一種含分布式電源的配電網距離保護

陳 軍

（長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

分布式能源（DG）是我國智能電網的重要部分，不但減小了傳統(tǒng)發(fā)電方式對環(huán)境的污染，而且因響應快極大地提高了電網的抗風險能力。由于DG的種類不同，使得原本復雜的配電網絡變得更加復雜，對原有線路的繼電保護造成了較大影響，導致線路原設定參數不能滿足線路運行的需求，而解決這個問題必須分析DG的運行方式。

1 DG接入對配電網繼電保護的影響分析

1.1 DG的種類與控制方式

DG的種類包括風能（直驅、雙饋）、光伏發(fā)電、燃料電池、蓄電池以及微型燃氣輪機等。能源轉換根據并網類型大致可分為3種：（1）采用電力電子裝置進行并網，如光伏發(fā)電和直驅的風力發(fā)電等；（2）采用同步機并網，如微型燃氣輪機等；（3）采用異步機并網，如風能。DG的控制方式大多采用PQ（恒功率）控制、下垂控制或恒壓恒頻控制。為了使電網系統(tǒng)的容錯率更高，要求電網系統(tǒng)具有一定的低電壓穿越能力[1]。

1.2 DG故障時的等效模型

通過克拉克-派克變換將DG并網部分（并網逆變器）的輸出進行解耦，實現對有功功率P和無功功率Q的獨立控制。

逆變器輸出的功率為：

其中UPCC為并網處的電壓，Id、Iq分別為并網電流的交軸分量和直軸分量?？刂撇⒕W逆變器的并網電壓是通過內環(huán)V/F控制方式，結構框圖如圖1所示。

圖1 逆變器的V/F控制結構框圖

Pm為PI環(huán)節(jié)的控制系數，表示為：

Pm與Ki是比例積分環(huán)節(jié)的比例系數與積分系數。為了保證系統(tǒng)的正常運行，需要對Pm進行限幅，范圍在[-1，1]之間。根據以上分析，可得DG故障時的模型：

EDG為DG出口處電壓的基波分量，IDG為發(fā)生故障時DG出口處的電流，Z為DG輸出端濾波器的等效阻抗。配電網發(fā)生故障時，DG進入低電壓穿越模式。國內沒有對該情況下DG的運行方式進行統(tǒng)一規(guī)定，這里采用德國的DG運行規(guī)定作為參考[2]：

式中Un為系統(tǒng)額定電壓，ΔU是故障時系統(tǒng)的電壓降，I*d_ref與I*q_ref分別為DG在系統(tǒng)故障條件下的有功和無功電流的指令，Kq為無功功率支持曲線的斜率，UPCC為并網處的電壓。在配電網發(fā)生故障過程中，并網電壓UPCC降低，DG只需要通過調節(jié)I*d_ref與I*q_ref對PWM輸出進行調整，從而實現在故障發(fā)生過程中輸出電流中無功電流占總電流比例上升，保證DG進入低電壓穿越模式。

1.3 DG接入對配電網的繼電保護的影響

DG的接入對配電網產生了較大影響，如網損的變化和電能質量的變化等，進而對配電網的繼電保護產生影響。這些變化與配電網的結構、DG的位置以及容量有關。下面對一個配電網模型進行分析，模型如圖2所示。

圖2 配電網模型

采用單電源輻射式供電方式。分析DG接入位置的影響，當DG接在母線上時，若d1點發(fā)生短路故障，此時的短路電流由電源和DG兩部分的短路電流組成，測得保護1處的電流小于故障電流；當短路達到應當切除的故障電流時，1處的保護可能還沒有達到整定值，這種現象稱為汲流現象，會導致保護1處的拒動和故障范圍擴大。DG的故障電流經過保護2，如果保護2處沒有安裝方向元件，DG容量較大的情況下可能會出現誤動作。d3發(fā)生故障時，測到保護3的電流值大于未安裝DG時的電流值，會導致其誤動作。

討論DG容量對繼電保護的影響。DG容量的大小直接影響配電網的穩(wěn)定運行，而DG容量較小有助于配電網的穩(wěn)定運行。在圖2所示的電路中，BC段發(fā)生故障時，假設各電源電壓大小相等并設E=1 p.u.，并假設系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)，系統(tǒng)電源阻抗為ZS=0.1 p.u.。DG不能為無窮大電源，其內阻為ZG=0.2 p.u.，各段線路阻抗取值1 p.u.。

