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含分布式电源配电网的快速电流保护方案


第 43 卷 第 2 期 2010 年 2 月


天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin University

Vol.43 No.2 Feb. 2010

含分布式电源配电网的快速电流保护方案
孙景钌,李永丽,李盛伟,金 强
(天津大学电力系统仿真控制教育部重点

实验室,天津 300072) 摘 要:为了能更快地切除故障, 在对含分布式电源(DG)配电系统进行故障分析的基础上, 提出了一种适用于含 DG

配电网的快速电流保护方案. 该方案需要在 DG 的上游区域为每个保护配置 OC、 DGOC、 AOC、 DGAOC 4 个独立的保 护模块, 其中加速模块 AOC 和 DGAOC 可以利用跳开端断路器的动作信息来加速断开本端断路器. 故障发生后, 根据 方向元件的判断结果, 相应的保护模块可以自适应地启动并正确动作. 仿真结果表明, 该方案能够在不改变配电系统 原有断路器配置的前提下快速地将故障线路从两端切除, 并且不用将 DG 退出运行, 可以使其继续维持对周围负荷的 供电. 因此, 该保护方案能够改善含 DG 配电系统的保护性能. 关键词:分布式发电;配电网;故障分析;快速电流保护方案 中图分类号:TM773 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2010)02-0102-07

A Fast Current Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations
SUN Jing-liao,LI Yong-li,LI Sheng-wei,JIN Qiang
(Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract:Based on fault analysis of the distribution system with distributed generations(DGs), fast current protection a scheme has been proposed to clear the fault quickly. In the scheme four independent protection modules OC, DGOC, AOC and DGAOC are configured for each relay at the upstream side of DG, among which the acceleration modules AOC and DGAOC can speed up the operation of relays following the operation of the circuit breaker at the remote end. After a fault occurs, relevant protection modules can startup adaptively and operate correctly according to judgement of the direction the component. Simulation results show that, with the proposed scheme, fault line can be cut off quickly at two ends without the changing the original configuration of the circuit breakers or disconnecting DG, that it continues to supply power for so loads around. Therefore, proposed protection scheme can improve the protection performance of the distribution system the with DG. Keywords:distributed generation;distribution system;fault analysis;fast current protection scheme

近年来, 由于分布式电源(distributed generation, DG)在环保、 经济性等方面有明显优势, 因此受到了 人们极大的关注. 大量 DG 接入配电网以后, 会给配 [1-2] 电网的保护带来一定的影响 . 为解决此问题, 目前 [3-5] 的研究多是集中在基于通讯的保护上 . 这类保护 利用了多点信息, 与传统的基于本地信息的保护相比 有很多优点. 但是由于此类保护对通讯可靠性要求
收稿日期:2008-12-19;修回日期:2009-03-23.

很高, 一旦通讯出现问题, 保护也将失效. 因此, 对于 接有 DG 的配电网, 研究传统的基于本地信息的保护 仍然是非常必要的. 为此, 文献[6]指出可以通过对传 统配网保护重新进行整定然后加装方向元件来消除 DG 带来的影响. 但是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, 对于接有 DG 的配电网,

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划)资助项目(2009CB219704); 国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2007AA05Z241); 天津市自然科学基金资助项目(08JCYBJC13500). 作者简介:孙景钌(1983— ) ,男,博士研究生,sunjingliao@163.com. 通讯作者:李永丽,lyltju@163.com.

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孙景钌等:含分布式电源配电网的快速电流保护方案

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一般希望保护能更快地切除故障, 以减轻短路对 DG [7] 造成的影响 . 因此, 有必要对传统的电流保护加以 改进以适应含 DG 配电系统对保护快速动作的要求. 在 DG 接入配电网之前, 为了提高电流保护的动 作速度, 很多学者已经进行了大量的研究, 并提出了 [8-12] 相继速动保护或无通道保护的原理 , 这类保护可 以利用对端断路器的动作信息来加速跳开本端断路 器, 从而加速故障的切除. 但是传统的配电网属于单 端电源辐射型网络, 所带的线路是单断路器线 其 路. DG 的接入, 改变了配电系统的网络结构, DG 使 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. 基于此, 笔者在对含 DG 配 电系统进行故障分析的基础上, 提出了一种适用于含 DG 的单断路器配电线路的快速电流保护方案.

