分布式電源對配電網(wǎng)電流保護影響的語義規(guī)則庫分析方法

馬曉博,柯德平,孫元章,程波

(1.武漢大學電氣工程學院, 430072, 武漢; 2.湖北省電力公司發(fā)展策劃部, 430077, 武漢)

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分布式電源對配電網(wǎng)電流保護影響的語義規(guī)則庫分析方法

馬曉博1,柯德平1,孫元章1,程波2

(1.武漢大學電氣工程學院, 430072, 武漢; 2.湖北省電力公司發(fā)展策劃部, 430077, 武漢)

為解決分布式電源(DG)接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)導致三段式電流保護無法正常工作的問題,提出了一種能判斷一般的配網(wǎng)系統(tǒng)中DG接入對電流保護影響的語義規(guī)則庫分析方法。首先,使用語義規(guī)則來設置DG對電流保護影響的校核,每條規(guī)則依次刻畫了不同短路場景下對應電流保護的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段正確動作的判定條件:若所有規(guī)則按順序校驗通過,則判斷DG接入方案不會對三段式電流保護產生影響;反之,保護則可能拒動或誤動。然后,提出一種應用該規(guī)則庫的DG準入容量優(yōu)化方法,通過規(guī)則庫生成DG準入容量的約束條件,在保證三段式電流保護可靠動作的前提下,優(yōu)化多個DG的接入容量使其容量之和最大。仿真結果表明:當DG接入容量在8.19 MV·A以內時,三段式電流保護均可以正確動作,所提方法不僅能準確求解配電網(wǎng)中DG的準入容量,而且操作簡單、易于工程實現(xiàn)。

分布式電源;配電網(wǎng);三段式電流保護;準入容量;語義規(guī)則庫

分布式電源(DG)大規(guī)模接入中低壓配電網(wǎng)改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的單電源輻射式供電模式,將直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。目前,已有大量文獻研究DG接入對配電網(wǎng)的線路潮流[1]、靜態(tài)電壓[2-3]、諧波[4]、網(wǎng)損[5]和短路電流分布[6-7]的影響,其中,評估DG接入對配電網(wǎng)中傳統(tǒng)三段式電流保護的影響引起了眾多學者的廣泛關注。從理論上講,對于給定的配網(wǎng)拓撲結構和參數(shù)、相應的階段式電流保護配置和整定值,正確判斷DG接入后對保護的影響可以按照一般性遍歷法,例如,文獻[7]中窮舉所有可能出現(xiàn)的短路電流(分別對應不同短路位置、類型或程度),并檢驗各個短路電流下系統(tǒng)所有保護的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ段的選擇性和靈敏性。很顯然,遵循此一般性遍歷法的判斷過程將計算量巨大,不具有實際可操作性。文獻[8-9]在文獻[7]的基礎上,只對有限短路場景(包括短路位置、類型和程度)下系統(tǒng)部分保護的相應段進行校驗,在保證判斷結果準確性的前提下大大節(jié)省了計算時間。但是,此類研究均只針對各自所研究的配網(wǎng)系統(tǒng)以及DG接入情況(包括接入數(shù)量、類型、位置和容量),其得到的校驗過程明顯不具有一般性,即無法移植于其他配網(wǎng)系統(tǒng)和/或DG接入情況。從工程應用的角度看,更希望基于一種一般性的語義規(guī)則庫來指導校驗過程。

針對上述問題,本文通過理論推導、泛化得到一般的配網(wǎng)系統(tǒng)中分析DG接入對傳統(tǒng)三段式電流保護影響的實用化語義規(guī)則庫。當規(guī)則庫中的所有規(guī)則逐條校驗通過時,可以判斷DG接入方案將不會影響保護的正確動作;反之,保護則可能拒動或誤動。該規(guī)則庫在保證判斷結果的準確性的前提下,排除了所有非必要的校驗步驟,因而具有較高的校驗效率。將該規(guī)則庫應用于目前廣受關注的DG準入容量優(yōu)化的研究問題中,即通過規(guī)則庫便捷地生成準入容量計算的約束條件,進一步使用差分進化(DE)算法搜索多個DG的最優(yōu)接入容量,在保證三段式電流保護正確動作的前提下使其接入容量之和最大。

