含分布式電源的配電網(wǎng)故障及保護方案

含分布式電源的配電網(wǎng)故障及保護方案

田洪磊1, 高博2, 丁津津2, 鄭國強2, 高亮1

(1.上海電力學院 電氣工程學院, 上海200090; 2.安徽電力科學研究院 系統(tǒng)研究所, 安徽 合肥230601)

摘要:支持分布式電源的接入是未來配電網(wǎng)發(fā)展的主要方向.介紹了分布式電源接入配電網(wǎng)的保護方案,分析了其接入對配電網(wǎng)的故障及對保護的要求,并對3種保護方案進行了分析和比較,認為方案3具有較大的應用前景.

關鍵詞：分布式電源; 配電網(wǎng)故障; 繼電保護

基金項目：上海綠色能源并網(wǎng)工程技術研究中心資助項目(13DZ2251900).

中圖分類號：TM77;TM711.2文獻標志碼： A

SchemeonFailureandProtectioninDistributionNetworkwithDG

TIANHonglei1, GAO Bo2, DING Jinjin2, ZHENG Guoqiang2, GAO Liang1

(1.School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Department of Electric Power System, Anhui Electric Power Research Institute, Hefei230601, China)

Abstract:Supporting the distributed generation access to the distribution network will be the trend of development in the future.The ways that DG accesses to distribution networks are described,the impact of DG access to the distribution network fault and protection is analyzed.The characteristics of the distribution network of DG access methods are summarized,and three scenarios with different kinds and practical prospects protection program are described.

Keywords:distributedgeneration;failureofdistributionnetwork;relayprotection

智能配電網(wǎng)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的一個重要特征就是支持大量分布式能源(DistributedEnergyResource,DER)的利用,而包含DER的配電網(wǎng)常稱為有源配電網(wǎng).[1]有源配電網(wǎng)包含了多種諸如光伏發(fā)電、風力發(fā)電等分布式發(fā)電(DistributedGeneration,DG)類型,而且這些DG有著不同的運行形式.有源配電網(wǎng)的故障特征與傳統(tǒng)配電網(wǎng)有著明顯的不同.故障特征的變化,勢必影響繼電保護的配置與整定,使應用于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護配置受到影響.[2-4]同時,IEEE1547—2003系列標準中不再要求盡快跳開故障點所在饋線上的全部DG單元,而是鼓勵盡可能地通過技術手段實現(xiàn)孤島或者微網(wǎng)運行.[5]

目前配電網(wǎng)已具有連接大量分布式電源的可能.分布式發(fā)電與電網(wǎng)相連的最佳方案、DG在故障期間繼續(xù)工作還是盡可能快地斷開連接等將涉及以下3個問題:一是電網(wǎng)的變化(電網(wǎng)結構以及保護方案);二是需要付出的代價(保護的配合,故障穿越的調(diào)整);三是對電網(wǎng)的影響(電壓等級、穩(wěn)定性、短路水平).

因此,在熟悉DG接入方式的情況下,分析DG接入對配電網(wǎng)故障及繼電保護帶來的影響,提出DG的連接方式及可能的保護方案,將是智能配電網(wǎng)的主要研究內(nèi)容之一.

1常規(guī)的保護方式

目前,與配電網(wǎng)相連的DG用戶的保護方案大多是在用戶繼電保護動作前切斷其連接點.只有當DG用戶作為一般傳統(tǒng)負載處理時,故障才可以充分地有選擇性地切除.但由于DG的接入會使潮流發(fā)生改變,這可能引起諸如電壓穩(wěn)定以及無選擇性跳閘等問題.

DG元件通常采用過流、過頻或低頻、過壓或低壓保護,當電網(wǎng)上發(fā)生故障擾動時,會自動切斷與電網(wǎng)的連接.這樣就可以防止用戶的繼電保護發(fā)生無選擇性跳閘以及孤島運行的現(xiàn)象.由于現(xiàn)階段DG的滲透率還較低,對于電網(wǎng)穩(wěn)定的影響還很小,因此切斷DG對電網(wǎng)來說沒有影響.但隨著DG數(shù)量的不斷增加,則可能會使配電網(wǎng)變得不穩(wěn)定.

