CN105098741A - 分布式电源接入配电网的继电保护配置方法 - Google Patents

Abstract

一种用于分布式电源接入配电网的继电保护配置方法，选定某一确定的配电网，对其进行区域划分，在分布式电源的上游区域引入方向性纵联保护，在分布式电源的下游区域引入故障限流器，该方法能够克服分布式发电对配电网继电保护装置影响，以期达到分布式电源接入配电网提高继电保护可靠性的目的，可广泛用作电力系统安全稳定与保护控制领域应用的基于区域划分原理的分布式电源接入配电网的继电保护配置方法。

Description

分布式电源接入配电网的继电保护配置方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定与保护控制领域应用的基于区域划分原理的分布式电源接入配电网的继电保护配置方法。

背景技术

随着我国经济高速增长与能源生态环境的矛盾日益凸显，传统的“大机组、大电网、超高压”远距离、集中单一的供电方式越来越不能满足用户对电能质量的要求。作为补充大电网的一种高效环保的分布式电源（DistributedGeneration,DG）得以迅速发展，分布式电源功率一般在几千瓦至几十兆瓦，能够对特定的用户需求较为容易满足。分布式电源主要有：光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电、燃料电池发电以及生物质能发电、潮汐能发电等；与传统的发电方式相比，分布式电源主要优点有：（1）分布式电源的接入可以充分利用可再生能源，能快速响应负荷的变化，增加电网运行的可靠性和灵活性，对于电网末端电压改善效果明显，有效地提升了电能质量；（2）分布式电源具有清洁可再生等特点，能减少有害气体，有效缓解环境污染，促进人与自然和谐相处；（3）分布式电源就近接入配电网，有效减少了电能远距离输送时所造成的电能损耗，积极响应了我国节能减排措施；（4）分布式电源能够有效地提升供电可靠性，在电网发生大面积停电事故后，分布式电源可以孤岛运行，就近接入配电网保证了负荷的供电需求。然而，分布式电源接入配电网后，对电力系统的运行、规划及继电保护等提出了新的挑战，分布式发电对配电网继电保护的影响是其中的一个最为重要的方面。当配电网中接入分布式电源之后，原有单辐射供电网络变为两端或者多端供电网络，改变了原有配电网的拓扑结构，这些可能会改变当配电网潮流、电网规划、供电可靠性、继电保护、电能质量等产生一系列影响。发生短路故障时，短路电流也会因为分布式电源的助增或者外汲效应而有相应的增大或减小，故障电流方向和变化趋势也会产生相应的改变，传统的配电网是单辐射网络，继电保护装置不具有方向性，对于原有配置在网络中的继电保护装置和自动装置可能产生误动和拒动现象。而对于自动重合闸等保护装置来讲，如果分布式电源在规定时间内脱网，再次并网后非同期重合闸可能带来冲击电流，造成短时故障不能够及时恢复而演变为永久性故障；如果配电网发生故障时，有可能会造成重合不成功。特别是当大规模分布式电源接入配电网之后，这种影响将会更为明显。目前，人们正在研究通过各种方法来消除分布式电源接入配电网对继电保护的影响，提出的方法主要包含利用广域信息对整个电网进行安全监测、控制、状态估计和利用广域信息实现电网的机电保护功能这两类，但是这两种方法数据信息量大、投入成本较高，在现阶段实施较为困难。解决这一问题已成为急需。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明针对消除分布式电源接入配电网对继电保护可靠性影响，提出一种适用于电力系统继电保护的基于区域划分原理的分布式电源接入配电网的继电保护配置方法。基于区域划分原理的分布式电源接入配电网的继电保护配置方法是：

