含分布式電源的配電網保護技術

喬 明,王 瑩,楊 波,姜德勝

(國網黑龍江電力公司 技能培訓中心,哈爾濱 150030)

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含分布式電源的配電網保護技術

喬 明,王 瑩,楊 波,姜德勝

(國網黑龍江電力公司 技能培訓中心,哈爾濱 150030)

分布式電源從配電網并網后,對電網結構、潮流、故障特征等產生了深遠影響,導致現有配電網保護無法準確判斷故障的位置而出現拒動、誤動現象,必須改變現有繼電保護性能,以提高電網對分布式電源的消納能力。通過研究近幾年國內外有關分布式發電的文獻資料和科研成果,對分布式發電系統配電網保護技術進行歸類與分析,并為適應今后分布式發電的發展,提出了幾點建議。

分布式發電;配電網;繼電保護;綜述

國家發改委國家能源局《關于促進智能電網發展的指導意見》中提出,到2020年實現清潔能源的充分消納,加快分布式電源(DG)的廣泛接入和有效互動,實現能源資源優化配置和能源結構調整。近年來,隨著DG接入配電網,其對電網結構、潮流、故障特征等產生了深遠影響[1-5]。配電網故障時短路電流大小及分布均有變化,變化的程度與DG的容量、接入位置等因素直接相關;網絡各處保護所受影響也不盡相同,導致現有配電網保護無法準確判斷故障的位置而出現拒動、誤動現象[6-7]。本文通過研究近幾年有關分布式發電的文獻資料和科研成果,對含分布式電源的各種配電網保護方案進行歸類與分析,展望了其今后的發展方向。

1 通過限制故障時DG注入短路功率消除對原保護的影響

DG的接入給配電網保護帶來影響的根本因素是故障時DG向故障點注入了故障電流,若能限制故障時DG提供的故障電流,必然減少DG接入對配電網保護產生的不利影響[8-12]。

1.1 配電網故障時退出

配電網發生故障時快速將DG退出,使配電網恢復到沒有接入DG的原始狀態,從而保證配電網保護正確動作。因此,根據 IEEE Std.1547標準以及國家電網公司出臺的《Q/GDW 480-2011分布式電源接入電網技術規定》等相關文件的要求,為確保繼電保護裝置正確動作,配電網發生故障時應快速切斷電網中的DG[13-14]。但是要充分考慮以下問題:

1) 切斷DG與保護動作時限上的配合;

2) 避免DG未切除而重合閘出口造成非同期合閘;

3) 并非全部的DG都會對線路保護和重合閘產生影響,不加選擇地切除DG,會極大地降低DG的利用效率。

1.2 加裝故障電流限制器

故障限流器(FCL,fault current limiter)是依靠電力電子元件對傳統的串聯阻抗限流元件進行技術改進而來的,具備正常負荷條件下表現為零阻抗而在短路情況下表現為高阻抗的特性。將FCL應用到分布式發電系統中,可限制故障時DG提供的故障電流。配電網發生故障時,由于FCL動作速度快于網絡中保護,FCL能在保護動作之前起到抑制DG故障電流的作用,因此減輕了DG對配網原有繼電保護選擇性、靈敏性的影響。實際應用時需注意FCL阻抗值選取和FCL對DG本身保護動作產生的影響,文獻[15]分別就這兩個問題進行詳細闡述并給出合理建議。隨著技術的發展,PWM控制的短路電流限制器[16]、超導限流器[17-18]、利用逆變器限制故障電流[19]等故障電流限制措施不斷涌現,利用限流原理消除DG對配電網保護的影響必將得到不斷完善。

1.3 計及保護影響限制DG準入容量

接入配電網DG容量越大,故障時DG對配網保護動作正確性產生的影響也越大,從限制DG對配網保護影響出發,可合理分析計算DG的準入容量。文獻[20]通過PSCAD仿真軟件,根據配電網電流保護定值,求取出網絡各處DG的準入容量,在準入容量以內,可以避免因DG接入造成保護誤動。文獻[21]分析了DG對配網保護的影響,并結合電網實際,提出了DG準入容量計算的約束條件。限制DG準入容量,雖然配網保護無需任何改動,但電網消納DG的能力有限。

2 技術改造升級現有保護的性能

2.1 加裝方向元件

由于DG的接入,系統電源與DG之間及DG與DG之間的線路由單側電源線路變為雙側電源線路,因此可以在線路兩側裝設方向元件。對DG下游線路,考慮到故障時DG的助增作用應對電流保護定值進行重新整定,以確保保護裝置動作的選擇性[22]。但由于DG輸出的不可控性,勢必造成整定困難,因此隨著DG的不斷入網運行,必然造成保護定值頻繁改變,增加運維難度。

2.2 采用距離保護

距離保護的測量量是保護安裝處母線電壓與線路電流之比,反映測量阻抗的降低而動作。正常時,距離保護測量的是負荷阻抗;故障時反映的是保護安裝處到故障點的阻抗,其大小只與保護安裝處到故障點距離相關。距離保護具有方向性、保護范圍穩定、靈敏度高、不受運行方式變化影響等特點,比較適合作為含DG的配電網保護[23]。文獻[24]通過仿真分析表明,DG的接入位置對測量阻抗產生了一定影響,距離保護安裝在DG上游時,DG的分流作用會使保護范圍有所減小;距離保護安裝在DG下游時,不影響距離保護的正確動作。對于長短線配合系統,距離保護可能失去選擇性,但隨著DG容量增加,此影響呈較小趨勢甚至消失。