在一些國家或地區(qū),電網(wǎng)中接入DG有明確的規(guī)定以確保供電的安全可靠以及高質(zhì)量.如當DG與高壓電網(wǎng)(≥110kV)相連且發(fā)生外部故障時，要求DG依舊與電網(wǎng)保持連接來保證電網(wǎng)的穩(wěn)定.在低壓電網(wǎng)(<1kV)中,對于小型的DG,當電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時,需要立即切斷與電網(wǎng)的連接.而與中壓電網(wǎng)(1~110kV)相連小于5MW的DG,沒有相應的明確規(guī)定,唯一的要求是在10s后供電電壓恢復到85%UN.若達不到要求,則DG應斷開與電網(wǎng)的連接.

這些中小型的DG有助于在故障時維持電壓的穩(wěn)定,其缺點是在現(xiàn)有的保護方案下可能會產(chǎn)生無選擇性的跳閘，從而需要管理人員來調(diào)整元件的故障穿越能力.

DG的優(yōu)點之一是它可以更好地控制電壓水平，同時分布式電源的運行方案也迫切需要一個滿足選擇性的保護方案來保證其供電安全以及設備的安全.但當DG從電網(wǎng)中斷開,電網(wǎng)電壓過低或者過高時,則需要通過調(diào)整變壓器分接頭來改變電網(wǎng)的電壓水平.而這一調(diào)整過程一般比較緩慢,以至于在一段時間內(nèi)電網(wǎng)中的電壓會越限.

由于Y-D接法的升壓變壓器的特性導致大多數(shù)DG都不能識別單相接地故障.而大多數(shù)的故障一般都是從單相故障開始的,應當在其發(fā)展成為相間故障前盡可能快地加以切除，以免由于相間故障而導致DG斷開.

23種方案的分析比較

2.1　電網(wǎng)發(fā)生故障時切斷所有 DG(方案1)

該方案中,小于5MW的DG配置了低壓保護裝置,其電壓穿越能力如圖1中的A所示.低電壓保護(U<)配置見圖2.當其在故障穿越特征曲線A下方時,DG則必須切斷,即當電壓低于70%UN時,DG會直接斷開.而電網(wǎng)規(guī)定在10 s后電壓必須達到85%UN.此種方案，配電網(wǎng)中配置不帶方向的保護.圖2給出了K1~K5所有可能的故障點.

圖1　電網(wǎng)故障時 DG的電壓穿越要求

圖2　 DG接入配電網(wǎng)保護方案1

當電壓低于70%UN時，所有的DG元件必須立即切斷.這樣可保證電網(wǎng)的保護在運行時不受DG影響造成誤動,同時也不受孤島效應的影響.

通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭,將電源的電壓變化限制在±10%之內(nèi)時,對于系統(tǒng)可靠性的影響會很小.雖然這種調(diào)節(jié)比較緩慢,但用戶以及DG所付出的代價也很小,只要考慮低壓保護的安裝及功能的實現(xiàn)即可.

2.2　保持 DG連接維持電網(wǎng)的穩(wěn)定(方案2)

方案2是當相鄰饋線發(fā)生故障時，保持DG與電網(wǎng)的連通使之繼續(xù)運行.電網(wǎng)中所有的DG在發(fā)生故障時通常均可以限制短路電流,這一作用要靠發(fā)電機類型特性(同步發(fā)電機以及基于異步發(fā)電機的變換器)與DG的極限故障切除時間特性的配合來實現(xiàn).通常小型DG的極限故障切除時間為0.2~0.3s,故障要在0.2s內(nèi)由保護正常切除.而高壓電網(wǎng)中發(fā)生的線路故障一般都會在0.1s切除,極端情況也不會超過0.3s.

