基于分布式電源的含新能源配電網自適應保護方法

王歸新，郭 藝，童世成

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

引言

分布式電源(DG)的接入可以對傳統(tǒng)配電網提供良好的支撐，有利于提高能源利用率，降低傳統(tǒng)配電網電力系統(tǒng)冗余限制，減少經濟損失。但隨著配電系統(tǒng)中分布式電源滲透率的不斷提高，原有配電網結構由單電源供電轉變?yōu)槎嚯娫垂╇姡淖兞藗鹘y(tǒng)配電網中的保護靈敏度，甚至造成保護誤動、拒動[1]。因此，在已有的自適應保護原理基礎上，需要提出新的保護方案，以保證DG接入配電網后，電力系統(tǒng)中的保護可靠動作。

1 自適應電流速斷保護方法

1.1 傳統(tǒng)自適應電流速斷保護原理

自適應保護是根據(jù)系統(tǒng)當前運行模式和故障類型實時地做出保護動作或調整整定值。傳統(tǒng)自適應電流速斷保護定值主要有以下幾個步驟：（1）判定等效電勢；（2）采集數(shù)據(jù)；（3）判斷系統(tǒng)當前運行狀態(tài)和故障類型；（4）根據(jù)阻抗和電勢計算整定值[2-5]。自適應電流速斷保護為克服傳統(tǒng)電流速斷保護的缺點，其保護整定值隨電力系統(tǒng)當前實際的運行方式和故障狀態(tài)而實時自動地改變[6],在各種故障情況下自適應電流速斷的保護范圍均大于傳統(tǒng)電流速斷的保護范圍，可以保證該保護對發(fā)生的各種故障都能提供足夠的保護范圍，降低傳統(tǒng)電流速斷保護造成誤動拒動的風險。

2 基于含新能源配電網自適應保護方案

根據(jù)如圖1所示的含新能源配電網典型結構，提出的自適應繼電保護整定可以自動調節(jié)定值[6]，使保護在兩相短路與三相短路時的靈敏度大致相等，避免因故障類型、系統(tǒng)運行方式等問題造成的保護范圍縮減甚至無保護范圍的問題，能夠更有效地處理故障信息，加強電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在整定保護計算方面，根據(jù)不同故障位置對原有配電網保護帶來的影響，并且根據(jù)分布式電源正序電壓的特點[7-9]，對含有新能源配電網提出一套完整的保護方案。

圖1 含新能源配電網典型結構

2.1 DG上游整定保護方法

當DG上游發(fā)生短路故障，則流經故障點處的電流由系統(tǒng)ES和分布式電源DG共同提供，上游系統(tǒng)與分布式電源之間形成雙電源網絡。如圖2所示，需要先區(qū)分背側有無DG的情況，即分別對QF1、QF2開展保護分析。

圖2 DG上游發(fā)生短路故障

2.1.1 有DG接入的上游保護方法

（a）兩相短路

在含新能源配電網中F處發(fā)生兩相短路故障，復合序網簡化圖如圖3所示。

圖3 復合序網簡化圖

根據(jù)電路知識，可得到：

式中，UQF2為正序電壓；IQF2為正序電流；α為故障點在線路MN的占比，范圍0～1。

一般情況下，考慮到選擇性，仿真時α取1，則保護QF2處的新的整定方式為：

（b）三相短路

為了滿足選擇性，可得到三相短路電流整定值為：

2.1.2 無DG接入的上游保護方法

如圖2所示，此時DG提供的電流不流經QF1，故可按照傳統(tǒng)自適應電流速斷保護整定方案。

2.2 DG下游整定保護方法

當DG下游發(fā)生短路故障，則流經故障點處的電流由系統(tǒng)ES和分布式電源DG共同提供。如圖4所示，I1為系統(tǒng)向故障點提供的短路電流，I2為DG向故障點提供的短路電流，If為故障點電流。

圖4 DG下游發(fā)生短路故障

根據(jù)電路原理，可得到保護3處整定值為：

由式（4）整定可知，故障點發(fā)生在DG下游，不考慮背側等效阻抗和電勢的問題，只需考慮最大運行方式系統(tǒng)等效阻抗ZSmin和最小運行方式下系統(tǒng)等效阻抗ZSmax等因素。

2.3 相鄰饋線整定保護方法

如圖5所示相鄰饋線處發(fā)生短路故障時，根據(jù)DG正序電壓的特性，仍可從兩相短路、三相短路分析。

圖5 相鄰饋線發(fā)生短路故障

（1）兩相短路

當系統(tǒng)中F處發(fā)生故障，其復合序網簡化圖如圖6所示。

圖6 復合序網簡化圖

根據(jù)電路知識，可得到：

式中，UQF1為正序電壓，IQF1為正序電流；α為故障點在線路MN的占比，范圍0～1。

一般情況下，考慮到選擇性，仿真時α取1，則保護QF1處的新的整定方式為：

（2）三相短路

當系統(tǒng)中F處發(fā)生故障，可得到三相短路電流整定值為：

3 仿真驗證

圖7為某含有新能源結構的配電網系統(tǒng)，利用PSCAD軟件，結合上述保護方案，搭建含自適應保護的仿真模型，如圖8所示。除了在不同位置加入了自適應保護裝置，并且在母線BC末端加裝了斷路器BRK2_2，作為背側有DG研究，驗證方案的可行性。

