一种适用于分布式发电系统的配电网保护方案

乔 明，王 莹

(哈尔滨电力职业技术学院，哈尔滨 150030)

分布式发电(Distributed Generation，即DG)以其节能环保、能源形式多样、配置灵活、与大电源系统互补等诸多优势受到业界的广泛关注［1－6］。然而，随着分布式电源接入配电网［7］，传统的单电源辐射状配电网变成了一个多电源系统，它彻底改变了配电系统结构与原有的故障特征，使故障后的电气量变化变得更加复杂，传统的保护原理和故障检测方法受到了巨大的影响，以致无法准确判断故障的位置及传统的继电保护方法无法满足要求［8－11］。为此，本文提出了一种适用于含分布式电源配电网的保护方案。PSCAD仿真实验表明，该保护方案能够满足于含分布式电源配电网各种运行方式继电保护的需要，动作准确迅速。

1 分布式发电对配电网保护的影响

随着分布式电源的接入，原有的配电网变成了多电源系统，这对配电网中原有继电保护将产生以下不良影响［12－15］:

1)对于分布式电源接入点下游的保护装置，在下游发生故障时流过相应保护处的电流有所增加，使保护灵敏度升高，保护范围扩大，会出现超范围动作。

2)对于分布式电源接入点上游的保护，当上游线路故障时，流过上游保护处的故障电流因DG的接入而降低，会导致保护拒动。

3)对于分布式电源的容量，其容量越大，对故障电流的影响也越大，对保护的动作情况影响也越大。

为了使得分布式发电与大电源能够更好的协调与配合，最大限度地发挥分布式发电的优势，探讨接入大量分布式电源的配电网继电保护策略，找出解决分布式电源对配电网保护影响问题的合理方案势在必行。

2 适用于分布式发电系统的配电网保护方案

2.1 保护方案的逻辑原理

本方案以配电网各保护安装处建立远方通信为基础，其逻辑框图如图1所示，基本原理是:将相邻两条线路作为一个保护单元，利用后级线路方向性电流保护闭锁前级三段式方向电流保护。当本线三段式方向电流保护动作，而相邻线路三段式方向电流保护不动，判为本线故障，同时保护出口跳开本侧断路器，通过通信装置实现对本线对侧断路器进行远方跳闸。

图1 保护方案逻辑框图Fig.1 Protection scheme diagram

在图1中，时间元件t1的主要作用是防止通信通道信号传递的时间延误而使故障线路上一级保护因接收不到闭锁信号而发生误动作;时间元件t2的主要作用是防止故障被故障线路保护切除后，故障线路保护三段式方向电流部分返回快，故障线路上级线路保护三段式方向电流部分返回慢而造成保护误动作，造成故障影响范围扩大。当配电线路与主系统脱离孤岛运行发生故障时，由于分布式电源的容量较小，故障电流达不到三段式方向电流保护的动作值，孤岛网络将失去保护作用。

针对上述情况，在靠系统侧保护安装处增设一过流保护，靠分布式电源侧配置如图2所示，定值按躲过孤岛情况下DG所提供的最大负荷电流来整定，并由前级线路的开关状态决定其投退。

该保护方案具有以下主要特点:

1)在原有配电网三段式电流基础上进行技术改进，保护简单，新增辅助设备少。

图2 方向过流保护逻辑框图Fig.2 Direction over current logic diagram

2)本线路内故障时，Ⅱ段保护变为速动保护，提高了本线路内部故障的切除速度。当下一级线路故障时，本线保护又可以作为下级线路的远后备。

3)由于下级线路对本保护具有远方闭锁功能，因此保护新方案中三段式电流保护部分均可按未接入分布式电源时整定，避免因为分布式电源的投退造成频繁改动保护定值。

4)该方案既适用分布式电源渗透率较低的配电网，也适用分布式电源渗透率较高的配电网，不会因为配电网中分布式电源的增减而影响保护性能。

5)通过线路本侧保护联跳对侧断路器，故线路对侧无需安装保护装置，简化了保护配置，节省投资。

2.2 整定计算

三段式方向电流部分按配电网未接入分布式电源时三段式电流保护的整定方法整定。在分布式电源上游部分线路内故障，虽然该线路三段式方向电流保护受分布式电源的影响灵敏度有所降低［12］，但是Ⅱ段、Ⅲ段保护因定值相对较低，不会出现拒动，并且Ⅱ段为了速动保护，可快速的切除保护范围内的故障;在分布式电源下游线路内故障时，故障线路上游线路保护因为故障分布式电源的助增作用而使三段式方向电流保护范围扩大［14］，但是由于故障线路保护的闭锁作用而不会出现超范围动作的情况。

