一种含分布式电源的配电网距离保护

2020-08-19陈军

通信电源技术 2020年10期

陈军

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东深圳 518057）

0 引言

分布式能源（DG）是我国智能电网的重要部分，不但减小了传统发电方式对环境的污染，而且因响应快极大地提高了电网的抗风险能力。由于DG的种类不同，使得原本复杂的配电网络变得更加复杂，对原有线路的继电保护造成了较大影响，导致线路原设定参数不能满足线路运行的需求，而解决这个问题必须分析DG的运行方式。

1 DG接入对配电网继电保护的影响分析

1.1 DG的种类与控制方式

DG的种类包括风能（直驱、双馈）、光伏发电、燃料电池、蓄电池以及微型燃气轮机等。能源转换根据并网类型大致可分为3种：（1）采用电力电子装置进行并网，如光伏发电和直驱的风力发电等；（2）采用同步机并网，如微型燃气轮机等；（3）采用异步机并网，如风能。DG的控制方式大多采用PQ（恒功率）控制、下垂控制或恒压恒频控制。为了使电网系统的容错率更高，要求电网系统具有一定的低电压穿越能力[1]。

1.2 DG故障时的等效模型

通过克拉克-派克变换将DG并网部分（并网逆变器）的输出进行解耦，实现对有功功率P和无功功率Q的独立控制。

逆变器输出的功率为：

其中UPCC为并网处的电压，Id、Iq分别为并网电流的交轴分量和直轴分量。控制并网逆变器的并网电压是通过内环V/F控制方式，结构框图如图1所示。

图1 逆变器的V/F控制结构框图

Pm为PI环节的控制系数，表示为：

Pm与Ki是比例积分环节的比例系数与积分系数。为了保证系统的正常运行，需要对Pm进行限幅，范围在[-1，1]之间。根据以上分析，可得DG故障时的模型：

EDG为DG出口处电压的基波分量，IDG为发生故障时DG出口处的电流，Z为DG输出端滤波器的等效阻抗。配电网发生故障时，DG进入低电压穿越模式。国内没有对该情况下DG的运行方式进行统一规定，这里采用德国的DG运行规定作为参考[2]：

式中Un为系统额定电压，ΔU是故障时系统的电压降，I*d_ref与I*q_ref分别为DG在系统故障条件下的有功和无功电流的指令，Kq为无功功率支持曲线的斜率，UPCC为并网处的电压。在配电网发生故障过程中，并网电压UPCC降低，DG只需要通过调节I*d_ref与I*q_ref对PWM输出进行调整，从而实现在故障发生过程中输出电流中无功电流占总电流比例上升，保证DG进入低电压穿越模式。

1.3 DG接入对配电网的继电保护的影响

DG的接入对配电网产生了较大影响，如网损的变化和电能质量的变化等，进而对配电网的继电保护产生影响。这些变化与配电网的结构、DG的位置以及容量有关。下面对一个配电网模型进行分析，模型如图2所示。

图2 配电网模型

采用单电源辐射式供电方式。分析DG接入位置的影响，当DG接在母线上时，若d1点发生短路故障，此时的短路电流由电源和DG两部分的短路电流组成，测得保护1处的电流小于故障电流；当短路达到应当切除的故障电流时，1处的保护可能还没有达到整定值，这种现象称为汲流现象，会导致保护1处的拒动和故障范围扩大。DG的故障电流经过保护2，如果保护2处没有安装方向元件，DG容量较大的情况下可能会出现误动作。d3发生故障时，测到保护3的电流值大于未安装DG时的电流值，会导致其误动作。

讨论DG容量对继电保护的影响。DG容量的大小直接影响配电网的稳定运行，而DG容量较小有助于配电网的稳定运行。在图2所示的电路中，BC段发生故障时，假设各电源电压大小相等并设E=1 p.u.，并假设系统为无穷大系统，系统电源阻抗为ZS=0.1 p.u.。DG不能为无穷大电源，其内阻为ZG=0.2 p.u.，各段线路阻抗取值1 p.u.。