一种分布式电源接入配电网的继电保护配置方法，其特征是：a.首先根据分布式电源接入的配电网的地方并以分布式电源为界进行区域划分，对于划定的区域再进行相应的继电保护配置；b.根据分布式电源的接入点不同对于其上游与下游进行不同的继电保护配置，对于接入点上游线路采用纵联差动保护方案，分布式电源接入配电网后的保护由纵联保护和限时电流速断保护以及前加速重合闸装置组成，保护间相互配合来消除分布式电源的接入对配电网继电保护的影响分析；c.如果配电网中含有两个及以上的分布式电源接入，线路始端的的相邻区域内发生短路故障时方向性纵联保护瞬时动作，可以及时切除保护区内的故障，母线出口处的重合闸装置会先合闸，母线出口继电保护装置安装处的重合闸无需装设检同期装置，而所在区域末端继电保护装置处的重合闸装置后合闸，若想合闸成功，则所在区域末端继电保护装置处必须装设检同期装置；d.当线路末端区域中发生短路故障时，由于此区域上游线路分布式电源接入的存在，现有的故障电流与之前相比将会有一定程度的增大，因此通过装设故障限流器来增大短路阻抗，从而达到限制短路电流的目的；e.如果分布式电源接入点不接在线路的母线上，而接在两条母线之间的位置上，则以分布式电源接入线路所在点为界，在接入点左侧装设保护装置，在接入点点右侧也装设保护装置，区域始端继电保护装置构成方向性纵联保护，当上游区域中发生短路故障时，纵联保护瞬时动作于故障，分布式电源与故障限流器串联；当下游区域中发生短路故障时，故障限流器通过增大短路阻抗，减小短路电流；f.如果引入修正系数K _f，则在原有继电保护装置的基础上有修正后的保护整定值为：

I ^′ _set=K _f I _set，则成立，可以得到修正系数：

g.如果不引入修正系数，而是在保护装置与分布式电源之间加入故障限流器Z _i，则有：

经化简得到：

。

本发明提出基于区域划分原理的分布式电源接入配电网的继电保护配置方法，先通过以分布式电源为接入点进行区域划分，利用该划分原则对配电网进行区域划分后再对每个区域进行相应的继电保护配置，在上游区域采取利用纵联差动保护的方法，对下游区域利用加装限流电抗器的方法来消除分布式电源的接入对配电网继电保护的影响。该方法可以消除常规分布式电源接入配电网造成继电保护装置误动拒动，能够有效地提高配电网继电保护装置的可靠性，能很好的满足电力系统安全稳定运行的需要。

附图说明：

图1是配电网中含一个分布式电源的示意图;

图2是配电网中含两个分布式电源的示意图;

图3是故障限流器原理结构图;

图4是分布式电源不接在母线上时的示意图;

图5是含分布式电源配电网拓扑结构图;

图6是仿真原理图;

图7是故障限流器仿真原理图。

具体实施方式

本发明的一个最佳实施例，分布式电源接入配电网的继电保护配置方法是：a.首先根据分布式电源接入的配电网的地方并以分布式电源为界进行区域划分，对于划定的区域再进行相应的继电保护配置；b.根据分布式电源的接入点不同对于其上游与下游进行不同的继电保护配置，对于接入点上游线路采用纵联差动保护方案，分布式电源接入配电网后的保护由纵联保护和限时电流速断保护以及前加速重合闸装置组成，保护间相互配合来消除分布式电源的接入对配电网继电保护的影响分析；c.如果配电网中含有两个及以上的分布式电源接入，线路始端的的相邻区域内发生短路故障时方向性纵联保护瞬时动作，可以及时切除保护区内的故障，母线出口处的重合闸装置会先合闸，母线出口继电保护装置安装处的重合闸无需装设检同期装置，而所在区域末端继电保护装置处的重合闸装置后合闸，若想合闸成功，则所在区域末端继电保护装置处必须装设检同期装置；d.当线路末端区域中发生短路故障时，由于此区域上游线路分布式电源接入的存在，现有的故障电流与之前相比将会有一定程度的增大，因此通过装设故障限流器来增大短路阻抗，从而达到限制短路电流的目的；e.如果分布式电源接入点不接在线路的母线上，而接在两条母线之间的位置上，则以分布式电源接入线路所在点为界，在接入点左侧装设保护装置，在接入点点右侧也装设保护装置，区域始端继电保护装置构成方向性纵联保护，当上游区域中发生短路故障时，纵联保护瞬时动作于故障，分布式电源与故障限流器串联；当下游区域中发生短路故障时，故障限流器通过增大短路阻抗，减小短路电流；f.如果引入修正系数K _f，则在原有继电保护装置的基础上有修正后的保护整定值为：

