考虑DG接入位置和容量的配电网保护综合改进方案

黄大为，潘 波



考虑DG接入位置和容量的配电网保护综合改进方案

黄大为，潘 波

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132000)

为了解决分布式电源(distributed generations，DG)接入配电网后引起的传统配电网继电保护拒动、误动、灵敏度降低等问题，提出一种适应DG大量接入配电网的改进保护方案。从DG接入位置和容量角度，分析接入母线和馈线对传统配电网三段式电流保护和反时限过电流保护的影响，并计算传统配电网三段式电流保护允许接入容量。通过配置低电压加速反时限过电流保护，以及加装少量方向元件对传统配电网继电保护进行改进来满足含大量DG的配电网保护要求。利用PSCAD/EMTDC对含DG的10 kV配电系统进行了仿真分析，仿真结果表明，该改进方法能够满足不同容量的DG接入配电网保护要求，具有很好经济性和实用性，符合我国当前配电网发展现状。

分布式电源；配电网；接入位置；三段式电流保护；低电压加速反时限过电流保护

0 引言

传统配电网主要是以单电源供电的辐射状网络为主，采用的继电保护以三段式电流保护[1]为主。DG接入后配电网变成了多电源供电的有源网络，当系统发生故障时，短路电流大小、方向等都会发生变化，因此传统单纯基于故障电流大小而动作的三段式电流保护已经不能满足DG大量接入[2]。

DG种类多样，按照并网方式可以分为两类[3]：一类是变压器直接并网的电机型DG；一类是通过逆变器并网的DG简称逆变型DG(inverter interfaced distributed generation，IIDG)。在故障分析时，电机型DG故障电流特性类似于同步电机可以等效成电压源和电抗串联的形式[3]；IIDG故障电流取决于控制方式可以等效成电流源[4-7]，其最大故障电流一般为额定电流1.2倍[8]。

现有的含DG配电网保护主要可以分为两类：第一类对传统配电网保护的改进，第二类利用发达通讯网络实现配电网保护信息交换的智能保护。文献[9-11]根据DG容量大小、接入位置，以及电网运行状态，对保护整定值在线实时进行整定，但是没有考虑DG故障时的电流特性；文献[12]在DG上游线路两侧分别配置带方向的三段式电流保护，由于风电、光伏等利用可再生能源发电的DG具有波动性，保护整定难度增加，降低了保护的可靠性；文献[13]通过比较线路两端故障分量电流方向，判断故障发生位置，但该方法线路两端需要配置通讯装置。文献[14-15]提出了一种基于通讯的区域保护方案，把配电网划分成多个区域，通过比较流过保护正序电流分量的方向，判断故障位置；文献[16]提出了一种基于SDH的EOS板卡通信技术的区域保护方案。文献[17]利用配电网自动化SCADA系统的通讯功能和各Agent之间的协作能力，提出了含DG配电网自适应保护方案，该方案需要对全网保护实时同步采样，通信信息量大，投资成本较高。相对于智能保护，从经济性和实用性角度考虑，对传统配电网保护进行改进更能适应我国当前配电网发展现状。

本文以DG接入配电网位置和容量为切入点，分析DG接入对三段式电流保护和反时限过电流保护(inverse-time overcurrent protection，ITOC)的影响。计算了满足三段式电流保护要求DG最大允许接入容量的此基础上，提出了含DG配电网继电保护综合改进方案。

1 DG接入对配电网保护影响分析

我国配电网保护主要以三段式电流保护为主，部分采用反时限过电流保护[18-19]，本文按DG接入母线和馈线两种情况，分析DG对配电网三段式电流保护和反时限过电流保护的影响。

1.1 DG对三段式电流保护影响

DG例如风电、光伏等可再生能源发电具有很大的随机性。图1为DG接入配电网母线的情况，本文以保护K2为例对其电流I、Ⅱ和III段保护影响进行分析。DG接入后缩短了保护K2保护范围，有可能造成保护K2的I段不能满足最小保护范围要求，一般为被保护线路全长的15%~20%。保护K2电流Ⅰ段满足最小保护范围约束如式(1)。

DG接入后保护K2灵敏度会降低，可能造成保护K2的Ⅱ段灵敏度不满足保护灵敏度要求，一般。保护K2电流Ⅱ段灵敏度约束如式(2)。

保护Ⅲ段是按照可能流过的最大负荷电流进行整定的，因此DG接入母线对馈线保护影响不大。

图1 DG接入母线的配电网系统

图2 DG接入馈线

图2为DG接入配电网馈线的情况，DG接入馈线最大不同在于DG上游发生故障时，存在的逆向潮流可能造成上游保护电流Ⅲ段误动作。图2保护K2电流Ⅲ段不误动作约束如式(3)。

