方永毅,趙擁華,王 娜,李 信
(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051;2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003)
含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)配置研究
方永毅1,趙擁華2,王 娜2,李 信1
(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司,石家莊 050051;2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003)
介紹傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置情況,針對(duì)分布式電源接入配電網(wǎng)后保護(hù)配置存在的問(wèn)題,分析分布式電源接入對(duì)三段式電流保護(hù)及自動(dòng)重合閘的影響,提出適用于含分布式電源配電網(wǎng)的保護(hù)配置方案,并說(shuō)明該方案的應(yīng)用情況。
分布式電源;配電網(wǎng);保護(hù)配置
近年來(lái),分布式電源(Distributed Generation, DG)技術(shù)以其獨(dú)有的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越受到人們的廣泛應(yīng)用和關(guān)注。DG是指區(qū)別于集中發(fā)電、距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)發(fā)電形式,其功率在數(shù)十千瓦到幾十兆瓦范圍內(nèi),分布在負(fù)荷附近的一種清潔能源發(fā)電方式。分布式電源的應(yīng)用對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,因此,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)分布式電源進(jìn)行分析、研究。按照其并網(wǎng)技術(shù)類型可以分為直接與系統(tǒng)相連和通過(guò)逆變器與系統(tǒng)相聯(lián)兩大類。由于DG的接入位置不同、容量不同,也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響,如電壓穩(wěn)定,頻率穩(wěn)定,電能質(zhì)量,有功功率和無(wú)功功率控制,繼電保護(hù)等[1]。以下分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響,并找到解決方案,保證保護(hù)能夠可靠靈敏的動(dòng)作。
配電網(wǎng)分為高壓配電網(wǎng)(35~110 kV)、中壓配電網(wǎng)(6~10 kV)和低壓配電網(wǎng)(220 V/380 V)。通常所說(shuō)的配電網(wǎng)是指35 kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng),作用是給城市里各個(gè)配電站各類用電負(fù)荷供給電源,配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行,其結(jié)構(gòu)成輻射狀。基于配電網(wǎng)的以上特點(diǎn),目前我國(guó)配電網(wǎng)主要采用2種保護(hù)配置方案:三段式電流保護(hù)和反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。
1.1 三段式電流保護(hù)
三段式電流保護(hù),即采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)。其中,電流速斷保護(hù)按照躲過(guò)該線路末端短路時(shí)流過(guò)保護(hù)的最大短路電流整定,瞬時(shí)動(dòng)作切除故障,但不能保護(hù)線路全長(zhǎng);定時(shí)限電流速斷保護(hù)按照該線路末端故障時(shí)有足夠靈敏度并與相鄰線路的瞬時(shí)電流保護(hù)配合的原則整定,能保護(hù)該線路全長(zhǎng);過(guò)電流保護(hù)按照躲過(guò)該線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路過(guò)電流保護(hù)配合的原則整定,能保護(hù)該線路及相鄰線路的全長(zhǎng)。此外,對(duì)于不需要與相鄰線路配合的終端線路,電流速斷保護(hù)按照該線路末端短路有足夠靈敏度的原則整定,能保護(hù)線路全長(zhǎng)。
1.2 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)
反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)是保護(hù)動(dòng)作時(shí)限與被保護(hù)線路中短路電流大小相關(guān)的一種保護(hù)。目前,國(guó)內(nèi)外常用的反時(shí)限保護(hù)的通用數(shù)學(xué)模型的基本形式為:
式中:I為故障電流;Ip為保護(hù)啟動(dòng)電流;r為常數(shù),取值通常為0~2;k為常數(shù)[2]。
