分布式發(fā)電對繼電保護(hù)的影響

摘 要:隨著新能源的應(yīng)用與發(fā)展，以新能源發(fā)電為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電技術(shù)有著高效、節(jié)能，緩解不可再生能源緊缺的優(yōu)點(diǎn)，但也出現(xiàn)了一些新的問題，如電能質(zhì)量、電網(wǎng)控制等，分布式發(fā)電對配網(wǎng)原有的繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響尤其巨大。首先介紹分布式發(fā)電對繼電保護(hù)的幾點(diǎn)影響，然后總結(jié)了一些解決方法，最后討論了一些可行的方法，并分析了用自適應(yīng)繼電保護(hù)對含有分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行整定計(jì)算的方法。關(guān)鍵詞:新能源; 分布式發(fā)電; 繼電保護(hù); 電網(wǎng)控制; 自適應(yīng)保護(hù)

中圖分類號:TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0195-03

Influence of Distributed Power Generation on Relay Protection

HANG Yang1，2， HUANG Wei1

(1.North China Electric Power University， Beijing 102206， China; 2.Beijing Electric Power Academy， Beijing 100075， China)

Abstract: With the development of renewable energy， the high efficiency and energy conservation of the distributed power generation can remit the requirement intensity of non-renewable energy， but it results in many new problems， such as power quality， power-network control and especially the relay protection. The influence of the distributed power generation on relay protection is introduced， and then the solutions are introduced. At last， some viable solutions are offered to the problems. The setting calculation with the adaptive relay protection for the distribution network that contains one or more distributed generations is analyzed.Keywords: new energy; distributed power generation; relay protection; power-network control; adaptive protection

0 引 言

由于近幾十年一次能源緊縮、環(huán)境污染等問題，世界各國加快了對可再生能源的開發(fā)與利用，分布式發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中迅速發(fā)展起來。分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)技術(shù)指發(fā)電在數(shù)kW到50 mW，小型模塊化且分散地布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電技術(shù)，發(fā)電設(shè)施主要包括:以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等等。

原有的配電網(wǎng)絡(luò)加入分布式電源以后，潮流將發(fā)生改變，系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)的各線路或母線的短路電流也發(fā)生了改變，這可能導(dǎo)致原繼電保護(hù)的失效、保護(hù)誤動作及配合保護(hù)不適用等問題[1-3]。同時(shí)加入分布式電源的故障水平會發(fā)生改變，故障水平提高還是降低取決于運(yùn)行的分布式電源數(shù)量和種類，故障水平的提高要求開關(guān)設(shè)備的升級，故障水平的降低可能會給過電流保護(hù)帶來問題。因此，對于關(guān)系電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的繼電保護(hù)問題亟待解決，如提高其斷路器的容量和升級保護(hù)裝置[4]，確定新的保護(hù)方案或采用新的繼電保護(hù)裝置等。

本文首先介紹分布式發(fā)電對繼電保護(hù)的幾點(diǎn)影響，然后總結(jié)了文獻(xiàn)中的一些解決方法，論文最討論了一些可行的方法，并分析了用自適應(yīng)繼電保護(hù)對含有分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行整定計(jì)算的方法。

1 分布式發(fā)電對繼電保護(hù)的影響

分布式電源接入配電網(wǎng)絡(luò)最重要的一點(diǎn)是改變原來配電網(wǎng)絡(luò)的潮流方向，很多分布式電源，如光伏電池等發(fā)出的是直流電，需通過電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備將其轉(zhuǎn)換成交流電，這些電力電子裝置具有非線性、低慣性等特點(diǎn)，另外就是基于分布式發(fā)電的微型電網(wǎng)有多種運(yùn)行方式，微網(wǎng)運(yùn)行方式的改變無疑會影響繼電保護(hù)方案及整定計(jì)算的數(shù)值。下面從上述幾方面解釋分布式發(fā)電對繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響。

(1) 在一定的電壓水平下， 電力系統(tǒng)功率可以雙向的流動，但是一般來說功率是從高電壓流向低電壓的。也就是從輸電網(wǎng)到配電網(wǎng)。分布式發(fā)電比例的增加可能使功率從低電壓電網(wǎng)流向中壓電網(wǎng)。因此這兩個電壓等級可能需要不同的保護(hù)方案。