1 DG的短路計算模型

在短路計算中,通常認為當電源容量大于3倍短路容量時,可以看做無限大容量的電源,其短路的暫態(tài)過程可以忽略[10]。接入低壓配電網(wǎng)的DG容量一般有限,故障電流衰減較慢[7],鑒于此,本文研究DG提供的短路電流時考慮其暫態(tài)過程,通過分析不同類型DG的短路暫態(tài)運行特性,歸類出統(tǒng)一的短路計算模型。

接入配電網(wǎng)的DG按照其接口可以分為基于同步發(fā)電機的DG、基于異步發(fā)電機的DG以及基于逆變器的DG 3大類。基于同步發(fā)電機的DG一般根據(jù)戴維南定理等效為一個電源串聯(lián)電抗的模型。以風力發(fā)電機為代表的異步發(fā)電機在短路故障時,按照磁鏈守恒原則,其定子和轉子繞組中都會產生相應的電流分量以保證定子和轉子繞組中的交變磁鏈不發(fā)生突變,因此,異步發(fā)電機可以用一個與轉子繞組的磁鏈成正比的電動勢,即次暫態(tài)電動勢以及相應的次暫態(tài)電抗作為短路暫態(tài)過程的電源和電抗[10]。以光伏發(fā)電為代表的逆變型DG可以通過改變拓撲結構和調整控制策略將故障電流限制為額定電流的1.5倍以內[11],其對配電網(wǎng)三段式電流保護的影響一般很小,在本文研究中不作考慮。

綜上分析可知,不同類型DG在短路故障分析中均可近似等效為電勢源串聯(lián)電抗的模型。

2 DG接入對配電網(wǎng)電流保護的影響分析

本文的研究對象是具有輻射式網(wǎng)架結構的配電網(wǎng),通過詳細分析DG上游、下游以及相鄰線路上發(fā)生短路故障時DG接入對配電網(wǎng)三段式電流保護的影響,泛化得到分析一般系統(tǒng)中DG接入對保護影響的語義性步驟,即語義規(guī)則庫。語義規(guī)則庫中包含若干條順序執(zhí)行的語義規(guī)則,這些一般性的語義規(guī)則適用于任意的配網(wǎng)系統(tǒng)和DG接入情況,且每條規(guī)則通過描述性語言指導操作者該如何構造短路場景,并選擇哪些保護的Ⅰ、Ⅱ或者Ⅲ段進行校驗。這樣,操作者無須根據(jù)所研究的系統(tǒng)來分析確定校核步驟,只要順序執(zhí)行規(guī)則庫中的語義規(guī)則便能高效準確地判斷DG接入方案對保護的影響,同時可以避免由于操作者分析水平受限而導致的不準確校驗結論。

2.1 故障發(fā)生在DG下游

圖1是某典型10 kV配電網(wǎng)示意圖,由2條饋線組成,首先從單DG接入母線b7開始,進而推廣到多DG的一般化情況。

b1～b10分別表示各段母線;L1～L9表示各條子線路;R1～R9分別表示與各條子線路相對應的電流保護裝置;Es、Xs分別為系統(tǒng)電源的內電勢和電抗圖1 DG接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

DG對下游故障點短路電流的助增作用導致下游各保護的保護范圍都相應增大,假設R7和R8所在線路的末端母線上分別發(fā)生三相短路故障,則流過R7和R8的短路電流以及其Ⅰ段整定值分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

將Zsd代入式(3),可得

(6)

(7)

式中E″d和X″d分別為分布式電源的次暫態(tài)電動勢和次暫態(tài)電抗,Z為系統(tǒng)電源到DG安裝處之間的阻抗,所以

(8)