由于高職教育的經費投入量與高職院校規模的擴張不相適應，許多高職院校的教學硬件資源較為短缺，缺少培養學生職業技能的必要設施和設備，大部分實習場所和環境也不夠理想。部分學校實訓儀器設備相當緊缺，嚴重影響學生操作技能的提高。同時，院校間硬件資源差距較大，加之各高職院校分布分散，獨立運作，還存在著硬件資源重復建設問題，沒有實現校際間教學資源的共享，沒能充分發揮資源使用的最佳效率。

2.3 采用縱聯保護原理構成含DG配網保護

縱聯保護基于雙端測量原理構成,具有絕對的選擇性,因其性能優越而被廣泛應用于輸電線路中,具有豐富的運行經驗[25]。文獻[26]提出了一種適合于含DG配電網的新型縱聯保護方案,既能夠合理避免DG高滲透率情況下保護選擇性和可靠性降低,同時對采樣同步要求也不高。但是該方案并未提出準確的DG等值模型,所以需要確立不同發電形式的DG等值模型才能滿足工程需要。 文獻[27]提出將距離縱聯保護引入配電網中,但其應用局限于環網,并且沒有考慮DG出力的隨機性,瞬時性故障切除時間也較長。

2.4 基于相鄰電流保護間通信的三段式電流保護技術改造方案

文獻[28]提出了基于遠方通信的適用于分布式發電系統的三段式電流保護技術改造方案,將相鄰線路保護作為一個保護單元,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。

該方案邏輯簡單,新增輔助設備少;本線內故障全線速動切除,避免了DG投退造成保護定值頻繁改動;通過本側保護聯跳對側斷路器,線路對側無需安裝保護裝置,簡化了保護配置。在實際應用中,通信設備的可靠性對保護的影響至關重要,需要設計通信系統冗措施確保保護動作正確性;需要考慮運行方式變化對該保護方案帶來的不利影響并加以改進。

3 采用新技術新原理構成含DG配電網保護

3.1 自適應保護

文獻[30]結合逆變型分布式電源(IIDG)故障輸出特性及含IIDG配電網的故障特征,對含IIDG配電網的自適應電流速斷保護進行充分分析與論證,根據不同的故障類型及故障位置,在未考慮IIDG接入配網的自適應電流速斷保護基礎上,提出了含IIDG配電網自適應電流速斷保護的在線整定方法,大大提升了保護性能。文獻[31]分析了含DG配電網故障時兩相電流差特點,提出了基于兩相電流差的自適應速斷保護動作判據和整定方法,原理簡單,整定計算方便,保護性能不受運行方式變化和故障類型的影響。

自適應保護基于本地測量信息,無須遠方通信,其保護性能自然不受通信質量的影響與限制,并能有效節約經濟投入。

3.2 廣域網保護

文章[32]提出了一種基于多智能體(Agnet)的新型電流保護策略。該策略通過比較工頻變化量電流幅值、工頻電流幅值及相位來定位故障區域,給出了具體的故障搜索定位流程和數學描述方法,以良好的通信系統為基礎構建多智能體保護結構,工程上易于實現。文獻[33]提出一種基于配電網通信及終端單元FTU的過流保護方案,可以有效避免DG接入配電網引起的保護誤動問題,具備原理簡單、現有設備改造容易、投資低等優點。文獻[34]在故障定位統一算法的基礎上,提出一種適用于含DG的配電網故障定位的矩陣算法。該算法簡單,運算量小,故障定位精確,并對分支母線節點的異常工作有一定的適應性。文獻[35]為適應高滲透率DG 并網運行對繼電保護的要求,提出一種以縱聯方向比較保護基礎理論為基礎,以可靠的通信系統為保障,以包含DG的配電變電站及其饋出線為保護對象的主從式區域縱聯保護。該保護系統可實現對整個變電站及饋出線實現縱聯主保護,并在從機中配置后備功能,能夠滿足高滲透率下配電網保護的需要。

廣域網保護在理論上性能優越,但是對通信系統要求較高。當前配電網通信系統建設良莠不齊,尚不具備廣域網保護全面實施的條件。

4 結 語

對分布式發電繼電保護技術的研究工作雖取得了一定的成果,但多數研究成果局限于理論研究,普遍缺乏工程實踐。為適應分布式發電的發展,應著重開展以下幾個方面的研究工作:

1) 理論研究與具體的工程實踐相結合,從實際工程應用的角度出發,強化理論成果的可移植性。

2) 加強高滲透率情況下的配電網保護技術的研究,提高電網對DG的消納能力。

3) 將廣域網保護與配電自動化系統有機結合,實現硬件資源與數據共享,隨著配電網自動化建設的不斷深入,廣泛采集配電網實時運行參數,以逐步實現遠方控制配電網開關設備。

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(責任編輯 侯世春)

Distribution protection with distributed power

QIAO Ming, WANG Ying, YANG Bo, JIANG Desheng

(Skills Training Center, Heilongjiang Electric Power Corporation of State Grid, Harbin 150030, China)

The performance of relay protection should be changed to improve the ability of power grid to absorb the distributed power, for the distributed power has produced profound influence on the grid structure, load flows, fault characteristics which lead to difficulties in determining the fault position and maloperation. This paper analyzed the literature material and the scientific research achievements in recent years, classified the distribution protection technologies, and proposed the advices on the development of distributed generation in the future.

distributed generation; distribution network; relay protection; review

2015-12-24。

喬 明(1984—),男,講師,從事電力系統繼電保護方向的教學與研究。

TM771

A

2095-6843(2016)02-0127-04