考慮電流保護(hù)可靠性的分布式電源準(zhǔn)入容量研究

吳立杰，陳星鶯，2，徐石明，余昆，2，馬越

（1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 江蘇省配用電與能效工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210098；3. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)潮流分布和短路電流將發(fā)生根本性變化。為了保證配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，分布式電源的接入受到各種條件限制，在滿足一定的技術(shù)指標(biāo)下，系統(tǒng)能夠接受的分布式電源（Distributed Generation，DG）最大容量稱為分布式電源接入電網(wǎng)的準(zhǔn)入容量[1]。DG容量的不同會(huì)對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)方案造成不同程度的影響，在保證繼電保護(hù)可靠動(dòng)作前提下配置分布式電源是推廣應(yīng)用分布式電源的模式之一，其中的關(guān)鍵是研究分布式電源的準(zhǔn)入容量，該問(wèn)題已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)從不同角度考慮某一約束條件研究分布式電源的準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[1]從節(jié)點(diǎn)電壓不越限、支路潮流不過(guò)載兩個(gè)方面考慮系統(tǒng)的靜態(tài)安全約束，結(jié)合二分法和枚舉法研究單DG和多DG情況下的準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[2]僅研究節(jié)點(diǎn)電壓不越限情況下的DG準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[3-4]從保障配電網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置可靠動(dòng)作的角度研究不同類型DG的準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[5-6]研究了DG接入配電網(wǎng)后可能存在的“非正常孤島”問(wèn)題對(duì)DG準(zhǔn)入容量的影響。文獻(xiàn)[7]分析分布式電源的接入位置和接入容量對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，研究不同節(jié)點(diǎn)的注入容量。

本文考慮到含DG的配電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，分布式電源的注入電流將直接影響原有繼電保護(hù)裝置的準(zhǔn)確動(dòng)作[8]，選擇以電流保護(hù)可靠性為約束研究分布式電源的準(zhǔn)入容量。首先分析分布式電源的接入點(diǎn)和故障點(diǎn)的相對(duì)位置對(duì)電流保護(hù)裝置靈敏度的影響，然后建立分布式電源模型對(duì)實(shí)際配電系統(tǒng)接入DG進(jìn)行仿真分析，并給出提高分布式電源準(zhǔn)入容量的措施。

1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

10 kV配電線路通常配置三段式電流保護(hù)[9]，其中，Ⅰ段無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)按躲過(guò)被保護(hù)線路末端最大短路電流整定，Ⅱ段限時(shí)電流速斷保護(hù)按下一條相鄰線路故障情況下無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)整定值的1.1倍進(jìn)行整定，Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)通常作為本線路主保護(hù)的后備保護(hù)或相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)，按躲開(kāi)流過(guò)本線路的最大負(fù)荷電流整定。根據(jù)上述的整定原則，Ⅱ段限時(shí)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍是本線路的全長(zhǎng)，Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)則可保護(hù)本線路和相鄰線路全長(zhǎng)。由于Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng)，分布式電源對(duì)Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的影響較小，故本文主要討論分布式電源對(duì)Ⅰ段和Ⅱ段電流速斷保護(hù)可靠性的影響。

1.1 分布式電源下游線路發(fā)生故障

如圖1所示，若分布式電源下游線路f1處發(fā)生故障，分布式電源將減小保護(hù)K1檢測(cè)到的故障電流大小，從而使保護(hù)K1的靈敏度降低，甚至可能導(dǎo)致保護(hù)K1拒動(dòng)。針對(duì)這種故障情況，為了保證保護(hù)K1準(zhǔn)確動(dòng)作，須保證其檢測(cè)到的最小短路電流I1應(yīng)能使保護(hù)K1的限時(shí)電流速斷保護(hù)可靠動(dòng)作。由于DG所在下游線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，檢測(cè)到的短路電流I1最小，故

式中，IⅡK1為保護(hù)K1的限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值。

圖1 DG下游線路故障示意圖Fig. 1 A fault occurs at the downstream line of DG

若圖1中f2處發(fā)生故障，由于分布式電源的接入將增大保護(hù)K2檢測(cè)到的故障電流大小I2，且容量越大，檢測(cè)到的I2越大；如果分布式電源容量過(guò)大，檢測(cè)到的故障電流I2有可能超過(guò)保護(hù)K2的整定值，造成保護(hù)誤動(dòng)。針對(duì)這種情況，短路電流I2應(yīng)該滿足：

式（2）中，IⅠK2為保護(hù)K2無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)整定值。

1.2 分布式電源上游線路發(fā)生故障

如圖2所示，若分布式電源上游線路f2處發(fā)生故障，根據(jù)選擇性要求應(yīng)由保護(hù)K1動(dòng)作進(jìn)行故障隔離和重合閘恢復(fù)供電，且期間保護(hù)K2不應(yīng)該動(dòng)作。如果此時(shí)分布式電源仍并網(wǎng)運(yùn)行，則會(huì)向保護(hù)注K2入電流，為保證保護(hù)K2的可靠動(dòng)作，要求此時(shí)保護(hù)K2檢測(cè)到的短路電流I2應(yīng)小于其限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值，即