I ^′ _set=K _f I _set，则成立，可以得到修正系数：

g.如果不引入修正系数，而是在保护装置与分布式电源之间加入故障限流器Z _i，则有：

经化简得到：

。

分布式电源接入点上游纵联差动保护方案:（1）配电网中有一个分布式电源时的保护配置方案,如图1所示，以分布式电源为界，将整个配电网分为上游和下游两个部分。从母线A到母线C之间的线路为区域一，从母线C到馈线末端之间的线路为区域二。为了消除分布式电源对配电网继电保护的影响，在区域一的两侧加装方向纵联保护作为整个区域一的主保护，当母线A到母线C之间的线路发生短路故障时，方向纵联保护动作并保护整个区域一，当短路故障发生在区域一，分布式电源将会减小短路电流，有可能会导致保护5的方向纵联保护检测不到足够的短路电流进行判断是否动作，从而可能会导致保护5不能够准确动作，为了防止这种情况出现，所以保护5处还应该装设弱馈保护，以确定保护5能够检测到比较小的方向性电流，从而确保保护5的准确动作。在区域一的两端还应配置自动重合闸装置，当纵联保护动作于瞬时性故障时，可以启动保护4和保护5处的自动重合闸装置来恢复正常供电。由于纵联保护动作时两侧的重合闸装置跳闸后，其中一侧先合闸，因为分布式电源已经脱离电网，所以先合闸的一侧不需要装设检同期装置，而另外一侧在合闸的时候需要考虑到电源不同步所带来的冲击，所以在区域一的另外一侧需要装设检同期装置。在区域一中发生瞬时性故障时，重合闸动作后即可恢复线路正常供电；而在区域一中发生永久性故障时，重合闸合闸不成功，则限时电流速断保护动作切除故障。原来配电网中装设的是速断电流保护和限时电流速断保护，由这两种保护相互配合，改进后的配电网保护由纵联保护和限时电流速断保护以及前加速重合闸装置组成，保护间相互配合来消除分布式电源的接入对配电网继电保护的影响分析.(2)配电网中有两个及以上分布式电源时保护配置方案:如图2所示为配电网中有两个分布式电源时的保护方案，区域二中由于分布式电源的助增作用，在发生短路故障时短路电流与之前相比会有一定程度的增大，由于短路电流的增大，电流保护的保护范围将会扩大，灵敏性增大，限时电流速断保护的保护范围有可能会延伸到下一段线路，失去保护之间的配合。针对这种情况本发明提出加装故障限流器的方法，以期在故障发生时能限制短路电流。当短路故障发生在区域一和区域二中时，分布式电源将会减小短路电流，有可能会导致保护5和保护6的方向性保护检测不到足够的短路电流进行判断是否动作，从而导致保护不能够准确动作，为了防止这种情况发生，所以保护5和保护6处还应该装设弱馈保护，以确定保护5和保护6能够检测到比较小的方向性电流，从而保证保护5和保护6的准确动作。在区域一和区域二的两端还应装设自动重合闸装置，当纵联保护动作于瞬时性故障时，可以启动区域两侧的自动重合闸装置来恢复正常供电。当区域一和区域二中发生短路故障时方向性纵联保护瞬时动作，切除保护区内的故障，保护3和保护4处的重合闸装置先合闸，所以保护3和保护4处的重合闸无需装设检同期装置，保护5和保护6处的重合闸装置后合闸，若想合闸成功，则保护5和保护6处必须装设检同期装置。当区域三中发生短路故障时，由于两个分布式电源的存在，现有的故障电流与之前相比将会有一定程度的增大，而装设故障限流器将会增大短路阻抗，限制短路电流。

分布式电源接入点下游加装限流器保护方案:1、分布式电源接在母线上时的保护方案,图3为故障限流器的原理结构图，当线路正常供电时，控制开关处于断开状态，电感值和电容值达到串联谐振的要求，对外显示阻抗为零，对负荷电流大小不会产生影响，而当线路出现短路故障时，故障电流检测元件将会检测到故障信号，并将故障信号传递给控制开关，此时控制开关闭合，限流元件呈现高阻态，达到限制故障电流的目的。配电网中一般装设三段式电流保护，首先针对速断保护，讨论引入故障限流器后，将对其产生的影响。速断保护的整定准则为：保护装置的启动电流必须大于下一条线路出口处短路时可能出现的最大短路电流。以I_cmax表示流经保护的最大电流，I_set表示保护的速断电流保护整定值，则：

	(1)
			(2)

K _rel为可靠系数，I _set为设置的保护动作电流。

速断电流保护的灵敏性通常用保护的保护范围来衡量，保护范围占线路的百分比的计算方法如下式：

(3)

假设能够消除分布式电源对配电网保护装置的影响，则应当保证保护范围不变，即当保护区的区末位置发生故障时，故障电流应与整定值相等。当上图的二区域中发生故障时，此时故障电流为I _d=K _d/(Z _smax//Z _g+aZ _L)，K _d的取值与故障的类型有关，当故障为三相短路故障时，K _d值取1，当故障类型为两相短路故障时，K _d值取sqrt(3)/2，假设保护的整定值在故障前后保持不变，仍为I _set，引入修正系数K _f，令两者相等，可以得到：

