一種適用于分布式發電系統的配電網保護方案

喬 明，王 瑩

(哈爾濱電力職業技術學院，哈爾濱 150030)

分布式發電(Distributed Generation，即DG)以其節能環保、能源形式多樣、配置靈活、與大電源系統互補等諸多優勢受到業界的廣泛關注［1－6］。然而，隨著分布式電源接入配電網［7］，傳統的單電源輻射狀配電網變成了一個多電源系統，它徹底改變了配電系統結構與原有的故障特征，使故障后的電氣量變化變得更加復雜，傳統的保護原理和故障檢測方法受到了巨大的影響，以致無法準確判斷故障的位置及傳統的繼電保護方法無法滿足要求［8－11］。為此，本文提出了一種適用于含分布式電源配電網的保護方案。PSCAD仿真實驗表明，該保護方案能夠滿足于含分布式電源配電網各種運行方式繼電保護的需要，動作準確迅速。

1 分布式發電對配電網保護的影響

隨著分布式電源的接入，原有的配電網變成了多電源系統，這對配電網中原有繼電保護將產生以下不良影響［12－15］:

1)對于分布式電源接入點下游的保護裝置，在下游發生故障時流過相應保護處的電流有所增加，使保護靈敏度升高，保護范圍擴大，會出現超范圍動作。

2)對于分布式電源接入點上游的保護，當上游線路故障時，流過上游保護處的故障電流因DG的接入而降低，會導致保護拒動。

3)對于分布式電源的容量，其容量越大，對故障電流的影響也越大，對保護的動作情況影響也越大。

為了使得分布式發電與大電源能夠更好的協調與配合，最大限度地發揮分布式發電的優勢，探討接入大量分布式電源的配電網繼電保護策略，找出解決分布式電源對配電網保護影響問題的合理方案勢在必行。

2 適用于分布式發電系統的配電網保護方案

2.1 保護方案的邏輯原理

本方案以配電網各保護安裝處建立遠方通信為基礎，其邏輯框圖如圖1所示，基本原理是:將相鄰兩條線路作為一個保護單元，利用后級線路方向性電流保護閉鎖前級三段式方向電流保護。當本線三段式方向電流保護動作，而相鄰線路三段式方向電流保護不動，判為本線故障，同時保護出口跳開本側斷路器，通過通信裝置實現對本線對側斷路器進行遠方跳閘。

圖1 保護方案邏輯框圖Fig.1 Protection scheme diagram

在圖1中，時間元件t1的主要作用是防止通信通道信號傳遞的時間延誤而使故障線路上一級保護因接收不到閉鎖信號而發生誤動作;時間元件t2的主要作用是防止故障被故障線路保護切除后，故障線路保護三段式方向電流部分返回快，故障線路上級線路保護三段式方向電流部分返回慢而造成保護誤動作，造成故障影響范圍擴大。當配電線路與主系統脫離孤島運行發生故障時，由于分布式電源的容量較小，故障電流達不到三段式方向電流保護的動作值，孤島網絡將失去保護作用。

針對上述情況，在靠系統側保護安裝處增設一過流保護，靠分布式電源側配置如圖2所示，定值按躲過孤島情況下DG所提供的最大負荷電流來整定，并由前級線路的開關狀態決定其投退。

該保護方案具有以下主要特點:

1)在原有配電網三段式電流基礎上進行技術改進，保護簡單，新增輔助設備少。

圖2 方向過流保護邏輯框圖Fig.2 Direction over current logic diagram

2)本線路內故障時，Ⅱ段保護變為速動保護，提高了本線路內部故障的切除速度。當下一級線路故障時，本線保護又可以作為下級線路的遠后備。

3)由于下級線路對本保護具有遠方閉鎖功能，因此保護新方案中三段式電流保護部分均可按未接入分布式電源時整定，避免因為分布式電源的投退造成頻繁改動保護定值。

4)該方案既適用分布式電源滲透率較低的配電網，也適用分布式電源滲透率較高的配電網，不會因為配電網中分布式電源的增減而影響保護性能。

5)通過線路本側保護聯跳對側斷路器，故線路對側無需安裝保護裝置，簡化了保護配置，節省投資。

2.2 整定計算

三段式方向電流部分按配電網未接入分布式電源時三段式電流保護的整定方法整定。在分布式電源上游部分線路內故障，雖然該線路三段式方向電流保護受分布式電源的影響靈敏度有所降低［12］，但是Ⅱ段、Ⅲ段保護因定值相對較低，不會出現拒動，并且Ⅱ段為了速動保護，可快速的切除保護范圍內的故障;在分布式電源下游線路內故障時，故障線路上游線路保護因為故障分布式電源的助增作用而使三段式方向電流保護范圍擴大［14］，但是由于故障線路保護的閉鎖作用而不會出現超范圍動作的情況。