(a)接有 IIDG 的简单配电系统

(b)故障附加状态

Fig.1

图 1 接有 IIDG 配电系统的故障分析图 Fault analysis of distribution system with IIDG

为故障前 K 点的电压; I DG = I FDG ? I DG , 为故障后 Δ DG 输出电流的增加量, 其中 I DG 为故障前 IIDG 输出 的电流. 如果 K 点发生的是两相短路, 则可以将图 1(b)所示的状态再进行序分量分解, 2(a)、 图 (b)所 示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, 2 中故障点仍然有 图 但是由于受 ΔI DG 的影响, 保护安装处感 ΔI K 1 = ? I K 2 , 受到的电流大小 ΔI A1 、 I B1 不再与 I A 2 、 B 2 相等. Δ I 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 = I 2 .

1

含 DG 配电系统的故障分析

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 的主要形式, 即使对于风力发电机、 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, 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, 即通过 调整逆变器输出的电流使 DG 输出的 P 和 Q 达到设 定值. 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, 但该过程持续的 时间很短, DG 输出的功率会很快又回到设定值[13] ; 而且一般认为故障后一段时间内, 输出功率的设 DG 定值保持不变. 因此, 在研究带时限的电流保护时, 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[14]. 图 1(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 1 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, I FDG 表示. 用 将图 1(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, 1(b)所示为相应的故障附加状态, 图 图中, K U

(a)正序故障分量网络

(b)负序分量网络

Fig.2

图 2 序分量网络 Sequence component network

2 含 DG 配网的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

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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. 但这样做违背了安装 DG 的 初衷, 有可能导致对 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. 图 3 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且不加装新的断路器, 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, 上游的每个保护需要配置 4 个独立的 DG 保护模块以代替传统的定时限过电流保护, 4 个独 这 立模块可以根据需要选择投入与否.

图 3 简单的辐射型配电网系统 Fig.3 A simple radial distribution system

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. 和 DGOC 模块可以按 OC 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 [15] 以考虑采用基于本地量信息的自适应电流保护 . AOC、 DGAOC 模块则需要根据本端 OC、 DGOC

模块和与其配合的对端 DGOC、 模块的动作时间 OC 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 3 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 1.5,s, 而与其配合的保护 3 的 DGOC 模块的动作时 间为 1.3,s, 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 0.9,s, 与其配合的保护 1 的 OC 模块的动作时间为 1.9,s, 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[9]为

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R = I 2 / I1 > R0

(1)

通过第 1 节中对含 式中 R0 为启动判据的门槛值. IIDG 配电系统的故障分析可知, 当系统中接有 IIDG I 时, 1 会受到 ΔI DG 的影响, 为此可适当减小 R0 以消除
ΔI DG 带来的影响. 一般情况下, 0 可取为 0.4, R 接有

为例, 利用 PSCAD/EMTDC 仿真软件对含 DG 系统 的快速电流保护方案进行仿真验证. 系统的基准容 量为 500,MVA, 基准电压为 10.5 kV. 线路 AB、 BC、 CD 、 、 DE AG 为 架 空 线 路 , 路 参 数 为 x1 = 0.347 线
r Ω / km ,1 = 0.27 Ω / km ; GH 为地下电缆, EF、 线路参

IIDG 后, 0 可取 0.1~0.2. R 当发生不对称故障后, 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 I S =|| I (k ) + I (k ? N / 2) | ?
| I (k ? N / 2) + I (k ? N ) ||> ε