當電網(wǎng)發(fā)生故障時,DG與電網(wǎng)保持連通,如圖1特性B所示,只有當相鄰線路的電壓低于20%UN時DG才跳開.選擇20%UN是為了防止故障切除后電網(wǎng)與DG不同期.在該方案中,當DG保持連接時,電網(wǎng)的保護應帶有方向,如圖3所示,并且在DG的保護動作之前能切除電網(wǎng)上任何地點發(fā)生的故障,因此電網(wǎng)需要采用速動的雙向保護方案(如母線差動保護、距離保護、縱差保護或方向過電流保護).與DG相連的平行饋線也需要差動保護,當平行饋線發(fā)生故障時可以有效快速切除.由此可見,采用方案2的代價要遠高于方案1.

圖3　 DG接入配電網(wǎng)保護方案2

快速切除故障的缺點是有可能造成孤島.為了防止當DG斷開連接時可能產(chǎn)生的相位越限合閘以及保證供電質(zhì)量的需要,系統(tǒng)應該能檢測到孤島現(xiàn)象,并切斷與DG的連接.失電保護(反應頻率變化率以及電壓向量變化)可用來防止孤島運行.

由于DG的作用,短路所產(chǎn)生的沖擊也會增加(尤其對同步發(fā)電機).而電網(wǎng)中設備的短路阻抗也必須重新校核及設定.如果電網(wǎng)抗短路沖擊的能力較低,則應該加強電網(wǎng)抗短路的能力或限制DG的短路沖擊容量.

該方案的優(yōu)點是可以在電網(wǎng)發(fā)生故障時和故障后按照電網(wǎng)要求保持電壓的穩(wěn)定.同時，由于快速切除故障,電壓降落的影響也被限制到最小.

2.3　專用線接入 DG維持電網(wǎng)穩(wěn)定(方案3)

方案3是將DG1-3分別通過非專用線和專用線與變電站母線連接.用專用線與變電站母線相連接的DG(DG2和DG3)的容量通常大于2 MW,并有特定的保護方案(因為大型的DG更容易適應電網(wǎng)所采取的保護方案).當電網(wǎng)發(fā)生圖2所示的故障時,可以使DG與電網(wǎng)保持連通,而用非專用饋線與變電站母線相連的小型DG(DG1)會立即斷開,如圖4所示.

圖4　 DG接入配電網(wǎng)保護方案3

專用饋線保護需要與非專用的饋線保護相配合以保證選擇性,當專用饋線中發(fā)生故障時能夠快速切除.圖4中，當K1和K2發(fā)生故障時,發(fā)電機DG1會立即跳開,而專用饋線中的發(fā)電機DG2和DG3則仍保持連接;而當專用饋線上K3發(fā)生故障時,其相鄰的發(fā)電機DG1會立即跳開,當故障被縱差保護快速切除后,DG2和DG3依舊保持連接;當K4發(fā)生故障時,由失電保護將DG3斷開；而母線K5發(fā)生故障時,所有的DG將由失電保護全部切除.該方案的優(yōu)點是可以調(diào)整保護所需要的代價:對于DG運行方案,可以調(diào)整專用饋線的保護方案;而小型DG只需要很小代價的保護;而大型DG的相鄰線路發(fā)生故障時,可通過時延來保持其連通,并在故障清除后連通DG時保持電壓穩(wěn)定.

隨著DG的不斷增加,如何保護配電網(wǎng)將是未來電網(wǎng)必須解決的問題.表1給出了3個方案對涉及電網(wǎng)的變化、對電網(wǎng)的影響以及所需要的成本的比較.

表1　3種方案的比較

由表1可知，方案1對電網(wǎng)的影響小,所需要的成本也小,但在電網(wǎng)中會引起一些問題;方案2對電網(wǎng)的影響較大,而且投入也會較高;而專用饋線連接DG的方案3將是一個比較理想的方案,其應用將促進配電網(wǎng)向智能化方向發(fā)展.

3結語

隨著配電網(wǎng)的發(fā)展,DG將會不斷增加,而獨立運行的電網(wǎng)也會出現(xiàn).改變保護裝置以及保護配置相對比較容易,因此采用專用饋線接入DG(方案3)是一個比較理想的方案.當相鄰線路發(fā)生故障時,涉及電網(wǎng)的變化很小,且能保持DG和電網(wǎng)的連接,同時有利于維持電壓穩(wěn)定性.

參考文獻：

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(編輯胡小萍)