考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)電流保護(hù)配置及整定方案

何 明,楊 琪，陳虹靜，吳 穹，王利平

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司,四川 成都 610041；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

分布式電源(distributed generation, DG)是指分散就地接入配電網(wǎng)的小容量電源[1]。DG是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的重要途徑，近年來(lái)已成為世界各國(guó)發(fā)展與推廣的重點(diǎn)[2]。然而，DG就地接入改變了配電網(wǎng)饋線中短路電流的大小和方向，使配電網(wǎng)中傳統(tǒng)的電流保護(hù)難以適用；另外，DG的故障電流具有非線性、間歇性的特點(diǎn)，進(jìn)一步加劇了保護(hù)整定與配合的難度[3]。若無(wú)法解決繼電保護(hù)的問(wèn)題，則無(wú)法在配電網(wǎng)中進(jìn)一步提高DG滲透率[4-5]。因此，研究適用于含DG配電網(wǎng)的保護(hù)方案具有重要意義。

近年來(lái)，專家學(xué)者已針對(duì)含DG的配電網(wǎng)提出了許多保護(hù)方案，主要可分為兩類。第一類方案是采用需要通信通道的縱聯(lián)差動(dòng)類保護(hù)[6-12]。該類保護(hù)通過(guò)兩端或多端的電氣信息進(jìn)行故障區(qū)段定位，具有較高的準(zhǔn)確性且受DG出力變化的影響較小。然而縱聯(lián)差動(dòng)類保護(hù)需要建設(shè)通信通道，這將增加配電網(wǎng)保護(hù)的成本；另外當(dāng)通信通道故障時(shí)，該類保護(hù)將會(huì)失靈，因此必須配有其他保護(hù)方法作為后備保護(hù)。第二類方案是無(wú)需通信的無(wú)通道保護(hù)[13-19]。該類保護(hù)一般在方向性電流/距離保護(hù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)DG的故障特性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整保護(hù)定值。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于戴維南等效參數(shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算的自適應(yīng)保護(hù)。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于故障復(fù)合序網(wǎng)的自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于高斯迭代求解的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于復(fù)合故障補(bǔ)償因子的反時(shí)限電流保護(hù)。上述保護(hù)方案不依賴通信通道，易于實(shí)現(xiàn)，但并未考慮主保護(hù)與后備保護(hù)間的配合問(wèn)題。由于DG出力的間歇性，為保證主保護(hù)選擇性而選取的整定值會(huì)降低后備保護(hù)的保護(hù)范圍。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)分析DG故障特征提出了一種考慮DG接入的配電網(wǎng)電流保護(hù)整定方案。

1 分布式電源故障特征分析

根據(jù)并網(wǎng)方式，DG可分為電機(jī)類和逆變類兩種類型[11]。考慮到逆變類DG的故障特征分析更為復(fù)雜，且是光伏、風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)的主流方式，因此以逆變類DG為主要研究對(duì)象。

圖1為以光伏電源為例的逆變類分布式電源結(jié)構(gòu)與控制策略示意圖。圖中：U和I為逆變器的直流側(cè)輸入電壓與電流；C為直流母線等值電容；R和L分別為交流側(cè)等效電阻與電感；ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為交流側(cè)的相電壓和相電流。三相電壓、電流經(jīng)過(guò)dq變換后實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變型分布式電源輸出的控制。逆變類DG的主要控制策略包括最大功率跟蹤、低電壓穿越、消除負(fù)序和過(guò)電流限制等。

圖1 逆變類分布式電源結(jié)構(gòu)與控制策略

在正常運(yùn)行條件下，DG采用最大功率跟蹤控制以實(shí)現(xiàn)有功出力最大化。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，低電壓穿越控制策略要求DG根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落系數(shù)優(yōu)先輸出無(wú)功電流，此時(shí)DG輸出的無(wú)功電流Iq為

(1)

式中：K為低穿電壓支撐系數(shù)，一般要求不低于1.5；γ為并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落系數(shù)，其值等于故障后電壓與故障前電壓的幅值比；IN為額定輸出電流。

故障條件下，為了維持系統(tǒng)有功功率的平衡，分布式電源也需要發(fā)出更多的有功電流。然而，由于逆變器中的電力電子器件無(wú)法承受較大的電流，逆變類DG采用過(guò)電流限制的控制策略，通常規(guī)定其輸出短路電流的幅值不能超過(guò)額定電流的1.2倍。因此逆變類DG輸出的有功電流Id可表示為

(2)

式中：Imax為逆變類DG輸出電流的幅值上限；Pref為DG的參考有功功率；UPCC為故障后DG并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓幅值。

根據(jù)式(1)、式(2)可得出，故障后逆變類DG短路電流的幅值和相角分別為：

(3)

(4)

由式(1)—式(4)可以看出，逆變類DG故障電流的幅值和相位由Id和Iq的幅值決定，而Id和Iq與DG并網(wǎng)點(diǎn)的電壓有關(guān)。由于故障后電壓跌落的大小受故障位置、故障類型、過(guò)渡電阻等多種因素的影響，逆變類DG輸出的短路電流具有明顯的隨機(jī)性、非線性的特征，與傳統(tǒng)電源存在較大差異。