反時(shí)限過(guò)流保護(hù)在原理上和很多負(fù)載的故障特性相接近,因此保護(hù)特性更為優(yōu)越。短路電流越大,保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限越短,即近處故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限短,稍遠(yuǎn)處故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限較短,而遠(yuǎn)處故障時(shí)動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng),該保護(hù)可以同時(shí)滿足速動(dòng)性和選擇性的要求,在配電網(wǎng)繼電保護(hù)中應(yīng)用較廣泛。
由于DG的接入,在電源與DG之間的線路變成了雙端供電網(wǎng)絡(luò),使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及潮流分布產(chǎn)生了很大的變化,進(jìn)而對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)產(chǎn)生了很大的影響。下面分別討論DG接入對(duì)三段式電流保護(hù)及自動(dòng)重合閘的影響。
2.1 DG接入對(duì)三段式電流保護(hù)的影響
如圖1所示,線路中間位置接入DG,系統(tǒng)與DG之間的線路為雙端供電線路,其他線路仍然為單端供電線路。顯然,故障點(diǎn)不同,DG對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響也將不同。下面針對(duì)不同位置的故障進(jìn)一步分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。
圖1 含DG的配電網(wǎng)
a. F1點(diǎn)發(fā)生短路故障。當(dāng)F1點(diǎn)短路時(shí),保護(hù)3、5、6均不會(huì)感受到短路電流,不會(huì)受到影響,而對(duì)于保護(hù)1來(lái)說(shuō),雖然因?yàn)镈G的接入使得短路點(diǎn)的短路電流增大,但是流過(guò)保護(hù)1的故障電流仍然是僅由系統(tǒng)提供的短路電流,因此保護(hù)1不會(huì)受到影響,可以可靠切除故障。但對(duì)于保護(hù)2將會(huì)流過(guò)由DG提供的短路電流,若DG的容量足夠大,將會(huì)使保護(hù)2動(dòng)作。
b. F2點(diǎn)發(fā)生短路故障。當(dāng)F2點(diǎn)短路時(shí),保護(hù)3、5、6均不會(huì)感受到短路電流,不會(huì)受到影響,而對(duì)于保護(hù)1、2來(lái)說(shuō),雖然因?yàn)镈G的接入使得短路點(diǎn)的短路電流增大,但是流過(guò)保護(hù)1的故障電流仍然是僅由系統(tǒng)提供的短路電流,因此保護(hù)1不會(huì)受到影響,可以可靠切除故障。
c. F3點(diǎn)發(fā)生短路故障。當(dāng)F3點(diǎn)短路時(shí),保護(hù)5、6不會(huì)感受到短路電流,不會(huì)受到影響。而對(duì)于保護(hù)1、2來(lái)說(shuō),由于DG的分流作用將使流過(guò)保護(hù)1、2的故障電流減小,因而會(huì)降低保護(hù)1、2的靈敏度。當(dāng)DG容量很大時(shí)還有可能會(huì)拒動(dòng)。
d. 其他饋線上F4點(diǎn)、F5點(diǎn)發(fā)生短路故障。當(dāng)F5點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí),保護(hù)3不會(huì)感受到故障電流,不受影響。由于DG的接入,會(huì)使得保護(hù)1、2流過(guò)故障電流注入短路點(diǎn),因此保護(hù)5、6流過(guò)的故障電流變大。當(dāng)DG容量小時(shí),影響較小,但當(dāng)容量大時(shí)會(huì)使得保護(hù)1、2誤動(dòng)。當(dāng)F4點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí),分析方法與F5點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)相同。
2.2 DG接入對(duì)自動(dòng)重合閘的影響
由于DG的接入使得配電網(wǎng)由單端供電變?yōu)榫植侩p端供電,必然會(huì)對(duì)重合閘裝置帶來(lái)影響。DG的接入對(duì)自動(dòng)重合閘的影響主要是會(huì)造成故障點(diǎn)持續(xù)電弧和非同期重合閘。如圖1所示,當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生短路,保護(hù)1跳閘切除故障,但是DG仍然會(huì)向短路點(diǎn)提供短路電流,造成故障點(diǎn)持續(xù)電弧。并且在重合時(shí)還會(huì)出現(xiàn)非同期重合,因而對(duì)電網(wǎng)造成沖擊[3]。
3.1 配電網(wǎng)中有1個(gè)DG接入時(shí)的保護(hù)配置