式（3）中，IⅡK2為保護(hù)K2的限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值。

圖2 DG上游線路故障示意圖Fig. 2 A fault occurs at the upstream line of DG

1.3 分布式電源所在線路的相鄰線路發(fā)生故障

如圖3所示，若分布式電源所在線路的相鄰線路中f1處發(fā)生故障，分布式電源將通過(guò)母線向故障點(diǎn)轉(zhuǎn)送短路電流。由于傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)無(wú)方向識(shí)別功能，當(dāng)分布式電源容量足夠大時(shí)有可能引起保護(hù)K1、K2誤動(dòng)，導(dǎo)致分布式電源所在的正常線路停電。因此要求當(dāng)分布式電源所在線路的相鄰線路故障時(shí)，DG所產(chǎn)生的最大反向電流不能引起保護(hù)K1、K2的誤動(dòng)，即保證不會(huì)引起保護(hù)K2動(dòng)作。由于相鄰線路的出線端（即母線處）發(fā)生三相短路故障時(shí)，DG所產(chǎn)生的反向短路電流最大，故此時(shí)保護(hù)K2監(jiān)測(cè)到的故障電流I2應(yīng)滿足：

式（4）中，IⅡK2為保護(hù)K2的限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值。

圖3 DG相鄰線路故障示意圖Fig. 3 A fault occurs at the adjacent line of DG

此外，f1處發(fā)生故障時(shí)，由于分布式電源對(duì)故障電流的助增作用，保護(hù)K3檢測(cè)到的短路電流增大，有可能發(fā)生誤動(dòng)，此時(shí)，短路電流應(yīng)該滿足

式（5）中，IⅡK3為保護(hù)K3的限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值。

2 考慮電流保護(hù)可靠性的分布式電源準(zhǔn)入容量分析模型

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，同步電機(jī)型分布式電源的注入電流對(duì)系統(tǒng)短路電流大小和方向的影響最顯著[10-13]。目前，研究分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)短路電流的影響時(shí)多采用電壓源串聯(lián)電抗的模型來(lái)代表DG的短路電流模型，且視同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗和次暫態(tài)電抗為固定值，與容量無(wú)關(guān)，與實(shí)際情況不一致。本文利用DigSILETT/Powerfactory電力系統(tǒng)仿真軟件的機(jī)電暫態(tài)功能計(jì)算同步發(fā)電機(jī)型分布式電源接入配電網(wǎng)后的短路電流。首先在DigSILENT中建立1 MW的小型同步發(fā)電機(jī)模型，然后通過(guò)增加并列機(jī)組數(shù)來(lái)改變分布式電源的容量，構(gòu)成如圖4所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖4 分布式電源接入10 kV配電網(wǎng)Fig. 4 DG accesses to the 10 kV distribution network

若單個(gè)DG接入2號(hào)母線，綜合考慮因DG接入點(diǎn)和故障點(diǎn)的相對(duì)位置（上游、下游、相鄰線路）的差異，對(duì)電流保護(hù)裝置動(dòng)作靈敏度造成的不同影響，建立配電網(wǎng)對(duì)分布式電源的最大準(zhǔn)入容量的數(shù)學(xué)模型，以最大可接納容量max SDG為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)故障發(fā)生在不同位置時(shí)，所配置的電流保護(hù)裝置是否應(yīng)該動(dòng)作的邏輯如表1所示。

表1中，Ki（i=1，…，5）是配電網(wǎng)內(nèi)5條線路所配置的電流保護(hù)裝置。

3 仿真分析

3.1 算例分析

圖4所示系統(tǒng)的線路阻抗為0.45+j0.368 Ω/km，每段線路長(zhǎng)度均為4 km。假設(shè)外部電網(wǎng)短路容量為100 MV·A，根據(jù)三段式電流保護(hù)的整定原則對(duì)保護(hù)裝置各段的動(dòng)作電流及動(dòng)作時(shí)限進(jìn)行整定計(jì)算，并進(jìn)行靈敏度系數(shù)校驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表1 保護(hù)裝置正確動(dòng)作邏輯與故障點(diǎn)的關(guān)系Tab. 1 Relation of relay device and the fault point

表2 保護(hù)各段動(dòng)作電流及時(shí)限Tab. 2 The action current of protection and time limit

為不失一般性，首先考慮分布式電源接入2號(hào)母線時(shí)，故障發(fā)生在不同位置時(shí)各電流保護(hù)裝置的動(dòng)作與否和分布式電源的最大準(zhǔn)入容量，仿真結(jié)果如表3所示，其中“/”表示該保護(hù)裝置對(duì)分布式電源的準(zhǔn)入容量沒(méi)有限制。

