分布式電源接入對配電網保護的影響

分布式電源接入對配電網保護的影響1.1傳統(tǒng)配電網保護配置簡介目前，我國的中低壓配電網大都是單側電源，輻射型的配電網絡，一般裝設三段式電流保護，同時起到主保護與后備保護的作用。幾乎所有10kV或者35kV饋線[68]都是從35kV至220kV變電站母線送出，大部分饋線都屬于直接向用戶供電的終端線路，只有部分10kV饋線通過其他變電所10kV母線轉供其他10kV終端線路，屬非終端線路。三段式電流保護包括無時限電流速斷保護、帶時限電流速斷保護和定時限過電流保護。其中，電流速斷保護(I段)按照躲過線路末端短路時流過保護的最大三相短路電流的方法整定，瞬時動作切除故障，不能保護線路全長；帶時限電流速斷保護(II段)按照躲過相鄰下一元件電流速斷保護的動作電流整定，能夠保護本線路全長；定時限過電流保護(III段)按照躲過線路最大負荷電流并與相鄰線路的過電流保護配合的方法整定，做相鄰線路保護的遠后備，能夠保護相鄰線路的全長。對于非終端線路，線路保護一般采用三段式電流保護與其它保護相配合；對于不存在與相鄰線路配合問題的終端線路，為簡化保護配置，大多采用電流速斷保護加過電流保護組成的二段式保護，再配以三相一次重合閘(前加速)的保護方式，對于非全電纜線路，配置三相一次重合閘，保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時，快速恢復供電。1.2分布式電源接入位置對配電網繼電保護影響理論分析DG一般通過10kV饋線接入配電系統(tǒng)，由于其容量小，在配網中接入位置不確定，我們分別在不同位置處接入DG，針對配電網中廣為配置的三段式電流保護，分析不同情況下DG對各電流保護及其動作行為的影響[69,70]。1.2.1分布式電源接在配電網饋線末端如圖4-1(a)所示，分布式電源接在饋線末端母線D上，饋線1變?yōu)殡p側電源供電線路，饋線2仍然可視為單側電源供電線路。假設參數：系統(tǒng)等值電動勢為，分布式電源等值電動勢為；系統(tǒng)阻抗為，分布式電源阻抗；變壓器等效阻抗為；AB、BC、CD和AE線路阻抗分別為~，、、和分別表示線路AB、BC、CD和AE的短路點距各自母線的距離占該段輸電線路的百分比，以上參數均取標幺值，等效電路如圖4-1(b)所示。(a)分布式電源接在配電網饋線末端(b)等效電路圖圖4-1分布式電源接在配電網饋線末端及等效電路圖Fig.4-1DGconnectedtotheendoffeederofdistributionnetworkandtheequivalentcircuitdiagram(1)點短路在點發(fā)生短路時，引入DG前后，保護1感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側提供，大小不變，因此保護1的動作行為不受DG影響，能夠準確動作切除保護范圍內的故障。同時，DG通過保護2，保護3向故障點提供短路電流，該短路電流有可能引起保護2，保護3的誤動作而使DG右側的系統(tǒng)形成孤島，這時要考慮DG的帶負荷能力和系統(tǒng)重合閘時的同期問題[71,72]。此時流過保護1，保護2，保護3的短路電流為：(4-1)(4-2)(2)點短路在點發(fā)生短路時，情況與點發(fā)生短路時類似，這里就不做具體分析了。(3)點短路在點發(fā)生短路時，在點發(fā)生短路時，保護3感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側提供，大小不變，因此保護3能夠正常動作于故障，但是保護3動作后，DG仍向故障點提供短路電流，使故障點電弧[73]不能熄滅，線路重合閘不成功，導致瞬時性故障的停電時間延長。因此，需要在線路CD靠近母線D側加設保護裝置和方向元件，構成方向性電流保護，并動作切除故障，使DG不再向故障點提供短路電流。此時流過保護1、2和3的短路電流為：(4-3)(4)點短路在點發(fā)生短路時，DG向短路點提供反向故障電流，流過保護1、2和3，有可能造成這三個保護的誤動作，失去選擇性，擴大故障范圍。同時，DG注入的短路電流對流過保護4的短路電流產生助增作用，有可能使保護4的保護范圍延伸到下一級線路，導致無法保證選擇性。此時流過保護1、2、3和4的短路電流可通過如圖4-2所示的計算等值圖求出，其中表示流過保護1、2和3的短路電流，表示流過系統(tǒng)側的短路電流，表示流過保護4的短路電流。圖4-2計算等值圖Fig.4-2Theequivalentdiagramofcalculation解得，流過保護1、2、3和4的短路電流為：(4-4)(4-5)其中：(4-6)(4-7)1.2.2分布式電源接在配電網饋線非末端母線上圖4-3分布式電源接在配電網饋線非末端母線上Fig.4-3DGconnectedtothenonterminalbusoffeederofdistributionnetwork(1)點短路在點發(fā)生短路時，保護1能動作切除故障，但由于DG的存在，該動作會引起DG右側的系統(tǒng)變?yōu)楣聧u運行，而由于母線B與故障點之間沒有保護裝置，分布式電源始終向故障點提供短路電流，使故障點電弧不能熄滅，線路重合閘不成功，導致瞬時性故障的停電時間延長。