劉鵬博，王 賀，趙書(shū)健，劉孟石，林玉浩

(1.山東大學(xué)，濟(jì)南 250061；2. 國(guó)網(wǎng)德州供電公司，山東 德州 253000；3. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，長(zhǎng)春 130062；4. 國(guó)網(wǎng)承德供電分公司，河北 承德 068250)

隨著配電網(wǎng)因風(fēng)電等可再生能源發(fā)電的接入[1]，原有網(wǎng)絡(luò)潮流、運(yùn)行狀態(tài)和故障表現(xiàn)都會(huì)發(fā)生改變，原有保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)等不良現(xiàn)象，給配電網(wǎng)的繼電保護(hù)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。對(duì)原繼電保護(hù)方案及保護(hù)判據(jù)做出改進(jìn)，這對(duì)增加可再生能源消納、保護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著重要的意義。

針對(duì)風(fēng)電接入配電網(wǎng)的繼電保護(hù)方案，目前有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。大體分為以下幾種方式：仍采用原有的保護(hù)方案，降低風(fēng)電的接入容量，來(lái)減少其對(duì)原保護(hù)方案的影響[3];基于通信技術(shù)，通過(guò)采集系統(tǒng)運(yùn)行信息判斷故障并采取動(dòng)作[4]，但傳輸時(shí)間較長(zhǎng)，降低了保護(hù)的速動(dòng)性，同時(shí)一旦通信網(wǎng)癱瘓，將會(huì)造成重大損失；采用自適應(yīng)保護(hù)方案，通過(guò)加裝少量設(shè)備，對(duì)電流整定值進(jìn)行重新設(shè)定[5]，但本質(zhì)上判據(jù)依然單一；增加限流器、方向判別裝置，對(duì)原有的階段公式保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，但限流電抗器的引入會(huì)使系統(tǒng)網(wǎng)損增加，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

該文分析了風(fēng)電電源 “T”型接入對(duì)傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)可靠性的影響，改進(jìn)了原有的差動(dòng)電流保護(hù)；

增添正序電壓、電壓-電流相角輔助判據(jù)，對(duì)原有保護(hù)進(jìn)行了相應(yīng)地改進(jìn)。通過(guò)仿真平臺(tái)搭建了含風(fēng)電的高壓配電網(wǎng)模型，對(duì)改進(jìn)后的繼電保護(hù)方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響

1.1 風(fēng)電輸出特性

以PQ控制的風(fēng)電為例，PQ控制是通過(guò)雙環(huán)控制將有功功率與無(wú)功功率分別進(jìn)行控制，外環(huán)為功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。PQ控制可使逆變型電源輸出的有功功率Pout、輸出的無(wú)功功率Qout與設(shè)置的有功功率參考值Pref、無(wú)功功率參考值Qref保持一致[6]。為了驗(yàn)證PQ控制風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)輸出特性，在PSCAD仿真平臺(tái)下搭建了風(fēng)電的等效模型，模型見(jiàn)圖1。

圖1 含風(fēng)電簡(jiǎn)單電路模型

為了充分利用風(fēng)電電源所發(fā)出的能量，風(fēng)電電源的無(wú)功功率參考值Qref為0，有功功率參考值Pref為0.4MW。風(fēng)電有裝設(shè)電流限幅模塊，最大輸出電流Imax設(shè)置為2倍額定電流。風(fēng)電通過(guò)隔離變壓器并網(wǎng)，采用△/Y0接線方式，負(fù)荷均為阻感性。因配電網(wǎng)線路較短，可忽略其對(duì)地電容，設(shè)單位正序阻抗、負(fù)序阻抗、零序阻抗分別為Z1、Z2、Z0，Z1=(0.6+j0.86)Ω/km，Z1=Z2，Z0=1.5Z1，長(zhǎng)度為4km。設(shè)置故障點(diǎn)0.5s時(shí)刻發(fā)生短路故障，故障時(shí)長(zhǎng)為0.25s，步長(zhǎng)為1s，其輸出結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 仿真風(fēng)電Pout、Qout變化波形