如圖1所示[5]的有五條饋線的分布式發(fā)電系統(tǒng)，如果短路發(fā)生在F2或F3，短路電流由G1、G2相鄰支路上的分布式發(fā)電(G3)單元及大網(wǎng)提供。與大網(wǎng)及其他支路的電源相比，如果G1或G2引起的短路電流比較大，通過斷路器及保險(xiǎn)絲CB1的電流可能過低而斷路器不會動作切斷短路支路。如果在臨近饋線上的電源所提供的短路電流更顯著的話，CB4有可能誤動切除正常支路。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如IEEE 1547)，當(dāng)DG單元故障或非正常運(yùn)行時(shí)，DG必須自動解裂，且一定要滿足保護(hù)的選擇性，以保證人身和設(shè)備的安全。將來分布式發(fā)電系統(tǒng)會越來越多，而上述要求降低了我們應(yīng)用分布式發(fā)電的效益，因此，應(yīng)該避免DG不必要的解裂來最大效益地使用DG，且DG系統(tǒng)應(yīng)該有克服小擾動的能力，即在小擾動的情況下，配網(wǎng)仍能安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖1 加入分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)

(2) 由于微網(wǎng)中含有大量的電力電子功率元件，故障時(shí)的短路電流比較小，常規(guī)的保護(hù)可能會不啟動，以至不能切除故障支路。

(3) 要想最充分有利的應(yīng)用分布式發(fā)電，由分布式發(fā)電組成的微網(wǎng)必須與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。在大電網(wǎng)終止供電的孤島方式下運(yùn)行必須考慮重要的技術(shù)要求(例如有能力提供自身輔助性服務(wù))和安全因素，當(dāng)分布式電網(wǎng)重新并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，DG單元必須與主網(wǎng)電壓同步，需采用安全可靠的并網(wǎng)保護(hù)裝置。

(4) 微網(wǎng)有3種運(yùn)行方式:孤島運(yùn)行方式、與大網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，大網(wǎng)與分布式電源同時(shí)供電的混合運(yùn)行方式，各種運(yùn)行方式下潮流的分布是不同的，電流的流向也會發(fā)生改變。所以，微網(wǎng)原有的保護(hù)定值和配合方法在運(yùn)行模式變化后就會出現(xiàn)問題。怎樣解決各種運(yùn)行模式下繼電保護(hù)都能滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性是值得思考的問題。

2 文獻(xiàn)中提出的解決方法

(1) 文獻(xiàn)[5]監(jiān)測微型電源的輸出電壓，然后轉(zhuǎn)換成d-q參考系下的直流量。所有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部故障產(chǎn)生的微型電源干擾都以d-q數(shù)值的擾動反映出來，由此可以用來檢測故障并且隔離故障部分。對微型電網(wǎng)里不同種類的故障進(jìn)行分析和仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種方法能夠辨別是區(qū)域內(nèi)還是區(qū)域外的故障。所謂的區(qū)域可參考圖2，兩個圈劃分了兩個不同區(qū)域。文中對該算法的硬件裝置和仿真結(jié)果有詳細(xì)介紹。

圖2 故障區(qū)域定位示意圖

(2) 文獻(xiàn)[6]中提出利用電抗器限流和限制分布式電源準(zhǔn)入功率兩種方案在原有配置保護(hù)不變的情況下適當(dāng)解決分布式發(fā)電系統(tǒng)的保護(hù)問題。

(3) 文獻(xiàn)[7]針對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算是一個離散的非線性問題，提出了用粒子群優(yōu)化法來解決保護(hù)配合問題(文中的配合以主保護(hù)和后備保護(hù)來表述)，優(yōu)化動作時(shí)間、定值。文中有一點(diǎn)比較值得注意，那就是采用中央保護(hù)單元來判斷微網(wǎng)的運(yùn)行方式，即是孤島方式還是聯(lián)網(wǎng)方式，然后采取2種整定方案。

(4) 針對電力電子轉(zhuǎn)換裝置對繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[8]提出了小型微網(wǎng)的適應(yīng)性受電壓限制的過電流保護(hù)方案。

3 可行方案的分析

為保證含有分布式發(fā)電的配網(wǎng)或者微網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，需要增加一些新的保護(hù)類型，如逆功率保護(hù)微網(wǎng)的孤島檢測裝置(文獻(xiàn)[9]中提到一種基于電壓向量突變的孤島檢測裝置)等可在微網(wǎng)建立時(shí)進(jìn)行配置，而當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)中原有的保護(hù)裝置，如線路的電流速斷保護(hù)和其后備保護(hù)限時(shí)電流速斷和過電流保護(hù)等，由于分布式電源和電力電子設(shè)備的接入以及微網(wǎng)運(yùn)行模式的變化，產(chǎn)生了第2節(jié)闡述的(1)，(2)，(4)三種問題，定值不僅發(fā)生較大的變化，且原有保護(hù)的四性都有可能失效。在不改變原有配網(wǎng)保護(hù)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上考慮是否可以采取以下措施，實(shí)現(xiàn)對配網(wǎng)的有效保護(hù)。

