CN110649581A

CN110649581A - 一种含分布式电源的合环配电网保护方法

Info

Publication number: CN110649581A
Application number: CN201911044204.4A
Authority: CN
Inventors: 史泽兵; 金震; 丁晓兵; 宋志伟; 李正红; 王杰; 陈宏山; 陆明; 桂海涛
Original assignee: China Southern Power Grid Co Ltd; NR Electric Co Ltd
Current assignee: China Southern Power Grid Co Ltd; NR Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明公开了一种含分布式电源的合环配电网保护方法，将DG接入配电网一条供电支路，并在DG接入母线上设置一台DG断路器，所述DG断路器用于短路电流检测和方向判断；将带有DG的供电支路的末端与另一条供电支路的末端通过联络开关相连接形成合环配电网；合环配电网采用纵联过流保护方法，若DG接入母线上游故障，可由上游线路对侧保护动作隔离故障，DG保持供电；若DG接入母线下游故障，则由下游线路保护动作隔离，DG保持供电。本发明可在很短时间内隔离合环配电网任一处故障，且至多损失一条母线负荷，不切除DG，可有效提升合环配电网供电可靠性和DG利用率。

Description

一种含分布式电源的合环配电网保护方法

技术领域

本发明涉及一种含分布式电源的合环配电网保护方法，属于电力系统安全运行技术领域。

背景技术

目前，随着我国政策扶持和相关装备制造技术不断成熟完善，配电网中接入了大量光伏、风电等分布式电源(Distributed Generation，DG)。同时，由于DG渗透率升高及用户对供电可靠性要求，配电网合环运行具有其急迫性。针对含DG合环配电网，制定合理的保护方案，可实现环内故障的快速、小范围有效隔离，促进系统运行安全、可靠和新能源消纳。

针对含DG合环配电网的保护方案，解环定时限过流保护策略充分利用原有开环定时限过流保护，不增设断路器和方向元件等配置，但难以提升合环运行的供电可靠性和DG利用率；方向定时限过流保护在线路两端均配置断路器，且加装方向元件，该方法可精确隔离故障，但加装断路器较多、投资巨大，且由于保护时限配合需要，不能保证靠近系统故障的快速隔离；通过同步相量测量装置采样数据和网络参数辨识故障并定位，以此实现故障隔离，该方案对系统配置和通信要求较高；基于信息共享的广域保护控制方案，采用了可扩展差动保护和基于负载灵敏度的负荷切除方法，同样存在投资巨大和通信要求较高的问题。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，基于投资经济、有效隔离故障原则，本发明提供一种含分布式电源的合环配电网保护方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种含分布式电源的合环配电网保护方法，包括如下步骤：

将DG接入配电网一条供电支路，并在DG接入母线上设置一台DG断路器，所述DG断路器用于短路电流检测和方向判断；

将带有DG的供电支路的末端与另一条供电支路的末端通过联络开关相连接形成合环配电网；

合环配电网采用纵联过流保护方法，若DG接入母线上游故障，可由上游线路对侧保护动作隔离故障，DG保持供电；若DG接入母线下游故障，则由下游线路保护动作隔离，DG保持供电。

作为优选方案，所述供电支路由多段馈线依次连接组成，多段馈线的末端设置为末端线路，包括DG断路器的馈线设置为DG线路，其余馈线设置为普通线路；所述末端线路、DG线路、普通线路均设置有断路器，且每个断路器均设置有对应的保护装置。

作为优选方案，所述纵联过流保护方法，具体步骤如下：

如果在DG线路处发生短路故障时，DG线路上第一断路器和DG断路器所对应的第一保护装置和第二保护装置均检测到正向短路电流，且流经下游断路器为反向短路电流，因而不向第一断路器发送闭锁信号，第一保护装置触发第一断路器延时t _d后跳闸，并向DG断路器发信跳闸允许信号，触发CB7跳闸；此时不切除DG和任何负荷，可最小范围内实现故障隔离。

如果在与末端线路相邻的普通线路处发生短路故障时，普通线路上第三断路器对应第三保护装置，第三断路器检测到正向短路电流，末端线路上第四断路器对应第四保护装置，第四断路器检测到反向短路电流，因而第三保护装置发信闭锁上游断路器，且第四保护装置不向第三断路器发送闭锁信号，第三保护装置起动触发第三断路器延时t _d后跳闸，并发信第四断路器跳闸；此时仅切除末端线路上负荷。