(2)點短路在點發(fā)生短路時，DG注入的短路電流對流過保護2的短路電流產生助增作用，有可能使保護2的保護范圍延伸到CD段線路上，將會與保護3失去配合，無法保證選擇性[74]。下面分析DG接入對保護1的影響。通過1.2.1中(4)的分析方法，可以得到如下公式：(4-8)(4-9)其中：(4-10)(4-11)由于DG對流過保護1的短路電流有汲流作用，而對流過保護3的短路電流有助增作用。DG短路電流的注入使保護1的保護范圍減小，降低其靈敏性，可能使保護拒動，嚴重情況下，保護1的限時電流速斷保護將不能作為下一級線路的后備保護。而流過保護2的短路電流增加，會使保護2的限時電流速斷保護范圍增大，可能與保護3的I段保護失去配合，無法保證選擇性。(3)點短路與前面1.2.1中(4)的情況類似，在此就不作詳細說明。1.2.3分布式電源接在配電網饋線始端圖4-4分布式電源接在配電網饋線始端Fig.4-4DGconnectedtothebeginningoffeederofdistributionnetwork分布式電源接在配電網饋線始端的母線上時，僅相當于增大了系統(tǒng)容量，盡管線路上發(fā)生故障時短路電流會增大，但由于分布式電源與系統(tǒng)相比容量仍然很小，因此，，故障時DG對各個保護的影響都很小。通過以上分析，總結起來，分布式電源對配網繼電保護的影響主要包括三方面：(1)分布式電源接入會降低保護的靈敏度。當DG下游發(fā)生故障時，由于分布式電源的汲流作用，使得流過DG所在線路保護的故障電流小于相同故障情況下未接入分布式電源時流過該保護的故障電流，因此減小了線路保護檢測到的故障電流值，降低了保護的靈敏度，可能造成保護拒動。(2)分布式電源接入造成上游保護誤動。當相鄰線路發(fā)生故障時，DG提供的短路電流流過上游保護，有可能造成保護誤動。因此，在保護裝置下游接有分布式電源時，在保護的上游發(fā)生故障時，都有故障電流流過保護裝置，而由于它沒有方向原件，一旦故障電流超過整定值，保護將動作而失去選擇性。(3)對保護范圍的影響。與不接分布式電源相比，對于同一故障點，分布式電源對下游保護提供助增電流，這將使得下游保護的保護范圍增大，影響保護的選擇性；而上游保護流過的故障電流減小，使得上游保護（線路的遠后備保護）的保護范圍減小，降低保護的靈敏度。1.3分布式電源接入容量對配電網繼電保護影響理論分析(a)故障發(fā)生在DG上游的配電網(b)系統(tǒng)等效圖圖4-5故障發(fā)生在DG上游的配電網及等效電路圖Fig.4-5ThefaultoccurredupstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram(1)當故障發(fā)生在DG上游時DG容量對保護的影響如圖4-5(a)所示，分布式電源DG接于母線C上，故障發(fā)生在處。假設系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護2的短路電流為：(4-12)如果DG沒有接入系統(tǒng)，則短路時保護2上沒有電流流過，保護2不會動作，而當DG接入后，流過保護2的短路電流會隨著容量的增加而增大，當容量增大到一定程度時，流過保護2的電流將超過其整定值，保護2將動作于跳閘。(2)當故障發(fā)生在DG下游時DG容量對保護的影響(a)故障發(fā)生在DG下游的配電網(b)系統(tǒng)等效圖圖4-6故障發(fā)生在DG下游的配電網及等效電路圖Fig.4-6ThefaultoccurreddownstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram如圖4-6(a)所示，分布式電源DG接于母線B上，故障發(fā)生在處。假設系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護2的短路電流與式(4-9)一致：(4-13)其中：(4-14)(4-15)從式(4-13)中可以看出，DG接入容量對系統(tǒng)的故障電流有顯著影響。隨著的增大而不斷增大，雖然流過保護1的電流會因為DG支路的分流而減小，但其減小的幅度不會超過增大的幅度，因此流經保護2的故障電流也隨之不斷增大，保護2的靈敏性增加，但是保護2的限時電流速斷保護范圍增大，可能與保護3的I段保護失去配合，無法保證選擇性。1.4分布式電源接入對自動重合閘的影響1.1.1自動重合閘保護運行經驗表明，在電力系統(tǒng)故障中，輸電線路(尤其是架空線路)的故障占絕大部分，自動重合閘保護[75]廣泛的應用于架空線輸電和架空線供電線路上的有效反事故措施(電纜輸、供電不能采用)。