含分布式电源的配电网故障及保护方案

含分布式电源的配电网故障及保护方案

田洪磊1, 高博2, 丁津津2, 郑国强2, 高亮1

(1.上海电力学院 电气工程学院, 上海200090; 2.安徽电力科学研究院 系统研究所, 安徽 合肥230601)

摘要:支持分布式电源的接入是未来配电网发展的主要方向.介绍了分布式电源接入配电网的保护方案,分析了其接入对配电网的故障及对保护的要求,并对3种保护方案进行了分析和比较,认为方案3具有较大的应用前景.

关键词：分布式电源; 配电网故障; 继电保护

基金项目：上海绿色能源并网工程技术研究中心资助项目(13DZ2251900).

中图分类号：TM77;TM711.2文献标志码： A

SchemeonFailureandProtectioninDistributionNetworkwithDG

TIANHonglei1, GAO Bo2, DING Jinjin2, ZHENG Guoqiang2, GAO Liang1

(1.School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Department of Electric Power System, Anhui Electric Power Research Institute, Hefei230601, China)

Abstract:Supporting the distributed generation access to the distribution network will be the trend of development in the future.The ways that DG accesses to distribution networks are described,the impact of DG access to the distribution network fault and protection is analyzed.The characteristics of the distribution network of DG access methods are summarized,and three scenarios with different kinds and practical prospects protection program are described.

Keywords:distributedgeneration;failureofdistributionnetwork;relayprotection

智能配电网明显区别于传统配电网的一个重要特征就是支持大量分布式能源(DistributedEnergyResource,DER)的利用,而包含DER的配电网常称为有源配电网.[1]有源配电网包含了多种诸如光伏发电、风力发电等分布式发电(DistributedGeneration,DG)类型,而且这些DG有着不同的运行形式.有源配电网的故障特征与传统配电网有着明显的不同.故障特征的变化,势必影响继电保护的配置与整定,使应用于传统配电网的继电保护配置受到影响.[2-4]同时,IEEE1547—2003系列标准中不再要求尽快跳开故障点所在馈线上的全部DG单元,而是鼓励尽可能地通过技术手段实现孤岛或者微网运行.[5]

目前配电网已具有连接大量分布式电源的可能.分布式发电与电网相连的最佳方案、DG在故障期间继续工作还是尽可能快地断开连接等将涉及以下3个问题:一是电网的变化(电网结构以及保护方案);二是需要付出的代价(保护的配合,故障穿越的调整);三是对电网的影响(电压等级、稳定性、短路水平).

因此,在熟悉DG接入方式的情况下,分析DG接入对配电网故障及继电保护带来的影响,提出DG的连接方式及可能的保护方案,将是智能配电网的主要研究内容之一.

1常规的保护方式

目前,与配电网相连的DG用户的保护方案大多是在用户继电保护动作前切断其连接点.只有当DG用户作为一般传统负载处理时,故障才可以充分地有选择性地切除.但由于DG的接入会使潮流发生改变,这可能引起诸如电压稳定以及无选择性跳闸等问题.

DG元件通常采用过流、过频或低频、过压或低压保护,当电网上发生故障扰动时,会自动切断与电网的连接.这样就可以防止用户的继电保护发生无选择性跳闸以及孤岛运行的现象.由于现阶段DG的渗透率还较低,对于电网稳定的影响还很小,因此切断DG对电网来说没有影响.但随着DG数量的不断增加,则可能会使配电网变得不稳定.

在一些国家或地区,电网中接入DG有明确的规定以确保供电的安全可靠以及高质量.如当DG与高压电网(≥110kV)相连且发生外部故障时，要求DG依旧与电网保持连接来保证电网的稳定.在低压电网(<1kV)中,对于小型的DG,当电网出现扰动时,需要立即切断与电网的连接.而与中压电网(1~110kV)相连小于5MW的DG,没有相应的明确规定,唯一的要求是在10s后供电电压恢复到85%UN.若达不到要求,则DG应断开与电网的连接.

这些中小型的DG有助于在故障时维持电压的稳定,其缺点是在现有的保护方案下可能会产生无选择性的跳闸，从而需要管理人员来调整元件的故障穿越能力.

DG的优点之一是它可以更好地控制电压水平，同时分布式电源的运行方案也迫切需要一个满足选择性的保护方案来保证其供电安全以及设备的安全.但当DG从电网中断开,电网电压过低或者过高时,则需要通过调整变压器分接头来改变电网的电压水平.而这一调整过程一般比较缓慢,以至于在一段时间内电网中的电压会越限.

由于Y-D接法的升压变压器的特性导致大多数DG都不能识别单相接地故障.而大多数的故障一般都是从单相故障开始的,应当在其发展成为相间故障前尽可能快地加以切除，以免由于相间故障而导致DG断开.

23种方案的分析比较

2.1　电网发生故障时切断所有 DG(方案1)

该方案中,小于5MW的DG配置了低压保护装置,其电压穿越能力如图1中的A所示.低电压保护(U<)配置见图2.当其在故障穿越特征曲线A下方时,DG则必须切断,即当电压低于70%UN时,DG会直接断开.而电网规定在10 s后电压必须达到85%UN.此种方案，配电网中配置不带方向的保护.图2给出了K1~K5所有可能的故障点.

图1　电网故障时 DG的电压穿越要求

图2　 DG接入配电网保护方案1

当电压低于70%UN时，所有的DG元件必须立即切断.这样可保证电网的保护在运行时不受DG影响造成误动,同时也不受孤岛效应的影响.