從仿真結(jié)果可以看出，PQ控制的風(fēng)電并網(wǎng)后，雖然存在爬坡功率的限制，經(jīng)過(guò)短暫的啟動(dòng)機(jī)組過(guò)程后，即可保持恒定的P、Q輸出，即使線路發(fā)生故障，風(fēng)電仍然可以按照設(shè)定的功率進(jìn)行輸出，這為研究改進(jìn)繼電保護(hù)方案奠定了基礎(chǔ)。

1.2 風(fēng)電“T”型接入對(duì)縱聯(lián)保護(hù)的影響

將裝設(shè)在線路始、末端的電流互感器二次側(cè)繞組的同極性端子縱向連接構(gòu)成電流回路，繼電器并接在電流互感器二次側(cè)端子上，通過(guò)比較流入兩端縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)中的電流與整定值來(lái)判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)差動(dòng)電流小于整定電流值時(shí)，說(shuō)明保護(hù)范圍內(nèi)未發(fā)生故障，保護(hù)不動(dòng)作，反之保護(hù)動(dòng)作。

保護(hù)的整定值為：

Iunb=0.1KstKnpIkmax

(1)

式中：Iunb為整定電流判據(jù)值；Kst為電流互感器同型系數(shù)，兩側(cè)互感器型號(hào)相同時(shí)，Kst=0.5，兩側(cè)互感器型號(hào)不同時(shí)，Kst=1；Knp為非周期分量系數(shù)；Ikmax為正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，兩端母線流過(guò)的最大不平衡電流。

在高壓配電網(wǎng)當(dāng)中，風(fēng)電的接入容量常為30～50 MW，為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行，風(fēng)電通常采用“T”型接入并網(wǎng)的方式，見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)電“T”型接入并網(wǎng)等效模型

由基爾霍夫電流定律(Kirchhoff's current law,KCL)可知，線路兩端所測(cè)得的差動(dòng)電流值會(huì)包含風(fēng)電提供的不平衡電流，若仍按照原有的整定公式進(jìn)行整定計(jì)算，正常運(yùn)行或外部故障時(shí)的差動(dòng)電流會(huì)超過(guò)原有的電流整定值，導(dǎo)致原保護(hù)方案可能發(fā)生誤動(dòng)。區(qū)內(nèi)故障時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組不同于火電機(jī)組，提供的電流不僅與故障位置、故障類(lèi)型有關(guān)，還受其控制方式影響，所以需要改進(jìn)差動(dòng)電流整定值判據(jù)[8-9]。

2 改進(jìn)的含風(fēng)電配電網(wǎng)繼電保護(hù)

2.1 改進(jìn)差動(dòng)電流整定值

風(fēng)電“T”型接入了配電網(wǎng)，造成原有配電網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，線路兩端母線上的電流互感器所測(cè)得的差動(dòng)電流不為零，而是風(fēng)電的輸出電流Iwd，適當(dāng)增大差動(dòng)電流整定值，可提高保護(hù)的可靠性。由于比例積分調(diào)節(jié)器中限流環(huán)節(jié)的存在，即使在故障情況下，風(fēng)電輸出電流的大小不會(huì)超過(guò)其2倍額定電流。為了保證發(fā)生故障時(shí)保護(hù)能快速動(dòng)作而正常運(yùn)行狀態(tài)下保護(hù)不誤動(dòng)，在改進(jìn)差動(dòng)電流整定值時(shí)需考慮風(fēng)電的額定輸出電流以及系統(tǒng)過(guò)載對(duì)保護(hù)的影響，可按照式(2)來(lái)設(shè)置電流整定值。

Iunb=0.1KstKnpIkmax+2I0

(2)