如果在末端线路处发生短路故障时，末端线路上另一个第五断路器对应第五保护装置，第三保护装置和第五保护装置均检测到正向短路电流，并向对侧断路器发送跳闸允许信号，故两个对侧断路器均收到跳闸允许信号而快速跳闸，且发信闭锁上游断路器；此时不切除DG和任何负荷，可实现最小范围内的故障隔离。

作为优选方案，保护装置采用导引线通信。

作为优选方案，保护装置采用微波通信。

作为优选方案，保护装置采用光纤通信。

作为优选方案，断路器均设置有定时限过流保护功能，在t ₄延时后触发跳闸。

有益效果：本发明提供的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，仅加装一台断路器，并通过纵联通信保证保护的选择性和速动性，可在很短时间内隔离合环配电网任一处故障，且至多损失一条母线负荷，不切除DG，因而可有效提升合环配电网供电可靠性和DG利用率，具有重要推广应用价值。

本发明具有如下优点：1、仅加装一台断路器，投资经济，且故障时无需切除DG，可促进配电网可再生能源消纳；2、纵联过流保护策略通过纵联通信，无需上下游保护间的动作时限配合，可在很短时间内隔离环内故障，且隔离范围小，至多损失一条母线，有利于提升合环配电网供电可靠性；3、通信方式结合实际情况选取，可充分利用现有资源或技术应用示范。

附图说明

图1为本发明的纵联过流保护配置图。

图2为本发明的纵联过流保护动作逻辑图。

图3为改进的IEEE 14节点配电系统合环结构图。

图4为f ₁处故障时保护检测电流波形。

图5为f ₂处故障时保护检测电流波形。

图6为f ₃处故障时保护检测电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例：

一、首先，介绍本发明涉及的方法原理：

本发明的一种含分布式电源的合环配电网保护方案，详细如下：

（1）为避免高昂投资成本，本发明采用一种纵联过流保护方法仅在DG接入母线加装一台断路器，且所有断路器均加装方向元件和通信装置，其配置如图1所示。原有配电网母线A为原电源接入母线，分别两条出线，两条出线的断路器设置如下：线路AB, 线路BC,出线C分别设置有断路器CB1、CB2、CB3,线路AE、线路ED、出线D分别设置有断路器CB4、CB5、CB6,当DG接入配电网，将出线C、出线D通过联络开关进行合环，并在DG接入母线AE上设置断路器CB7。所述线路AB, 线路BC、线路ED称为普通线路，线路AE称为DG线路，合环后的线路CD称为末端线路；各断路器CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7分别对应保护1、保护2、保护3、保护4、保护5、保护6、保护7。

含DG配电网从开环升级为闭环运行，在DG接入母线加装一台断路器后，若母线上游故障，可由上游线路对侧保护动作隔离故障，DG保持供电；若母线下游故障，则由下游线路保护动作隔离，DG保持供电。因而仅在DG接入母线加装一台断路器，可在较少投资条件下，实现故障不切除DG，促进了可再生能演消纳。

（2）本发明采用一种针对含DG合环配电网的纵联过流保护方法，保护间采用纵联通信，基于短路电流检测和方向判别，合环配电网上、下游保护和本线路对侧保护间发信跳闸允许/闭锁，保证保护的速动性和选择性。含DG合环配电网的纵联过流保护方法原理如下：

1）对于配电网断路器CB1、CB2、CB4和CB5，若保护检测到正向短路故障电流，且未收到由下游断路器发送的闭锁信号，则起动触发本地断路器，延时t _d后跳闸，并发信下游线路断路器，触发下游断路器跳闸。

2）对于配电网合环处断路器CB3和CB6，由于在开环过流保护中均处于馈线末端，无下游断路器，因而当本地保护检测到正向短路故障电流，且收到对侧断路器发送的跳闸允许信号时，断路器触发跳闸，并发信闭锁上游断路器。

