瞿朝慶

(國網恩施市供電公司，湖北恩施445000)

微網接入對配電網繼電保護影響的研究

瞿朝慶

(國網恩施市供電公司，湖北恩施445000)

微網的接入能夠降低饋線的網絡損耗、提高供電的可靠性和能源利用率，現(xiàn)在的微網內部結構越來越復雜，主要是接入了大量的供能器件，一旦發(fā)生了短路或者斷路故障，那么電流、電壓相關參數會發(fā)生一定的變化，這大大增加了故障定位的難度.分析了微網的控制模式以及在并網與離網兩種狀態(tài)下DG的控制.通過對分布式電源的故障類型進行了準確的定位，并且針對繼電器的實時狀態(tài)進行了詳細的研究，由此建立了在并網運行時逆變型分布式發(fā)電的等效模型，在針對微網的接入對配電網繼電保護裝置影響上于PSCAD/EMTDC軟件中建立了包含微網的配電網系統(tǒng)的模型.

微網；分布式發(fā)電；儲能裝置；配電網

1 研究背景與意義

進入21世紀，資源的匱乏與環(huán)境的污染已經成為了國際上重視的發(fā)展話題，而新型可再生的能源引起了大量學者的廣泛關注.現(xiàn)今僅有少部分區(qū)域含有較豐富的資源，并且絕當今的清潔能源分布及不集中，這對科研工作者帶來了很多麻煩，為此人們研究了將微電網與大電網相結合，利用微電網能將其他種類的能源集中起來并且轉化成電能的能力，來達到資源稀缺的緩解.

分布式能源(DG)大多是體型較小，能夠很輕易地安裝在用戶周圍的儲能裝置.其作用不僅能單獨給用戶提供電能，還能并入電網向電網傳輸電能.當中地儲能系統(tǒng)和分布式電源并在一起，直接為用戶供電.從大電網角度來講，微網能作為大電網中的一個可控結構；

微網并入到電網中有以下幾個優(yōu)點:

1)能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定.

2)使得供電可靠性得到顯著提升.

3)使不同種類分布式電源的優(yōu)越性得到良好的體現(xiàn).

4)能更好地提高電能質量，降低諧波造成的污染.

5)利用儲能裝置解決了負荷用電峰谷差造成的裝機容量不足的問題.

2 含微網配電系統(tǒng)模型的建立

2.1 微網的構成

微電網的結構包含分布式電源、負荷、能量轉換裝置與監(jiān)控保護裝置幾個部分.

1)分布式發(fā)電:DG能以多種能源的種類體現(xiàn)；能夠直接向用戶輸送電能，提高了供電的質量.

2)負荷:主要指的是導線、電纜、電氣設備等.

3)能量轉換裝置:將不同種類的能源轉化為電能.

4)監(jiān)控保護裝置:主要由監(jiān)控設備和繼電保護裝置構成.

常見的微網主要有直流微電網、交流微電網、交直流混合微電網、中壓配電支線微電網、低壓微電網.

2.2 微網的運行模式

并網運行和離網運行是微電網的最主要的兩種運行方式，其中功率匹配狀態(tài)和功率不匹配狀態(tài)是并網運行中的兩個比較重要的運行狀態(tài)并.其中功率匹配是指一個設備能輸出的最大功率，正好接上另一個有同樣最大功率的設備，則能正常使用，如圖1所示，微網和大電網在結點PCC處連接，流過PCC的有功功率為P，流過的無功功率為Q.如果P＝0并且，Q＝0時，那么可以認為流過PCC結點的電流為零，使得微網中所有分布式電源的出力達到最佳，也就達到了微網的最優(yōu)的運行狀態(tài)，這種運行狀態(tài)被稱為微網的功率匹配運行狀態(tài).如果P不等于零或并且Q也不為零，那么可以認為經過PCC結點的電流不等于零，配電網同微網進行了功率的轉換，這種運行狀態(tài)被稱為微網的功率不匹配運行狀態(tài).如果微網處于功率不匹配的運行狀態(tài)，當P<0的時候，會出現(xiàn)有功過剩的情況，當P>0的時候，會出現(xiàn)有功缺額.

2.3 配電網仿真模型的建立

由于現(xiàn)在城市化建設日漸成熟，為了防止發(fā)電時影響到用戶的日常生活，大型發(fā)電廠需要建在遠離城市中心的寬廣地帶.而從發(fā)電廠發(fā)出的電能首先要輸送到負荷中心進行配電，主要由高壓及超高壓輸電網來實現(xiàn).到達負荷中心之后，經過配電系統(tǒng)的一系列的調度和分配，將電能輸送到用戶達到供電的作用.

