CN105160447A - 一种含分布式电源的配电网保护算法 - Google Patents

Abstract

一种含分布式电源的配电网保护算法，该算法引入线路增流和分流补偿系数，对分布式电源产生的故障电流进行补偿，并通过计算系统的综合阻抗，根据配电网当前的实际运行方式和故障状态，自适应地改变保护定值，使保护装置满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求。本发明引入的补偿系数考虑了分布式电源接入的位置，当保护在分布式电源上游时，线路分流补偿系数补偿了因分布式电源接入导致流经保护电流减小的部分，避免了由此产生的保护可能拒动的问题；当保护在分布式电源下游时，由线路助增电流补偿系数补偿了因分布式电源接入而增加的电流，避免了由此产生的该保护可能误动问题。在无分布式电源加入时，补偿系数为1，不改变原来的保护配合。

Description

一种含分布式电源的配电网保护算法

技术领域

本发明涉及一种含分布式电源的配电网保护算法，属配电网继电保护领域。

背景技术

随着化石能源的枯竭及环境问题的日益突出，可再生能源被越来越重视；同时随着国民经济的不断发展，用电需求迅速增长，电网规模越来越大，集中供电系统在遇到重大事故时，可能造成电网设施的重大破坏。既能充分利用风能、太阳能等可再生能源，又能在电网系统发生重大故障时保证重要用户不受影响的分布式发电技术逐步发展起来。

分布式发电一般指为满足终端用户的特殊需求、接在用户侧附近的小型发电系统，容量通常为几十千瓦至几十兆瓦。一般采用清洁或可再生能源发电，如天然气、太阳能、生物质能、风能(小规模风电)等。分布式电源具有资源和环境友好，供电灵活、可靠等优点，但大量分布式电源并网运行会对电网调度运行控制带来影响，而在配电网发生故障时，也会对与其相连的分布式电源带来影响。

分布式电源通常接入配电网，由于传统配电网的设计并未考虑分布式电源的接入，其并网运行必然会对配电网正常运行带来一些影响。分布式电源接入对配电网原有继电保护装置的影响是其中一个很重要的问题。我国的中低压配电网主要是不接地、或经消弧线圈接地系统，为单电源辐射型供电网络。在并入分布式电源后，网络的结构发生了根本变化，变为双电源甚至多电源网络。潮流不再单向地从变电站母线流向负荷，配电网的根本性变化使得原有保护系统，包括保护算法、定值、保护之间的配合、以及保护与重合闸之间的配合关系都可能受到影响。分布式电源的加入使得配电线路故障电流的大小和方向产生变化，其并网位置及其容量不同对故障电流的影响也有差别，可能引起配电网保护的拒动或误动。

现有分布式电源接入配电网对原有保护的影响归纳如下：

1)当分布式电源在保护上游，保护下游发生故障时，由于分布式电源的助增作用，流过保护的故障电流增大，增大的幅度受分布式电源容量及故障位置影响。对于电流保护而言，保护安装处故障电流变大，可能使得本线路的电流速断保护越级动作，失去选择性。

2)当分布式电源在保护上游，分布式电源上游或分布式电源与保护装置之间发生故障时，由于由分布式电源引起的故障电流不流经保护装置，分布式电源的并入对本线路保护没有影响。同样地，当分布式电源在保护下游，分布式电源与保护装置之间发生故障时，分布式电源的并入对本线路保护没有影响。

3)当分布式电源在保护下游，保护上游线路发生故障时，分布式电源产生的故障电流会逆向流过保护装置，可能引起本线路保护误动，失去选择性。

4)当分布式电源在保护下游，分布式电源下游线路发生故障时，由于分布式电源的分流效应，流过保护的故障电流减小，根据分布式电源接入位置的不同，可能引起本线路电流主保护或后备保护拒动。

由上述分析可以知道，在分布式电源接入配电网时，原有的保护在方向性、选择性以及灵敏度校验上可能不再满足要求，分布式电源并网的位置和容量大小不同对配电网保护装置的影响也不同。此外，由于分布式电源并入电网存在不确定性，保护整定值需要根据情况进行调整，因此原有配电网继电保护的配置方法也需要改进。

