含分布式電源的配電網故障快速識別及RTDS仿真

汪劍波， 李志超， 程序， 楊宏偉， 錢葉牛

(國網北京市電力公司， 北京 100031)

0 引言

為了確保繼電保護具備良好保護功能，通常要求能夠滿足以下性能：第一，要滿足選擇性要求，遇到電力供應系統故障問題時，可以通過保護結構使故障部件和系統發生分離，有效控制故障影響范圍，達到整體電網的穩定性[1-3]；第二，要滿足速動性要求，可以對故障進行快速分離，盡量減小故障部分的損害，使沒有發生故障的部分能夠保持正常運行狀態，增加低電壓運行時間；第三，要滿足靈敏性要求，可以及時反饋各類異常系統運行狀態與各類故障信息[4]；第四，要滿足可靠性要求，當處于保護器件控制區域中發生故障問題時，應及時執行保護動作，而處于保護器件控制范圍外的異常情況能夠保持不動作的穩定狀態，由此達到良好的系統可靠性，但也需注意并不能同時提升這兩種情況的可靠性[5-9]。

對于上述4種系統保護要求而言，既存在對立的情況，也需要統一分析各項保護功能。以上各項要求依次對應于計算過程的定值、時間和靈敏度[10-11]。與輸電網相比，配電網的一個明顯特點是具有單端供電結構，將功率輸送至用戶端，因此為配電網構建繼電保護方案時需要建立在單端供電網絡基礎上[12-13]?，F階段，國內構建的中低壓配電網都是使用單端電源網絡類型。三段型電流保護模式已經成為配電網保護的重要模式。對于大部分非終端線路來說，基本都是綜合運用三段保護和其它保護相結合的模式。如果遇到不需要跟其它線路進行配合的終端供電線路時，應同時選擇電流I段與過電流保護的方式得到簡單的二段式保護結構[14-15]。由于電纜線路發生的故障通常具有永久性特征，在這種情況下不必設置自動合閘的結構。

1 三段過流保護原理

單側電源供電系統線路作為分析對象，如圖1所示。

圖1 單側電源供電系統線路

(1) 整定電流I段保護參數

當AB饋線發生故障時，保護結構2應能快速完成各項瞬時操作。當BC饋線發生故障時，保護結構1需快速完成操作?？紤]到F1與F2部位出現短路故障的情況下，在保護結構2中將會產生相同故障電流。因此，為提高選擇性，在F1出現短路問題時，結構2運行電流I段，當發生F2故障時保持原有狀態。對保護2進行電流I段進行短路電流整定計算，如式(1)。

(1)

通?？梢愿鶕Ｗo區域覆蓋范圍來評估電流I段所保護的饋線對短路故障達到的反應效率，同時根據保護區域與線路長度之間的比值α來評價靈敏程度?？紤]到電流I段處于系統最小運行狀態下對短路電流的保護長度最小，因此可以選擇系統最小運行狀態對應的兩相短路參數來評價保護區域。

(2) 整定電流II段保護參數

采用電流模式來切斷沒有位于饋線電流I段保護區域以內的短路故障，并將II段保護設置成I段保護的后續備份方案，同時設置了合適的動作時限來有效配合電流I段的保護過程。利用以下參數來評價電流II段的整定值，如式(2)。

(2)

(3) 整定電流III段保護參數

要求保護設備在啟動階段產生的電流整定值應至少達到限流最大電流值，確保保護結構在正常運行過程中不會發生過電流保護的情況。可以利用下式來計算啟動電流，如式(3)。

(3)

由于電流III段屬于遠后備保護部分，因此需能夠在各個動作時限條件下都能夠進行聯合運作。利用式(2)—式(4)來校驗系統靈敏性，同時利用靈敏性參數來為工作提供協作。

2 仿真分析

2.1 構建仿真模型

在數字仿真測試系統上通過故障識別算法對35 kV配電網的故障情況進行了測試。在案例1的配電網中存在3個節點，其工作頻率等于50 Hz，采用架空狀態的輸電線，下圖給出了該網絡的具體拓撲形式。其中，大電網以發電機a作為分析模型，再把發電機L作為由分布電源構成的微電網模型，如圖2所示。

圖2 配電網系統

F1與F2二個故障依次出現于AB與BL二個線路的中間部位。組成此配電網的各項參數，同時評價了各功率流動狀態下的實際應用過程，如表1所示。

表1 配電網系統的各項參數

2.2 仿真結果分析

考慮到A與L二個發電機在初始相位方面存在較大差異，從而引起功率流向的變化。對各初始相位狀態進行故障分析得到的數據，如表2所示。

其中，Ag代表A相出現了單相接地問題，AB代表A跟B之間發生相間短路，ABg代表A、B相存在接地短路問題，ABCg代表A相、B相、C相都出現了接地故障。

給出了相位差為50°的條件下通過RTDS測試得到的電流與相位變化結果。根據表2給出的仿真測試參數可知，本文設計的故障識別算法能夠精確測定雙側電源線路，此時不需要利用方向元件來判斷故障發生的方向，可以有效防止線路潮流方向產生的影響，采用本文算法可以實現對故障的精確測定。

在出現反向故障的情況下通過繼電器Rbl測試獲得的相位以及電流曲線，如圖3所示。

(a) 反向故障判斷圖

對故障進行判斷的結果，紅線表示故障情況，藍線表示故障的方向。A線路出現單相接地問題的情況下，通過繼電器Rbl測試得到的電流以及相位曲線。對應于A相與B相出現接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試形成的電流以及相位曲線。在A相、B相、C相都出現接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試得到的電流與相位曲線。

3 總結

1) 以單側電源供電系統線路作為分析對象開展了三段過流保護原理分析，設計了基于整定電流段保護參數的含分布式電源的配電網故障快速識別方法，并在RTDS平臺展開了仿真分析。

2) 本文設計的故障識別算法能夠精確測定雙側電源線路，不需要利用方向元件來判斷故障發生的方向，可以有效防止線路潮流方向產生的影響。在A相、B相、C相都出現接地故障的情況下通過繼電器Rbl測試得到的電流與相位曲線，采用本文算法可以實現對故障的精確測定。