含分布式电源的配电网保护技术

乔 明,王 莹,杨 波,姜德胜

(国网黑龙江电力公司 技能培训中心,哈尔滨 150030)



含分布式电源的配电网保护技术

乔 明,王 莹,杨 波,姜德胜

(国网黑龙江电力公司 技能培训中心,哈尔滨 150030)

分布式电源从配电网并网后,对电网结构、潮流、故障特征等产生了深远影响,导致现有配电网保护无法准确判断故障的位置而出现拒动、误动现象,必须改变现有继电保护性能,以提高电网对分布式电源的消纳能力。通过研究近几年国内外有关分布式发电的文献资料和科研成果,对分布式发电系统配电网保护技术进行归类与分析,并为适应今后分布式发电的发展,提出了几点建议。

分布式发电;配电网;继电保护;综述

国家发改委国家能源局《关于促进智能电网发展的指导意见》中提出,到2020年实现清洁能源的充分消纳,加快分布式电源(DG)的广泛接入和有效互动,实现能源资源优化配置和能源结构调整。近年来,随着DG接入配电网,其对电网结构、潮流、故障特征等产生了深远影响[1-5]。配电网故障时短路电流大小及分布均有变化,变化的程度与DG的容量、接入位置等因素直接相关;网络各处保护所受影响也不尽相同,导致现有配电网保护无法准确判断故障的位置而出现拒动、误动现象[6-7]。本文通过研究近几年有关分布式发电的文献资料和科研成果,对含分布式电源的各种配电网保护方案进行归类与分析,展望了其今后的发展方向。

1 通过限制故障时DG注入短路功率消除对原保护的影响

DG的接入给配电网保护带来影响的根本因素是故障时DG向故障点注入了故障电流,若能限制故障时DG提供的故障电流,必然减少DG接入对配电网保护产生的不利影响[8-12]。

1.1 配电网故障时退出

配电网发生故障时快速将DG退出,使配电网恢复到没有接入DG的原始状态,从而保证配电网保护正确动作。因此,根据 IEEE Std.1547标准以及国家电网公司出台的《Q/GDW 480-2011分布式电源接入电网技术规定》等相关文件的要求,为确保继电保护装置正确动作,配电网发生故障时应快速切断电网中的DG[13-14]。但是要充分考虑以下问题:

1) 切断DG与保护动作时限上的配合;

2) 避免DG未切除而重合闸出口造成非同期合闸;

3) 并非全部的DG都会对线路保护和重合闸产生影响,不加选择地切除DG,会极大地降低DG的利用效率。

1.2 加装故障电流限制器

故障限流器(FCL,fault current limiter)是依靠电力电子元件对传统的串联阻抗限流元件进行技术改进而来的,具备正常负荷条件下表现为零阻抗而在短路情况下表现为高阻抗的特性。将FCL应用到分布式发电系统中,可限制故障时DG提供的故障电流。配电网发生故障时,由于FCL动作速度快于网络中保护,FCL能在保护动作之前起到抑制DG故障电流的作用,因此减轻了DG对配网原有继电保护选择性、灵敏性的影响。实际应用时需注意FCL阻抗值选取和FCL对DG本身保护动作产生的影响,文献[15]分别就这两个问题进行详细阐述并给出合理建议。随着技术的发展,PWM控制的短路电流限制器[16]、超导限流器[17-18]、利用逆变器限制故障电流[19]等故障电流限制措施不断涌现,利用限流原理消除DG对配电网保护的影响必将得到不断完善。

1.3 计及保护影响限制DG准入容量

接入配电网DG容量越大,故障时DG对配网保护动作正确性产生的影响也越大,从限制DG对配网保护影响出发,可合理分析计算DG的准入容量。文献[20]通过PSCAD仿真软件,根据配电网电流保护定值,求取出网络各处DG的准入容量,在准入容量以内,可以避免因DG接入造成保护误动。文献[21]分析了DG对配网保护的影响,并结合电网实际,提出了DG准入容量计算的约束条件。限制DG准入容量,虽然配网保护无需任何改动,但电网消纳DG的能力有限。

2 技术改造升级现有保护的性能

2.1 加装方向元件

由于DG的接入,系统电源与DG之间及DG与DG之间的线路由单侧电源线路变为双侧电源线路,因此可以在线路两侧装设方向元件。对DG下游线路,考虑到故障时DG的助增作用应对电流保护定值进行重新整定,以确保保护装置动作的选择性[22]。但由于DG输出的不可控性,势必造成整定困难,因此随着DG的不断入网运行,必然造成保护定值频繁改变,增加运维难度。

2.2 采用距离保护

距离保护的测量量是保护安装处母线电压与线路电流之比,反映测量阻抗的降低而动作。正常时,距离保护测量的是负荷阻抗;故障时反映的是保护安装处到故障点的阻抗,其大小只与保护安装处到故障点距离相关。距离保护具有方向性、保护范围稳定、灵敏度高、不受运行方式变化影响等特点,比较适合作为含DG的配电网保护[23]。文献[24]通过仿真分析表明,DG的接入位置对测量阻抗产生了一定影响,距离保护安装在DG上游时,DG的分流作用会使保护范围有所减小;距离保护安装在DG下游时,不影响距离保护的正确动作。对于长短线配合系统,距离保护可能失去选择性,但随着DG容量增加,此影响呈较小趋势甚至消失。