一般情況下,發(fā)電機的次暫態(tài)電勢取1.05～1.15[12],即式(8)的約束條件不滿足,這意味著在R7的Ⅰ段保護不誤動的前提下,R8的Ⅰ段也不會誤動作。因此,可以得到如下結論:若DG的下游有2條及以上線路,只需保證距離DG最近的保護Ⅰ段的保護范圍不延伸到下一段線路,下游其他保護的Ⅰ段均可以正確動作。

圖2 電流保護裝置R7與R8的配合示意圖

多個DG同時接入配電網(wǎng)對保護Ⅰ段的影響如圖3所示,其分析過程與單個DG相似:只要保證距離最下游DG最近的保護Ⅰ段的保護范圍不超過其所在線路的全長(如圖3系統(tǒng)中R4不誤動,其Ⅰ段整定值大于b5上發(fā)生三相短路時流過R4的短路電流),則該DG下游所有的保護均能正確動作;只要保證距離下游倒數(shù)第2個DG最近的保護Ⅰ段的保護范圍不超過其所在線路全長(如圖3中R3不誤動),則當該DG下游發(fā)生短路故障時,故障點到DG之間的所有保護均能正確動作;上述過程持續(xù)進行直到最首端DG。

圖3 多DG組成的電源系統(tǒng)對其下游保護的影響

2.2 故障發(fā)生在DG上游

當多個DG接入時,分析過程與上節(jié)類似:首先保證距離最上游DG最近的保護Ⅱ段不誤動,在該DG上游任意位置發(fā)生短路時,其上游所有保護均能正確動作;然后,保證距離上游第2個DG最近的保護Ⅱ段不誤動,上游任意故障點到該DG之間的所有保護均能正確動作(不誤動作)。上述過程持續(xù)進行直到最末端的DG,其示意圖如圖4所示。

圖4 多DG組成的電源系統(tǒng)對其上游保護的影響

上述分析中只考慮了保護的Ⅰ和Ⅱ段,關于過電流保護(Ⅲ段)的討論如下:①對于DG下游的保護,DG接入使流過Ⅲ段保護的短路電流增大,靈敏度提高;②對于DG上游的保護,當上游發(fā)生故障時,保護可能因流過DG提供的反向短路電流而誤動作,但因DG都配備了防孤島裝置,將在一定時限后切除處于孤島運行的DG,由于該時限通常遠小于過電流保護的時延,故能避免造成保護Ⅲ段誤動作;③對于DG上游的保護,當下游發(fā)生故障時,保護可能因流過的短路電流減小而出現(xiàn)拒動現(xiàn)象(當Ⅲ段保護作為相鄰線路的遠后備保護時,要求至少保護到下一段相鄰線路的全長)。DG接入對配電網(wǎng)過電流保護的影響如圖5所示。取臨界情況分析,在圖5中,當R2的Ⅲ段保護范圍恰好縮小至下一段相鄰線路末端,即母線b4短路時,流過R2的短路電流恰好等于其Ⅲ段保護的啟動值,計算得到的DG1容量為其臨界容量,即DG的實際接入容量小于此臨界容量時可以保證R2的Ⅲ段作為遠后備保護不拒動。需要說明的是:由于Ⅲ段的動作電流一般較小,所以按照上述方法計算得到的臨界容量通常都遠遠大于DG的實際接入容量。

對于多個DG接入的情況,最上游DG(如DG1)的臨界容量的確定不受下游DG的影響,此規(guī)律可依次類推。但是,此容量卻會影響下一個相鄰DG的臨界容量,其容量越大,下一個DG的臨界容量也愈大。因此,取極端情況,即上游所有DG容量均為臨界容量時,計算相鄰下一個DG的臨界容量,如DG1為臨界容量時,計算DG2的臨界容量。綜上所述,為保證Ⅲ段保護不誤動,要使DG實際接入容量小于計算得到的臨界容量。