本发明考虑到分布式电源并网使得配电网传统的故障检测方法和继电保护模式难以满足电网安全运行需要，提出一种针对含分布式电源的配电网的保护新算法。该新算法考虑分布式电源接入配电网的位置、容量，引入线路增流和分流补偿系数，对分布式电源产生的故障电流进行补偿，并通过计算系统的综合阻抗，根据配电网当前的实际运行方式和故障状态，自适应地改变保护定值，使保护装置满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求。

发明内容

本发明的目的是，为了解决分布式电源并网使得配电网传统的故障检测方法和继电保护模式难以满足电网安全运行需要的问题，本发明提出一种含分布式电源的配电网保护算法。

实现本发明的技术方案是，一种含分布式电源的配电网保护算法，所述算法考虑分布式电源接入配电网的位置、容量，引入线路增流补偿系数和分流补偿系数，对分布式电源产生的故障电流进行补偿，并通过计算系统的综合阻抗，根据配电网当前的实际运行方式和故障状态，自适应地改变整定定值，使保护装置满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求；所述算法通过保护装置实现。

本发明中的整定定值按照下式计算：

$I_{\mathrm{DZ}}=\frac{K_d{K}_k{U}_F}{Z_{S1}+Z_{L1}}$

其中，K_d为故障类型系数，K_k为可靠系数，Z_S1为计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗，Z_L1为计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗；U_F为故障发生前故障点电压；

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{L1}=K_L{Z}_L\\ Z_{S1}=K_g{Z}_S\end{array}\right.$

其中，Z_L为线路阻抗，K_L为线路分流补偿系数；Z_g为分布式电源等效阻抗，K_g为线路增流补偿系数；Z_S为电源侧综合阻抗；

$\left\{\begin{array}{c}{K}_L=1+\frac{Z_S}{Z_g}\\ K_g=\frac{Z_g}{Z_S+Z_g}\end{array}\right.$

由上式可以看出，当线路没有接入分布式电源时补偿系数为1。

本发明引入线路增流补偿系数K_g和线路分流补偿系数K_L对配电网保护的作用有：

1)当保护在DG上游时，线路分流补偿系数补偿了因DG接入导致流经保护电流减小的部分，避免了由此产生的保护可能拒动的问题；

2)当保护在DG下游时，由线路助增电流补偿系数补偿了因DG接入而增加的电流，避免了由此产生的该保护可能误动问题；

3)在无DG加入时，补偿系数为1，即线路分流补偿系数和线路分流补偿系数均为1，不改变原来的保护配合。

要实现本发明算法，保护装置需作如下改进：

(1)在保护装置中增加电流方向元件，规定由公用电网指向负荷侧为正方向，只有正方向电流达到整定值才能引起保护装置动作；这可以避免线路保护装置下游接入分布式电源后，在故障发生时分布式电源产生的逆向电流引起保护装置误动作；

(2)应在分布式电源出口处安装电压互感器CT和电流互感器PT，并且将测量的电压电流值上传给保护装置；

(3)参数设置中，增加补偿系数K_L和K_S，这两个系数由系统电源侧综合阻抗Z_S和分布式电源等效阻抗Z_g决定，即

所述算法按照以下流程实现整个保护过程：

(1)检测相间电流方向为正方向(由电网侧流向负荷侧)，且变化量ΔI是否大于启动值ΔI_ZD，如果大于，则启动保护进入下一步(2)；否则，保护不启动；

(2)实时测量保护安装处的电压电流值，根据检测到的电流确定故障类型是两相相间短路还是三相短路，如果是两相短路则赋值三相短路则赋值K_d＝1；可靠系数K_k由内部程序自动赋值；

(3)故障发生时测量到的保护装置安装处的电流电压值U_mg、I_mg，计算接入分布式电源后的公用电网系统的综合阻抗Z_S＝-U_mg/I_mg，分布式电源发电机等效阻抗Z_g已知。根据分布式电源的位置和电流I_g，以及流经保护装置的电流，求得保护与故障点之间的电流，可以求得这段线路的阻抗Z_L，根据线路的阻抗Z_L以及故障前的电压电流值，可以求得故障发生前的故障点电压U_F；