圖7 某配網系統(tǒng)含新能源結構圖

圖8 含自適應保護的仿真模型

參數(shù)設置：系統(tǒng)基準電壓為ES=10.5 kV，連接到配電網的電壓等級為10 kV，系統(tǒng)最大運行方式下的電源電阻為Rmin=0.105，電源感抗為Lmin=0.001 96 H；系統(tǒng)最小運行方式下的電源電阻為Rmax=0.418，電源感抗為Lmax=0.007 52 H。AB、BC、CD、AE、EF均為8 km架空線路，架空線路單位長度的正負序電阻分別為R1=0.107 Ω/km，R0=0.23 Ω/km；單位長度的正負序電感分別為L1=1.21 mH/km，L0=5.478 mH/km；單位長度的正負序電容分別為C1=0.009 6 μF/km，C0=0.008 μF/km。通常情況下，我國配電網饋線流經的電流不超過200 A，以此電流檢驗配網所接負載是否達到標準。在建模時，采取固定功率的負載模型用以等效代替負荷：有功功率2 MW，無功功率為0.4 MW。仿真設置：DG輸出2 MW，仿真運行1 s，在仿真運行的0.7 s時，發(fā)生故障，故障持續(xù)時間0.3 s。

3.1 DG上游保護仿真驗證

設置F1點BC兩相短路故障，上游仿真結果如圖9～圖11所示。由圖9～圖10可知，在設定的0.7 s后發(fā)生兩相短路故障，短路電流增大，檢測到的電流超過保護1整定值，所以保護1可靠動作。加入上游保護后，發(fā)生故障后保護2也隨之調整，但由于故障前整定值偏大，故障后迅速調整保護范圍。由圖11可知，發(fā)生故障后保護2_2整定值迅速調整，由于保護2_2屬于背側有DG接入，由分布式電源產生的電流沖擊更加直接，所以需要一定時間調整。綜上所述，BRK1可靠動作，切除故障，BRK2和BRK2_2不動作。加入自適應保護方案后，保護2和保護2_2整定值能隨故障電流而迅速調整，提高靈敏度。

圖9 保護1的整定值和檢測到的電流

圖10 保護2（背側無DG）的整定值和檢測到的電流

圖11 保護2_2（背側有DG）的整定值和檢測到的電流

設置F1點ABC三相短路故障，仿真結果如圖12～14所示。分析仿真結果可得，保護1檢測到超出整定值的故障電流，BRK1動作，切除故障。BRK2和BRK2_2不動作。保護2和保護2_2根據(jù)自適應保護方案，整定值能隨故障電流迅速調整，提高靈敏度。

圖12 保護1的整定值和檢測到的電流

圖13 保護2（背側無DG）的整定值和檢測到的電流

圖14 保護2_2（背側有DG）的整定值和檢測到的電流

3.2 DG下游保護仿真驗證

設置F3點BC兩相短路故障，下游仿真結果如圖15。設置F3點故障ABC三相短路故障，下游仿真結果如圖16。F3故障點發(fā)生短路故障，由圖15和圖16可知，保護3檢測到的短路電流迅速增大，超出整定值的故障電流。可見，下游故障發(fā)生后，BRK3保護可靠動作，切除故障。

圖15 保護3的整定值和檢測到的電流

圖16 保護3的整定值和檢測到的電流

3.3 相鄰饋線保護仿真驗證

3.3.1 故障點設置在F4

設置F4點BC兩相短路故障，相鄰饋線仿真結果如圖17和圖18所示。設置F4點ABC三相短路故障，相鄰饋線仿真結果如圖19和圖20所示。

圖17 保護4的整定值和檢測到的電流

圖18 保護5的整定值和檢測到的電流

圖19 保護4的整定值和檢測到的電流

圖20 保護5的整定值和檢測到的電流

F4故障點發(fā)生短路故障，保護4檢測到的短路電流迅速增大，超出整定值的故障電流；保護5的整定值隨故障電流變化，靈敏度提高。可見，F(xiàn)4點故障時，BRK4可以可靠切除故障。

4 結論

在分析傳統(tǒng)自適應電流速斷保護存在的問題后，提出基于含新能源配電網的自適應電流速斷保護方案，當不同位置發(fā)生故障時，分析各種故障情況下保護的動作特性，通過理論推導與仿真驗證，證明了自適應電流保護的有效性與可靠性。自適應電流速斷保護在整定時可以自動調節(jié)整定值且其保護范圍不隨不同故障類型而改變，保證了各保護對發(fā)生的各種故障都能提供足夠的保護范圍的要求，具有一定的實用性。