一種含分布式電源的配電網(wǎng)距離保護(hù)

陳 軍

（長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

分布式能源（DG）是我國智能電網(wǎng)的重要部分，不但減小了傳統(tǒng)發(fā)電方式對環(huán)境的污染，而且因響應(yīng)快極大地提高了電網(wǎng)的抗風(fēng)險能力。由于DG的種類不同，使得原本復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，對原有線路的繼電保護(hù)造成了較大影響，導(dǎo)致線路原設(shè)定參數(shù)不能滿足線路運(yùn)行的需求，而解決這個問題必須分析DG的運(yùn)行方式。

1 DG接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響分析

1.1 DG的種類與控制方式

DG的種類包括風(fēng)能（直驅(qū)、雙饋）、光伏發(fā)電、燃料電池、蓄電池以及微型燃?xì)廨啓C(jī)等。能源轉(zhuǎn)換根據(jù)并網(wǎng)類型大致可分為3種：（1）采用電力電子裝置進(jìn)行并網(wǎng)，如光伏發(fā)電和直驅(qū)的風(fēng)力發(fā)電等；（2）采用同步機(jī)并網(wǎng)，如微型燃?xì)廨啓C(jī)等；（3）采用異步機(jī)并網(wǎng)，如風(fēng)能。DG的控制方式大多采用PQ（恒功率）控制、下垂控制或恒壓恒頻控制。為了使電網(wǎng)系統(tǒng)的容錯率更高，要求電網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的低電壓穿越能力[1]。

1.2 DG故障時的等效模型

通過克拉克-派克變換將DG并網(wǎng)部分（并網(wǎng)逆變器）的輸出進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)對有功功率P和無功功率Q的獨(dú)立控制。

逆變器輸出的功率為：

其中UPCC為并網(wǎng)處的電壓，Id、Iq分別為并網(wǎng)電流的交軸分量和直軸分量?？刂撇⒕W(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電壓是通過內(nèi)環(huán)V/F控制方式，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 逆變器的V/F控制結(jié)構(gòu)框圖

Pm為PI環(huán)節(jié)的控制系數(shù)，表示為：

Pm與Ki是比例積分環(huán)節(jié)的比例系數(shù)與積分系數(shù)。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對Pm進(jìn)行限幅，范圍在[-1，1]之間。根據(jù)以上分析，可得DG故障時的模型：

EDG為DG出口處電壓的基波分量，IDG為發(fā)生故障時DG出口處的電流，Z為DG輸出端濾波器的等效阻抗。配電網(wǎng)發(fā)生故障時，DG進(jìn)入低電壓穿越模式。國內(nèi)沒有對該情況下DG的運(yùn)行方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，這里采用德國的DG運(yùn)行規(guī)定作為參考[2]：

式中Un為系統(tǒng)額定電壓，ΔU是故障時系統(tǒng)的電壓降，I*d_ref與I*q_ref分別為DG在系統(tǒng)故障條件下的有功和無功電流的指令，Kq為無功功率支持曲線的斜率，UPCC為并網(wǎng)處的電壓。在配電網(wǎng)發(fā)生故障過程中，并網(wǎng)電壓UPCC降低，DG只需要通過調(diào)節(jié)I*d_ref與I*q_ref對PWM輸出進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在故障發(fā)生過程中輸出電流中無功電流占總電流比例上升，保證DG進(jìn)入低電壓穿越模式。

1.3 DG接入對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)的影響

DG的接入對配電網(wǎng)產(chǎn)生了較大影響，如網(wǎng)損的變化和電能質(zhì)量的變化等，進(jìn)而對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。這些變化與配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、DG的位置以及容量有關(guān)。下面對一個配電網(wǎng)模型進(jìn)行分析，模型如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)模型

采用單電源輻射式供電方式。分析DG接入位置的影響，當(dāng)DG接在母線上時，若d1點(diǎn)發(fā)生短路故障，此時的短路電流由電源和DG兩部分的短路電流組成，測得保護(hù)1處的電流小于故障電流；當(dāng)短路達(dá)到應(yīng)當(dāng)切除的故障電流時，1處的保護(hù)可能還沒有達(dá)到整定值，這種現(xiàn)象稱為汲流現(xiàn)象，會導(dǎo)致保護(hù)1處的拒動和故障范圍擴(kuò)大。DG的故障電流經(jīng)過保護(hù)2，如果保護(hù)2處沒有安裝方向元件，DG容量較大的情況下可能會出現(xiàn)誤動作。d3發(fā)生故障時，測到保護(hù)3的電流值大于未安裝DG時的電流值，會導(dǎo)致其誤動作。

討論DG容量對繼電保護(hù)的影響。DG容量的大小直接影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而DG容量較小有助于配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在圖2所示的電路中，BC段發(fā)生故障時，假設(shè)各電源電壓大小相等并設(shè)E=1 p.u.，并假設(shè)系統(tǒng)為無窮大系統(tǒng)，系統(tǒng)電源阻抗為ZS=0.1 p.u.。DG不能為無窮大電源，其內(nèi)阻為ZG=0.2 p.u.，各段線路阻抗取值1 p.u.。

當(dāng)沒有DG接入時，保護(hù)2的整電流為：

式中krel為可靠系數(shù)，取1.2。

母線B處加入DG后，若BC線路末端發(fā)生三相短路，這時保護(hù)2測得的故障電流為：

DG的短路電流可用其次暫態(tài)阻抗來表示，取值為0.2 p.u.。取系統(tǒng)量SB為100 MVA，系統(tǒng)阻抗可表示為：

此時的故障電流為：

令I(lǐng)2=Iop，解得SDG≈8，即DG容量在8 MW附近時，保護(hù)2達(dá)到整定值。當(dāng)DG的容量進(jìn)一步增加時，保護(hù)距離將延長到下一段距離，線路原有的保護(hù)配合被打破。

