喬 明,王 瑩,楊 波,姜德勝

(國網(wǎng)黑龍江電力公司 技能培訓(xùn)中心,哈爾濱 150030)

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含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

喬 明,王 瑩,楊 波,姜德勝

(國網(wǎng)黑龍江電力公司 技能培訓(xùn)中心,哈爾濱 150030)

分布式電源從配電網(wǎng)并網(wǎng)后,對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流、故障特征等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,導(dǎo)致現(xiàn)有配電網(wǎng)保護(hù)無法準(zhǔn)確判斷故障的位置而出現(xiàn)拒動、誤動現(xiàn)象,必須改變現(xiàn)有繼電保護(hù)性能,以提高電網(wǎng)對分布式電源的消納能力。通過研究近幾年國內(nèi)外有關(guān)分布式發(fā)電的文獻(xiàn)資料和科研成果,對分布式發(fā)電系統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行歸類與分析,并為適應(yīng)今后分布式發(fā)電的發(fā)展,提出了幾點建議。

分布式發(fā)電;配電網(wǎng);繼電保護(hù);綜述

國家發(fā)改委國家能源局《關(guān)于促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出,到2020年實現(xiàn)清潔能源的充分消納,加快分布式電源(DG)的廣泛接入和有效互動,實現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。近年來,隨著DG接入配電網(wǎng),其對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流、故障特征等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1-5]。配電網(wǎng)故障時短路電流大小及分布均有變化,變化的程度與DG的容量、接入位置等因素直接相關(guān);網(wǎng)絡(luò)各處保護(hù)所受影響也不盡相同,導(dǎo)致現(xiàn)有配電網(wǎng)保護(hù)無法準(zhǔn)確判斷故障的位置而出現(xiàn)拒動、誤動現(xiàn)象[6-7]。本文通過研究近幾年有關(guān)分布式發(fā)電的文獻(xiàn)資料和科研成果,對含分布式電源的各種配電網(wǎng)保護(hù)方案進(jìn)行歸類與分析,展望了其今后的發(fā)展方向。

1 通過限制故障時DG注入短路功率消除對原保護(hù)的影響

DG的接入給配電網(wǎng)保護(hù)帶來影響的根本因素是故障時DG向故障點注入了故障電流,若能限制故障時DG提供的故障電流,必然減少DG接入對配電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的不利影響[8-12]。

1.1 配電網(wǎng)故障時退出

配電網(wǎng)發(fā)生故障時快速將DG退出,使配電網(wǎng)恢復(fù)到?jīng)]有接入DG的原始狀態(tài),從而保證配電網(wǎng)保護(hù)正確動作。因此,根據(jù) IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)以及國家電網(wǎng)公司出臺的《Q/GDW 480-2011分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》等相關(guān)文件的要求,為確保繼電保護(hù)裝置正確動作,配電網(wǎng)發(fā)生故障時應(yīng)快速切斷電網(wǎng)中的DG[13-14]。但是要充分考慮以下問題:

1) 切斷DG與保護(hù)動作時限上的配合;

2) 避免DG未切除而重合閘出口造成非同期合閘;

3) 并非全部的DG都會對線路保護(hù)和重合閘產(chǎn)生影響,不加選擇地切除DG,會極大地降低DG的利用效率。

1.2 加裝故障電流限制器

故障限流器(FCL,fault current limiter)是依靠電力電子元件對傳統(tǒng)的串聯(lián)阻抗限流元件進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)而來的,具備正常負(fù)荷條件下表現(xiàn)為零阻抗而在短路情況下表現(xiàn)為高阻抗的特性。將FCL應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)中,可限制故障時DG提供的故障電流。配電網(wǎng)發(fā)生故障時,由于FCL動作速度快于網(wǎng)絡(luò)中保護(hù),FCL能在保護(hù)動作之前起到抑制DG故障電流的作用,因此減輕了DG對配網(wǎng)原有繼電保護(hù)選擇性、靈敏性的影響。實際應(yīng)用時需注意FCL阻抗值選取和FCL對DG本身保護(hù)動作產(chǎn)生的影響,文獻(xiàn)[15]分別就這兩個問題進(jìn)行詳細(xì)闡述并給出合理建議。隨著技術(shù)的發(fā)展,PWM控制的短路電流限制器[16]、超導(dǎo)限流器[17-18]、利用逆變器限制故障電流[19]等故障電流限制措施不斷涌現(xiàn),利用限流原理消除DG對配電網(wǎng)保護(hù)的影響必將得到不斷完善。