当没有DG接入时，保护2的整电流为：

式中krel为可靠系数，取1.2。

母线B处加入DG后，若BC线路末端发生三相短路，这时保护2测得的故障电流为：

DG的短路电流可用其次暂态阻抗来表示，取值为0.2 p.u.。取系统量SB为100 MVA，系统阻抗可表示为：

此时的故障电流为：

令I2=Iop，解得SDG≈8，即DG容量在8 MW附近时，保护2达到整定值。当DG的容量进一步增加时，保护距离将延长到下一段距离，线路原有的保护配合被打破。

2 自适应距离保护及其原理

2.1 距离保护原理

距离保护是通过阻抗继电器测量被保护点的电流和电压，计算阻抗与整定值进行比较，从而判断故障点位置是否在保护区域内的一种保护方法。由于通过计算阻抗值进行判断，因此该方法受系统运行方式的影响较小，并具有明显的方向性。在众多继电保护方法中，距离保护比较适合采用参数自适应的方式[3]。

2.2 自适应距离保护中的附加阻抗

DG接入后会对线路的阻抗造成较大影响，本质是由于故障发生时DG提供的故障电流和系统提供的故障电流相位不同。实际发生故障时，保护点测量的线路阻抗有可能增大或减小，取决于DG提供的电流是超前还是滞后[4]。保护阻抗随DG输出功率的变化而变化，没有一个固定值。随着微机继电保护的普及和电力通信网络的不断完善，能在配电网运行过程中修改继电保护参数，使得自适应距离保护成为可能。通过实时计算线路运行状态调整整定值，以满足线路保护的要求。

图2中CD段发生两相短路时，系统的简化电路如图3所示。

图3 CD发生两相短路时的简化电路

显然有：

式中U2mA、U2mC为保护2测得的A、C相电压值，I2mA、I2mC为保护点2测得的A、C相电流值IDGA、IDGC为DG提供的A、C相故障电流。短路阻抗可表示为：

式（14）表明加入DG后，短路阻抗由基本阻抗ZBC+Zf和附加阻抗两部分组成。自适应距离保护就是要通过测量附加阻抗调整线路参数的整定值。

3 基于多边形的自适应距离保护

多边形的自适应距离保护比单一的距离保护有着更加优异的特性，既可作为主保护，也可做为备用保护[5]。具体实施步骤如下：画出测量阻抗、附加阻抗以及故障阻抗的向量图，根据测量点电流和故障点电流之间的相位关系确定故障阻抗，在此基础上构建距离保护的动作方程。

以一个三电源系统为例进行说明，电路如图4所示。

图4 三电源系统

线路AB段发生故障时，测得的电流和电压为Im和Um，If为故障电流，Rg为过度电阻，a为故障点占AB总长的百分比，得：

同理，BC段发生故障时，在保护1处存在关系：

式中的If为故障电流，Rg为短路点处的过度电阻，α为故障到保护点距离占线路长度的百分比。BD段发生故障时，在保护1处测得的结果与BC段的结果相同。两边同时除以Im，即可得到测量阻抗Zm与各个阻抗之间的关系为：

这里定义附加阻抗ΔZ=If/Im*Rg。3个阻抗之间的关系如图5所示。

图5 3个阻抗之间的关系

为分析方便，定义故障阻抗和测量阻抗之间的夹角为φ1、故障阻抗和故障附加阻抗之间的补角φ2，故障附加阻抗和测量阻抗之间的夹角φ3。3个阻抗夹角与复平面三角形3个内角之间的关系如下：

φm、φf、φz分别为Zm、Zf以及ΔZ与实轴R的夹角。利用正弦定理和复数关系，可以求得故障阻抗Zf与测量阻抗Zm之间的关系为：

根据国家电力调度通信中心的数据，电力网中的设备主要为感性设备，阻抗角可近似到80°左右，各上下级线路的阻抗角近似相等，可认为：

附加阻抗角为故障处电流与测量电流的比值，存在以下关系：

自适应距离保护的保护判据定义如图6所示。为了保证线路发生故障时，Zm能够在四边形判据内，α1、α2、α3、α4应当满足一定条件。为了防止保护误动，α1应设置一个裕度，一般为15°～30°；为了保证正向出口经过渡的电阻短路时保护原件能够可靠动作，α2取15°；为防止多DG系统过渡电阻短路时，因端测量的故障附加阻抗比末端测量的小而导致保护误动，α3一定要小于线路阻抗角，取α3=60°；为了防止保护末端短路时出现超越现象，α4设置为7°。