式中I0為風(fēng)電的額定輸出電流。

差動(dòng)電流整定值改進(jìn)后，當(dāng)配電網(wǎng)正常運(yùn)行或保護(hù)線路范圍外部發(fā)生短路故障時(shí)，由于整定值較高，差動(dòng)電流將小于電流整定值，避免了保護(hù)的誤動(dòng)作。當(dāng)保護(hù)線路發(fā)生短路故障時(shí)，由于故障電流遠(yuǎn)大于風(fēng)電的輸出電流，差動(dòng)電流將會(huì)大幅度增加并超過(guò)電流整定值，保護(hù)能可靠動(dòng)作切除故障。

2.2 新增保護(hù)判據(jù)

2.2.1 考慮正序補(bǔ)償電壓判據(jù)

最大不平衡電流會(huì)隨著風(fēng)電接入容量的增加而增大，由式(2)計(jì)算的差動(dòng)電流整定值也會(huì)隨之增大，當(dāng)配電網(wǎng)中發(fā)生故障電流較小的短路故障(如非金屬性單相短路接地)或是經(jīng)電阻的相間短路故障時(shí)，由于故障電流較小而整定值較大，保護(hù)可能會(huì)發(fā)生拒動(dòng)，無(wú)法及時(shí)切除故障的現(xiàn)象。僅改進(jìn)電流整定值無(wú)法很好地滿足繼電保護(hù)可靠性的要求,因此在改進(jìn)差動(dòng)電流整定值的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)風(fēng)電接入點(diǎn)兩側(cè)的正序補(bǔ)償電壓的輔助判據(jù)，對(duì)保護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

風(fēng)電具有三相對(duì)稱(chēng)的輸出特性，并且在發(fā)生故障時(shí)風(fēng)電與系統(tǒng)電源一樣僅存在于正序網(wǎng)中?？刹捎谜蚍至孔鳛楸Ｗo(hù)的判據(jù)，同時(shí)正序分量作為判據(jù)可以有效地避免發(fā)生接地故障或不對(duì)稱(chēng)故障對(duì)保護(hù)動(dòng)作情況的影響。風(fēng)電“T”型接入的正序網(wǎng)絡(luò)等值模型見(jiàn)圖4。其中，U1M、U1N分別為母線M、N處的母線正序電壓，可由電壓互感器測(cè)得；I1M、I1N分別為流過(guò)線路的的正序電流，可由電流互感器測(cè)得；Uwd為風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓；ZM、ZN分別為接入點(diǎn)到母線M、母線N的等值線路阻抗。由電路原理可得：

(3)

設(shè)置電壓判據(jù)見(jiàn)式(4)。

圖4 風(fēng)電“T”型接入配電網(wǎng)正序網(wǎng)等值電路

(4)

根據(jù)線路實(shí)際參數(shù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)范圍外部最大故障電流Ikmax以及互感器的測(cè)量誤差設(shè)置對(duì)操作電壓值Uop進(jìn)行整定，得：

Uop=kμ1Ikmax(ZM+ZN)+kμ2kδEs

(5)

式中：kμ1、kμ2分別為電流互感器、電壓互感器的測(cè)量誤差，kδ為電壓偏移量，Es表示電源電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)母線處互感器測(cè)得的正序電壓、電流滿足式(4)時(shí)，表明線路內(nèi)部發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作，反之保護(hù)不動(dòng)作。

2.2.2 考慮相位保護(hù)判據(jù)

圖5 并網(wǎng)點(diǎn)故障時(shí)配電網(wǎng)復(fù)合等值電路模型

其中，Zf為故障等值阻抗，由復(fù)合序網(wǎng)附加阻抗Zg和過(guò)渡電阻Rg組成。

此時(shí)，當(dāng)接入點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，等值阻抗Zf有故障電流If流過(guò)，由KCL可得出公式(6)：

(6)

(7)

(8)

(9)