1.2 DG对反时限过电流保护影响

以图2为例进行分析，DG接入配电网后反时限过电流保护存在的问题主要有以下几点：

(1) 两个DG中游L2或DG下游L3发生短路故障时，DG会对保护K1故障电流有分流作用，若DG容量较大可能造成保护K1动作延时过长。

(2) DG下游L3发生故障时，DG1对保护K2故障电流有助增作用，DG2对保护K2故障电流有分流作用，且故障点距离DG2接入点越远分流作用越明显，因此保护K2故障电流改变大小不能确定，当DG容量较大时可能造成K2和K3保护配合失效。

(3) 两个DG下游L3发生故障时，两个DG都会对保护K3故障电流有助增作用，若保护K3动作时限低于保护K3的固有动作时限，可能导致保护K3和K1、K2配合失效。

2 含DG的配电网保护改进方案

当DG接入容量较小时，对配电网三段式电流保护进行重新整定即可满足配电网保护要求。当DG容量较大时，通过对ITOC进行改进和配置方向元件满足配电网保护要求。

当DG接入母线容量大于下游保护电流Ι或Ⅱ段最大允许接入容量时，可以采用UAITOC解决三段式电流保护容量限制和反时限过电流保护动作时间过长的问题。当系统以最小方式运行且DG输出功率最小，线路发生相间短路时，流过保护的电流最小，有可能保护延时时间过长，不能满足保护速动性要求，这种情况下保护安装处故障电压也较小，且保护安装处距离故障点越近，电压跌落越明显，所以本文在反时限特性曲线的基础上乘以故障相相电压标幺值，这样就解决了因DG输出功率减小，故障电流减小，保护延时过长的问题。含随机性DG配电线路故障时电流变化较大，且需要与上下级保护配合，应该采用反时限特性曲率较大的曲线[20]，所以本文采用曲线形状为1的反时限特性曲线。低电压加速反时限特性曲线数学模型如下。

(5)

图3 低电压反时限过电流保护曲线

DG接入馈线时以图4为例进行分析，接入点上游L1和中游L2线路相当于两端供电网络，所以线路两端都需要配置保护，当DG接入容量小于上游保护K1电流Ⅲ段保护允许接入容量时， DG对上游电流Ι段和Ⅱ段保护影响不大，且没有超出电流Ⅲ段保护允许接入容量，原先的三段式电流保护就能满足继电保护要求，线路对侧保护可以采用联动的动作方式，即靠近电网侧保护K1动作则线路对侧保护K5同时动作，这样就能隔离故障。当DG接入容量大于上游保护K1电流Ⅲ段允许接入最大容量时，上游靠近电网侧保护K1加装方向元件，只有电流由电网侧流向下游馈线时保护才启动，线路对侧保护K5也是和电网侧保护联动方式动作，从而隔离故障线路。

若DG1的接入容量小于保护K2电流Ι、Ⅱ最大允许接入容量，且DG2接入容量小于保护K2电流Ⅲ段最大允许接入容量时，只需要对K2三段式电流保护重新整定即可。若DG1的接入容量大于保护K2电流Ⅰ、Ⅱ段最大允许接入容量，且DG2接入容量小于保护K2电流Ⅲ段最大允许接入容量时，保护K2则采用UAITOC，同时保护K2配置电流Ⅲ段保护与之配合使用。若DG1的接入容量小于保护K2电流Ⅰ、Ⅱ最大允许接入容量，且DG2接入容量大于保护K2电流Ⅲ段最大允许接入容量时，需要对保护K2三段式电流保护重新整定和配置方向元件。若DG1的接入容量大于保护K2电流Ⅰ、Ⅱ段最大允许接入容量，且DG2接入容量大于保护K2电流Ⅲ段最大允许接入容量时，需要对K2配置带方向的UAITOC和电流Ⅲ段保护。对侧保护K6动作特性同K5。

接入点下游保护类似于DG接入母线情况，DG接入容量小于保护K3和K4电流Ι、Ⅱ段最大允许接入容量时，对保护进行重新整定就可以满足保护要求。DG接入容量大于保护K3和K4电流Ι、Ⅱ段最大允许接入容量时采用UAITOC，保护K3和保护K2存在保护配合失效的问题，可以通过在保护K3除配置电流Ⅲ段保护来解决。

图4为DG1的接入容量小于保护K2电流Ι、Ⅱ最大允许接入容量，DG2接入容量大于保护K2电流Ⅲ段最大允许接入容量，DG1和DG2接入容量大于保护K3和K4电流Ι、Ⅱ段最大允许接入容量。保护K1采用原有的三段式电流保护，保护K2采用三段式电流保护重新整定和配置方向元件，保护K3和K4配置UAITOC电流Ⅲ段保护。