由于DG的接入使得配電網(wǎng)局部出現(xiàn)了雙端供電的情況,如圖2所示,系統(tǒng)與DG之間為雙端供電,這種情況必然會(huì)對(duì)保護(hù)及其與重合閘的配合有較大的影響。該線路其他部分以及母線的其他饋線仍為單端供電,但由于DG的接入,使得流入保護(hù)的電流有不同程度的改變,因此也對(duì)保護(hù)有一定的影響。
圖2 配電網(wǎng)僅有1個(gè)DG接入時(shí)保護(hù)配置
對(duì)于系統(tǒng)與DG之間的線路,將這一區(qū)域算作是DG的上游區(qū)域,在這一部分區(qū)域的保護(hù)上裝設(shè)電流差動(dòng)保護(hù),并且配備“一端檢無(wú)壓,另一端檢同期”的重合閘,這樣既可以保證保護(hù)的可靠動(dòng)作,同時(shí)也可以在保護(hù)動(dòng)作后快速可靠的啟動(dòng)重合閘,及時(shí)切除故障,保證供電的可靠性。如圖2所示,當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí),保護(hù)1、2動(dòng)作切除故障,并且在保護(hù)1段裝設(shè)檢無(wú)壓重合閘,在保護(hù)2側(cè)裝設(shè)檢同期重合閘,可靠動(dòng)作并可靠重合,消除了DG對(duì)其的影響[4]。縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的原理為:
Ir=|I1+I6|>Iunb
Iunb=0.1KstKnpIk.max
正常情況或區(qū)外故障時(shí)I1=-I6,而在區(qū)內(nèi)故障時(shí),|I1+I6|較大,故而電流差動(dòng)保護(hù)能夠可靠動(dòng)作切出故障。而當(dāng)在DG退出運(yùn)行時(shí),如光伏發(fā)電在夜間停止供電時(shí),原來(lái)的雙端供電變?yōu)閱味斯╇?,此時(shí)在區(qū)外故障或正常狀態(tài)時(shí)仍為I1=-I6,而在區(qū)內(nèi)故障時(shí),I6=0 ,I1即為系統(tǒng)提供的故障電流,|I1+I6|=|I1|>Iunb,所以保護(hù)依然可以可靠動(dòng)作。在這種情況下,依照“一端檢無(wú)壓,另一端檢同期”的重合閘依然能夠可靠重合。當(dāng)母線上其他饋線上的F4點(diǎn)短路時(shí),對(duì)于保護(hù)5,由于DG的接入,使得在短路時(shí)流過(guò)的電流變大,保護(hù)5可以可靠動(dòng)作切除故障并進(jìn)行重合閘,但是當(dāng)F5點(diǎn)短路時(shí),當(dāng)DG容量較大,并且線路阻抗較小時(shí),保護(hù)4可能會(huì)誤動(dòng),此時(shí)就要提高保護(hù)4的電流Ⅰ段的定值,但是當(dāng)DG在夜間退出運(yùn)行時(shí),由于保護(hù)4的定值過(guò)大,可能會(huì)以損失此時(shí)保護(hù)4Ⅰ段的保護(hù)范圍為代價(jià)而換取在DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)保護(hù)4的可靠不誤動(dòng)。當(dāng)DG容量較小,并且線路阻抗較大時(shí),當(dāng)F5點(diǎn)短路時(shí),DG對(duì)保護(hù)4注入的電流較小,不會(huì)使保護(hù)4誤動(dòng),此時(shí)可以不必調(diào)整保護(hù)4的定值。由于在DG上游區(qū)域裝設(shè)了電流差動(dòng)保護(hù),因此在F4點(diǎn)、F5點(diǎn)出故障時(shí),對(duì)于保護(hù)1、2均視為區(qū)外故障而不會(huì)動(dòng)作。
DG下游區(qū)域的保護(hù)配置,對(duì)于保護(hù)3,DG的接入會(huì)使在F3點(diǎn)短路時(shí)流過(guò)其電流變大,可以可靠動(dòng)作,并且在DG退運(yùn)后,就變回到了原有配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu),依然可以可靠動(dòng)作。
3.2 配電網(wǎng)中有多個(gè)DG接入時(shí)的保護(hù)配置
配電網(wǎng)中有多個(gè)DG接入時(shí),其配置辦法與僅有1個(gè)DG接入時(shí)相似,只是將會(huì)劃分出更多的區(qū)域。如圖3所示。
圖3 配電網(wǎng)中有多個(gè)DG接入時(shí)保護(hù)配置
將DG1的上游作為一個(gè)區(qū)域,DG1的下游與DG2的上游作為一個(gè)區(qū)域,這2個(gè)區(qū)域均為雙端供電,故與圖2中DG上游區(qū)域的保護(hù)及重合閘的配置相同,因此,當(dāng)F1點(diǎn)故障時(shí),保護(hù)1、6將會(huì)動(dòng)作切除故障并可靠重合,同理F2故障時(shí)保護(hù)2、7將會(huì)動(dòng)作并進(jìn)行重合。當(dāng)F3點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),由于DG的作用將會(huì)使流過(guò)保護(hù)3的電流增大,可以可靠動(dòng)作。對(duì)于另一饋線上的保護(hù)4、5與僅有1個(gè)DG接入配電網(wǎng)時(shí)的分析相同。
