CN101562333B - 含分布式电源配电网快速电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于配电网继电保护技术领域，涉及一种含分布式电源配电网快速电流保护方法，在每个保护装置里均采用OC、DGOC、AOC、DGAOC四个保护模块，其中，OC和DGOC模块为定时限过电流保护模块，分别对该保护装置安装处的下游和上游的故障进行过电流保护，能够延时动作以保证故障的切除；AOC、DGAOC模块分别根据与其配合的对端保护的动作信息，在预设的加速时间段内，加速跳开本端断路器。本发明通过对含DG配电网的保护进行重新配置，在不改变配电系统断路器配置的前提下可以从两端快速切除故障线路，而不用将DG退出运行。

Description

含分布式电源配电网快速电流保护方法

技术领域

本发明属于电力系统配电网继电保护领域，具体涉及一种适用于含分布式电源(DG)配电网的电流保护方法。

背景技术

传统的配网保护主要是电流保护，其选择性需要通过时限来配合，越靠近电源点的保护，动作速度越慢。然而，当在配电网中接入分布式电源(DG)以后，一般希望保护能更快地切除故障，以减轻短路对DG造成的影响。例如，为了满足系统对稳定性的要求，美国联邦能源监管委员会对风电机组低电压穿越性能提出了要求，要求风电机组在正常的故障清除时间内保持并网，而故障清除时间必须要尽量缩短。另外，传统的配电网属于单端电源辐射型网络，其所带的线路是单断路器线路。DG的接入，改变了配电系统的网络结构，使DG上游区域出现双端电源但每条线路只有单个断路器的新情况，而且DG的接入也使配电网的故障特征与DG未接入时有所区别。

发明内容

本发明的目的在于针对DG接入配电网后出现的新情况，而提供一种快速电流保护方案，通过对含DG配电网的保护进行重新配置，在不改变配电系统断路器配置的前提下可以从两端快速切除故障线路，而不用将DG退出运行。

为此，本发明采用如下的技术方案。

一种含分布式电源配电网快速电流保护方法，在每个保护装置里均采用OC、DGOC、AOC、DGAOC四个保护模块，其中，OC和DGOC模块为定时限过电流保护模块，分别对该保护装置安装处的下游和上游的故障进行过电流保护，能够延时动作以保证故障的切除；AOC、DGAOC模块分别根据与其配合的对端保护的动作信息，在预设的加速时间段内，加速跳开本端断路器。

作为优选实施方式，本发明的含分布式电源配电网快速电流保护方法，所述的AOC、DGAOC模块采用的启动判据为：R＝I₂/I₁＞R₀，其中I₁为正序电流，I₂为负序电流，R₀为启动判据的门槛值，动作判据为：Is＝‖I(k)+I(k-N/2)|-|I(k-N/2)+I(k-N)‖＞ε，其中，Is为非故障相电流采样值的突变量，ε为突变量门槛值；当系统中接有IIDG时，R可取0.1～0.2，否则，可取0.4。

本发明与现有技术相比，提出了一种适用于含分布式电源配电网的快速电流保护方案，该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明考虑了含DG配电网与传统配电网故障特性的不同，能够适用于含DG配电网的情况；其次，本发明能够快速地切除故障，可以减轻短路对DG的影响；本发明还可以在不改变传统配电网断路器配置的前提下，从两端切除故障线路，不用将DG退出运行，从而使其继续维持对周围负荷的供电；最后，本发明基于的是本地量信息，不需要借助复杂的通讯网络，可行性强。

附图说明

图1为逆变型DG(IIDG)的电流型PQ控制框图；

图2a为接有IIDG的简单配电系统是示意图；

图2b为接有IIDG配电系统的正常运行状态示意图；

图2c为接有IIDG配电系统的故障附加状态示意图；

图3a为接有IIDG配电系统的正序故障分量网络示意图；

图3b为接有IIDG配电系统的负序分量网络示意图；

图4为一个简单的辐射型配电网示意图。

具体实施方式

本发明提供的含分布式电源配电网快速电流保护方案，考虑了接有DG的配电网短路后的故障特性与传统配电网故障分析结果的不同之处，同时也考虑了接入DG后在线路发生故障时希望能从两端快速切除故障线路的要求。该方案需要在DG的上游区域为每个保护配置OC、DGOC、AOC和DGAOC四个独立的保护模块，其中加速模块AOC和DGAOC可以根据跳开端引起的非故障相电流的突变来决定是否加速断开本端断路器(即需要对保护的软件部分进行改进，对于每个保护，用OC、DGOC、AOC和DGAOC这四个新增的软件功能模块来替代传统的OC功能模块)。一般情况下OC和DGOC模块必须投入，它们可以在加速模块拒动时起作用。AOC、DGAOC模块则需要根据本端OC、DGOC模块和与其配合的对端DGOC、OC模块的动作时间决定投入与否，只有在对端相应保护模块的动作时间比本端短时才会选择投入。对于DG下游的保护，如果DG安装的位置离系统侧比较远，在下游发生故障时，由于本身过电流保护的动作时间就比较短，而且又不要求从线路两端切除故障，故此时可以仍然配置传统的定时限过电流保护(此时就可以不用对保护的软件进行改进)。当然如果DG安装的位置离系统侧较近，为了能更快地切除下游故障，可以利用已有的适用于辐射型配电网的快速保护方案对下游保护进行配置，以加速故障的切除(此时就需要跟DG上游的保护一样，对保护的软件进行改进)。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