(1) 從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度來看，在條件允許的狀況下，盡量把分布式電流配置在網(wǎng)絡(luò)的上游，即如圖1所示的大電網(wǎng)側(cè)。這種情況應(yīng)該比較適合負(fù)荷范圍比較小的區(qū)域，比如在學(xué)校或是用電集中的建筑或居民區(qū)，而對于那些饋線延伸范圍很廣的地方，可能考慮到經(jīng)濟(jì)性和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的合理性時(shí)，不得不按圖1的方式進(jìn)行電源布置。

(2) 如果一定有分布電源要安裝在分支線路中下游時(shí)，根據(jù)微網(wǎng)的實(shí)際情況對保護(hù)的定值進(jìn)行修改，也有可能根據(jù)運(yùn)行模式的不同采取不同的整定方案。

自適應(yīng)繼電保護(hù)是20世紀(jì) 80 年代提出的研究課題， 可以定義為能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)性能、特性或定值的保護(hù)[10-11]。文獻(xiàn)[12]定值根據(jù)故障類型的變化而變化，使兩相間短路與三相短路有著同樣的靈敏度。文獻(xiàn)[13]提出了一種自適應(yīng)電流保護(hù)方案。

用人工智能的搜索技術(shù)及功率平衡控制策略來識別配網(wǎng)運(yùn)行模式變化，電流速斷保護(hù)、定時(shí)限電流速斷保護(hù)與過流保護(hù)的定值重新計(jì)算，速斷與過流保護(hù)的整定并不困難，與原配網(wǎng)的計(jì)算方法完全相同，只是改變定值就可以了。但二段限時(shí)電流保護(hù)則需要進(jìn)行分支系數(shù)計(jì)算及配合保護(hù)定值的選取，運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí)，分支系數(shù)與配合關(guān)系也會發(fā)生變化。文獻(xiàn)[14]提出了線路后備保護(hù)限時(shí)電流保護(hù)的自適應(yīng)整定計(jì)算法，對于A(見圖3)處的限時(shí)電流速斷保護(hù)的自適應(yīng)定值可整定為:

I″dz.A=I(3)A.B-K″K.AD(I(3)A.B-I(3)A.Blmax)

式中:I(3)A.B為在B處設(shè)置三相短路故障時(shí)，保護(hù)A的電流測量值;I(3)A.Blmax為依次在B-C，B-D，B-E線路的電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍末端設(shè)置三相短路故障時(shí)，保護(hù)A的最大電流測量值;K″K.AD為自適應(yīng)可靠系數(shù)，表示Ⅱ段保護(hù)與相鄰Ⅰ段保護(hù)的配合度，取0.9~0.95。

圖3 含有分布式電源的配網(wǎng)

這樣如圖4所示，保護(hù)1DL的二段的定值一般會比1DL一段的值小，且比相鄰配合線路的3DL，4DL，5DL的一段最大值大，這樣保證二段與本段一段及配合段一段保護(hù)的配合且盡可能最大范圍的增大二段保護(hù)范圍，又能提高保護(hù)靈敏度。最重要的是這種計(jì)算方法避免了分支系數(shù)的計(jì)算，不但能減少計(jì)算量，還可以避免由分支系數(shù)計(jì)算誤差產(chǎn)生的定值計(jì)算誤差。

因此合理規(guī)劃分布式電源，用自適應(yīng)繼電保護(hù)的方法，是解決含有分布式電源的配電網(wǎng)的保護(hù)問題的有效可行方法。

圖4 保護(hù)1限時(shí)電流速斷定值示意圖

4 結(jié) 語

基于新能源發(fā)電的分布式發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)帶給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。分布式發(fā)電給電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)保障繼電保護(hù)帶來了巨大影響。本文在綜述分布式發(fā)電對繼電保護(hù)影響的前提下，近一步總結(jié)了文獻(xiàn)中已有的解決方法，并提出了可能的解決方案。希望對此問題的解決有所幫助，推動我國新能源發(fā)電的發(fā)展。

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