2 考慮分布式電源接入的配電網(wǎng)保護(hù)方案

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)電流保護(hù)通常僅在各區(qū)段的首端配置保護(hù)。然而，對(duì)于含DG配電網(wǎng)中位于DG上游的區(qū)段，必須在兩端配置保護(hù)，如圖2所示。

圖2 含DG接入的配電網(wǎng)

下面以圖2中的區(qū)段MN為例分析含DG配電網(wǎng)的保護(hù)整定方案。需要指出，研究對(duì)象為中國(guó)配電網(wǎng)中主流的中性點(diǎn)非直接接地(不接地、經(jīng)諧振接地)系統(tǒng)，其單相接地時(shí)故障電流不明顯且系統(tǒng)仍被允許短時(shí)運(yùn)行[20]，因此所研究的電流保護(hù)配置及整定方案僅針對(duì)相間短路。

2.1 基于自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)的主保護(hù)方案

由前述分析可知，逆變類DG采用消除負(fù)序的控制策略，僅輸出正序電流，因此以正序電流構(gòu)造電流保護(hù)方案。自適應(yīng)電流速斷保護(hù)可根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行方式和故障類型對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)整定，相較于普通電流速斷保護(hù)具有更大的保護(hù)范圍。現(xiàn)有的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的整定方法如式(5)所示。

(5)

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.2；Kf為故障系數(shù)，三相短路和兩相短路時(shí)分別為1和0.866；ZS和ZL分別為系統(tǒng)和被保護(hù)線路的等值阻抗；ES為系統(tǒng)等值電勢(shì)的幅值，可按式(6)整定。

(6)

上述自適應(yīng)電流保護(hù)整定方案并未考慮DG的接入。對(duì)于含逆變類DG的配電網(wǎng)，DG短路電流的非線性與間歇性將使饋線中的短路電流存在較大的隨機(jī)性；另外，DG上游區(qū)段中系統(tǒng)側(cè)(首端)保護(hù)與DG側(cè)(末端)保護(hù)處的電流變化規(guī)律也存在差異。因此，仍采用式(5)所示的整定方案可能導(dǎo)致速斷保護(hù)失去選擇性，需要提出新的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)方案。

在圖2所示的含DG配電網(wǎng)中，若發(fā)生兩相短路故障，此時(shí)正序故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 兩相短路故障時(shí)的正序故障附加網(wǎng)絡(luò)

(7)

由于逆變類DG受過(guò)電流限制控制策略的影響，其可提供的短路電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電源，因此可將其忽略。RM處的自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)可按照式(8)整定。

(8)

對(duì)于DG側(cè)的保護(hù)RN，為了便于分析，可將正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中故障點(diǎn)左側(cè)的部分合并，得到簡(jiǎn)化后的附加網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 兩相短路故障時(shí)的正序故障簡(jiǎn)化附加網(wǎng)絡(luò)

(9)

為優(yōu)先保證選擇性，RN處的自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)可按照式(10)整定。

(10)

(11)

式中，Zrf為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的等值阻抗。

因此，對(duì)于三相短路故障，兩側(cè)的自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)均可按照式(12)整定。

(12)

2.2 線路末端故障時(shí)的近后備保護(hù)方案

由于電流速斷保護(hù)不能覆蓋線路全長(zhǎng)，因此必須配有能夠檢測(cè)線路末端故障的后備保護(hù)[20]。為避免DG接入對(duì)傳統(tǒng)電流保護(hù)配合的影響，采用兩側(cè)過(guò)流互為近后備保護(hù)的方法，如圖5所示。

圖5 近后備保護(hù)方案原理

圖5中，IfM、IfN分別表示保護(hù)RM和RN處的短路電流曲線(不考慮故障類型)，IMZ、INZ分別表示保護(hù)RM和RN處的自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)整定值。對(duì)于保護(hù)RM，主保護(hù)的保護(hù)范圍投影在橫軸上為MM′；保護(hù)RN主保護(hù)的保護(hù)為NN′。若MM′、NN′和被保護(hù)線路MN滿足式(13)，則兩側(cè)的主保護(hù)可互為對(duì)側(cè)的近后備保護(hù)。

MN?(MM′∩NN′)

(13)

近后備保護(hù)的具體方案為：若某側(cè)保護(hù)判斷故障發(fā)生在主保護(hù)的動(dòng)作區(qū)域內(nèi)，則視為區(qū)內(nèi)故障，控制對(duì)應(yīng)斷路器跳閘并向?qū)?cè)發(fā)送區(qū)內(nèi)故障命令；若某側(cè)主保護(hù)未動(dòng)作但受到對(duì)側(cè)的動(dòng)作命令，則也視為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。由于兩側(cè)之間的命令信號(hào)所需的通信量極小且對(duì)延時(shí)的要求很低，通過(guò)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)該功能，無(wú)需建設(shè)通信通道。