當出現故障時，繼電保護使斷路器跳閘，自動重合閘裝置經過短時間間隔后使斷路器重新合上。大多數情況下，線路故障(如雷擊、風害等)都是暫時性的，斷路器跳閘后線路的絕緣性能(絕緣子和空氣間隙)能夠得到恢復，再次重合能成功，這就提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性。少數情況屬于永久性故障，自動重合閘裝置動作后靠繼電保護動作再跳開，查明原因，予以排除再送電[76]。傳統(tǒng)配電網繼電保護，一般是以單側電源配電網為基礎設計的，其潮流從電源到用戶都是單向流動，系統(tǒng)保護的設計通常在變電站線路處安裝傳統(tǒng)的三段式電流保護，主饋線上裝設自動重合閘裝置，保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時，快速恢復供電，提高系統(tǒng)供電的可靠性[36]。繼電保護與重合閘配合時，一般采用重合閘前加速和重合閘后加速保護兩種方式，以便能夠盡量利用重合閘所提供的條件以加速切除故障。重合閘前加速重合閘前加速保護方式一般用于具有幾段串聯(lián)的輻射形線路中，重合閘裝置僅裝在靠近電源的一段線路上。當線路發(fā)生故障時，靠近電源側的保護首先無選擇性地瞬時動作于跳閘，然后利用重合閘來糾正這種非選擇性的動作[77]。其缺點是：需要較長的時間來切除永久性故障，裝有重合閘裝置的斷路器動作次數較多，一旦斷路器或重合閘拒動，將擴大停電范圍。

重合閘前加速保護方式一般適用于35kV以下由發(fā)電廠或主要變電站引出的直配線上，以便快速切除故障，保證母線電壓。在這些線路上一般只裝設簡單的電流保護。(2)重合閘后加速當被保護線路發(fā)生故障時，保護裝置有選擇性地將故障線路切除，與此同時重合閘動作，重合一次，若重合于永久性故障，保護裝置立即以不帶時限、無選擇性地動作再次斷開斷路器，這種保護裝置叫做重合閘后加速，一般多加一塊中間繼電器即可實現。其缺點是：被保護的各條線路都需要裝設一套自動重合閘裝置，與前加速相比較為復雜；另外第一次切除故障可能帶有延時，在同期重合閘中不能采用重合閘后加速保護的方式。在重要的高壓電網中，一般不允許無選擇性的動作后用重合閘來糾正(即重合閘前加速的方式)，因此，自動重合閘后加速的配合方式廣泛用于35kV以上的網絡及對重要負荷供電的送電線路上，在這些線路上一般都裝有性能比較完善的保護裝置[78]。1.1.2分布式電源對自動重合閘的影響如圖4-7所示，在保護1，4處裝設前加速自動重合閘裝置。圖4-7含DG的配電網Fig.4-7DistributionnetworkwithDG當處發(fā)生瞬時性故障時，保護1將瞬時動作切除故障并重合，但由于分布式電源的接入，DG會向故障點提供故障電流，使得電弧不能立刻熄滅，導致保護1前加速裝置重合不成功[79-83]，原本的瞬時性故障變成了永久性故障，擴大了停電范圍。同樣，當處發(fā)生瞬時性故障時，前加速重合閘裝置立即跳開，但由于DG會向故障點繼續(xù)提供故障電流，從而導致重合閘不成功。為了避免前加速重合閘重合失敗，我們可以在線路AB靠近母線B處裝設保護裝置，當發(fā)生故障時，線路AB兩側保護均動作，保證了故障的可靠切除，但此時DG將會與右側形成孤島，電力孤島與電網很可能處于不同步狀態(tài)，此時，我們需要考慮的是如何防止非同期的問題。當處發(fā)生瞬時性故障時，保護4將瞬時動作并重合成功，但由于分布式電源的接入，保護1感受到DG提供的反向電流，有可能會引起保護1的誤動作，而在保護1處也裝設了前加速重合閘裝置，則會引起保護1自動重合閘裝置的誤操作。所以需要考慮在分布式電源上游的各保護加設方向元件，以此來判斷分布式電源的反供電流。1.5仿真計算應用MATLAB/SIMULINK軟件對圖4-8所示的含分布式電源的配電網進行仿真，饋線末端為負荷。設系統(tǒng)等效電源基準電壓為10.5kV，系統(tǒng)最大運行方式和最小運行方式下的系統(tǒng)阻抗值為：，；線路包采用常用的架空線路，單位線路參數，，AB，BC，CD，DE，AF，FG分別為3km，5km，6km，10km，6km，8km的架空線路；變壓器T的容量為100MVA，變比為10kV/690V，短路電壓百分比為，分布式電源DG出口電壓為690V；末端負荷均為。為便于分析，將短路點、和點取為線路末端，對于架空線路，一般裝設三段式電流保護和前加速自動重合閘裝置。圖4-8含分布式電源的配電網模型圖Fig.4-8ThemodelofdistributionnetworkwithDG結合單位線路參數，可以得出各段線路的參數表，如表4-1所示。