传统继电保护对含分布式电源的配电网适应性分析及对策

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013  N‐173 传统继电保护对含分布式电源的配电网适应性分析及对策马志宾1，宋国兵21西安交通大学电气工程学院2西安交通大学电气工程学院Email:[e-mail]摘要：传统配电网里配置的是阶段式的电流保护，以单方向工频电流的增大作为保护动作的判据。随着越来越多的分布式电源（DG）接入配电网，使原配电网潮流不再是单方向的；DG单元出力的随机性和投切的不确定性造成含DG配电网运行方式多变；故障后DG输出的电流波形杂乱无章，电流幅值不超过额定值的2-3倍。DG的这些特征并不能与原配电网的保护动作依据相符，原配电网里保护配置能否正确动作值得研究，因此本文结合原配电网的保护动作依据分析原配电网保护配置在分布式电源配电网的适应性，并结合当今电网已有技术以及未来可能的发展趋势对保护配置提出了相应的解决对策。关键词: 分布式电源；配电网；随机性；电流保护 TheadapabilityandcountermeasuresofrelaysondistributionnetworkincorporatedwithdistributedpowerMaZhibin1,SongGuobing21SchoolofElectricEngineering，Xi’anJiaotongUniversity2SchoolofElectricEngineering，Xi’anJiaotongUniversityEmail:[e-mail]:Thetraditionalstagetypecurrentrelayprotectionwhatiswidelyusedindistributionnetwork,regardstheincreaseofpowerfrequencycurrentinsingledirectionasthecriterionofprotectionaction.Theflowofdistributionnetworkisnolongerinsingledirectionwiththeacessofmoreandmoredistributedgeneration(DG);TherandomnessofEmittedpowerofDGunitanduncertaintyofDG’sswitchingmakeoperationmodeofdistributionnetworkvariable;ThecurrentwaveformofDGisdisorderedandthecurrentamplitudeisnotmorethantwoorthreetimesoftheratedvaluewhenfaultoccurs.Thesecharacteristicsarenotconsisitentwiththecriterionofprotectionactionofdistributionnetwork,andwhetherthetraditionalcurrentrelayprotectioncorrectlyactionisworthin-deepstudying.SothispaperanalyzestheadapabilityoftheoriginalrelayprotectionindistributionnetworkwithDGconsideringthecriterionofprotectionactionintraditionaldistributionnetwork,proposesthecountermeasuresconsideringtheexistingtechlogyandthefuturedevelopmenttrendinthegrid.Keywords：distributedgeneration；distributionnetwork；randomness；currentprotection1引言随着环境问题和能源危机的日益突出，新能源及其控制技术的不断发展完善，配电系统中分布式发电的容量不断增加[1]。分布式电源接入配电系统后，可以更有效地利用清洁能源，减少输配电设备的建设投入，同时可以提高供电可靠性。然而分布式发电具有和火电厂、水电厂、核电站等传统发电厂不同的发电特点，而且其接入点为多为中低压配电网。我国的中低压配电网主要为不接地、单侧电源、辐射型供电的供电网络。分布式电源的引入使配电系统从单电源辐射网络变为双端或多端有源网络，对原有配电系统的运行控制及其供电可靠性会造成影响，其中继电保护是分布式发电接入配电网的重要技术问题[2],这引起了相关电力工作者和研究人员的广泛关注。传统配电网一般只有单一电源供电，采用辐射状运行，潮流方向固定，发生故障时短路电流的方向也基本确定，保护方案相对简单，从经济性角度考虑，保护的配置也相对简单，一般配电线路主要配置常规的三段式的电流保护。然而随着配电网中分布式电源的接入，配电网的拓扑结构发生了根本性的变化，变成双端或者多端网络。而且随着分布式电源的的种类、数量以及容量的变化，电网潮流流动也就不是单一方向的，会随着分布式电源运行方式的切换而发生相应的改变。发生故障时，短路电流的方向，大小也不能确定；另外基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB215105）中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013  N‐173 像光、风电等分布式电源为电力电子器件接口，故障后的电流波形杂乱无章，电流的幅值一般不超过额定值的2-3倍。因此原配电网里反映单方向工频电流增大的保护判据可能不再适用，新的保护原理亟需研究。针对DG接入配电网后继电保护出现的种种问题，许多专家学者对传统继电保护的适应性进行了研究和分析，提出了各种各样的对策。文献[3]和文献[5]从不同位置、不同容量的DG接入配电网出发，分析了传统继电保护的适用性，但并没有考虑DG接入后保护会重新整定的因素。