圖5 DG接入對配電網(wǎng)過電流保護的影響

2.3 故障發(fā)生在DG相鄰饋線

圖1中,DG的相鄰線路發(fā)生短路故障時,相鄰線路上的保護可能因DG提供的反向故障電流而誤動作。例如L2上發(fā)生短路故障可能導致R1的Ⅰ段保護誤動,而實際情況分析如下:DG和系統(tǒng)電源組成的等效電源Esd和等效電抗Zsd分別為

(9)

(10)

由于Xs≤X″d+Z4+Z5+Z6,可得Esd≈Es,Zsd≈Xs,表明流過相鄰線路上保護的短路電流基本不受DG的影響。對于多個DG接入的情況,上述結論依然成立,因為DG內電勢相對于相鄰線路上短路點的轉移阻抗要遠遠大于系統(tǒng)電源內電勢到短路點的轉移阻抗,因此前者所提供的短路電流相對于后者而言可以忽略不計。

2.4 語義規(guī)則庫的推導

總結上述DG接入輻射式配電網(wǎng)對保護Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ段的影響,泛化得到系統(tǒng)性校驗步驟并整理成如下語義規(guī)則。

(1)由上文分析可知,DG由于其容量限制一般不會對其相鄰饋線上的保護產生影響,因此,以配電網(wǎng)系統(tǒng)的每條饋線為研究對象進行分析,若一條饋線上接有n個DG,由系統(tǒng)電源端向饋線下游依次排布,分別記為DG1,DG2,…,DGn。

(3)若上述判定條件不能全部滿足,則表明DG接入會對電流保護產生影響,此DG接入方案將導致保護誤(或拒)動作。

(4)在表1的Ⅲ段校驗中,給定“短路場景”和“對應保護”是為了計算DG1,DG2,…,DGn的臨界容量,記為S1max,S2max,…,Snmax,若DG的實際接入容量均小于其臨界容量,即判定條件S1max>SDG1,S2max>SDG2,…,Snmax>SDGn均滿足,則DG接入不會對保護的Ⅲ段產生影響。

(5)實際經(jīng)驗[7]表明,關于Ⅰ段的判定條件最容易不滿足,而關于Ⅲ段的判定條件則較易滿足。因此,從節(jié)省計算時間的角度看,一旦有判定條件不滿足即無須進行后續(xù)校驗,應安排先校核Ⅰ段,其次是Ⅱ段,最后是Ⅲ段。

3 語義規(guī)則庫的應用

根據(jù)上節(jié)中推導得到的語義規(guī)則庫可以分析一

般的配網(wǎng)結構和參數(shù)以及DG接入情況下保護是否能正確動作。本文將進一步擴展其應用,優(yōu)化多個DG接入配電網(wǎng)的準入容量,相應的數(shù)學模型如下

max (SDG1+SDG2+…+SDGn)

s.t.gi(SDG)

(11)

式中:SDG1,SDG2,…,SDGn分別為DG1,DG2,…,DGn的準入容量;gi(SDG)

相較于現(xiàn)有文獻對DG準入容量的計算方法,約束優(yōu)化問題式(11)則更具有一般性,即針對一般性配電網(wǎng)絡以及DG接入情況計算其準入容量。由于語義規(guī)則庫的易解讀性,當求解具體的算例時,可以快速地形成具體的目標函數(shù)和優(yōu)化條件。例如,在圖1系統(tǒng)b3、b6、b7處同時接入DG,目標函數(shù)取max(SDG1+SDG2+SDG3),且根據(jù)前述語義規(guī)則庫可以快速準確地形成保證保護正確動作的約束條件,具體優(yōu)化模型如下

(12) 本文采用差分進化算法(DE)對配電網(wǎng)中DG準

入容量進行優(yōu)化配置,Gen表示進化代數(shù),NP為種群規(guī)模,Sb表示種群中的最優(yōu)個體,f為關于準入容量的目標函數(shù),g為約束條件。DG準入容量的差分進化算法流程如圖6所示。