結(jié)合式(8)、式(9)，可得發(fā)生故障時(shí)，接入點(diǎn)處正序節(jié)點(diǎn)電壓、正序差動(dòng)電流間的相位關(guān)系為：

(10)

結(jié)合改進(jìn)的電流判據(jù)、新增的電壓和相角三種動(dòng)作判據(jù)，可以得到一套更加完善的風(fēng)電“T”接配電網(wǎng)的繼電保護(hù)方案，其中，φ代表A、B、C三相，具體步驟見(jiàn)圖6。

圖6 改進(jìn)后繼電保護(hù)方案步驟

此方案改進(jìn)了傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的電流整定值，增加了基于正序補(bǔ)償電壓的輔助判據(jù)，并且利用接入點(diǎn)處的正序節(jié)點(diǎn)電壓和電流的相位關(guān)系來(lái)解決風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生故障的 “死區(qū)”問(wèn)題。避免保護(hù)受故障位置、故障類(lèi)型及風(fēng)電容量等因素的影響。

3 仿真分析

3.1 算例說(shuō)明

搭建的仿真模型見(jiàn)圖7。

圖7 含風(fēng)電簡(jiǎn)單電路模型

模型為110 kV額定電壓等級(jí)下的輻射型配電網(wǎng)線路，網(wǎng)絡(luò)線路的正序參數(shù)為：電阻r=0.21×10-3Ω/km，電抗x=0.419×10-3Ω/km，導(dǎo)納b=5×10-6S/km，零序是正序的1.5倍，線路AM、AT、TB、BN長(zhǎng)度分別為15、30、30、45 km，系統(tǒng)兩側(cè)電勢(shì)相角差為50°。風(fēng)電組件輸出直流電壓1 kV，再經(jīng)過(guò)0.4 kV/35 kV/110 kV變壓并網(wǎng)。故障發(fā)生在仿真1 s，故障為永久性故障，仿真總時(shí)長(zhǎng)為2 s。

仿真主要通過(guò)改變風(fēng)電接入容量、故障類(lèi)型以及故障位置，并且與傳統(tǒng)的差動(dòng)電流保護(hù)進(jìn)行比較，分別檢驗(yàn)本文新型縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作效果，并驗(yàn)證其可靠性。

3.2 風(fēng)電接入容量不同

分析發(fā)生單相接地時(shí)風(fēng)電接入容量分別為15、25、35 MW的繼電保護(hù)工作情況。A相差動(dòng)電流及正序電壓補(bǔ)償判據(jù)見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 電流判據(jù)A相差動(dòng)電流

圖9 正序電壓補(bǔ)償值判據(jù)

具體動(dòng)作結(jié)果及風(fēng)電接入15、25、35 MW時(shí)見(jiàn)表1、表2。表1表示在過(guò)渡電阻90 Ω的情況下，發(fā)生單相接地風(fēng)電接入容量不同時(shí)，改進(jìn)后電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況，其中風(fēng)電容量15 MW時(shí)保護(hù)動(dòng)作，25、35 MW時(shí)保護(hù)都不動(dòng)作。表2表示在過(guò)渡電阻90 Ω的情況下，發(fā)生單相接地風(fēng)電接入容量不同時(shí)，考慮正序補(bǔ)償電壓判據(jù)后的保護(hù)動(dòng)作情況，其中全部場(chǎng)景下保護(hù)均動(dòng)作。

表1 只基于電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況 kA

表2 考慮電壓判據(jù)保護(hù)動(dòng)作情況 kV

在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量為15 MW時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)可以可靠動(dòng)作，但在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量為25 MW、35 MW時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)了“拒動(dòng)”情況。

正序補(bǔ)償電壓整定值Uop為0.2 kV。在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量為15、25、35 MW時(shí)，改進(jìn)后考慮正序電壓判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)均能夠可靠動(dòng)作，有效解決了只使用電流差動(dòng)保護(hù)下的“拒動(dòng)”問(wèn)題。