2.3 基于定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)方案

對(duì)于含DG配電網(wǎng)中可能發(fā)生的絕大多數(shù)故障，所提出的主-后備保護(hù)方案均能正確、可靠地識(shí)別。在此背景下，遠(yuǎn)后備保護(hù)僅作為最不利情況下的備選方案，因此可以適當(dāng)擴(kuò)大保護(hù)范圍并延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)限。所提方案中，在每條出線的首端采用基于定時(shí)限的過(guò)電流保護(hù)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)，保護(hù)定值按躲過(guò)最大負(fù)荷電流且覆蓋整條饋線全長(zhǎng)整定。為了與主保護(hù)有所區(qū)分，遠(yuǎn)后備保護(hù)可設(shè)置0.5 s的延時(shí)。

3 仿真分析

3.1 仿真模型參數(shù)

為驗(yàn)證所提保護(hù)整定方案在各種故障條件下的有效性，利用PSCAD搭建了如圖6所示的含DG配電網(wǎng)模型。該模型的基準(zhǔn)電壓為10.5 kV，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100 MVA；DG的額定容量為4 MVA，低穿電壓支撐系數(shù)為1.5；線路和負(fù)荷參數(shù)與文獻(xiàn)[17]中的模型一致。仿真以饋線段B1B2作為故障區(qū)段，研究在不同故障距離發(fā)生不同故障類型時(shí)保護(hù)R1和R2的動(dòng)作情況。

圖6 含DG接入的配電網(wǎng)模型

3.2 兩相短路時(shí)的仿真結(jié)果

當(dāng)f點(diǎn)發(fā)生兩相短路故障，保護(hù)R1和R2分別按式(8)和式(10)確定自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的整定值。當(dāng)f點(diǎn)位于饋線段B1B2中的不同位置時(shí)，保護(hù)R1和R2處的電流測(cè)量值和計(jì)算整定值如表1所示。

表1 f點(diǎn)發(fā)生兩相短路故障時(shí)的電流仿真結(jié)果

按表1中數(shù)據(jù)繪制電流測(cè)量值與整定值曲線，保護(hù)R1和R2處的曲線分別如圖7、圖8所示。

由圖7可以看出，故障位置系數(shù)α為0.8時(shí)，電流的測(cè)量值仍大于整定值，因此兩相短路故障發(fā)生時(shí)，R1的保護(hù)范圍能夠覆蓋被保護(hù)線路首端的80%；同理，由圖8可以看出，R2的保護(hù)范圍能夠覆蓋被保護(hù)線路末端的40%。由于二者的保護(hù)范圍覆蓋了被保護(hù)線路的全長(zhǎng)，因此所提的近后備方案能夠在主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)正確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障。

圖7 兩相短路時(shí)保護(hù)R1處的電流測(cè)量值與整定值曲線

圖8 兩相短路時(shí)保護(hù)R2處的電流測(cè)量值與整定值曲線

3.3 三相短路時(shí)的仿真結(jié)果

當(dāng)f點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，保護(hù)R1和R2均按照式(12)確定自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的整定值。當(dāng)f點(diǎn)位于饋線段B1B2中的不同位置時(shí)，保護(hù)R1和R2處的電流測(cè)量值和計(jì)算整定值如表2所示。

由表2可以看出，對(duì)于三相短路故障，使用所提主保護(hù)方案時(shí)R1的保護(hù)范圍能夠覆蓋被保護(hù)線路首端的80%，R2的保護(hù)范圍能夠覆蓋被保護(hù)線路末端的40%。因此，所提的主-后備保護(hù)方案在被保護(hù)線路任何位置發(fā)生故障時(shí)均能正確動(dòng)作。

表2 f點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)的電流仿真結(jié)果

3.4 饋線末端故障時(shí)遠(yuǎn)后備保護(hù)的仿真結(jié)果

仿真采用定時(shí)限過(guò)流保護(hù)作為最不利情況下的遠(yuǎn)后備保護(hù)。以饋線1為例，保護(hù)R1處配置保護(hù)整條線路全長(zhǎng)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。遠(yuǎn)后備保護(hù)的整定值可設(shè)為正常情況下最大負(fù)荷電流的兩倍，此時(shí)保護(hù)R1的整定值為240 A。在饋線1的末端(母線B4)設(shè)置兩相短路和三相短路時(shí)R1處的測(cè)量電流分別為1 027.5 A和2 044.7 A，均遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)后備保護(hù)的整定值。因此以定時(shí)限過(guò)流保護(hù)構(gòu)造的遠(yuǎn)后備能夠可靠保護(hù)線路全長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

針對(duì)DG的非線性和間歇性對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的整定配合帶來(lái)的挑戰(zhàn)，分析了逆變類DG的控制策略及故障特征，并結(jié)合正序故障附加網(wǎng)絡(luò)提出了一種適用于含DG配電網(wǎng)的電流保護(hù)整定方案。該方案包括基于自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)的主保護(hù)、基于兩側(cè)信息互為后備的近后備保護(hù)和基于定時(shí)限過(guò)流保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。基于PSCAD的仿真驗(yàn)證表明，所提方案能夠很好地適用于含DG的配電網(wǎng)，主-后備保護(hù)方案的配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)DG接入點(diǎn)上游線路全長(zhǎng)的可靠保護(hù)。