以石家莊市DG接入情況為例,目前中小型的DG項(xiàng)目大多接入到380 V配網(wǎng)中,例如新樂(lè)縣的金太陽(yáng)項(xiàng)目、河北省政協(xié)太陽(yáng)能利用示范項(xiàng)目等,這一類工程的共同點(diǎn)之一即是接入容量較小,當(dāng)配網(wǎng)故障時(shí),DG提供的短路電流也較小,故而針對(duì)這一類DG接入項(xiàng)目的配網(wǎng)保護(hù)配置方案大多為通過(guò)保護(hù)定值的調(diào)整以及優(yōu)化系統(tǒng)側(cè)保護(hù)與DG側(cè)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)保護(hù)的可靠動(dòng)作。其中,以三相接入配電網(wǎng)的DG,容量相對(duì)較大的,在并網(wǎng)點(diǎn)電壓暫降時(shí),其退出對(duì)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大影響。因此,要求以三相接入配電網(wǎng)的DG應(yīng)具備相應(yīng)的低電壓穿越能力,以支撐配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。
但對(duì)于DG容量較大接入電壓等級(jí)較高的DG接入工程來(lái)說(shuō),以上提出的保護(hù)配置方案應(yīng)用較為廣泛,例如趙縣趙州熱電有限公司熱電聯(lián)產(chǎn)及節(jié)能改造項(xiàng)目中,擬將2臺(tái)25 MW背壓機(jī)組通過(guò)110 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)。對(duì)于這類工程,通過(guò)調(diào)整定值與動(dòng)作時(shí)限已很難實(shí)現(xiàn)保護(hù)的可靠動(dòng)作,該方案經(jīng)過(guò)實(shí)踐能夠很好的解決DG并網(wǎng)后對(duì)保護(hù)的影響問(wèn)題,最終該工程的保護(hù)配置方案為在DG向電網(wǎng)送電的110 kV輸電線路上配置1套微機(jī)型光纖電流差動(dòng)保護(hù),帶有完整的階段式后備保護(hù)功能,保護(hù)采用專用光纖通道。
以上提出了一種DG接入配電網(wǎng)的保護(hù)配置方案,并對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了論述,分別對(duì)僅有1個(gè)DG接入配電網(wǎng)和有多個(gè)DG接入配電網(wǎng)2種情況進(jìn)行討論。通過(guò)分析得出,此種保護(hù)配置方案可以使保護(hù)正確快速的動(dòng)作并能夠迅速重合,使DG對(duì)保護(hù)的影響降到最低,提高供電的可靠性。并且通過(guò)分析實(shí)際的DG并網(wǎng)項(xiàng)目,驗(yàn)證了該方案的正確性和適用性。
[1] 吳 靖,江 昊.分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及前景[J].農(nóng)村電氣化,2003(7):19-20.
[2] 王 建,李興源,邱曉燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(24):90-97.
[3] 張 超,計(jì)建仁,夏 翔.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)饋線保護(hù)的影響[J].繼電器,2006,34(13):9-12.
[4] 孫景釕,李永麗,李盛偉,等.含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(1):81-84,89.
本文責(zé)任編輯:王麗斌
Research on Distribution Network Protection Configuration with Distributed Generation
The protection configuration of the traditional distribution network is introduced,in view of the problem of protection configuration of DG after connecting with distribution network,the influence of three-phase current protection and automatic reclosing by distribution generation is analyzed,apro-tection configuration applies to the distribution network with DG is proposed,and the application of the scheme is described.
distributed generated;distributed network;protection configuration
2013-01-14
方永毅(1980-),男,工程師,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專業(yè)管理工作。
TM77
B
1001-9898(2013)04-0014-03