表3 DG接入母線2時(shí)的最大可接入容量Tab. 3 The maximum penetration capacity when DG accesses to the bus2

若分布式電源接入1號(hào)母線，經(jīng)仿真分析得其最大可接入容量如表4所示。

表4 DG接入母線1時(shí)的最大可接入容量Tab. 4 The maximum penetration capacity when DG accesses to the bus1

由表4可知，若分布式電源接入1號(hào)母線，線路3～4之間或4號(hào)母線處短路，由于保護(hù)K2上游的分布式電源對(duì)流過(guò)保護(hù)K2的短路電流有助增作用，有可能使K2的保護(hù)范圍延伸到下游線路而發(fā)生誤動(dòng)。在這種情況下為保證保護(hù)裝置動(dòng)作可靠性，最多可以接入1號(hào)母線17 MV·A的同步發(fā)電機(jī)。

同理可以計(jì)算得到分布式電源接入3～6號(hào)母線時(shí)，在保證電流保護(hù)裝置可靠動(dòng)作前提下，各母線對(duì)分布式電源的準(zhǔn)入容量如表5所示。

表5 各母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量Tab. 5 The penetration capacity of DG in each bus

由表5可以看出，1號(hào)母線（系統(tǒng)母線）對(duì)分布式電源的準(zhǔn)入容量最大，在不改變現(xiàn)有三段式電流保護(hù)整定值的前提下，最多可以接入17 MV·A的同步電機(jī)型分布式電源，其次是5號(hào)和6號(hào)母線。其余母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量有限，比如2號(hào)母線和4號(hào)母線分別僅有1 MV·A和3 MV·A。

3.2 提高分布式電源準(zhǔn)入容量的措施分析

上述分析表明，在不改變現(xiàn)有配電網(wǎng)電流保護(hù)配置情況下，除變電站母線外都對(duì)分布式電源的接納能力有限制，可通過(guò)改變保護(hù)定值和采用新的保護(hù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式電源準(zhǔn)入容量的提高。

1）重新整定保護(hù)裝置的動(dòng)作電流，提高分布式電源的準(zhǔn)入容量。

算例中，2號(hào)母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量?jī)H1 MV·A。其主要原因是如果在2號(hào)母線處接入DG，4號(hào)母線處發(fā)生短路，從電流保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)該由K3動(dòng)作隔離故障；但實(shí)際上分布式電源對(duì)流過(guò)保護(hù)K2的短路電流存在助增作用，接入容量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致K2誤動(dòng)。假設(shè)將K2的限時(shí)電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流值從0.81 kA提高到0.83 kA，則2號(hào)母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量可提高到2 MV·A。雖然重新整定保護(hù)裝置的動(dòng)作電流可以提高配電網(wǎng)對(duì)DG的準(zhǔn)入容量，但從動(dòng)作可靠性來(lái)說(shuō)，這需要綜合考慮對(duì)本段線路任一故障點(diǎn)的動(dòng)作靈敏度和上下級(jí)線路保護(hù)的配合，不宜改動(dòng)過(guò)大。

2）采用電流電壓連鎖速斷保護(hù)，提高分布式電源的準(zhǔn)入容量。

從分布式電源接入位置對(duì)電流保護(hù)的影響分析和仿真結(jié)果可知，3、4、6號(hào)母線對(duì)分布式電源的準(zhǔn)入容量受反向電流的限制較大。如果在保護(hù)裝置加裝方向元件，可以減弱或消除這種限制作用。同時(shí)由于分布式電源對(duì)短路電流的外汲作用，如果以分布式電源接入后的短路電流水平整定保護(hù)裝置的動(dòng)作電流，則有可能縮小裝置的I段無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)的范圍，甚至沒(méi)有保護(hù)區(qū)。此時(shí)可考慮采用電流電壓連鎖速斷保護(hù)來(lái)提高裝置的保護(hù)靈敏度和增大保護(hù)范圍。

4 結(jié)論

本文以同步發(fā)電機(jī)型的分布式電源作為準(zhǔn)入容量的研究對(duì)象，研究分布式電源接入點(diǎn)和故障點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)準(zhǔn)入容量的影響。通過(guò)對(duì)10 kV配電系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果表明，在不改變現(xiàn)有三段式電流保護(hù)的前提下，從分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)可靠性影響角度進(jìn)行分析，不同母線對(duì)分布式電源準(zhǔn)入容量的限制差異較大，系統(tǒng)母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量大大高于普通線路母線對(duì)DG的準(zhǔn)入容量，甚至在某些母線處接入很小容量的分布式電源都有可能引起保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。最后提出可以通過(guò)重新整定保護(hù)裝置的動(dòng)作值和采用電壓電流連鎖速斷保護(hù)來(lái)提高分布式電源的準(zhǔn)入容量。

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