1)壓配電網的拓撲結構和相應的繼電保護裝置.圖2為單向輻射型配電網，其繼電保護配置是在網絡出口處配置的三段式電流保護，剩余的饋線需要使用到過電流保護.主要判斷的方法為:電流1段保護必須小于饋線末端的流過的最大電流，其缺點是無法保護整條線路；電2段保護是需要判定每個原件的最大允許電流，并且保護電流值要小于所有原件中最小的允許流過電流，相對于上一段保護，該保護可以保護到整條線路，與上一段保護一同作為線路的主要保護方法；而電流3段保護是小于等于流過負荷的允許最大電流來確定的.

2)低壓配電網結構保護裝置.低壓配電系統(tǒng)的電壓等級是0.4KV，其保護裝置是帶有能起到自動斷電作用的萬能斷路器和熔斷器，熱繼電器等.速斷脫扣時間低于0.1s.而短路電流整定的時間特性為I2t的反時限特性，約定脫扣的電流是1.45In；脫扣時間是<1h或者<2h.

2.4 微網模型

圖1 微網功率交換Fig.1 Miconets power exchang

圖2 配電網網絡形式Fig.2 Forms of distribution network

本文在對目前微網的研究狀況進行相應的闡述后，細致分析了在配電網中并入微網后對系統(tǒng)的繼電保護裝置的影響進，如果首先忽略微網內部結構，當微網在進行并網時，分布式電源全部使用P/Q控制方式，那么需要將微網等效成一個單分布式電源和負載并聯(lián)的一個復合型拓撲結構.而逆變型分布式電源通過電力電子裝置并入了配電網，并且在并網時全部采用了P/Q的控制方案.如果并入微網后的電網發(fā)生了瞬時性故障，那么在這個瞬時暫態(tài)的過程中，逆變型分布式電源的輸出會因為偏離整定值而迅速增大，這對配電網系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響很大，但是該暫態(tài)的持續(xù)時間并不是不長，所以逆變型分布式電源輸出的有功和無功能在一個短時間段內恢復到到整定值.

本文所使用的模型是采用受控電流源來代替的:如果正常運行狀態(tài)，分布式電源的電壓、電流、相位角、功率值可以通過潮流計算得到；如果發(fā)生故障會導致壓降減小，此時逆變型的分布式電源提供的電流和電壓會成反比.

在PSCAD軟件中建立一個逆變型分布式電源的模型，如圖3所示，其輸出三相電流最大值和相位是能控的，控制的方式如圖4所示.

圖3 逆變型DG等效模型Fig.3 Inverter type DG equivalent model

圖4 可控電流源控制方式Fig.4 Controlled current source control method

3 仿真算例分析

3.1 仿真模型的建立

使用圖3中建立的拓撲模型進行細致研究，最終得到的模型如圖5所示.

圖5 含微網的配電系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Micro network distribution system simulation model

3.2 仿真分析

1)線路AB末端的F1發(fā)生三相短路故障.①沒有接入分布式電源的系統(tǒng)；②在線路中間C點接入DG的系統(tǒng).

仿真結果分析:①如果F1處發(fā)

生了瞬時性故障時，位于故障處左端的保護1在沒有接入分布式電源于線路中部接入分布式電源兩種運行狀態(tài)下所測出的短路電流相同，如圖6～8所示.由圖7可以明顯看出在分布式電源接入處左端發(fā)生瞬時性故障的時候，分布式電源對于故障處左端的繼電保護裝置沒有任何的影響.②對位于故障點F1和DG接入點之間的保護2，當F1故障時檢測到的電流和功率異向，如圖8、9所示.在此情況下，為了避免保護誤動，需要考慮方向元件.

圖6 不含DG的配電網絡Fig.6 Contains no DG′s distribution network

圖7 不含DG的系統(tǒng)F1短路時保護1的電流Fig.7 Contains no DG system short circuit protection

發(fā)生瞬時性故障檢測到流過它們的電流于功率均異向，那么需要考慮加裝方向元件來防止繼電保護裝置的不必要動作，仿真結果如圖10所示.

圖8 線路中間接入分布式電源的配電網Fig.8 Lines access of distributed power distribution network in the middle

圖9 接入分布式電源的系統(tǒng)F1短路時保護1的電流Fig.9 Access of distributed power supply system short circuit protection when 1 current F1

2)線路CD末端F3發(fā)生三相短路故障.①沒有接入DG的系統(tǒng)；②在線路中間C點接入DG的系統(tǒng).