数为 x1 = 0.093 Ω / km ,1 = 0.259 Ω / km .每个节点处 r 接有额定容量为 6,MVA、 额定功率因数为 0.85 的负 荷. IIDG 接在母线 E 处, 采用 PQ 控制方式, 额定容 量为 10 MVA. 针对上述系统, 本文加速模块启动判据的门槛值 取为 0.1, 动作判据的门槛值根据潮流分布情况取为 20,A. 系统在 0 s 时刻发生故障, 故障类型为 BC 两 相短路. 3.1 线路 AB 末端 K1 点处发生两相短路 当 DG 上游线路 AB 末端 K1 处发生 BC 两相短 路时, 保护 1 的 OC 模块以及保护 2、 4、 的 DGOC 3、 6 模块都将启动, 同时保护 1 的 AOC 模块以及保护 4 和保护 6 的 DGAOC 模块也将启动, 其中各加速模块 感受到的 R 和 I S 值分别如图 4~图 6 所示. 由图可 知, 在故障发生以后, 由于保护 2 的 DGOC 模块动作 时间最短, 它将于 0.9,s 首先动作断开相应断路器. 而 在保护 2 动作以后, 只有保护 1 的 AOC 模块在加速 时间段 0.9~1.0,s 内仍能感受到故障存在, 且非故障 相的电流采样值突变量大于门槛值, 满足加速条件, 从而加速跳开本端断路器, 将故障线路 AB 从两端隔 离, 这比传统的动作时间 1.9,s 缩短了将近 1,s. 如果

(2)

I ε 式中: S 为非故障相电流采样值的突变量; 为突变

量门槛值. 只有在加速时间段内故障仍然存在, R 即 仍然大于 R0 , 而且 I S 满足式(2)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 3 中的保护 2, 由于其对端保护 3 的 DGOC 模块动作 时间为 1.3,s, 故保护 2 的 AOC 模块的加速时间段可 以整定为 1.3~1.4,s[9]. 由第 1 节中的分析可知, 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 3 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 1 个断路器和保护装 置 6, 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 护的动作时间比较短, 且不要求从线路两端切除故 障, 故此时可仍配置传统的定时限过电流保护. 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, 可以参考文献[11]中介绍的保护方 案对下游保护进行配置, 以加速故障的切除. 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.

(a) R

3 仿真验证
以图 3 所示的 10,kV 中性点不接地配电网系统

(b) I S

图 4 K1 处发生 BC 两相短路时保护 1 的仿真结果 Fig.4 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 1

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在故障线路 AB 被切除以后, 将与其周围的 DG 一些负荷形成孤岛, 继续维持对它们的供电. 当然, 在形成孤岛之后, 为了维持孤岛内功率的平衡以及电 压频率的稳定, 需要进行孤岛划分. 3.2 线路 EF 末端 K2 点处发生两相短路 当 DG 下游线路 EF 末端 K2 处发生 BC 两相短 路时, 保护 1、 3、 的 OC 模块以及保护 1、 的 2、 4 2 AOC 模块均将启动, 各加速模块感受到的 R 和 I S 值 如图 7 和图 8 所示. 由图可知, 当故障发生后, 保护 5 的定时限过电流保护将在 0.3,s 的时刻率先动作切除 故障, 从而保护 1 和保护 2 的 AOC 模块在各自的加 速时间段内不会再感受到故障, 且非故障相的电流也 没有突变, 所以它们不会误动作, 能够正确返回. 同 样, 保护 1~4 的 OC 模块也将在故障切除以后正确 返回.