(4)

化简得：

(5)

进而得到修正后的保护整定值为：I ^′ _set=K _f I _set

如果不引入修正系数，而是在保护装置与分布式电源之间加入故障限流器Z _i，则有：

(6)

整理可得：

由以上分析可知，如果在保护装置和分布式电源之间接入故障限流器，则不必修改继电保护装置的定值，同样也可以达到限制分布式电源对于故障电流的助增作用的目的，并且不必因为由于短路电流增大而更换原有的断路器和隔离开关等电气设备。

I _set·1表示保护的速断电流保护整定值，则：

	(7)
			(8)

当一区域中发生短路故障时，两个分布式电源同时作用，短路电流为：

(9)

整理之后可以得到：

(10)

在网络中加入故障限流器Z _i，令系数K _f=1则，

(11)

整理之后可得：

					(12)

由此类推，当网络中加入两个或两个以上分布式电源时，按照本文所提出的保护方案，依然能够消除分布式发电给配电网继电保护所带来的影响。2、分布式电源不接在母线上时的保护方案,如果分布式电源不接在线路的母线上，而接在两条母线之间的位置上，如图4所示，分布式电源接在母线B和母线C之间的K点,在这种情况下，以K点为界，在K点左侧装设保护5，在K点右侧装设保护1，保护3和保护5构成方向性纵联保护，当一区域中发生短路故障时，纵联保护瞬时动作于故障，分布式电源与故障限流器串联，当二区域中发生短路故障时，故障限流器增大短路阻抗，减小短路电流。

以图5所示的网络进行仿真分析：基于PSCAD/EMTDC搭建的仿真模型如图6所示，基本参数有系统容量S _B=100kVA，分布式电源容量S _g=15MVA,母线电压U _B=10.5kV，在各节点处接入恒功率负荷S _N=6MVA，cosφ=0.85，选取系统的运行方式为最大运行方式，系统参数为X _smin=0.091，L _smin=0.00029H，分布式电源的阻抗为Z _g=j8Ω，K _d=sqrt(3)/2，其他所需的线路参数代入得：

=j6.25Ω

表1接入分布式电源各点发生短路故障时流经各保护的短路电流值

保护	K1点短路时各保护短路电流（KA）	K2点短路时各保护短路电流(KA)	K3点短路时各保护短路电流(KA)
				保护1	2.77	2.31	4.57
保护2	4.29	0	0
				保护3	4.76	0	0
保护4	0.176	0.176	0
				保护5	0.175	10.17	0
保护6	0.176	10.17	0
				保护7	1.756	1.756	0

当采取本项目提出的改进方法时，在母线A至母线B的区域一安装方向性纵联保护，在母线B至线路尾端的区域二采用故障限流器限制短路电流，当K1、K2和K3点发生短路故障时可以得到流经各个保护的短路电流值，如表2所示。

表2本发明提出的解决方案下所得到的各点短路电流值

保护	K1点短路时各保护短路电流（KA）	K2点短路时各保护短路电流(KA)	K3点短路时各保护短路电流(KA)
				保护1	2.80	2.30	4.33
保护2	4.38	0	0
				保护3	4.38	0	0
保护4	0.176	0.176	0
				保护5	0.176	9.92	0
保护6	0.175	9.91	0
				保护7	1.755	1.756	0

由表1和表2比较可得：在分布式电源上游发生短路故障时，分布式电源提供的短路电流将流过保护2和保护3，但是一区域中安装了方向纵联保护，当检测到来自分布式电源方向的短路电流，纵联保护将动作，当分布式电源从网络中切除之后，保护2和保护3将不会发生误动作；在分布式电源下游发生短路故障时，由于故障限流器的接入，增大了短路阻抗，短路电流将会减小，保证了保护3的可靠性，保护将可靠动作。

本发明的另一个实施例，如图所示，当配电网络中含有两个分布式电源时，设两个分布式电源的容量分别为S _g1=15MVA，S _g2=15MVA,分别在网络中设置K1，K2和K3三点故障，通过线路上的电流检测装置，可以得到在各点发生故障时流经各个保护的短路电流值。