圖6 DG準入容量的差分進化算法流程圖

4 算例分析

用于仿真計算的配電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示,架空線路(LGJ-120/25)的參數(shù)為R=0.27Ω/km,X=0.347Ω/km;電纜線路(YJLV22-150)的參數(shù)為R=0.259Ω/km,X=0.093Ω/km。L1～L9的長度分別為4、6、6、2、2、7、7、14、14km,每條母線處各接有額定容量為2MV·A、額定功率因數(shù)為0.85的負荷。在L1～L2、L4～L8配置三段式電流保護裝置,L3和L9位于饋線末端,配置兩段式電流保護(Ⅰ段和Ⅲ段),本文選取DG的次暫態(tài)電抗的標幺值(電抗的有名值與基準值的比值)為0.1 ,以DG

容量為基準容量。

運用DE算法求解多個DG接入配電網(wǎng)的準入容量優(yōu)化模型(12),其參數(shù)設定為:種群規(guī)模NP=50,交叉因子CR=0.9,變異因子F=0.9,進化代數(shù)Gen=500,計算一次所需時間t=18.86s,由于DE算法的優(yōu)化結果具有不確定性,為了得到更加準確的DG準入容量,將DE算法連續(xù)運行50次,選取使目標函數(shù)值最大的優(yōu)化結果作為DG的準入容量。圖7給出了DE算法得到最優(yōu)解的搜索過程,

圖7 多個DG準入容量的搜索過程

從圖7可以看出,當DE算法終止搜索時DG接入容量總和最大值為8.19MV·A,對應于3個DG的接入容量分別為S1=4.55MV·A,S2=2.89MV·A,S3=0.75MV·A,因此,在滿足繼電保護可靠動作的前提下,配電網(wǎng)允許接入的DG最大容量如表2所示。

表2 多個DG接入配電網(wǎng)的準入容量

將3個DG分別以4.55、2.89和0.75MV·A接入配電網(wǎng)母線b3、b6、b7處,計算不同短路場景下流過對應保護的短路電流,計算結果見表3。表3結果表明,通過優(yōu)化模型得到的DG準入容量可以保證配電網(wǎng)原有三段式電流保護可靠動作,從而驗證了所提語義規(guī)則庫分析方法的有效性。

表3 多個DG接入不同短路場景下流過對應保護的短路電流

5 結 論

本文通過理論推導并考慮工程實際,提出一種實用化語義規(guī)則庫用于指導分析DG接入后對配電網(wǎng)傳統(tǒng)三段式電流保護的影響。該規(guī)則庫通過描述性語言來設置對保護裝置影響的校核規(guī)則,因此具有一般性,能針對任何輻射式配網(wǎng)系統(tǒng)及DG接入情況,快速準確地判斷其對三段式電流保護的影響。以此語義規(guī)則庫為基礎,進一步建立了DG準入容量優(yōu)化模型,能方便地求解一般性配網(wǎng)系統(tǒng)及DG接入情況下的準入容量。算例仿真驗證了所提語義規(guī)則庫分析方法的正確性。

[1] 胡驊, 吳汕, 夏翔, 等. 考慮電壓調整約束的多個分布式電源準入功率計算 [J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(19): 13-17. HU Ye, WU Can, XIA Xiang, et al. Computing the maximum penetration level of multiple distributed generators in distribution network taking into account voltage regulation constraints [J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(19): 13-17.

[2] SU C L. Stochastic evaluation of voltages in distribution networks with distributed generation using detailed distribution operation models [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2010, 25(2): 786-795.

[3] SENJYU T, MIYAZATO Y, YONA A, et al. Optimal distribution voltage control and coordination with distributed generation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(2): 1236-1242.