(a) R 值

(b) I S 值

图 5 K1 处发生 BC 两相短路时保护 4 的仿真结果 Fig.5 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 4

保护 1 的 AOC 模块拒动, OC 模块将作为近后备 其 在延时到达后动作切除故障. 保护 4 和保护 6 的 DGAOC 模块在加速时间段内或者两个条件都不满 足, 或者能感受到故障存在, 但是非故障相的电流没 有突变, 所以它们都不会误动作, 能够正确返回. 保护 3、 6 的 DGOC 模块也将在故障被切除后正确返回. 4、

(a) R 值

(b) I S 值 (a) R 值

图 7 K2 处发生 BC 两相短路时保护 1 的仿真结果 Fig.7 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 1

3.3 线路 AG 首端 K3 点处发生两相短路 当相邻馈线 2 的线路 AG 首端 K3 处发生 BC 两 相短路时, 保护 2、 4、 的 DGOC 模块以及保护 4、 3、 6 6 的 DGAOC 模块均将启动, 各加速模块感受到的 R 和 I S 值如图 9、 10 所示. 图 由图可知, 当故障发生后,
(b) I S 值

图 6 K1 处发生 BC 两相短路时保护 6 的仿真结果 Fig.6 Simulation results of b-c fault at K1 of relay 6

保护 7 的定时限过电流保护在 0.5 s 的时刻率先动 作, 将故障切除, 因此保护 4 和保护 6 的 DGAOC 模 块在各自的加速时间段内将不会再感受到故障, 且非 故障相的电流也不会有突变, 所以它们也不会误动

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(a) R 值

(a) R 值

(b) I S 值

(b) I S 值

图 8 K2 处发生 BC 两相短路时保护 2 的仿真结果 Fig.8 Simulation results of b-c fault at K2 of relay 2

图 10 K3 处发生 BC 两相短路时保护 6 的仿真结果 Fig.10 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 6

作, 能够正确返回. 保护 2、 4、 的 DGOC 模块也将 3、 6 在故障切除以后正确返回. 通过上面的仿真可以看出, DG 上游发生故障 在 时, 本电流保护方案都能够正确地动作, 且动作时间 大大缩短; 而在 DG 下游或相邻馈线发生故障时, 保 护都能可靠不误动.

考虑到本方案中加速模块动作判据门槛值的选 取与实际的潮流分布有关, DG 出力的变化会影响 而 到潮流的分布, 所以笔者还对 DG 出力发生变化时的 情况进行了大量仿真, 仍然能够得到上述结论. 当 然, 实际系统要比上述的仿真系统复杂得多, 为了能 可靠躲开电流扰动的影响, 门槛值可以适当取得高一 点, 经此处理以后即使加速模块拒动, 但是由于 OC、 DGOC 模块的存在仍然能够保证保护的正确动作, 所 以采用本文提出的保护方案仍能在一定程度上改善 含 DG 配电系统保护的性能.

4 结 语
(a) R 值

(b) I S 值

图 9 K3 处发生 BC 两相短路时保护 4 的仿真结果 Fig.9 Simulation results of b-c fault at K3 of relay 4

在 DG 接入配电网以后, 配电网的辐射型网络结 构将发生改变, 而且短路后的故障特性也与传统配电 网的故障分析结果有所不同. 考虑到我国配电网一 般只在系统侧装设断路器, 但是接入 DG 后在线路发 生故障时又要求能从两端快速切除故障线路, 所以本 文在对含 DG 配电系统进行故障分析的基础上, 提出 一种适用于含 DG 的单断路器配电线路的快速电流 保护方案. 本方案需要在 DG 的上游区域为每个保护 配置 OC、 DGOC、 AOC 和 DGAOC 4 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. 通过对具体系统的大量仿真, 验证了本

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保护方案的正确性. 需要指出的是, 本文提出的保护方案中加速模块 的判据并不适用于三相短路的情况, 当发生三相短路 时, 仍需按照传统的定时限过电流保护模块来切除故 障. 但是在实际的配电网运行情况中, 不对称短路发 生的几率要比三相短路高得多, 所以对于含 DG 的配 电网, 本文提出的保护方案仍具有较高的实用价值. 参考文献:
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