基于通信的微网配电系统继电保护配置方案研究

韩仕富

(国网恩施供电公司，湖北恩施445000)

基于通信的微网配电系统继电保护配置方案研究

韩仕富

(国网恩施供电公司，湖北恩施445000)

配电系统中微网的运用可以解决清洁能源零散分布的问题，但微网的接入，配电系统的故障特征受分布式发电的影响发生改变，且有了更加复杂的电气量变化，这对传统的保护和故障检测造成了影响，还有可能使系统无法准确定位故障的位置.因此先以10kV配电网络为例，分析了微网接入对其网继电保护的影响，然后提出考虑了重合闸装置的基于通信的继电保护配置方案，最后在PSCAD/EMTDC中建立了10kV配电网络的仿真模型，对继电保护新方案的有效性进行了验证.

配电系统；微网；继电保护；通信；PSCAD

分布式发电(Distributed Generation，DG).技术可以整合零散分布的清洁能源并将其转化为电能，且有以下优点:减少输电损耗、高效、清洁、提高供电可靠性、灵活、投资少[1－3].但在电力系统发生故障时，DG对电网有冲击性，在第一时间里被要求从大电网中解列，限制了DG技术的发展.而微网[4].(Micro－Grid，MG)与大电网结合，能够弥补前者的不足，在配电系统稳定性和供电可靠性方面得到提高；可以提升系统对各种分布式发电设备的接纳能力；可以更好地实现无功功率控制，从而提高系统的电能质量，降低谐波对系统的污染；还可以利用储能装置的削峰填谷作用，有效解决由负荷用电峰谷差造成的装机容量偏小的问题[5－6].

但在含微网的配电系统中，但微网的接入，配电系统的故障特征受分布式发电的影响发生改变，且有了更加复杂的电气量变化，这对传统的保护和故障检测造成了影响，还有可能使系统无法准确定位故障的位置[7].针对上述问题，文献[7]在文中提出在DG的并网线上串联电抗器以减小分布式电源的助增电流，但阻抗值将很难确定.因此，本文提出了考虑重合闸装置的基于通信的微网配电系统继电保护配置方案，并且在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型，以此验证继电保护配置方案的有效性.

1 微网接入对配电网继电保护的影响

微网由以下4部分构成:DG、负荷、储能装置和控制装置[8]，它对外自成一个整体，与电网的连接是通过一个公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)实现的.微网并网运行时，其潮流能双向流动，即潮流的方向可以是流向微网的，也可以是流向配电网的.相较于常规配电网中潮流的单向流动，具有优越性，同时微网利用电力电子技术接入配电网相对柔和，微网接入和常规的“旋转”发电机接入具有不同的电源特性，微网接入对常规配电网继电保护配置造成影响[9－12].本文是通过一个常规中压配电网作为实例，来分析微网接入配电网后，其接入点对配电网继电保护的影响.

1.1 在系统某线路末端接入微网

1)微网下游F2发生短路故障时.此时流过故障点的电流由两部分提供，一是分布式电源，二是系统电源，其比微网接入前流过的短路电流大.保护3、4中无故障电流，其保护动作与接入微网前相同.保护1、2中的电流仍仅由系统提供，与微网接入前流过其中的电流无差，保护2能够可靠动作，切除故障区域.

2)微网上游F1发生短路故障时.与1)中所述情况不同的是，由于保护1对侧没有安装保护元件，保护2中会流过由DG产生的短路电流，如果DG的容量比较大，保护2动作不可靠，可能导致被切除的故障区域扩大.

3)同一母线的其他馈线F4发生短路故障时.此时流过故障点的电流同①，保护3不流过短路电流.微网的接入使得保护4中流过电流增大，保护4能可靠动作，切除故障区域.但保护1、2中也会流过由DG产生的故障电流，如果DG的容量比较大，保护2动作不可靠，可能会将LD1切除而扩大故障区域.

4)同一母线的其他馈线F3发生短路故障时.此时流过保护3、4的电流同①，如果保护4中流过的电流大于电流速断保护的整定值，那么保护4会动作将LD2线路切除，造成无法选择保护并动作；另一方面，保护2可能会误动.