过电流保护部分按躲过保护安装处背向所有分布式电源提供最大负荷电流，并考虑电动机自启动过程中该保护能可靠返回，整定计算如式(1)所示。

式中:Krel为可靠系数，取1.15～1.25;KMs为电动机自启动系数，取1.5～3;Krel为返回系数，取0.85。

动作时间t按阶梯时限整定。

时间元件t1按躲信号在通道中传输一次的时间来整定，并留有一定的裕度。

式中:tcs为信号传输一次所需时间，Δt为时间裕度。

参照高压输电线路闭锁式方向高频保护，可取t1=10 ms。

时间元件t2按躲开三段式方向电流保护中Ⅰ段、Ⅱ段返回时间整定，并留有一定的裕度。

式中:th为电流元件的返回时间;Δt为时间裕度。

参照高压输电线路闭锁式方向高频保护，可取t2=40 ms。

该保护的整定简单，整定后无需频繁更改。

3 仿真分析

3.1 配电网模型及参数

10 kV典型配电接线系统如图3所示。

图3 含分布式电源的配电网接线图Fig.3 Distribution conection diagram with distributed power

1)电源参数:系统额定电压为10.5 kV，系统基准容量为300 MVA;最大方式下系统侧阻抗Zs.min=j0.054，Ω;最小方式下系统侧阻抗 Zs.max=j0.076，Ω;分布式电源 DG1、DG2的容量均为1.5 MVA;ZDG=j7.35，Ω。

2)线路参数如表1所示。

表1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of simulation model

3)负荷参数:为了方便起见，将各段的负荷全部集中在母线上，并采用恒阻抗模型代替负荷，负荷的功率因数均取0.9。各母线处等效负荷的阻抗参数如表2所示。

表2 各母线处负荷等效阻抗Tab.2 Equivalent load resistance of all buses Ω

3.2 保护配置及整定情况

3.2.1保护配置

保护1、保护2、保护3、保护4、保护7配置图1逻辑原理的保护;保护5、保护6配置图2逻辑过流保护。

3.2.2 各保护定值整定

1)三段式电流部分。各母线处短路电流计算如表3所示。

表3 各母线处故障短路电流Tab.3 Short circuit current of all buses A

各线路流过的最大负荷电流如表4所示。

表4 各线路处最大负荷电流Tab.4 Maximum load current of lines A

对各个保护装置进行整定，整定结果如表5所示。

表5 各保护三段电流定值Tab.5 Three-step current settings of protections A

2)过电流部分，其定值如表6所示。保护5的动作时间为t5=0.5 s，保护6的动作时间为t6=1.0 s。

表6 过流部分定值表Tab.6 Settings of part over current A

3.3 仿真结果

利用PSCAD/EMTDC软件以图3所示配电网为原型搭建仿真模型，选取三相短路故障情况作为仿真验证的故障类型;选取分布式电源上游线路(线路 B－C)和两分布式电源之间线路(线路C－D)作为仿真故障线路进行仿真验证。孤岛运行模拟主系统与配电线路脱离QF0断开时。

为书写方便、减少篇幅，现只将各保护出口的动作结果编排在下文中，以说明各保护动作情况(t=0.2 s时刻发生故障)。并网运行时线路BC、C－D内故障各保护动作情况如图4、图5所示，孤岛运行时线路B－C、C－D内故障各保护动作情况如图6、图7所示。

图4 B－C线路三相短路时各保护的动作情况Fig.4 Operation under three-short circuit of B－C line

由上述仿真结果可以看出，该保护方案在上述运行情况下均能准确动作。需要指出的是，主电源一侧保护动作后，需远方通信装置来完成对侧跳闸，所以只要主电源一侧保护出口正确，远方通信装置工作正常，就可以实现远跳功能。

图5 线路C－D内部三相短路各保护的出口情况Fig.5 Protection output under three-short circuit of C－D line

图6 孤岛运行线路B－C故障时保护6出口情况Fig.6 Output of protection 6 under B－C line in micro-grid

图7 孤岛运行线路C－D三相短路时保护3的动作情况Fig.7 Operation of protection 3 under three-short circuit of C－D line in micro-grid

4 结语

本文通过对配电网原有三段式电流保护进行技术改进，设计了一套适用于分布式发电系统的配电网保护方案，并利用PSCAD进行仿真实验，其结果表明:该保护方案在含有分布式电源的配电网中能够正确动作，既适用于主系统与分布式电源并网运行的情况，也适用于主系统与配电线路脱离的孤岛运行情况。

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