(4)根据以上数据，如果分布式电源位于保护装置下游，计算线路分流补偿系数K_L＝1+Z_S/Z_g，如果分布式电源位于保护上游，则计算线路增流补偿系数K_g＝Z_g/(Z_S+Z_g)；

(5)分别计算计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗Z_S1＝K_gZ_S，和计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗Z_L1＝K_LZ_L；

(6)利用以上数据求得自适应保护的电流定值

(7)最后判断流过保护的相间实时电流I≥I_ZD是否成立，如成立，保护装置经过延时动作，跳闸开关，否则，返回步骤(2)。

本发明的算法与传统配电网电流保护原理不同，传统整定值是在配电网某个运行方式下提前设定的，而所述算法的保护定值具有自适应，电流保护的整定值是根据配电网运行情况随时算出来的，计算步骤参考图5，使得保护装置更加灵活；另外，由于补偿系数的影响，使用新算法的保护装置的电流速断保护范围变得更大。

本发明的有益效果是，所述算法考虑了分布式电源接入电网的位置，不管电源接在何处，都能够补偿其影响；配电网原有电流保护整定值是在配电网某个运行方式下提前设定的，而配电网自适应故障电流保护的整定值是根据配电网运行情况，随时算出来的，使得保护装置更加灵活；另外，由于补偿系数的影响，使用新的保护算法的保护装置的电流速断保护范围变得更大。

附图说明

图1为分布式电源并网运行电路(分布式电源的分流效应)；

图2为故障附加状态图(分布式电源的分流效应)；

图3为分布式电源并网运行电路(分布式电源的增流效应)；

图4为故障附加状态图(分布式电源的增流效应)；

图5为继电保护装置自适应新算法流程图。

具体实施方式

本发明具体实施方式如下：

一种针对含分布式电源的配电网的保护算法，包括以下主要内容：

以含有分布式电源的配电网图为例，其中图1中分布式电源DG位于保护CB后方，图2为图1的故障附加状态图，图3中DG位于保护CB前方母线A上，图4为图3的故障附加状态图。保护后方的F点发生三相金属短路故障，假设分布式电源加入前后，Z_S、Z_L、U_F不变。其中，Z_S为母线A处系统等值阻抗，Z_g为分布式电源等效阻抗，Z_L为AF段线路阻抗，Z_L2为F点至负荷间线路阻抗，Z_R为负荷阻抗，U_F为故障发生前故障点电压。

忽略图2和图4中的Z_g，得到分布式电源DG接入前，流过保护的电流I₁为：

$I_1=\frac{U_F}{Z_S+Z_L}$

从图2可以看出，分布式电源接在保护后方时，流过断路器CB保护的故障电流I_AB为：

$I_{\mathrm{AB}}={I_1}^{\′}=\frac{U_F}{Z_L+\frac{Z_S{Z}_g}{Z_S+Z_g}}\·\frac{Z_g}{Z_S+Z_g}=\frac{U_F}{Z_S+Z_L+\frac{Z_L{Z}_g}{Z_g}}$

从图4可以看出，分布式电源接在保护前方时，流过断路器CB保护的故障电流I_AB为：

$I_{\mathrm{AB}}={I_1}^{\′}=\frac{U_F}{Z_L+\frac{Z_S{Z}_g}{Z_S+Z_g}}$

本实施例考虑到分布式电源所处的不同位置时故障电流具有的类似形式，故引入补偿系数补偿分布式电源接入的影响，通过计算系统的综合阻抗，根据配电网当前的实际运行方式和故障状态，自适应地改变保护定值。整定定值按照下式计算：

$I_{\mathrm{DZ}}=\frac{K_d{K}_k{U}_F}{Z_{S1}+Z_{L1}}$

其中，K_d为故障类型系数，K_k为可靠系数，Z_S1为计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗，Z_L1为计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗。

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_{L1}=K_L{Z}_L\\ Z_{S1}=K_g{Z}_S\end{array}\right.$