通过调节变压器分接头,将电源的电压变化限制在±10%之内时,对于系统可靠性的影响会很小.虽然这种调节比较缓慢,但用户以及DG所付出的代价也很小,只要考虑低压保护的安装及功能的实现即可.

2.2　保持 DG连接维持电网的稳定(方案2)

方案2是当相邻馈线发生故障时，保持DG与电网的连通使之继续运行.电网中所有的DG在发生故障时通常均可以限制短路电流,这一作用要靠发电机类型特性(同步发电机以及基于异步发电机的变换器)与DG的极限故障切除时间特性的配合来实现.通常小型DG的极限故障切除时间为0.2~0.3s,故障要在0.2s内由保护正常切除.而高压电网中发生的线路故障一般都会在0.1s切除,极端情况也不会超过0.3s.

当电网发生故障时,DG与电网保持连通,如图1特性B所示,只有当相邻线路的电压低于20%UN时DG才跳开.选择20%UN是为了防止故障切除后电网与DG不同期.在该方案中,当DG保持连接时,电网的保护应带有方向,如图3所示,并且在DG的保护动作之前能切除电网上任何地点发生的故障,因此电网需要采用速动的双向保护方案(如母线差动保护、距离保护、纵差保护或方向过电流保护).与DG相连的平行馈线也需要差动保护,当平行馈线发生故障时可以有效快速切除.由此可见,采用方案2的代价要远高于方案1.

图3　 DG接入配电网保护方案2

快速切除故障的缺点是有可能造成孤岛.为了防止当DG断开连接时可能产生的相位越限合闸以及保证供电质量的需要,系统应该能检测到孤岛现象,并切断与DG的连接.失电保护(反应频率变化率以及电压向量变化)可用来防止孤岛运行.

由于DG的作用,短路所产生的冲击也会增加(尤其对同步发电机).而电网中设备的短路阻抗也必须重新校核及设定.如果电网抗短路冲击的能力较低,则应该加强电网抗短路的能力或限制DG的短路冲击容量.

该方案的优点是可以在电网发生故障时和故障后按照电网要求保持电压的稳定.同时，由于快速切除故障,电压降落的影响也被限制到最小.

2.3　专用线接入 DG维持电网稳定(方案3)

方案3是将DG1-3分别通过非专用线和专用线与变电站母线连接.用专用线与变电站母线相连接的DG(DG2和DG3)的容量通常大于2 MW,并有特定的保护方案(因为大型的DG更容易适应电网所采取的保护方案).当电网发生图2所示的故障时,可以使DG与电网保持连通,而用非专用馈线与变电站母线相连的小型DG(DG1)会立即断开,如图4所示.

图4　 DG接入配电网保护方案3

专用馈线保护需要与非专用的馈线保护相配合以保证选择性,当专用馈线中发生故障时能够快速切除.图4中，当K1和K2发生故障时,发电机DG1会立即跳开,而专用馈线中的发电机DG2和DG3则仍保持连接;而当专用馈线上K3发生故障时,其相邻的发电机DG1会立即跳开,当故障被纵差保护快速切除后,DG2和DG3依旧保持连接;当K4发生故障时,由失电保护将DG3断开；而母线K5发生故障时,所有的DG将由失电保护全部切除.该方案的优点是可以调整保护所需要的代价:对于DG运行方案,可以调整专用馈线的保护方案;而小型DG只需要很小代价的保护;而大型DG的相邻线路发生故障时,可通过时延来保持其连通,并在故障清除后连通DG时保持电压稳定.

随着DG的不断增加,如何保护配电网将是未来电网必须解决的问题.表1给出了3个方案对涉及电网的变化、对电网的影响以及所需要的成本的比较.

表1　3种方案的比较

由表1可知，方案1对电网的影响小,所需要的成本也小,但在电网中会引起一些问题;方案2对电网的影响较大,而且投入也会较高;而专用馈线连接DG的方案3将是一个比较理想的方案,其应用将促进配电网向智能化方向发展.

3结语

随着配电网的发展,DG将会不断增加,而独立运行的电网也会出现.改变保护装置以及保护配置相对比较容易,因此采用专用馈线接入DG(方案3)是一个比较理想的方案.当相邻线路发生故障时,涉及电网的变化很小,且能保持DG和电网的连接,同时有利于维持电压稳定性.

参考文献：

[1]徐丙垠,李天友,薛永瑞.智能配电网讲座[J].供用电,2009,26(3):81-84.

[2]王建,李兴源,邱晓燕.含有分布式发电装置的电力系统研究综述[J].电力系统自动化,2005,29(24):90-97.

[3]黄伟,雷金勇,夏翔,等.分布式电源对配电网相间短路保护的影响[J].电力系统自动化,2008,32(1):93-97.

[4]LIYongli,LIShengwei,LIUSen.Effectsofinverterbaseddistributedgenerationondistributionfeederprotection[C]∥Proceedingsofthe8thInternationalPowerEngineeringConference,Singapore,December,2007:326.

[5]IEEEStandardsCoordinatingCommittee21.IEEE1547—2003IEEEStandardforInterconnectingDistributedResourceswithElectricPowerSystems[S].2003:11-15.

[6]VANLOONSebastiaan.Optimalcontributionofdistributedgenerationinmediumvoltagegridsduringafault[C]∥CIRED21stInternationalConferenceonElectricityDistributionFrankfurt,6-9June2011:921-924.

(编辑胡小萍)