[4] 江南, 龔建榮, 甘德強. 考慮諧波影響的分布式電源準入功率計算 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(3): 19-23. JIANG Nan, GONG Jianrong, GAN Deqiang. Computing the maximum penetrating level of distributed generators in distribution network by taking into account of harmonic constraints [J]. Automation of Electric Power System, 2007, 31(3): 19-23.

[5] 范雪峰, 夏懿, 賈春蓉, 等. 融合網(wǎng)損約束的分布式電源容量優(yōu)化布置分析 [J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2013, 25(5): 121-126. FAN Xuefeng, XIA Yi, JIA Chunrong, et al. Analysis of optimal placement of distributed generation capacity with limited power grid lose [J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2013, 25(5): 121-126.

[6] NIMPITIWAN N, HEYDT G T, AYYANAR R, et al. Fault current contribution from synchronous machine and inverter based distributed generators [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(1): 634-641.

[7] 王江海, 邰能靈, 宋凱, 等. 考慮繼電保護動作的分布式電源在配電網(wǎng)中的準入容量研究 [J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(22): 37-43. WANG Jianghai, TAI Nengling, SONG Kai, et al. Penetration level permission of DG in distributed network considering relay protection [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(22): 37-43.

[8] 陶順, 郭靜, 肖湘寧. 基于電流保護原理的DG準入容量與并網(wǎng)位置分析 [J]. 電網(wǎng)技術, 2012, 36(1): 265-270. TAO Shun, GUO Jing, XIAO Xiangning. Analysis on allowed penetration level of distributed generation and its grid-connected position based on principles of current protection [J]. Power System Technology, 2012, 36(1): 265-270.

[9] 馮希科, 邰能靈, 宋凱, 等. DG容量對配電網(wǎng)電流保護的影響及對策研究 [J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(22): 156-165. FENG Xike, TAI Nengling, SONG Kai, et al. Research on the impact of DG capacity on the distribution network current protection and countermeasure [J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(22): 156-165.

[10]王成山, 孫曉倩. 含分布式電源配電網(wǎng)短路計算的改進方法 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(23): 54-58. WANG Chengshan, SUN Xiaoqian. An improved short circuit calculation method for distribution network with distributed generations [J]. Automation of Electric Power System, 2012, 36(23): 54-58.

[11]秦嶺, 謝少軍, 楊晨, 等. 太陽能電池的動態(tài)模型和動特性 [J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(7): 19-26. QIN Ling, XIE Shaojun, YANG Chen, et al. Dynamic model and dynamic characteristics of solar cells [J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 19-26.

[12]陳慈萱. 電氣工程基礎 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

(編輯 劉楊)

Analysis of Semantic Rules for the Influences of Integrating Distributed Generations on the Distribution Network Current Protections

MA Xiaobo1,KE Deping1,SUN Yuanzhang1,CHENG Bo2

(1. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Hubei Electric Power Company, Wuhan 430077, China)

An applicable analysis of semantic rules that consider the influences of integrating distributed generations (DGs) on the distribution network current protections is proposed to effectively solve the malfunction of existing three-phase current protections. The semantic rules are used to describe the decision condition of three-phase current protections correct operation under different short circuit scenes. It is judged that the integrating DGs have no influence on the current protections in a generic distribution network if the semantic rules pass the validation process in order, otherwise it will lead to either malfunction or movement resistance. Then, the base of rules is applied to generate constraints for calculating the permitted capacities of DGs for integration. Specifically, the capacities of the integrated DGs are optimized so that the total capacity of them is maximized while the existing over-current protections can normally operate. Simulation results show that the DG capacity within 8.19 MV·A can ensure the current protection correct operation, and the high accuracy and efficiency of the presented rules are verified.

distributed generation; distribution network; three-phase current protection; permitted capacity; semantic rules

2015-04-16。

馬曉博(1990—),女,碩士生;柯德平(通信作者),男,博士,講師。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2012CB215101)。

時間:2015-09-11

10.7652/xjtuxb201510018

TM71

A

0253-987X(2015)10-0109-07

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150911.1047.002.html