图4 阶段式电流保护的配合和实际动作时间示意图

不同容量DG接入母线和馈线综合改进方法如表1所示。

表1 保护综合改进方法

3 保护方案仿真验证

图5为某市10 kV中性点不接地配电网，系统容量为200 MVA，额定电压为10 kV，最大运行方式电源等效阻抗为0.5 Ω，最小运行方式电源等效阻抗为0.8 Ω。线路为架空线路，线路参数为=0.342Ω/km，=0.33 Ω/km，每段线路长度均为2 km。每条母线接有额定容量为2 MVA，功率因数为0.85的负荷，DG模型采用随机的IIDG，其输出最大故障电流为额定电路1.2倍，最小为零。利用PSCAD/EMTDC仿真软件对提出的保护方案进行仿真验证。

图5 DG接入母线配电系统

根据上文分析IIDG接入后对保护K1和K5的I、Ⅱ段整定值影响最大且相同，对电流III段保护没有影响，表2为Bus1母线接入容量分别为：0、3、4.21、6 MW的IIDG时，保护K1电流I段整定值，其中电流I段可靠系数为1.2，电流Ⅱ段可靠配合系数为1.1。

表2 保护 K1整定值

图6(a)为系统以最小方式运行，且IIDG输出功率为0时，线路1距离Bus1母线15%处；图6(b)线路1末端发生两相短路故障流过保护K1电流波形图，其中K1配置UAITOC。

图6 保护K1仿真波形图

由图6(a)当IIDG接入容量为4.21MW时，流过保护K1的故障电流为5.50 kA，若采用的电流Ι段保护，则故障电流小于整定值导致拒动，采用本文UAITOC则能正确动作。由图6(b)知故障电流为3.3 kA，若采用电流Ⅱ段保护，则不能满足保护线路全长，采用本文的UAITOC则能正确动作。

表3为保护K1按照Bus1母线处接有6 MW的IIDG时进行整定。系统以最小方式运行，且IIDG源输出功率为0时，线路1距离Bus1母线15%处和线路1末端发生两相短路故障分别采用ITOC和UAITOC动作情况。

表3 保护K1动作情况

由表3可知采用本文所提出的UAITOC不仅能够正确切除故障。而且动作时间明显比常规反时限过电流保护动作时间短。

图7 DG接入馈线配电系统

图7各参数同图5。根据上文可知DG对保护K3和K4影响类似，配置的保护也基本相同，仿真结果也表明相同，这里就不再赘述。其中保护K1和K2电流III段整定值分别为：0.52 kA和0.34 kA。DG接入后引起的逆向潮流可能造成上游保护K1和K2电流III段误动作，表4为DG容量分别是0、3、6、9 MW时,线路首段故障时流过保护K1和K2的故障电流

表4 保护 K1、K2故障电流

由表4可知当DG容量大于3.35 MW时会引起保护K2电流Ⅲ段误动作。当DG容量大于上游保护电流Ⅲ段最大允许接入容量时，采用本文提出的在保护K1和K2出配置方向元件，可以避免保护误动作。

4 结论

本文分析了DG接入母线和馈线对传统配电网三段式电流保护和反时限过电流保户影响，并计算满足配电网保护三段式电流保护约束的最大允许接入容量。根据我国配电网发展现状，从经济性和实用性角度，在传统配电网继电保护基础上，提出了含DG配电网保护综合改进方案。通过对改进方案分析可知传统三段式电流保护母线允许接入容量大于馈线允许接入容量；DG接入母线相对于接入馈线对原有的保护改动少，且不需要额外增加方向元件经济性更好，实用性更强，因此，从继电保护的角度来看DG更适合接入母线。方案适用于多个不同容量DG接入配电网情况，根据DG接入位置和容量确定不同的保护方式，从而解决了传统配电网三段式电流保护DG渗透率低的问题。通过算例分析验证了方案的有效性。

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(编辑 张爱琴)

Improved methods of distribution network protection scheme considering connection locations and capacity of DG

HUANG Dawei, PAN Bo

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132000, China)

When distributed generations are connected into distribution network, it will bring about many problems in traditional distribution network, such as protective relays refusing to operate, mal-operation, de-sensitivity, etc. Therefore, an improved protection scheme adapt to mass DG access to distribution network is put forward. From the perspective of DG connecting location and capacity, the impact of connected bus and feeder on traditional three-stage current protection and inverse-time over-current protection is analyzed, and the allowed accessing capacity of three-stage current protection is calculated. Verse-time over-current protection based on low voltage acceleration and a few directional components are configured to meet the protection requirements of the distribution network with mass DG. A 10 kV distribution system with DG issimulated and analyzed by PSCAD/EMTDC. Simulation results show that the improved method can meet protection requirements of distribution network with different capacity DG access, has good economy and practicality, and confirms to the development status of current distribution network.

DG; distribution network; connection location; three-section current protection; UAITOC

10.7667/PSPC151584

吉林省科技厅科技发展规划项目(20130102026JC)

2015-07-31；

2016-01-25

黄大为(1976-)，男，博士，副教授，研究方向为电力系统运行与控制、电力系统经济调度和发电企业决策；E-mail: hdw76@163.com 潘 波(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为配电网继电保护与新能源并网。