3）对于DG接入母线加装的断路器CB7，若断路器CB7的保护7检测到正向短路故障电流，且收到对侧断路器CB4的保护4发送的跳闸允许信号，则CB7跳闸。

4）以配电网原有的定时限过流保护作为线路后备保护。

图2所示为本发明的纵联过流保护的动作逻辑图。其中保护1和保护2动作类似保护4、保护5，为避免繁琐，未一并画出。

基于图1中几处典型故障和图2动作逻辑，分析本发明的纵联过流保护动作特性：

1）当f ₁处发生短路故障时，保护4和保护7均检测到正向短路电流，且流经下游断路器CB5为反向短路电流，因而不向CB4发送闭锁信号，保护4触发CB4延时t _d后跳闸，并向CB7发信跳闸允许信号，触发CB7跳闸。若CB4不动作，则由定时限过流保护在t ₄延时后触发跳闸。此时不切除DG和任何负荷，可最小范围内实现故障隔离。

2）当f ₂处发生短路故障时，保护4和保护5均检测到正向短路电流，保护6检测到反向短路电流，因而保护5发信闭锁上游断路器CB4，且保护6不向CB5发送闭锁信号，保护5可起动触发本地断路器CB5延时t _d后跳闸，并发信下游断路器触发CB6跳闸。此时仅切除母线D上负荷。线路AB和AC上发生故障时类似f ₂处故障，会切除线路上远离系统电源的母线负荷。

3）当f ₃处发生短路故障时，保护3和保护6均检测到正向短路电流，并向对侧断路器发送跳闸允许信号，故CB3和CB6均收到跳闸允许信号而快速跳闸，且发信闭锁上游断路器，以避免CB2和CB5因检测到正向短路电流误动。此时不切除DG和任何负荷，可实现最小范围内的故障隔离。

可见，本方法在减少断路器安装、节省投资前提下，可在环内任一处故障时以t _d小延时实现故障的小范围隔离，最大仅切除一条母线负荷，且不会失去DG，从而有效提升合环配电网供电可靠性和DG利用率。

（3）在通信方式上，给出了结合实际情况的选择依据。配电网纵联通信可采用导引线通信、微波通信和光纤通信等，通信方式的选择需结合实际情况，如下：

1）有现成金属通信线路可用时，宜选用导引线通信方式。

2）微波通信具有成本低、维护简单等优势，且4G通信技术的成熟应用和5G的快速发展、商业应用可保证其传输速度和安全性，因而可选用微波通信方式。

3）光纤通信具有时延小、通信容量大、传输效率高等优势，配电网结合数字化变电站建设及与电信部门合建包含光纤通道的架空地线时，可选择光纤通信方式。

二、下面是采用上述方法的具体一个案例：

基于改进的IEEE 14节点配电系统进行仿真测试，其结构如图3所示。配电网在节点7和节点14通过联络开关合环，并在节点5接入DG，DG容量为5MW。系统基准容量100MVA，基准电压10.5kV。

配电网采用本发明的纵联过流保护方案。设置f ₁、f ₂和f ₃为故障点，故障类型为两相短路，故障起始时刻为0.2s；保护可靠系数和返回系数分别取1.2、0.9，相关支路最大负荷电流I _l,max和保护整定值I _s如表1所示。纵联保护延时t _d取0.1s，定时限过流保护时间级差△t取0.3s。

表1 支路最大负荷电流和保护整定值

电流/kA	CB<sub>1</sub>	CB<sub>4</sub>	CB<sub>6</sub>	CB<sub>15</sub>	CB<sub>14</sub>	CB<sub>16</sub>
							<i>I</i><sub><i>l</i>,max</sub>	0.265	0.129	0.223	0.158	0.149	-0.129
<i>I</i><sub>s</sub>	0.371	0.182	0.315	0.222	0.212	0.182

基于PSCAD/EMTDC平台搭建仿真系统。依次设置f₁、f₂和f₃处故障，表2为不同故障位置时流经各相关保护的短路电流。

表2 保护故障电流

电流/kA	CB<sub>1</sub>	CB<sub>4</sub>	CB<sub>6</sub>	CB<sub>15</sub>	CB<sub>14</sub>	CB<sub>16</sub>
							<i>I</i><sub><i>f</i>1</sub>	0.694	0.672	-0.263	-0.231	0.231	1.121
<i>I</i><sub><i>f</i>2</sub>	0.289	0.213	1.082	-0.251	0.251	-0.213
							<i>I</i><sub><i>f</i>3</sub>	0.282	0.208	0.715	0.692	0.339	-0.208

