection and fault detection makes the system unable to locate the fault accurately.Therefore，taking the 10kV distribution network as an example，we analyze the impact of micro－grid access on the relay protection of the network.Then，a communication－based relay protection configuration scheme considering the reclosing device is proposed.Finally，PSCAD/EMTDC 10 kV distribution network simulation model is built and the validity of the new scheme of relay protection is verified.

distribution system；micro－grid；relay protection；communication；PSCAD

TM762

A

1008－8423(2017)01－0066－05

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.016

2016－12－16.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61263030/61463014).

韓仕富(1970－)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制的研究.