在该仿真模型中，故障限流器与分布式电源串联连接，在网络中发生故障时，故障限流器由保护所检测到的故障信号触发，瞬时启动，减小短路电流，故障限流器的仿真模块结构如图7所示：当网络中接入分布式电源时，在K1、K2和K3点设置三相故障，发生三相短路故障时，流经各个保护的短路电流为如表1所示：

基本参数如下：

系统容量S _B=100kVA，分布式电源容量S _g1=15MVA，S _g2=15MVA，Z _g1=j8，Z _g2=j8，母线电压U _B=10.5kV，在各节点处接入恒功率负荷S _N=6MVA，cosφ=0.85，选取系统的运行方式为最大运行方式，系统参数为X _smin=0.091Ω，L _smin=0.00029H，分布式电源的阻抗为Z _g=j8Ω，K _d=sqrt(3)/2，其他所需的线路参数如图所示，代入得：

=j7.75Ω

当网络中同时接入两个分布式电源时，分别在K1、K2和K3点设置故障，当发生三相短路故障时，流经各个保护装置的短路电流如表3所示：

表3两个分布式电源时发生短路故障流过各个保护的短路电流

保护	K1点短路时各保护短路电流（KA）	K2点短路时各保护短路电流(KA)	K3点短路时各保护短路电流(KA)
				保护1	2.54	2.37	5.13
保护2	4.28	0	0
				保护3	5.09	0	0
保护4	0.176	0.176	0
				保护5	0.175	10.92	0
保护6	0.176	10.91	0
				保护7	1.756	1.756	0

当采取改进的方法时，在母线A至母线B的区域一以及母线B至母线C的区域二安装方向纵联保护，在母线C至线路尾端的区域三采用故障限流器限制短路电流，当K1、K2和K3点发生短路故障时可以得到流经各个保护的短路电流值，如表4所示。

表4本发明提出的解决方案下所得到的各点短路电流值

保护	K1点短路时各保护短路电流（KA）	K2点短路时各保护短路电流(KA)	K3点短路时各保护短路电流(KA)
				保护1	2.81	2.29	4.32
保护2	4.35	0	0
				保护3	4.40	0	0
保护4	0.176	0.176	0
				保护5	0.176	9.90	0
保护6	0.175	9.89	0
				保护7	1.755	1.756	0

将表3和表4的对比可知，在区域一和区域二发生故障时，方向纵联保护将会动作切除故障，而当区域三发生故障时则由故障限流器来限制短路电流。经上述验证可得，本发明所提出保护方案切实可行，能够消除分布式电源的接入而给继电保护装置带来的影响。

Claims (1)

1.一种分布式电源接入配电网的继电保护配置方法，其特征是：a.首先根据分布式电源接入的配电网的地方并以分布式电源为界进行区域划分，对于划定的区域再进行相应的继电保护配置；b.根据分布式电源的接入点不同对于其上游与下游进行不同的继电保护配置，对于接入点上游线路采用纵联差动保护方案，分布式电源接入配电网后的保护由纵联保护和限时电流速断保护以及前加速重合闸装置组成，保护间相互配合来消除分布式电源的接入对配电网继电保护的影响分析；c.如果配电网中含有两个及以上的分布式电源接入，线路始端的的相邻区域内发生短路故障时方向性纵联保护瞬时动作，可以及时切除保护区内的故障，母线出口处的重合闸装置会先合闸，母线出口继电保护装置安装处的重合闸无需装设检同期装置，而所在区域末端继电保护装置处的重合闸装置后合闸，若想合闸成功，则所在区域末端继电保护装置处必须装设检同期装置；d.当线路末端区域中发生短路故障时，由于此区域上游线路分布式电源接入的存在，现有的故障电流与之前相比将会有一定程度的增大，因此通过装设故障限流器来增大短路阻抗，从而达到限制短路电流的目的；e.如果分布式电源接入点不接在线路的母线上，而接在两条母线之间的位置上，则以分布式电源接入线路所在点为界，在接入点左侧装设保护装置，在接入点点右侧也装设保护装置，区域始端继电保护装置构成方向性纵联保护，当上游区域中发生短路故障时，纵联保护瞬时动作于故障，分布式电源与故障限流器串联；当下游区域中发生短路故障时，故障限流器通过增大短路阻抗，减小短路电流；f.如果引入修正系数K _f，则在原有继电保护装置的基础上有修正后的保护整定值为：

I ^′ _set=K _f I _set，则成立，可以得到修正系数：

g.如果不引入修正系数，而是在保护装置与分布式电源之间加入故障限流器Z _i，则有：

经化简得到：

。