本发明主要针对含DG配电网故障时的特点，对传统的配电网保护配置进行了改进，提供了一种适用于含DG配电网的快速电流保护方案。

1.含DG配电网的故障特点

分布式电源的种类很多，按照运行方式的不同一般可以将其分为传统旋转机型DG和逆变型DG(IIDG)。IIDG通过电力电子装置与电网并联，它是目前DG并网的主要形式，即使是对于风力发电机、微型燃气轮机等，很多情况下也是先整流再经逆变控制装置连接到电网的，这样可以弥补传统电机直接并网带来的一系列不足。

IIDG一般采用电流型PQ控制方式并网，其控制框图如图1所示，它由功率外环和电流内环组成，功率外环为电流内环提供参考电流，通过调整逆变器输出的电流使DG输出的P和Q达到设定值Pref和Qref。当系统发生故障时，在故障后的瞬间会有一个暂态过程，DG输出的功率会变大，但是这个过程持续的时间很短，DG输出的功率很快又会回到设定值。而且一般认为故障后一段时间内DG输出功率的设定值保持不变，仍然为故障前的Pref、Qref。因此，对于带时限的电流保护，可以把IIDG看作是一个恒功率源。由于故障后DG接入点的电压下降，为了维持输出功率的恒定，其输出的电流就会变大。对于采用电流型控制方式的DG，其输出的是三相平衡电流。

图2(a)所示为一在母线B处接有IIDG的简单配电系统，当在线路AB的K点发生短路时，可以用一个电流源来代替IIDG进行故障分析，其值为故障后IIDG输出的电流，用

来表示。将图2(a)所示的故障状态分解为故障前的正常运行状态和故障附加状态，如图2(b)、(c)所示。其中图2(b)中的

为IIDG故障前输出的电流，

为故障前K点的电压；图2(c)中 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{DG}}={\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{FDG}}-{\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{DG}}$ 为故障后DG输出电流的增加量，其仍然是一个三相平衡量。如果K点发生的是两相短路，则可以将图2(c)所示的状态再进行序分量分解，图3(a)、(b)所示的分别为分解后的正序和负序故障分量网络图。由两相短路的边界条件可知，图3中故障点仍然有 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{I}}_{K1}=-{\stackrel{.}{I}}_{K2},$ 但是由于受

的影响，保护安装处感受到的电流ΔI_A1、ΔI_B1不再与I_A2、I_B2相等。

与IIDG的故障分析结果不同，对于传统旋转机型DG，由于其性能与传统的发电机一样，可以等效为电势源与阻抗的串联。当发生两相短路时，保护安装处仍然有ΔI₁＝I₂。

2.含DG配电网快速电流保护配置方案

DG接入配电网以后，将使传统的单电源配电网网络结构发生变化，使配电网变为双电源甚至是多电源系统。以前一般不允许DG孤岛运行，均采用反孤岛保护即系统故障时主动将DG退出的保护控制方案。在这种情况下线路发生故障时，由于DG已由反孤岛保护切除，不再向故障点提供电流，故此时允许只断开系统侧的断路器。但是这样做违背了安装DG的初衷，有可能会导致对DG周边重要负荷供电的中断，同时也损害了分布式发电厂商的利益。随着DG的快速发展，尤其是微电网技术出现以后，在发生线路故障时，要求DG不能退出运行，即允许其孤岛运行，此时就要求将故障线路从两端进行隔离，而不能只断开系统侧一端。但是传统的配电线路一般只在系统侧装设断路器，如果对配电网进行改造，在每段线路的两侧都安装断路器并配置相应的保护装置，那么投资将非常大，变得不切实际。

图4所示为简单的辐射型配电网系统，当没有DG接入时，在每段线路的系统侧需要配置传统的定时限过电流保护，保护之间按照一定的时间阶梯进行配合以保证选择性。当在馈线1的母线E处接入DG以后，如果在DG的上游区域如K1点发生短路，为了能从线路的两端切除故障而又不加装新的断路器，一般希望断路器1和2能够同时动作，此时就需要对DG上游区域的保护进行改进。以保护2为例，此时保护2必须既能反映线路AB上的故障，又能反映线路BC上的故障。为此DG上游每个断路器处所配置的保护需要能够同时反映正反两个方向的故障，即需要同时配置系统侧的定时限过电流保护OC和DG侧的定时限过电流保护DGOC两个保护模块，分别反映保护安装处下游和上游的故障。这两个保护模块设定的动作时限也不一样，系统侧的OC模块需要与DG下游的保护进行时间阶梯上的配合；而为了能保证在相邻馈线2上发生故障时，馈线1上DG上游的DGOC模块不会误动作，其需要与相邻馈线2上的保护进行时间上的配合。另外，为了能更快地切除故障，还需要为每个保护分别配置系统侧的加速模块AOC和DG侧的加速模块DGAOC，它们将根据与其配合的对端保护的动作信息来加速跳开本端断路器。因此，DG上游的每个保护需要配置4个独立的保护模块以代替传统的定时限过电流保护(即需要对保护的软件进行改进，在每个保护的软件中用OC、DGOC、AOC、DGAOC四个新增的功能代替原有的OC功能模块)，这4个独立模块可以根据需要选择投入与否。