图1 微网接在末端的配电网网络Fig.1 The distribution network with a Micro－Grid connected to the end

图2 微网接在中间的配电网络Fig.2 The distribution network with a Micro－Grid connected to the middle

1.2 在线路中间接入微网

1)微网下游F2发生短路故障时.此时故障点电流由两部分提供，一是分布式电源，二是系统电源.保护3、4没有故障电流，保护3、4动作不发生改变.由于微网的接入，使得保护2中的短路电流增大，动作可靠，能准确切除故障区域.相反，流过保护1中的短路电流要略微减小，DG的容量越大，保护1中的短路电流要越小，这将降低保护1的灵敏度，缩小保护1的保护范围.

2)微网上游F1发生短路故障时.此时保护3、4中没有故障电流流过，其保护动作不发生改变.保护1的电流仅由系统提供，能正常动作.但微网的接入使得对侧没有安装继电保护的保护1中仍有短路电流，导致保护1动作不可靠，不能没有完全切除故障区域.

3)同一母线的其他馈线F4发生短路故障时.此时保护2、3中无故障电流流过.流过保护4的故障电流由两部分提供，一是分布式电源，二是系统电源，电流增大，保护4动作可靠，能完全准确地切除故障.保护1中有DG产生的反向短路电流，如果DG的容量比较大，保护2动作不可靠，可能会将LD1切除而扩大故障区域.

4)同一母线的其他馈线F3发生短路故障时.此时保护2中没有故障电流.保护3、4中流过的电流由两部分提供，一是分布式电源，二是系统电源，电流增大，如果该电流大于保护4瞬时电流速断保护的整定值，那么保护4动作不可靠，可能导致被切除的故障区域扩大.而且如果DG的容量比较大，还有可能引起保护1的误动.

另外，当微网接入配电网后，若微网上游线路发生瞬时性故障，在重合闸装置动作前要保证切除线路上的DG.否则微网可能继续向故障点供电，导致绝缘击穿，瞬时故障将变成永久性故障.如果重合闸在DG没有被切除的情况下进行动作，重合闸会因为线路的再次跳闸而动作失败，使配电系统再次经历短路过程；还有可能导致重合闸失效或引起非同期重合闸.所以在馈线发生故障的时候，DG应先从配网中解列，等配网成功重合闸后，再利用检同期装置重新并入配网.

2 含微网配电系统的保护配置

本文针对上述微网接入对配电系统继电保护的影响，提出的基于通信的保护方案的保护动作框图如图3所示.

以图4为例，是一个10kV的配电网络，我们规定功率和电流的正方向是从系统流向DG，然后对各个保护的动作方案进行具体说明.

1)当F1处发生故障时，保护3中流过负方向的功率，保护3不进行动作，不能把闭锁信号发送给保护1，保护2中流过短路电流和正方向的功率，能够对故障位置定位，确定其发生在线路AB上，线路AB上的保护1动作，发送跳闸信号给断路器2，使断路器2跳闸，隔离故障.

2)当F3处发生故障时，保护5中流过负方向的功率，保护5不进行动作，不能把闭锁信号发送给保护3，开放保护3.而保护3中流过负方向的功率，能进行动作且将闭锁信号发送给保护1，同时将跳闸信号发送给对侧断路器4，使断路器4跳闸，隔离故障.

3)当微网上游最末端线路CD上的F5处发生故障时，保护5中流过正方向的功率，保护5动作，但保护6中流过负方向的功率，因此能对故障进行定位，确定其发生在CD线路上，使得断路器4和线路DE上的断路器跳闸，切除故障.

每当断路器跳闸之后，重合闸装置会在经过预设的延时之后启动进行合闸.如果两次进行合闸都不成功，那么此故障为永久性故障，重合闸会锁定，然后永久性隔离故障线路.

图3 动作原理图Fig.3 The principle figure of action

图4 含微网的配电系统的新保护方案示意网络Fig.4 The new protection scheme of distribution system with Micro－Grid

图5 含微网的配电系统仿真模型Fig.5 The simulation model of distribution system with Micro－Grid

3 仿真算例分析

3.1 仿真模型的建立

以10kV配电网为基础，结合微网，建立如图5所示的仿真模型.