2 自適應(yīng)距離保護(hù)及其原理

2.1 距離保護(hù)原理

距離保護(hù)是通過阻抗繼電器測量被保護(hù)點(diǎn)的電流和電壓，計算阻抗與整定值進(jìn)行比較，從而判斷故障點(diǎn)位置是否在保護(hù)區(qū)域內(nèi)的一種保護(hù)方法。由于通過計算阻抗值進(jìn)行判斷，因此該方法受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響較小，并具有明顯的方向性。在眾多繼電保護(hù)方法中，距離保護(hù)比較適合采用參數(shù)自適應(yīng)的方式[3]。

2.2 自適應(yīng)距離保護(hù)中的附加阻抗

DG接入后會對線路的阻抗造成較大影響，本質(zhì)是由于故障發(fā)生時DG提供的故障電流和系統(tǒng)提供的故障電流相位不同。實(shí)際發(fā)生故障時，保護(hù)點(diǎn)測量的線路阻抗有可能增大或減小，取決于DG提供的電流是超前還是滯后[4]。保護(hù)阻抗隨DG輸出功率的變化而變化，沒有一個固定值。隨著微機(jī)繼電保護(hù)的普及和電力通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，能在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中修改繼電保護(hù)參數(shù)，使得自適應(yīng)距離保護(hù)成為可能。通過實(shí)時計算線路運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整整定值，以滿足線路保護(hù)的要求。

圖2中CD段發(fā)生兩相短路時，系統(tǒng)的簡化電路如圖3所示。

圖3 CD發(fā)生兩相短路時的簡化電路

顯然有：

式中U2mA、U2mC為保護(hù)2測得的A、C相電壓值，I2mA、I2mC為保護(hù)點(diǎn)2測得的A、C相電流值IDGA、IDGC為DG提供的A、C相故障電流。短路阻抗可表示為：

式（14）表明加入DG后，短路阻抗由基本阻抗ZBC+Zf和附加阻抗兩部分組成。自適應(yīng)距離保護(hù)就是要通過測量附加阻抗調(diào)整線路參數(shù)的整定值。

3 基于多邊形的自適應(yīng)距離保護(hù)

多邊形的自適應(yīng)距離保護(hù)比單一的距離保護(hù)有著更加優(yōu)異的特性，既可作為主保護(hù)，也可做為備用保護(hù)[5]。具體實(shí)施步驟如下：畫出測量阻抗、附加阻抗以及故障阻抗的向量圖，根據(jù)測量點(diǎn)電流和故障點(diǎn)電流之間的相位關(guān)系確定故障阻抗，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建距離保護(hù)的動作方程。

以一個三電源系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，電路如圖4所示。

圖4 三電源系統(tǒng)

線路AB段發(fā)生故障時，測得的電流和電壓為Im和Um，If為故障電流，Rg為過度電阻，a為故障點(diǎn)占AB總長的百分比，得：

同理，BC段發(fā)生故障時，在保護(hù)1處存在關(guān)系：

式中的If為故障電流，Rg為短路點(diǎn)處的過度電阻，α為故障到保護(hù)點(diǎn)距離占線路長度的百分比。BD段發(fā)生故障時，在保護(hù)1處測得的結(jié)果與BC段的結(jié)果相同。兩邊同時除以Im，即可得到測量阻抗Zm與各個阻抗之間的關(guān)系為：

這里定義附加阻抗ΔZ=If/Im*Rg。3個阻抗之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 3個阻抗之間的關(guān)系

為分析方便，定義故障阻抗和測量阻抗之間的夾角為φ1、故障阻抗和故障附加阻抗之間的補(bǔ)角φ2，故障附加阻抗和測量阻抗之間的夾角φ3。3個阻抗夾角與復(fù)平面三角形3個內(nèi)角之間的關(guān)系如下：

φm、φf、φz分別為Zm、Zf以及ΔZ與實(shí)軸R的夾角。利用正弦定理和復(fù)數(shù)關(guān)系，可以求得故障阻抗Zf與測量阻抗Zm之間的關(guān)系為：

根據(jù)國家電力調(diào)度通信中心的數(shù)據(jù)，電力網(wǎng)中的設(shè)備主要為感性設(shè)備，阻抗角可近似到80°左右，各上下級線路的阻抗角近似相等，可認(rèn)為：

附加阻抗角為故障處電流與測量電流的比值，存在以下關(guān)系：

自適應(yīng)距離保護(hù)的保護(hù)判據(jù)定義如圖6所示。為了保證線路發(fā)生故障時，Zm能夠在四邊形判據(jù)內(nèi)，α1、α2、α3、α4應(yīng)當(dāng)滿足一定條件。為了防止保護(hù)誤動，α1應(yīng)設(shè)置一個裕度，一般為15°～30°；為了保證正向出口經(jīng)過渡的電阻短路時保護(hù)原件能夠可靠動作，α2取15°；為防止多DG系統(tǒng)過渡電阻短路時，因端測量的故障附加阻抗比末端測量的小而導(dǎo)致保護(hù)誤動，α3一定要小于線路阻抗角，取α3=60°；為了防止保護(hù)末端短路時出現(xiàn)超越現(xiàn)象，α4設(shè)置為7°。

圖6 自適應(yīng)距離保護(hù)判據(jù)

一象限動作方程：

二象限動作方程：

四象限動作方程：

4 結(jié) 論

文章總結(jié)DG的控制方式，分析DG的加入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，指出DG對傳統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生了附加阻抗，進(jìn)而提出了一種自適應(yīng)的多邊形距離保護(hù)方法。