一般情况下OC和DGOC模块必须投入，它们可以在加速模块拒动时起作用。故障发生后，保护将根据方向元件的判断结果自适应地选择启动OC或者DGOC模块。规定故障电流的正方向为母线指向线路，则当故障方向为正时，表明故障发生在保护安装处下游位置，启动系统侧的OC模块；当故障方向为负时，表明故障发生在保护安装处的上游位置，启动DG侧的DGOC模块。OC和DGOC模块可以按照传统的方法来进行整定，如果DG的出力随机变化较大，用传统方法无法满足保护的灵敏度要求时，可以考虑采用基于本地量信息的自适应电流保护方案。

AOC、DGAOC模块则需要根据本端OC、DGOC模块和与其配合的对端DGOC、OC模块的动作时间决定投入与否，只有在对端相应保护模块的动作时间比本端短时才会选择投入。如图4中所示的保护2，当故障发生在BC段时，由于其OC模块动作时间为1.5s，而与其配合的保护3的DGOC模块的动作时间为1.3s，所以保护2应投入AOC模块；当故障发生在AB段时，保护2的DGOC模块的动作时间为0.9s，与其配合的保护1的OC模块的动作时间为1.9s，所以保护2不用再投入DGAOC模块，而保护1则需要投入AOC模块。

我国配电网系统一般采用的是中性点不直接接地方式，所以本方案中加速模块采用的启动判据为：R＝I₂/I₁＞R₀，其中I₁为正序电流，I₂为负序电流，R₀为启动判据的门槛值。

通过1中对含IIDG配电系统的故障分析可知，当系统中接有IIDG时，I₁会受到ΔI_DG的影响，为此可适当减小R的门槛值以消除ΔI_DG带来的影响。一般情况下，R可取为0.4，接有IIDG后，R可取0.1～0.2。当不对称故障发生后，保护也将根据故障方向自适应地启动AOC或DGAOC模块。

本方案加速模块采用的动作判据为：Is＝‖I(k)+I(k-N/2)|-|I(k-N/2)+I(k-N)‖＞ε，其中，Is为非故障相电流采样值的突变量，ε为突变量门槛值。

其中，Is为非故障相电流采样值的突变量。只有在加速时间段内故障仍然存在，即R仍然大于门槛值，而且Is满足上式时，才认为是对端断路器跳闸，从而加速跳开本端断路器。加速时间段的整定需要考虑其对端相应保护模块的动作时间，如图4中的保护2，由于其对端保护3的DGOC模块动作时间为1.3s，故保护2的AOC模块的加速时间段可以整定为1.3～1.4s。由1中的分析可知，在故障后的一段时间内，DG的出力不再变化，而本判据只有在故障后的加速时间段内起作用，所以，加速模块一般情况下不会误动作。

图4中给出了各保护模块的投入情况及相应的时间整定值。需要说明的是，当线路DE发生故障时，为了能从线路两端切除故障且不使DG退出运行，需要在DG接入点的上游位置加装一个断路器和保护装置6(即此时需要增加新的保护硬件装置)，这可以在安装DG的同时进行，实现比较方便。保护6与馈线1首端的保护1一样，由于不用反映反方向故障，因此只需根据需要投入DGOC模块及相应的加速模块即可。

对于DG下游的保护，如果DG安装的位置离系统侧比较远，在下游发生故障时，由于本身过电流保护的动作时间就比较短，而且又不要求从线路两端切除故障，故此时可以仍然配置传统的定时限过电流保护(即此时可以不用对DG下游保护的软件进行改进)。当然如果DG安装的位置离系统侧较近，为了能更快地切除下游故障，可以利用已有的适用于辐射型配电网的快速保护方案对下游保护进行配置，以加速故障的切除(此时就需要对保护的软件进行改进)。对于没有接DG的相邻馈线2，处理方法类似。

当配电网接有多个DG或多条馈线时，对于含DG馈线上保护的改进以及配置方法完全类似。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种含分布式电源配电网快速电流保护方法，在每个保护装置里均采用OC、DGOC、AOC、DGAOC四个保护模块，其中，OC和DGOC模块为定时限过电流保护模块，分别对该保护装置安装处的下游和上游的故障进行过电流保护，能够延时动作以保证故障的切除；AOC、DGAOC模块分别根据与其配合的对端保护的动作信息，在预设的加速时间段内，加速跳开本端断路器。

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