由表2可知：

1）当f ₁处发生短路故障时，断路器CB1、CB4、CB14和CB16流经正向短路电流0.694kA、0.672kA、0.231kA、1.121kA，均大于各自保护整定值，CB6和CB15流经反向短路电流，保护4、保护6和保护16检测电流波形如图4所示。保护4向上游断路器发信闭锁，因而CB1可靠不动作；同时保护6由于反向短路电流不向CB4发信闭锁，因而保护4可触发断路器动作，经延时0.1s后跳闸，并发信对侧断路器跳闸允许信号；DG会向f1注入较大的短路电流，因而保护16检测到很大的正向短路电流，在收到来自保护4的跳闸允许信号后将触发CB16动作跳闸；保护15因检测到反向短路电流，故保护14和保护15均不动作。因而保护策略可在0.1s内由CB4和CB16隔离故障，且不损失负荷。

2）当f ₂处发生短路故障时，断路器CB1、CB4、CB6和CB14流经正向短路电流0.289kA、0.213kA、1.082kA、0.251kA，且保护4、保护6和保护14检测电流均大于其整定值，CB15和CB16流经反向短路电流，保护4、保护6和保护15检测电流波形如图5所示。保护6向上游断路器发信闭锁，因而CB4可靠不动作；同时保护15由于反向短路电流不向CB6发信闭锁，因而保护6可触发断路器动作，经延时0.1s后CB6跳闸，并发信下游断路器跳闸允许信号，CB15动作跳闸；保护14检测到的正向故障电流虽大于其整定值，但保护15不向其发信，故CB14可靠不动作。因而保护策略可在0.1s内由CB6和CB15隔离故障，但会损失节点7上负荷。

3）当f ₃处发生短路故障时，断路器CB1、CB4、CB6、CB15和CB14流经正向短路电流0.282kA、0.208kA、0.715kA、0.692kA、0.339kA，且保护4、保护6、保护15和保护14检测电流均大于其整定值，CB16流经反向短路电流。保护15和保护6分别向上游断路器CB6、CB4发信闭锁，因而CB4和CB6可靠不动作；保护14和保护15检测电流波形如图6所示，均检测正向短路电流，并相互发信允许跳闸，因而CB14和CB15动作跳闸。保护策略可在很短时间内由CB14和CB15隔离故障，且不损失负荷。

可见，纵联过流保护方案通过纵联通信方式，无需上下游保护间的动作时限配合，可在很短时间内隔离合环配电网任一处故障，避免了靠近系统母线严重故障时传统保护长动作时限的缺陷。且在较小投资下，可实现环内故障的小范围隔离，至多损失一条母线负荷，且不切除DG，有效提升了合环配电网供电可靠性和DG利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：所述供电支路由多段馈线依次连接组成，多段馈线的末端设置为末端线路，包括DG断路器的馈线设置为DG线路，其余馈线设置为普通线路；所述末端线路、DG线路、普通线路均设置有断路器，且每个断路器均设置有对应的保护装置。

3.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：所述纵联过流保护方法，具体步骤如下：

如果在DG线路处发生短路故障时，DG线路上第一断路器和DG断路器所对应的第一保护装置和第二保护装置均检测到正向短路电流，且流经下游断路器为反向短路电流，因而不向第一断路器发送闭锁信号，第一保护装置触发第一断路器延时t _d后跳闸，并向DG断路器发信跳闸允许信号，触发CB7跳闸；

如果在与末端线路相邻的普通线路处发生短路故障时，普通线路上第三断路器对应第三保护装置，第三断路器检测到正向短路电流，末端线路上第四断路器对应第四保护装置，第四断路器检测到反向短路电流，因而第三保护装置发信闭锁上游断路器，且第四保护装置不向第三断路器发送闭锁信号，第三保护装置起动触发第三断路器延时t _d后跳闸，并发信第四断路器跳闸；

如果在末端线路处发生短路故障时，末端线路上另一个第五断路器对应第五保护装置，第三保护装置和第五保护装置均检测到正向短路电流，并向对侧断路器发送跳闸允许信号，故两个对侧断路器均收到跳闸允许信号而快速跳闸，且发信闭锁上游断路器。

4.根据权利要求2或3所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：保护装置采用导引线通信。

5.根据权利要求2或3所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：保护装置采用微波通信。

6.根据权利要求2或3所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：保护装置采用光纤通信。

7.根据权利要求2或3所述的一种含分布式电源的合环配电网保护方法，其特征在于：断路器均设置有定时限过流保护功能，在t ₄延时后触发跳闸。