其中，Z_L为线路阻抗，K_L为线路分流补偿系数；Z_g为分布式电源等效阻抗，K_g为线路增流补偿系数。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_L=1+\frac{Z_S}{Z_g}\\ K_g=\frac{Z_g}{Z_S+Z_g}\end{array}\right.$

由上式可以看出，当线路没有接入分布式电源时补偿系数为1。通过K_L和K_g补偿了分布式电源接入后对保护的影响：

1)当保护在DG上游时，线路分流补偿系数补偿了因DG接入导致流经保护电流减小的部分，避免了由此产生的保护可能拒动的问题。

2)当保护在DG下游时，由线路增流补偿系数补偿了因DG接入而增加的电流，避免了由此产生的该保护可能误动问题。

3)在无DG加入时，线路增流补偿系数和线路分流补偿系数都为1，不改变原来的保护配合。

为了防止逆向电流引起的误动，保护装置还应加装方向元件。

我国10kV～35kV配电系统通常采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。电流保护的任务是各种相间短路(包括两相接地)时的保护。故障类型系数K_d可由故障类型判别结果决定，在用于相间短路保护的条件下，三相短路时，取K_d＝1；两相短路时，取

系统电源侧综合阻抗计算公式为

$Z_S=-\frac{U_{\mathrm{mg}}}{I_{\mathrm{mg}}}$

式中，Z_S为加入分布式电源后电源侧的综合阻抗，U_mg、I_mg分别为故障时保护安装处的电压和电流。自适应故障电流保护的动作条件为：

I≥I_DZ

I为流经保护装置的故障电流。

本实施例提出的算法通过保护装置来实现，为了实现所述发明的算法，保护装置需要作如下改进：

(1)在保护装置中增加电流方向元件，规定由公用电网指向负荷侧为正方向，只有正方向电流达到整定值才能引起保护装置动作。这可以避免线路保护装置下游接入分布式电源后，在故障发生时分布式电源产生的逆向电流引起保护装置误动作。

(2)应在分布式电源出口处安装电压互感器CT和电流互感器PT，并且将测量的电压电流值上传给保护装置。

(3)参数设置中，增加补偿系数K_L和K_S，这两个系数由系统电源侧综合阻抗Z_S和分布式电源等效阻抗Z_g决定。

当线路发生故障时，继电保护装置将按照以下流程实现整个保护过程：

(1)检测相间电流方向为正方向(由电网侧流向负荷侧)，且变化量ΔI是否大于启动值ΔI_ZD，如果大于，则启动保护进入步骤(2)；否则，保护不启动。

(2)实时测量保护安装处的电压电流值，根据检测到的电流确定故障类型是两相相间短路还是三相短路，如果是两相短路则赋值三相短路则赋值K_d＝1；可靠系数K_k由内部程序自动赋值。

(3)故障发生时测量到的保护装置安装处的电流电压值U_mg、I_mg，计算接入分布式电源后的公用电网系统的综合阻抗Z_S＝-U_mg/I_mg，分布式电源发电机等效阻抗Z_g已知。根据分布式电源的位置和电流I_g，以及流经保护装置的电流，求得保护与故障点之间的电流，可以求得这段线路的阻抗Z_L，根据线路的阻抗Z_L以及故障前的电压电流值，可以求得故障发生前的故障点电压U_F。

(4)根据以上数据及公式(9)，如果分布式电源位于保护装置下游，计算线路分流补偿系数K_L＝1+Z_S/Z_g，如果分布式电源位于保护上游，则计算线路增流补偿系数K_g＝Z_g/(Z_S+Z_g)。

(5)根据公式(8)分别计算计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗Z_S1＝K_gZ_S，和计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗Z_L1＝K_LZ_L。

(6)根据以上数据及公式(7)求得自适应保护的电流定值

(7)最后判断流过保护的相间实时电流I≥I_ZD是否成立，如成立，保护装置经过延时动作，跳闸开关，否则，返回步骤(2)。

以上步骤如图5所示。

Claims (6)