1.3 計及保護(hù)影響限制DG準(zhǔn)入容量

接入配電網(wǎng)DG容量越大,故障時DG對配網(wǎng)保護(hù)動作正確性產(chǎn)生的影響也越大,從限制DG對配網(wǎng)保護(hù)影響出發(fā),可合理分析計算DG的準(zhǔn)入容量。文獻(xiàn)[20]通過PSCAD仿真軟件,根據(jù)配電網(wǎng)電流保護(hù)定值,求取出網(wǎng)絡(luò)各處DG的準(zhǔn)入容量,在準(zhǔn)入容量以內(nèi),可以避免因DG接入造成保護(hù)誤動。文獻(xiàn)[21]分析了DG對配網(wǎng)保護(hù)的影響,并結(jié)合電網(wǎng)實際,提出了DG準(zhǔn)入容量計算的約束條件。限制DG準(zhǔn)入容量,雖然配網(wǎng)保護(hù)無需任何改動,但電網(wǎng)消納DG的能力有限。

2 技術(shù)改造升級現(xiàn)有保護(hù)的性能

2.1 加裝方向元件

由于DG的接入,系統(tǒng)電源與DG之間及DG與DG之間的線路由單側(cè)電源線路變?yōu)殡p側(cè)電源線路,因此可以在線路兩側(cè)裝設(shè)方向元件。對DG下游線路,考慮到故障時DG的助增作用應(yīng)對電流保護(hù)定值進(jìn)行重新整定,以確保保護(hù)裝置動作的選擇性[22]。但由于DG輸出的不可控性,勢必造成整定困難,因此隨著DG的不斷入網(wǎng)運行,必然造成保護(hù)定值頻繁改變,增加運維難度。

2.2 采用距離保護(hù)

距離保護(hù)的測量量是保護(hù)安裝處母線電壓與線路電流之比,反映測量阻抗的降低而動作。正常時,距離保護(hù)測量的是負(fù)荷阻抗;故障時反映的是保護(hù)安裝處到故障點的阻抗,其大小只與保護(hù)安裝處到故障點距離相關(guān)。距離保護(hù)具有方向性、保護(hù)范圍穩(wěn)定、靈敏度高、不受運行方式變化影響等特點,比較適合作為含DG的配電網(wǎng)保護(hù)[23]。文獻(xiàn)[24]通過仿真分析表明,DG的接入位置對測量阻抗產(chǎn)生了一定影響,距離保護(hù)安裝在DG上游時,DG的分流作用會使保護(hù)范圍有所減小;距離保護(hù)安裝在DG下游時,不影響距離保護(hù)的正確動作。對于長短線配合系統(tǒng),距離保護(hù)可能失去選擇性,但隨著DG容量增加,此影響呈較小趨勢甚至消失。

由于高職教育的經(jīng)費投入量與高職院校規(guī)模的擴(kuò)張不相適應(yīng)，許多高職院校的教學(xué)硬件資源較為短缺，缺少培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能的必要設(shè)施和設(shè)備，大部分實習(xí)場所和環(huán)境也不夠理想。部分學(xué)校實訓(xùn)儀器設(shè)備相當(dāng)緊缺，嚴(yán)重影響學(xué)生操作技能的提高。同時，院校間硬件資源差距較大，加之各高職院校分布分散，獨立運作，還存在著硬件資源重復(fù)建設(shè)問題，沒有實現(xiàn)校際間教學(xué)資源的共享，沒能充分發(fā)揮資源使用的最佳效率。

2.3 采用縱聯(lián)保護(hù)原理構(gòu)成含DG配網(wǎng)保護(hù)

縱聯(lián)保護(hù)基于雙端測量原理構(gòu)成,具有絕對的選擇性,因其性能優(yōu)越而被廣泛應(yīng)用于輸電線路中,具有豐富的運行經(jīng)驗[25]。文獻(xiàn)[26]提出了一種適合于含DG配電網(wǎng)的新型縱聯(lián)保護(hù)方案,既能夠合理避免DG高滲透率情況下保護(hù)選擇性和可靠性降低,同時對采樣同步要求也不高。但是該方案并未提出準(zhǔn)確的DG等值模型,所以需要確立不同發(fā)電形式的DG等值模型才能滿足工程需要。 文獻(xiàn)[27]提出將距離縱聯(lián)保護(hù)引入配電網(wǎng)中,但其應(yīng)用局限于環(huán)網(wǎng),并且沒有考慮DG出力的隨機(jī)性,瞬時性故障切除時間也較長。

2.4 基于相鄰電流保護(hù)間通信的三段式電流保護(hù)技術(shù)改造方案

文獻(xiàn)[28]提出了基于遠(yuǎn)方通信的適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的三段式電流保護(hù)技術(shù)改造方案,將相鄰線路保護(hù)作為一個保護(hù)單元,利用后級線路方向性電流保護(hù)閉鎖前級三段式方向電流保護(hù)。