仿真結果分析:①于饋線中部中間接入分布式電源的配電系統(tǒng)，若果F3發(fā)生瞬時性故障，保護3流過的I會超過分布式電源系統(tǒng)中保護3檢測到的I，而且保護1、2所流過到的I會低于無分布式電源系統(tǒng)中對應的保護裝置測量出到的I.由圖11、12可以清晰地看出，在發(fā)生瞬時性故障較短時間之內，分貝流入保護1、2、3地I同理論上計算的結果相一致，但在一段時間后通過它們的I會過渡沒有分布式電源系統(tǒng)情況下電流的水平，分析可能是系統(tǒng)電源最大儲存容量遠超過分布式電源的儲存容量造成的.②F3發(fā)生瞬時性故障時會導致保護4處被短路，檢測到的I的值為零，如圖13、14所示.

圖10 接入DG的系統(tǒng)F1短路時保護2的電流Fig.10 DG access to the system short circuit protection when 2 current F1

圖11 不含DG的配電網絡Fig.11 Contains no DG′s distribution network

圖12 不含DG的系統(tǒng)F3短路時電流Fig.12 F3 without DG system short circuit current

圖13 線路中間接入DG的配電網絡Fig.13 Line access DG distribution network in the middle

圖14 線路中間接入DG的系統(tǒng)F3短路時的電流Fig.14 Lines connected to the DG system among the F3 when short circuit current

4 總結

能源與環(huán)境問題備受國家的重視，含微網的配電系統(tǒng)必將成為配電網的重要發(fā)展趨勢.但由于接入微網后的配電網方式發(fā)生改變，使得配電網的運行、保護等方面遇到新的問題，本文主要針對繼電保護方面開展工作.其主要研究內容的總結如下:

1)分析了微網的主要構造，微網的兩種運行方式及其切換.在微網處于并網運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的額定電壓和頻率需要由大電網來協(xié)調，微網中重要部分布式電源要通過控制輸出功率來達到整個微網中的功率平衡，所以這個時候的分布式電源逆變器多數時候會使用P/Q控制方式.如果微網是在離網的運行狀態(tài)，微網內部的額定電壓與額定頻率要通過自我的調節(jié)作用，需要選擇一定數量的分布式電源來代替大電網所起到的作用，主要作用是維持電壓與頻率的平衡，那么符合這些條件的分布式電源要使用U/f與Droop的控制方式.在PSCAD/EMTDC中建立了含微網的輻射型配電網的數學模型，并進行了詳細的仿真實驗.

2)全面的研究了微網的接入對配電系統(tǒng)中繼電保護裝置所帶來的影響.在一般中壓輻射型網絡中一般會出現(xiàn)末端故障電流，同時降低了保護裝置的靈敏性，而相鄰饋線的故障保護會產生誤動，而對于一般的中壓環(huán)網型的網絡，因為分布式電源的接入，饋線中相應的常開開關會斷開，無法達到重合閘、分段器的互相配合，并且使得故障定位隔離的實現(xiàn)變得十分困難，那么就會導致故障后半段的負荷無法得到正常供電.因此將并網逆變型分布式電源等效成一個可控的電流源，于PSCAD/EMTDC軟件中進行了仿真實驗.

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責任編輯:時 凌

Effects of Micro－grid Access on the Relay Protection of Power Distribution Network

QU Chaoqing
(State Grid Enshi Power Supply Company，Enshi 445000，China)

The micro－grid access can reduce the network loss of the feeder and improve the reliability of power supply and energy efficiency.Now the internal structure of the micro－grid has become more and more complex.With lot of power supply devices connected to the micro－grid，in the event of a short circuit or open circuit fault，the relevant parameters of the current and voltage will have some changes，which will greatly increase the difficulty of fault location.This paper analyzes the micro－grid control mode and DG control under the grid－connected and off－grid state.By accurately positioning the fault type of distributed power supply and studying in detail the real－time status of the relay，we have established an equivalent model of inverter distributed generation under grid－connected operation and a distribution system model including micro－grid in PSCAD/EMTDC software aiming at the impact of the micro－grid access on the relay protection device of distribution network.

micro－grid；distributed generation；energy storage device；distribution network；relay protection

TM762

A

1008－8423(2017)01－0076－05

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.018

2016－12－16.

國家自然科學基金項目(61263030；61463014).

瞿朝慶(1964－)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制的研究.