文献[7]提出通过合适的选择DG的准入容量和接入点位置，来保证不影响传统继电保护的选择性和灵敏性，但控制接入点位置和接入容量不符合DG厂商的利益，也和接入DG最初的目的相违背；文献[4]提出的快速电流保护方案，仅仅是对过电流保护方案的改进，并不能作为主保护；文献[9]提出了在原有保护配置的基础上加装方向元件，这也是大多说的改进思路，但需要通信单元做支撑，并且没有考虑DG出力的随机性会导致方向元件的动作性能下降的因素；文献[10]提出的自适应保护原理仅仅分析了三相故障时的情况，且没有考虑电力电子器件接口的DG的故障特点；文献[11]提出的自适应电流保护是建立在故障后DG输出的有功P、无功Q恒定的前提下的，而发生严重故障时，电流幅值达到极限值，DG输出的PQ并不能恒定，因此适用性也大大受限。本文针对原配电网里反映单方向工频电流增大的保护判据，并结合DG自身的特点，提出了含DG的配电网保护的新对策。2配电网的结构及保护的配置由于传统的配电网大都是单电源辐射状结构，潮流方向固定，发生故障时短路电流的方向也基本确定，保护方案相对简单，从经济性角度考虑，保护的配置也相对简单。目前国内配电网继电保护主要有以下两种配置方案[5]：1)采用传统三段式电流保护方案。即：瞬时电流速断保护、定时限电流速断保护和过电流保护。其中，电流速断保护按照躲过本线路末端短路时流过保护的最大短路电流整定，瞬时动作切除故障，但不能保护线路全长；定时限电流速断保护按照本线路末端故障时有足够灵敏度并与相邻线路的瞬时电流保护配合的原则整定，能保护本线路全长；过电流保护按照躲过本线路最大负荷电流并与相邻线路过电流保护配合的原则整定，能保护本线路及相邻线路的全长。此外，对于不需要与相邻线路配合的终端线路，电流速断保护按照本线路末端短路有足够灵敏度的原则整定，能保护线路全长。使用三段组成的阶段式电流保护，配置简单，性能可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切出故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的中低压配网中获得广泛的应用，但阶段式的电流保护受电网运行方式变化的影响。2)反时限的过电流保护方案。反时限过电流保护是保护动作时限与被保护线路中短路电流大小相关的一种保护，短路电流越大，保护的动作时限越短，即近处故障时保护动作时限短，稍远处故障时保护动作时限较短，而远处故障时动作时限较长，该保护可以同时满足速动性和选择性的要求，但反时限过电流保护的整定配合比较复杂，以及在最小运行方式下短路时，其动作时限可能会比较长，它主要用于单测电源供电的终端线路和较小容量的电动机上。3）配电网故障中绝大多数为瞬时性故障，因此对非全电缆线路，一般都配置三相一次自动重合闸装置，以保证线路在发生瞬时性故障后能快速恢复供电；对于不存在与相邻线路配合问题的终端线路,为简化保护配置，一般采用瞬时电流速断保护加过电流保护组成的二段式保护，再配以三相一次重合闸(前加速)的保护方式，其中电流速断保护按照线路末端故障有灵敏度的方法整定,能够保护全线。3配电网保护的特点及分布式电源的特点3.1配网保护特点考虑到配电网单一辐射状的结构，配点网配置简单的电流保护，保护动作判据反应的是单一方向工频电流的增大，上下级保护通过阶段式的时限配合来保证正确可靠动作。3.2分布式电源特点1）分布式的风电、光伏发电等新能源电源的建厂选址与当地的风、光照等自然条件的强弱息息相关，所以DG的接入位置常常是不能保证与配电网的常规电源在同一侧，这样就改变了配电网单一辐射状的结构，此时电流就不再单一方向；另外风、光等自然资源的出力程度决于天气状况的好坏，所以说这些新能源电源出力是随机、波动的，并且DG单元会不确定地投入以及切除，这样DG接入配电网后造成运行方式随机多变且也会影响到潮流的方向。2）风电、光伏发电等新能源电源在正常稳态运行时的电气量是工频的，考虑到新能源电源大多是电力电子器件接口，故障后的电气量杂乱无章并且会有大量的谐波产生，工频电气量的准确获取会是一个难题，而且工频量不是实际存在的而是通过控制作用获得的，因此提取的工频量能否使用也值得商榷。3）分布式电源大多是通过整流以及逆变装置接入电网，故障时的电流受限于电力电子器件的热稳定要中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013  N‐173 求而不能超过额定电流的2-3倍，这样DG接入配电网后，如果仍按传统电流保护整定，保护的灵敏度将大大降低；另外考虑到DG与常规同步机电源不一样的特点，DG接入时与大电网之间制定了相应的规则和标准，比如风电、光伏并网时的低电压穿越标准，规定并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力，这也仅仅保证了限时电流速断保护的正确动作，对时限更长的过电流保护可能将会因DG的脱网而使电流变小导致过电流保护拒动，并且很多风电场并没有做低电压穿越的实验测试，甚至可能在故障瞬间为了保全自己就跳闸脱网，对原电流保护配置的影响没办法进行确定性的分析。4传统继电保护配置对含分布式电源的配电网的适应性分析  图1.DG接入对配电网保护及重合闸的影响4.1传统继电保护的适应性分析1）不考虑DG的接入，原配电网保护不做变化：如图1所示，分布式电源DG接入配电系统。当DG上游线路BC段发生故障时，2处保护正确动作，但此时DG仍旧向故障点提供持续的电弧，故障仍旧没有被隔离；下游CE段故障时，因为DG的接入使得流过1、2出的故障电流变小使得灵敏度变小而3、4处的故障电流增加使得灵敏度增加，更有利于上下级线路保护的配合，但考虑到DG在故障后输出的电流波形比较杂乱无章，在对电流的工频量提取时可能会受到影响，DG上下游的配合达不到预想的效果；当相邻馈线AF段发生故障时，如果DG的容量达到一定程度会使得1、2处的保护因为电流过大而误动。2）考虑DG的接入，保护整定值的计算仍旧按配电网传统的继电保护方法进行：按DG最大出力时，三相短路进行整定