該方案邏輯簡單,新增輔助設(shè)備少;本線內(nèi)故障全線速動切除,避免了DG投退造成保護(hù)定值頻繁改動;通過本側(cè)保護(hù)聯(lián)跳對側(cè)斷路器,線路對側(cè)無需安裝保護(hù)裝置,簡化了保護(hù)配置。在實際應(yīng)用中,通信設(shè)備的可靠性對保護(hù)的影響至關(guān)重要,需要設(shè)計通信系統(tǒng)冗措施確保保護(hù)動作正確性;需要考慮運行方式變化對該保護(hù)方案帶來的不利影響并加以改進(jìn)。

3 采用新技術(shù)新原理構(gòu)成含DG配電網(wǎng)保護(hù)

3.1 自適應(yīng)保護(hù)

文獻(xiàn)[30]結(jié)合逆變型分布式電源(IIDG)故障輸出特性及含IIDG配電網(wǎng)的故障特征,對含IIDG配電網(wǎng)的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)進(jìn)行充分分析與論證,根據(jù)不同的故障類型及故障位置,在未考慮IIDG接入配網(wǎng)的自適應(yīng)電流速斷保護(hù)基礎(chǔ)上,提出了含IIDG配電網(wǎng)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的在線整定方法,大大提升了保護(hù)性能。文獻(xiàn)[31]分析了含DG配電網(wǎng)故障時兩相電流差特點,提出了基于兩相電流差的自適應(yīng)速斷保護(hù)動作判據(jù)和整定方法,原理簡單,整定計算方便,保護(hù)性能不受運行方式變化和故障類型的影響。

自適應(yīng)保護(hù)基于本地測量信息,無須遠(yuǎn)方通信,其保護(hù)性能自然不受通信質(zhì)量的影響與限制,并能有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)投入。

3.2 廣域網(wǎng)保護(hù)

文章[32]提出了一種基于多智能體(Agnet)的新型電流保護(hù)策略。該策略通過比較工頻變化量電流幅值、工頻電流幅值及相位來定位故障區(qū)域,給出了具體的故障搜索定位流程和數(shù)學(xué)描述方法,以良好的通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建多智能體保護(hù)結(jié)構(gòu),工程上易于實現(xiàn)。文獻(xiàn)[33]提出一種基于配電網(wǎng)通信及終端單元FTU的過流保護(hù)方案,可以有效避免DG接入配電網(wǎng)引起的保護(hù)誤動問題,具備原理簡單、現(xiàn)有設(shè)備改造容易、投資低等優(yōu)點。文獻(xiàn)[34]在故障定位統(tǒng)一算法的基礎(chǔ)上,提出一種適用于含DG的配電網(wǎng)故障定位的矩陣算法。該算法簡單,運算量小,故障定位精確,并對分支母線節(jié)點的異常工作有一定的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[35]為適應(yīng)高滲透率DG 并網(wǎng)運行對繼電保護(hù)的要求,提出一種以縱聯(lián)方向比較保護(hù)基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ),以可靠的通信系統(tǒng)為保障,以包含DG的配電變電站及其饋出線為保護(hù)對象的主從式區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)。該保護(hù)系統(tǒng)可實現(xiàn)對整個變電站及饋出線實現(xiàn)縱聯(lián)主保護(hù),并在從機(jī)中配置后備功能,能夠滿足高滲透率下配電網(wǎng)保護(hù)的需要。

廣域網(wǎng)保護(hù)在理論上性能優(yōu)越,但是對通信系統(tǒng)要求較高。當(dāng)前配電網(wǎng)通信系統(tǒng)建設(shè)良莠不齊,尚不具備廣域網(wǎng)保護(hù)全面實施的條件。

4 結(jié) 語

對分布式發(fā)電繼電保護(hù)技術(shù)的研究工作雖取得了一定的成果,但多數(shù)研究成果局限于理論研究,普遍缺乏工程實踐。為適應(yīng)分布式發(fā)電的發(fā)展,應(yīng)著重開展以下幾個方面的研究工作:

1) 理論研究與具體的工程實踐相結(jié)合,從實際工程應(yīng)用的角度出發(fā),強(qiáng)化理論成果的可移植性。

2) 加強(qiáng)高滲透率情況下的配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的研究,提高電網(wǎng)對DG的消納能力。

3) 將廣域網(wǎng)保護(hù)與配電自動化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合,實現(xiàn)硬件資源與數(shù)據(jù)共享,隨著配電網(wǎng)自動化建設(shè)的不斷深入,廣泛采集配電網(wǎng)實時運行參數(shù),以逐步實現(xiàn)遠(yuǎn)方控制配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備。

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(責(zé)任編輯 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。

喬 明(1984—),男,講師,從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方向的教學(xué)與研究。

TM771

A

2095-6843(2016)02-0127-04