當沒有DG接入時，保護2的整電流為：

式中krel為可靠系數，取1.2。

母線B處加入DG后，若BC線路末端發(fā)生三相短路，這時保護2測得的故障電流為：

DG的短路電流可用其次暫態(tài)阻抗來表示，取值為0.2 p.u.。取系統(tǒng)量SB為100 MVA，系統(tǒng)阻抗可表示為：

此時的故障電流為：

令I2=Iop，解得SDG≈8，即DG容量在8 MW附近時，保護2達到整定值。當DG的容量進一步增加時，保護距離將延長到下一段距離，線路原有的保護配合被打破。

2 自適應距離保護及其原理

2.1 距離保護原理

距離保護是通過阻抗繼電器測量被保護點的電流和電壓，計算阻抗與整定值進行比較，從而判斷故障點位置是否在保護區(qū)域內的一種保護方法。由于通過計算阻抗值進行判斷，因此該方法受系統(tǒng)運行方式的影響較小，并具有明顯的方向性。在眾多繼電保護方法中，距離保護比較適合采用參數自適應的方式[3]。

2.2 自適應距離保護中的附加阻抗

DG接入后會對線路的阻抗造成較大影響，本質是由于故障發(fā)生時DG提供的故障電流和系統(tǒng)提供的故障電流相位不同。實際發(fā)生故障時，保護點測量的線路阻抗有可能增大或減小，取決于DG提供的電流是超前還是滯后[4]。保護阻抗隨DG輸出功率的變化而變化，沒有一個固定值。隨著微機繼電保護的普及和電力通信網絡的不斷完善，能在配電網運行過程中修改繼電保護參數，使得自適應距離保護成為可能。通過實時計算線路運行狀態(tài)調整整定值，以滿足線路保護的要求。

圖2中CD段發(fā)生兩相短路時，系統(tǒng)的簡化電路如圖3所示。

圖3 CD發(fā)生兩相短路時的簡化電路

顯然有：

式中U2mA、U2mC為保護2測得的A、C相電壓值，I2mA、I2mC為保護點2測得的A、C相電流值IDGA、IDGC為DG提供的A、C相故障電流。短路阻抗可表示為：

式（14）表明加入DG后，短路阻抗由基本阻抗ZBC+Zf和附加阻抗兩部分組成。自適應距離保護就是要通過測量附加阻抗調整線路參數的整定值。

3 基于多邊形的自適應距離保護

多邊形的自適應距離保護比單一的距離保護有著更加優(yōu)異的特性，既可作為主保護，也可做為備用保護[5]。具體實施步驟如下：畫出測量阻抗、附加阻抗以及故障阻抗的向量圖，根據測量點電流和故障點電流之間的相位關系確定故障阻抗，在此基礎上構建距離保護的動作方程。

以一個三電源系統(tǒng)為例進行說明，電路如圖4所示。

圖4 三電源系統(tǒng)

線路AB段發(fā)生故障時，測得的電流和電壓為Im和Um，If為故障電流，Rg為過度電阻，a為故障點占AB總長的百分比，得：

同理，BC段發(fā)生故障時，在保護1處存在關系：

式中的If為故障電流，Rg為短路點處的過度電阻，α為故障到保護點距離占線路長度的百分比。BD段發(fā)生故障時，在保護1處測得的結果與BC段的結果相同。兩邊同時除以Im，即可得到測量阻抗Zm與各個阻抗之間的關系為：

這里定義附加阻抗ΔZ=If/Im*Rg。3個阻抗之間的關系如圖5所示。

圖5 3個阻抗之間的關系

為分析方便，定義故障阻抗和測量阻抗之間的夾角為φ1、故障阻抗和故障附加阻抗之間的補角φ2，故障附加阻抗和測量阻抗之間的夾角φ3。3個阻抗夾角與復平面三角形3個內角之間的關系如下：

φm、φf、φz分別為Zm、Zf以及ΔZ與實軸R的夾角。利用正弦定理和復數關系，可以求得故障阻抗Zf與測量阻抗Zm之間的關系為：

根據國家電力調度通信中心的數據，電力網中的設備主要為感性設備，阻抗角可近似到80°左右，各上下級線路的阻抗角近似相等，可認為：

附加阻抗角為故障處電流與測量電流的比值，存在以下關系：

自適應距離保護的保護判據定義如圖6所示。為了保證線路發(fā)生故障時，Zm能夠在四邊形判據內，α1、α2、α3、α4應當滿足一定條件。為了防止保護誤動，α1應設置一個裕度，一般為15°～30°；為了保證正向出口經過渡的電阻短路時保護原件能夠可靠動作，α2取15°；為防止多DG系統(tǒng)過渡電阻短路時，因端測量的故障附加阻抗比末端測量的小而導致保護誤動，α3一定要小于線路阻抗角，取α3=60°；為了防止保護末端短路時出現超越現象，α4設置為7°。

圖6 自適應距離保護判據

一象限動作方程：

二象限動作方程：

四象限動作方程：

4 結 論

文章總結DG的控制方式，分析DG的加入對配電網繼電保護的影響，指出DG對傳統(tǒng)繼電保護產生了附加阻抗，進而提出了一種自適應的多邊形距離保護方法。