由于高职教育的经费投入量与高职院校规模的扩张不相适应，许多高职院校的教学硬件资源较为短缺，缺少培养学生职业技能的必要设施和设备，大部分实习场所和环境也不够理想。部分学校实训仪器设备相当紧缺，严重影响学生操作技能的提高。同时，院校间硬件资源差距较大，加之各高职院校分布分散，独立运作，还存在着硬件资源重复建设问题，没有实现校际间教学资源的共享，没能充分发挥资源使用的最佳效率。

2.3 采用纵联保护原理构成含DG配网保护

纵联保护基于双端测量原理构成,具有绝对的选择性,因其性能优越而被广泛应用于输电线路中,具有丰富的运行经验[25]。文献[26]提出了一种适合于含DG配电网的新型纵联保护方案,既能够合理避免DG高渗透率情况下保护选择性和可靠性降低,同时对采样同步要求也不高。但是该方案并未提出准确的DG等值模型,所以需要确立不同发电形式的DG等值模型才能满足工程需要。 文献[27]提出将距离纵联保护引入配电网中,但其应用局限于环网,并且没有考虑DG出力的随机性,瞬时性故障切除时间也较长。

2.4 基于相邻电流保护间通信的三段式电流保护技术改造方案

文献[28]提出了基于远方通信的适用于分布式发电系统的三段式电流保护技术改造方案,将相邻线路保护作为一个保护单元,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。

该方案逻辑简单,新增辅助设备少;本线内故障全线速动切除,避免了DG投退造成保护定值频繁改动;通过本侧保护联跳对侧断路器,线路对侧无需安装保护装置,简化了保护配置。在实际应用中,通信设备的可靠性对保护的影响至关重要,需要设计通信系统冗措施确保保护动作正确性;需要考虑运行方式变化对该保护方案带来的不利影响并加以改进。

3 采用新技术新原理构成含DG配电网保护

3.1 自适应保护

文献[30]结合逆变型分布式电源(IIDG)故障输出特性及含IIDG配电网的故障特征,对含IIDG配电网的自适应电流速断保护进行充分分析与论证,根据不同的故障类型及故障位置,在未考虑IIDG接入配网的自适应电流速断保护基础上,提出了含IIDG配电网自适应电流速断保护的在线整定方法,大大提升了保护性能。文献[31]分析了含DG配电网故障时两相电流差特点,提出了基于两相电流差的自适应速断保护动作判据和整定方法,原理简单,整定计算方便,保护性能不受运行方式变化和故障类型的影响。

自适应保护基于本地测量信息,无须远方通信,其保护性能自然不受通信质量的影响与限制,并能有效节约经济投入。

3.2 广域网保护

文章[32]提出了一种基于多智能体(Agnet)的新型电流保护策略。该策略通过比较工频变化量电流幅值、工频电流幅值及相位来定位故障区域,给出了具体的故障搜索定位流程和数学描述方法,以良好的通信系统为基础构建多智能体保护结构,工程上易于实现。文献[33]提出一种基于配电网通信及终端单元FTU的过流保护方案,可以有效避免DG接入配电网引起的保护误动问题,具备原理简单、现有设备改造容易、投资低等优点。文献[34]在故障定位统一算法的基础上,提出一种适用于含DG的配电网故障定位的矩阵算法。该算法简单,运算量小,故障定位精确,并对分支母线节点的异常工作有一定的适应性。文献[35]为适应高渗透率DG 并网运行对继电保护的要求,提出一种以纵联方向比较保护基础理论为基础,以可靠的通信系统为保障,以包含DG的配电变电站及其馈出线为保护对象的主从式区域纵联保护。该保护系统可实现对整个变电站及馈出线实现纵联主保护,并在从机中配置后备功能,能够满足高渗透率下配电网保护的需要。

广域网保护在理论上性能优越,但是对通信系统要求较高。当前配电网通信系统建设良莠不齐,尚不具备广域网保护全面实施的条件。

4 结 语

对分布式发电继电保护技术的研究工作虽取得了一定的成果,但多数研究成果局限于理论研究,普遍缺乏工程实践。为适应分布式发电的发展,应着重开展以下几个方面的研究工作:

1) 理论研究与具体的工程实践相结合,从实际工程应用的角度出发,强化理论成果的可移植性。

2) 加强高渗透率情况下的配电网保护技术的研究,提高电网对DG的消纳能力。

3) 将广域网保护与配电自动化系统有机结合,实现硬件资源与数据共享,随着配电网自动化建设的不断深入,广泛采集配电网实时运行参数,以逐步实现远方控制配电网开关设备。

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(责任编辑 侯世春)

Distribution protection with distributed power

QIAO Ming, WANG Ying, YANG Bo, JIANG Desheng

(Skills Training Center, Heilongjiang Electric Power Corporation of State Grid, Harbin 150030, China)

The performance of relay protection should be changed to improve the ability of power grid to absorb the distributed power, for the distributed power has produced profound influence on the grid structure, load flows, fault characteristics which lead to difficulties in determining the fault position and maloperation. This paper analyzed the literature material and the scientific research achievements in recent years, classified the distribution protection technologies, and proposed the advices on the development of distributed generation in the future.

distributed generation; distribution network; relay protection; review

2015-12-24。

乔 明(1984—),男,讲师,从事电力系统继电保护方向的教学与研究。

TM771

A

2095-6843(2016)02-0127-04