表4-1模型參數阻抗表Table4-1Thetableofimpedanceofmodelparameters線路阻抗值(Ω)線路阻抗值(Ω)AB0.81+j1.041DE3.885+j1.395BC0.81+j1.041AF1.35+j1.735CD1.813+j0.651FG2.072+j0.744先考慮無分布式電源的情況。對于三相短路故障，計算系統(tǒng)最大運行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時的故障電流，如表4-2所示。表4-2系統(tǒng)最大運行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時的故障電流Table4-2Thefaultcurrentofthree-phasefaultoccurredattheendofeachsegmentlineswhensystemhasamaximumoperatingmode線路故障電流(kA)線路故障電流(kA)AB1.5627DE0.5176BC1.8692AF2.1602CD1.0586FG1.2859保護的速斷保護整定值按最大運行方式下線路末端短路時流過保護安裝處的最大短路電流來整定，即(4-16)式中，取1.2。由于電流保護保護范圍隨系統(tǒng)運行方式的變化而變化，按系統(tǒng)最小運行方式下兩相短路來校驗保護范圍，則可得出各處保護電流速斷保護整定值及保護范圍，如表4-3所示。電流速斷保護裝置最小保護范圍為(4-17)(4-18)式中，—系統(tǒng)相電動勢；—線路單位長度阻抗，；—保護的無時限電流速斷保護的動作電流；—被保護線路的長度；—最小保護段范圍的百分值。表4-3配電網電流速斷保護整定值Table4-3Thetripcurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetwork保護速斷保護整定值(kA)保護范圍15.47563%22.24340%31.2747%42.59239%限時電流速斷保護按照躲過相鄰下一元件電流速斷保護的動作電流整定，即(4-19)式中，為下一段線路保護的速斷整定值，取1.1。為了能夠保護線路的全長，帶時限電流速斷保護必須在系統(tǒng)最小運行方式下線路末端發(fā)生兩相短路時具有足夠的反應能力靈敏度。配電網限時電流速斷保護整定值及靈敏度如表4-4所示。帶時限電流速斷保護的最小靈敏系數為(4-20)式中，—被保護線路末端在最小運行方式下，發(fā)生兩相短路時，流過保護裝置的最小短路電流；—保護的帶時限電流速斷保護的動作電流。表4-4配電網限時電流速斷保護整定值及靈敏度Table4-4Thetimedelayinstantaneousovercurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetworkandsensitivity保護限時電流速斷整定值(kA)保護末端兩相短路故障電流(kA)靈敏度12.4672.9521.2021.3971.7111.2230.6830.9451.3841.6972.0631.22由上述分析可以看出，在未接入分布式電源的情況下，算例模型進行的保護配置能夠滿足對保護選擇性和靈敏性的要求。下面考慮分布式電源容量不同、短路點位置不同時對配電網繼電保護的影響。(1)(AB末端)發(fā)生三相短路母線C處接入分布式電源DG后，在處發(fā)生三相短路時的電流幅值如下表4-5所示。在處發(fā)生三相短路故障時，DG注入的短路電流反向流過保護2，會對其動作產生影響。由表4-5的仿真數據可知，DG注入的短路電流對流過保護1的短路電流沒有影響，保護1不會動作，而在時，DG提供的短路電流不足以使保護2動作；當，保護2的限時電流速斷動作()，在短路時如果DG不能及時切除，經延時后，保護2的II段會延時動作，將故障線路切除，DG與右側形成孤島，會繼續(xù)向負荷供電。表4-5發(fā)生三相短路時的電流Table4-5Thecurrentwhenhappensthree-phaseshortcircuitSDG/MWI1/kAI2/kAI3/kAIdg/kA01.5800051.580.1210.0030.124101.580.3750.0080.381301.580.8260.0170.83續(xù)表4-5501.581.1480.0281.1551.25761.581.3970.0311.431701.581.4230.0421.51801.581.6020.0641.73(2)(CD末端)發(fā)生三相短路母線C處接入分布式電源DG后，在處發(fā)生三相短路時的電流幅值如下表4-6所示。在處發(fā)生三相短路故障時，由1.2節(jié)可知，DG注入的短路電流會對流過保護2的電流產生汲流作用，減小其保護范圍，保護2的I段不會誤動作；對流過保護3的電流產生助增作用，增加其保護范圍，無法保證選擇性。由表4-6的仿真結果可以看出，當DG容量從0~