含微網配電系統的雙斜率電流差動保護

國網山東省電力公司 牟 宏 汪 湲 王春義 趙 鵬

國網山東省電力公司煙臺供電公司 張婷婷

國網山東省電力公司 張 彬

含微網配電系統的雙斜率電流差動保護

國網山東省電力公司 牟 宏 汪 湲 王春義 趙 鵬

國網山東省電力公司煙臺供電公司 張婷婷

國網山東省電力公司 張 彬

針對含微網配電系統中傳統電流差動保護無法同時保證區內和區外動作正確性的問題,提出有源配電網雙斜率電流差動保護,解決了傳統保護對高阻故障容易拒動的問題,提高了保護的可靠性.最后利用PSCAD進行仿真驗證,結果表明提出的保護方法能夠正確動作,滿足有源配電網保護要求.

有源配電網;微電網;雙斜率;電流差動保護

0 引言

隨著我國國民經濟水平的快速增長,用戶對電網供電能力的要求越來越高,對配電網的供電可靠性和電能質量提出了新的要求,分布式電源、微電網大量接入配電網,使配電網成為有源配電網,也給配電網的運行保護帶來了新的挑戰[1-3].

微網并網運行時,其潮流實現了雙向流動,即潮流可以由配電網流向微網,也可以由微網流向配電網,改變了常規配電網單向流動的特征,傳統的三段式電流保護的靈敏度和動作正確性難以保證,可能會出現誤動和拒動.同時微網接入采用了電力電子技術實現的"柔性"接入,與常規的發電機相比具有不同的電源特性,會影響常規的配電網繼電保護配置.傳統配電網的保護方法已經不能直接應用于有源配電網,應改進傳統方法使其適應有源配電網特點.本文以傳統的電流差動保護為基礎,針對有源配電網特點進行改進,提出了一種適合有源配電網的保護方法.

1 有源配電網

有源配電網指微網滲透率較高、功率雙向流動的配電網,如圖1所示.微網的接入對潮流和短路電流產生了影響,傳統配電系統結構多為單端電源供電網絡,饋線上的保護一般不需要方向元件,多為階段式電流保護,微網接入配電網后,在配電網發生故障時,配電網和微網中的分布式電源都會向故障點提供故障電流,因此配電系統變為多電源供電系統,改變了配電網的節點短路電流,微網中分布式電源的容量、接入點等因素都會對配電網繼電保護的正確動作造成影響.

圖1 有源配電網結構

微網接入配電網,給傳統配電網保護配置的影響主要有故障電流助增、保護靈敏度降低、相鄰線故障保護誤動以及重合閘不成功等問題.微網中不同的分布式電源采用不同的控制方法,風力發電和光伏發電都受隨機因素的影響,為了保證最大的利用率,微網設計時一般會使這類電源即插即用[4-5].然而這更加劇了微網潮流的不確定性,所以設計保護方案時要盡量避免潮流的影響.微電網可以作為電源向配電網輸送功率,可以作為負荷由配電網為其提供功率,也可以只供給本地負荷.當配電網故障時,短路點處電壓降低,微電源將會向故障點提供短路電流,這時微電網呈現電源特性,所以在研究微電網接入對配電網繼電保護的影響時可以將微電網看成獨立的電源.

電流差動保護是通過比較線路兩側流過電流的幅值和相位來判斷保護區內是否發生故障,它的選擇性不受雙向潮流的影響,原理相對比較簡單,而且靈敏度高,動作快速,具有絕對選擇性,被廣泛地用于電力系統重要設備和系統的保護[6-8].但傳統的電流差動保護受不平衡電流影響大,而有源配電網復雜的運行方式和潮流特性導致其短路時電流情況更加復雜,因此需要對傳統的保護方法進行改進,提出更加適合有源配電網的保護方法.

2 雙斜率電流差動保護

傳統的電流差動保護動作判據如式(1)所示,其中Im和In為電流差動保護兩端的電流,由母線流向線路為正方向.Id為差動電流,是線路兩端電流的矢量和;Ir為制動電流,是線路兩端電流的矢量差.K(0

傳統電流差動保護動作特性曲線如圖2,時,動作區將縮小,保護將更難動作,當發生區外短路時,不平衡電流很大,此時較大的K值能保證差動電流始終不越限,保護不會誤動,但較大的K值在區內故障制動電流較大時容易使保護拒動,即K值的設定需要同時兼顧區內故障靈敏度和區外故障可靠性的問題,雙斜率差動保護則能很好的改善這一點.