過電流保護部分按躲過保護安裝處背向所有分布式電源提供最大負荷電流，并考慮電動機自啟動過程中該保護能可靠返回，整定計算如式(1)所示。

式中:Krel為可靠系數，取1.15～1.25;KMs為電動機自啟動系數，取1.5～3;Krel為返回系數，取0.85。

動作時間t按階梯時限整定。

時間元件t1按躲信號在通道中傳輸一次的時間來整定，并留有一定的裕度。

式中:tcs為信號傳輸一次所需時間，Δt為時間裕度。

參照高壓輸電線路閉鎖式方向高頻保護，可取t1=10 ms。

時間元件t2按躲開三段式方向電流保護中Ⅰ段、Ⅱ段返回時間整定，并留有一定的裕度。

式中:th為電流元件的返回時間;Δt為時間裕度。

參照高壓輸電線路閉鎖式方向高頻保護，可取t2=40 ms。

該保護的整定簡單，整定后無需頻繁更改。

3 仿真分析

3.1 配電網模型及參數

10 kV典型配電接線系統如圖3所示。

圖3 含分布式電源的配電網接線圖Fig.3 Distribution conection diagram with distributed power

1)電源參數:系統額定電壓為10.5 kV，系統基準容量為300 MVA;最大方式下系統側阻抗Zs.min=j0.054，Ω;最小方式下系統側阻抗 Zs.max=j0.076，Ω;分布式電源 DG1、DG2的容量均為1.5 MVA;ZDG=j7.35，Ω。

2)線路參數如表1所示。

表1 仿真模型參數Tab.1 Parameters of simulation model

3)負荷參數:為了方便起見，將各段的負荷全部集中在母線上，并采用恒阻抗模型代替負荷，負荷的功率因數均取0.9。各母線處等效負荷的阻抗參數如表2所示。

表2 各母線處負荷等效阻抗Tab.2 Equivalent load resistance of all buses Ω

3.2 保護配置及整定情況

3.2.1保護配置

保護1、保護2、保護3、保護4、保護7配置圖1邏輯原理的保護;保護5、保護6配置圖2邏輯過流保護。

3.2.2 各保護定值整定

1)三段式電流部分。各母線處短路電流計算如表3所示。

表3 各母線處故障短路電流Tab.3 Short circuit current of all buses A

各線路流過的最大負荷電流如表4所示。

表4 各線路處最大負荷電流Tab.4 Maximum load current of lines A

對各個保護裝置進行整定，整定結果如表5所示。

表5 各保護三段電流定值Tab.5 Three-step current settings of protections A

2)過電流部分，其定值如表6所示。保護5的動作時間為t5=0.5 s，保護6的動作時間為t6=1.0 s。

表6 過流部分定值表Tab.6 Settings of part over current A

3.3 仿真結果

利用PSCAD/EMTDC軟件以圖3所示配電網為原型搭建仿真模型，選取三相短路故障情況作為仿真驗證的故障類型;選取分布式電源上游線路(線路 B－C)和兩分布式電源之間線路(線路C－D)作為仿真故障線路進行仿真驗證。孤島運行模擬主系統與配電線路脫離QF0斷開時。

為書寫方便、減少篇幅，現只將各保護出口的動作結果編排在下文中，以說明各保護動作情況(t=0.2 s時刻發生故障)。并網運行時線路BC、C－D內故障各保護動作情況如圖4、圖5所示，孤島運行時線路B－C、C－D內故障各保護動作情況如圖6、圖7所示。

圖4 B－C線路三相短路時各保護的動作情況Fig.4 Operation under three-short circuit of B－C line

由上述仿真結果可以看出，該保護方案在上述運行情況下均能準確動作。需要指出的是，主電源一側保護動作后，需遠方通信裝置來完成對側跳閘，所以只要主電源一側保護出口正確，遠方通信裝置工作正常，就可以實現遠跳功能。

圖5 線路C－D內部三相短路各保護的出口情況Fig.5 Protection output under three-short circuit of C－D line

圖6 孤島運行線路B－C故障時保護6出口情況Fig.6 Output of protection 6 under B－C line in micro-grid

圖7 孤島運行線路C－D三相短路時保護3的動作情況Fig.7 Operation of protection 3 under three-short circuit of C－D line in micro-grid

4 結語

本文通過對配電網原有三段式電流保護進行技術改進，設計了一套適用于分布式發電系統的配電網保護方案，并利用PSCAD進行仿真實驗，其結果表明:該保護方案在含有分布式電源的配電網中能夠正確動作，既適用于主系統與分布式電源并網運行的情況，也適用于主系統與配電線路脫離的孤島運行情況。

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