可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)電接入的容量較大時(shí)測(cè)得的三相差動(dòng)電流會(huì)小于差動(dòng)電流整定值，若只依據(jù)傳統(tǒng)差動(dòng)電流判據(jù)進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)可能拒動(dòng)，導(dǎo)致故障無(wú)法切除。但改進(jìn)后的電壓保護(hù)判據(jù)的數(shù)值總是大于整定值，不受風(fēng)電接入容量的影響，發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)可以正確動(dòng)作，切除故障。改進(jìn)后保護(hù)方案更有利于風(fēng)電的消納。

3.3 并網(wǎng)點(diǎn)故障類(lèi)型不同

風(fēng)電接入的容量為25 MW，設(shè)置并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生單相接地、兩相接地以及三相短路，接地故障過(guò)渡電阻大小為90 Ω，由于兩相相間短路的過(guò)渡電阻為弧光電阻，所以其阻值較小[7-10]，通過(guò)兩端的互感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，具體結(jié)果見(jiàn)表3、表4。改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的整定值為0.498 kA。表3為改進(jìn)電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況。其中，只基于電流差動(dòng)保護(hù)時(shí)均不動(dòng)作。各類(lèi)故障電流判據(jù)A項(xiàng)差動(dòng)電流見(jiàn)圖10。

表3 電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù) kA

圖10 各類(lèi)故障電流判據(jù)A相差動(dòng)電流

在表3中可以看出，在風(fēng)電接入的容量為25 MW時(shí)，在單相接地、兩相接地和三相短路故障中，電流差動(dòng)保護(hù)均不能夠可靠動(dòng)作，出現(xiàn)“拒動(dòng)”情況。

表4 增加電壓和相角判據(jù)

由表4可以看出，在風(fēng)電接入的容量為25 MW時(shí)，在單相接地、兩相接地和三相短路故障中，考慮正序補(bǔ)償電壓和相位判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)均可正確可靠動(dòng)作，提高了保護(hù)的可靠性。 正序電壓補(bǔ)償判據(jù)及相位差判據(jù)見(jiàn)圖11、圖12。

從結(jié)果可以看出，過(guò)渡電阻較大，測(cè)得的差動(dòng)電流較小，傳統(tǒng)的差動(dòng)電流保護(hù)很可能發(fā)生拒動(dòng)，且在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路故障，所測(cè)得的電壓判據(jù)值較小，可能小于整定值；但系統(tǒng)會(huì)向短路點(diǎn)注入功率，其相角差值在(90°～270°)動(dòng)作范圍內(nèi)，保護(hù)仍會(huì)動(dòng)作，并且當(dāng)發(fā)生金屬性三相短路故障時(shí)，雖然無(wú)法獲取正序補(bǔ)償電壓與相角差，但此時(shí)差動(dòng)電流值較大，傳統(tǒng)的縱聯(lián)保護(hù)仍可以正確動(dòng)作，彌補(bǔ)了并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相小電阻短路時(shí)，保護(hù)存在不可靠動(dòng)作的不足。

圖12 各類(lèi)故障相位差判據(jù)

4 結(jié)論

以PQ控制的風(fēng)電為例，闡述了風(fēng)電的輸出特性，分析了風(fēng)電電源 “T”型接入配電網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的影響；在原有繼電保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，改進(jìn)差動(dòng)電流的整定值，增加了正序補(bǔ)償電壓判據(jù)和相角判據(jù)，并提煉出一套完善的風(fēng)電“T”接配電網(wǎng)的繼電保護(hù)方案。最后通過(guò)案例分析，建立風(fēng)電接入配電網(wǎng)模型，從風(fēng)電接入容量以及網(wǎng)絡(luò)中故障類(lèi)型的不同分別驗(yàn)證了改進(jìn)優(yōu)化后的保護(hù)方案的可行性和可靠性。