3.2 仿真结果及分析

对仿真模型的保护模块、断路器动作信号模块、重合闸模块进行预设置，得到以下结果.

1)线路AB段的F1发生故障.

①瞬时性故障.此时，保护1检测到的电流超过预设整定值，接着断路器1收到跳闸信号后迅速跳闸，断路器2也收到跳闸信号跟着跳闸，切除F1处故障，电流变为0.重合闸在0.2s后起动，因故障被切除，重合闸重合成功，可以从图7看出.在图6中，0.2s后电流恢复，这说明了线路恢复正常.而且由图7、图8可知，整个故障切除过程进行动作的只有断路器1和2，符合保护的选择性原则.

②永久性故障.此时，保护1检测到电流突然变大，断路器1、2收到动作信号后迅速跳闸，故障被切除，如图9所示.重合闸在0.2 s后进行第一次起动，使断路器1、2闭合.但因为F1处发生的是永久性故障，导致重合失败，重合闸进行第二次重合，以避免由于线路状态不稳造成的误判.重合闸在第二次重合失败后，断路器1、2跳闸，同时重合闸闭锁并处于断开状态，由图10可以看出.

图6 保护1检测到的电流Fig.6 Protection 1′s detected currents

图7 断路器1、2的状态Fig.7 Breaker 1′s and 2′s State

图8 断路器3、4、5、6的状态Fig.8 Breaker3′s，4′s，5′s and 6′s State

图9 保护1检测到的电流Fig.9 Protection 1′s detected current

图10 断路器1、2的状态Fig.10 Breaker 1′s and 2′s detected state

2)线路BC段的F3发生故障.

①瞬时性故障.此时，断路器3收到跳闸信号后迅速跳闸，断路器4也收到跳闸信号跟着跳闸，切除F3处故障，电流变为0，如图12.重合闸在0.2s后起动，因故障被切除，重合闸重合成功，由图11可知，0.2s后电流恢复，这说明了线路恢复正常.

图11 保护3检测到的电流Fig.11 Protection 3′s detected currents

图12 断路器3、4的状态Fig.12 Breaker3′s，4′s State

②永久性故障.此时，断路器3、4第一次跳闸，F3处故障被切除.重合闸在0.2 s后进行第一次起动，断路器3、4收到信号后闭合.但因为F3处发生的是永久性故障，导致重合失败，断路器3、4都会跳闸，重合闸进行第二次重合也会失败，同时重合闸闭锁并处于断开状态，如图14所示.

图13 保护3检测到的电流Fig.13 Protection 3′s detected current

图14 断路器3、4的状态Fig.14 Breaker 3′s，4′s detected state

4 结论

本文基于通信，详细探讨了一种继电保护方案，该方案根据微网接入配电网之后，其上游线路的电流保护，以及下级线路的电流保护来分析，以确定故障所在范围，对其进行准确定位，同时将重合闸装置纳入考虑，对微网接入后，配电网的不同故障点周围保护的动作情况进行了详细的分析，最后在PSCAD/EMTDC中建立了10kV配电网络的仿真模型，证明了上述分析的正确性和新继电保护方案的有效性.

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责任编辑:时 凌

Study on Relay Protection Configuration Scheme of Micro－grid Distribution System Based on Communication

HAN Shifu
(State Grid Enshi Power Supply Company，Enshi 445000，China)

The micro－grid in the distribution system can be used to solve the problem of scattered distribution of clean energy.However，with its access，the fault characteristics of the distribution system are changed under the influence of distributed generation and there is more complex electric quantity change，which has impact on traditional protection and fault detection makes the system unable to locate the fault accurately.Therefore，taking the 10kV distribution network as an example，we analyze the impact of micro－grid access on the relay protection of the network.Then，a communication－based relay protection configuration scheme considering the reclosing device is proposed.Finally，PSCAD/EMTDC 10 kV distribution network simulation model is built and the validity of the new scheme of relay protection is verified.

distribution system；micro－grid；relay protection；communication；PSCAD

TM762

A

1008－8423(2017)01－0066－05

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.016

2016－12－16.

国家自然科学基金项目(61263030/61463014).

韩仕富(1970－)，男，工程师，主要从事电力系统运行与控制的研究.