圖2 傳統電流差動保護動作特性曲線

雙斜率差動電流保護的動作判據如式(2)所示,Is是拐點電流;K1和K2(0

動作特性曲線如圖3,S稱為拐點,制動特性的第一段是水平線,因為此時短路電流很小,不平衡電流很小,并不需要制動,Iset按最大負荷電流下不平衡電流整定.若區內發生高阻故障時,差動電流Id減小,此時K1不能過大,否則整定值可能會過高而使保護拒動.同時區內發生短路時,微網側產生的短路電流可能比發電機側小很多,從而增大了制動量,不利于保護動作,有源配電網的這一特點也使得K1不能過大.而K2可以適當增加,使得區外短路時即使不平衡電流很大,保護的動作電流也總是大于不平衡電流,保護不會誤動.

圖3 雙斜率差動電流保護動作特性曲線

3 仿真驗證

在PSCAD中建立有源配電網模型如圖4所示:

圖4 有源配電網PSCAD模型

以微電網外部線路T2為例,假設線路T2處出現高阻故障,設置故障發生的時刻為0.5s,故障持續時間為0.1s.由于微電網接入,故障電流增大,沖擊電流可能會對系統造成很大的損害.設置Iset為0.5A,制動系數K1為0.3,K2為0.8,拐點電流Is為1.5A.電流變化如圖5所示,各線路兩端的斷路器動作情況分別如圖6、圖7和圖8所示.

從圖5可以看出,當線路T2發生A相接地短路故障時,A相電流增加,但由于故障為高阻故障,電流增加并不多,因K1設置合理,即使制動量處于K1段,保護也不會因為整定值大于Iset而拒動,所以線路T2兩端的斷路器迅速動作,切除了故障線路,如圖7所示.而線路T1和線路T3兩端的斷路器都沒有誤動作,如圖6和圖8所示.仿真結果表明保護能正確動作.

圖5 發生單相短路故障時的故障電流

圖6 線路T1兩端斷路器動作情況

圖7 線路T2兩端斷路器動作情況

圖8 線路T3兩端斷路器動作情況

4 結語

本文針對有源配電網的特點,在改善傳統差點電流保護缺點的基礎上提出了雙斜率電流差動保護,有效解決了保護區內高阻故障靈敏性和區外故障產生較大不平衡電流時動作正確性難以兼顧的問題,提高了有源配電網的安全性,通過仿真驗證了保護方法的可行性.

[1]馬藝瑋,楊蘋,王月武,等.微電網典型特征及關鍵技術[J].電力系統自動化,2015,39(8):168-175.

[2]吉興全,張玉振,張曉,等.計及電壓穩定約束的微電網動態最優潮流[J].電力系統自動化,2017,41(14):112-118.

[3]孫景釕,李永麗,李盛偉,等.含分布式電源配電網保護方案[J].電力系統自動化,2009,33(3):81-84.

[4]楊珮鑫,張沛超.基于多分類支持向量機的分布式發電系統并網保護[J].電力系統自動化,2015,39(22):110-116.

[5]Girgis A,Brahma S.Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system[C]//Power Engineering,2001.LESCOPE'01.2001 Large Engineering Systems Conference on.IEEE,2001:115-119.

[6]李娟.有源配電網電流差動保護原理與實現技術研究[D].山東大學,2016.

[7]王婷,劉淵,李鳳婷,賈言爭,何世恩,李育強.光伏T接高壓配電網電流差動保護研究[J/OL].電力系統保護與控制,2015,43(13):60-65.

[8]李斌,曾紅艷,范瑞卿,薄志謙.基于故障分量的相位相關電流差動保護[J].電力系統自動化,2011,35(03):54-58[2017-10-01].

牟宏(1968-),男,碩士研究生,國網山東省電力公司級工程師,研究領域為電力系統運行分析和電網規劃.