1.一种含分布式电源的配电网保护算法，其特征在于，所述算法考虑分布式电源接入配电网的位置、容量，引入线路增流补偿系数和线路分流补偿系数，对分布式电源产生的故障电流进行补偿，并通过计算系统的综合阻抗，根据配电网当前的实际运行方式和故障状态，自适应地改变整定定值，使保护装置满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求；所述算法通过保护装置实现。

2.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网保护算法，其特征是，所述整定定值按照下式计算：

其中，K_d为故障类型系数，K_k为可靠系数，Z_S1为计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗，Z_L1为计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗；U_F为故障发生前故障点电压；

其中，Z_L为线路阻抗，K_L为线路分流补偿系数；Z_g为分布式电源等效阻抗，K_g为线路增流补偿系数；Z_S为电源侧综合阻抗；

由上式可以看出，当线路没有接入分布式电源时补偿系数为1。

3.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网保护算法，其特征是，所述线路增流补偿系数和线路分流补偿系数对配电网保护的影响：

1)当保护在DG上游时，线路分流补偿系数补偿了因DG接入导致流经保护电流减小的部分，避免了由此产生的保护可能拒动的问题；

2)当保护在DG下游时，由线路增流补偿系数补偿了因DG接入而增加的电流，避免了由此产生的该保护可能误动问题；

3)在无DG加入时，线路增流补偿系数和线路分流补偿系数为1，不改变原来的保护配合。

4.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网保护算法，其特征是，所述保护装置需作如下改进：

(1)在保护装置中增加电流方向元件，规定由公用电网指向负荷侧为正方向，只有正方向电流达到整定值才能引起保护装置动作；这可以避免线路保护装置下游接入分布式电源后，在故障发生时分布式电源产生的逆向电流引起保护装置误动作；

(2)应在分布式电源出口处安装电压互感器CT和电流互感器PT，并且将测量的电压电流值上传给保护装置；

(3)参数设置中，增加补偿系数K_L和K_S，这两个系数由系统电源侧综合阻抗Z_S和分布式电源等效阻抗Z_g决定，即

5.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网保护算法，其特征是，所述算法按照以下流程实现整个保护过程：

(1)检测相间电流方向为正方向，且变化量ΔI是否大于启动值ΔI_ZD，如果大于，则启动保护进入下一步(2)；否则，保护不启动；

(2)实时测量保护安装处的电压电流值，根据检测到的电流确定故障类型是两相相间短路还是三相短路，如果是两相短路则赋值三相短路则赋值K_d＝1；可靠系数K_k由内部程序自动赋值；

(3)故障发生时测量到的保护装置安装处的电流电压值U_mg、I_mg，计算接入分布式电源后的公用电网系统的综合阻抗Z_S＝-U_mg/I_mg，分布式电源发电机等效阻抗Z_g已知。根据分布式电源的位置和电流I_g，以及流经保护装置的电流，求得保护与故障点之间的电流，可以求得这段线路的阻抗Z_L，根据线路的阻抗Z_L以及故障前的电压电流值，可以求得故障发生前的故障点电压U_F；

(4)根据以上数据，如果分布式电源位于保护装置下游，计算线路分流补偿系数K_L＝1+Z_S/Z_g，如果分布式电源位于保护上游，则计算线路增流补偿系数K_g＝Z_g/(Z_S+Z_g)；

(5)分别计算计及了分布式电源助增效应的系统等效阻抗Z_S1＝K_gZ_S，和计及了分布式电源分流效应的线路等效阻抗Z_L1＝K_LZ_L；

(6)利用以上数据求得自适应保护的电流定值

(7)最后判断流过保护的相间实时电流I≥I_ZD是否成立，如成立，保护装置经过延时动作，跳闸开关，否则，返回步骤(2)。

6.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网保护算法，其特征是，所述算法考虑了分布式电源接入电网的位置，不管电源接在何处，都能够补偿其影响；配电网原有电流保护整定值是在配电网某个运行方式下提前设定的，而配电网自适应故障电流保护的整定值是根据配电网运行情况，随时算出来的，使得保护装置更加灵活；另外，由于补偿系数的影响，使用新的保护算法的保护装置的电流速断保护范围变得更大。