分布式电源的配电网线路保护

分布式电源的配电网线路保护

颜永卿

广东电网有限责任公司茂名化州供电局 广东化州 525100

摘 要

分布式电源(distributed generator, DG)在绿色节能、用电损耗、灵活性、可靠性等方面具备显著优势，由此 被越来越多地接入到配电网中，这使得配电网中原有的单电源辐射型网络格局不复存在，具备多端电源结构的有源 配电网开始登上舞台。分布式电源的控制策略和接入方式也使其并网故障特性更为复杂，对线路保护的可靠性和配 电网的安全稳定运行产生影响。因此，通过分析分布式电源控制策略、不同接入方式下的故障特性，本文提出了适 用于考虑分布式电源接入的配电网全波形线路差动保护算法，并计及未检测分支的影响进一步完善了算法。

关 键 词：全波形；电流差动保护；未检测分支

1 绪论

分布式电源在保障电网安全稳定运行方面起着重要的角色。相对于大型电网而言，分布式电源分散在负载周 围，彼此独立， 同时也是大电网的重要依靠。分布式电源是促进风电、太阳能等分散式可再生能源的开发利用、提 高清洁能源利用效率、解决偏远农村地区电力供应问题的重要途径。在当今能源和环境压力日益增加的背景下，推 动分布式电源发展已成为世界各国促进节能减排、应对气候变化的重要措施之一。分布式电源作为我国电力系统的 有机组成部分，是大电源的重要补充，与大电源、大电网有机统一、缺一不可。

2 分布式电源的建模及故障特性研究

LVRT控制策略的主要思想为检测并网点电压的跌落，当跌落幅度到达一定的水平后再一次进行有功、无功的分配。本文中具体表现为：电压跌落后，将双闭环控制改为单闭环，由电压跌落程度计算出电流的参考值。一来限制 有功电流大小，避免直流侧积累过多的有功功率导致不平衡下的分布式电源脱网现象；二来补偿无功功率有益于电网的恢复。

2.3分布式电源并网的故障特性研究

^{图1分布式电源接入的配电网系统}

在Matlab/Simulink平台搭建的考虑分布式电源接入的配电网系统，用于验证分布式电源并网后的输出 特性。模型中配电线路总长设置为12km， 电压等级为10k V，线路负载有功功率设置为0.3MVA，分布式电源额定容量 设置为1MVA，其功率因数设置为1。在保护范围内设置不同类型的故障，分析分布式电源并网点的电压、电流以及输 出功率特性。图中Ua1、Ua2、Ua0分别代表并网点正序、负序、零序电压。

正常运行时，由配电网和分布式电源向负载进行供电。由图2-5可以看出分布式电源输出有功功率为1MW，无功 功率为0，此时并网点电压仅有正序分量。

^{图2正常运行时并网点输出特性}

3 基于全波形的配电线路差动保护算法

3.1全波形差动保护概述

本文采用将分布式电源接入公共电网变电站10kV母线处的拓扑作为研究的主要平台。 在电力系统金属性故障 中，主要分为单向接地故障、两相短路故障、两相接地故障和三相短路故障。其中，单向接地故障是电力系统中最常见的故障，三相短路故障是发生几率最低同时也是最严重的故障，带来的危害非常大，本文对三相短路故障电流 的全波形特征进行了观察。

图3配电线路结构模型

线路参数设置：系统电源S三相电压为10kV，频率为50Hz， 内阻抗0.1Ω，电源电感6.88×10-4，L1、L2、L3、 L4是四条线路，分别为4km、4km、2km、2km，正序阻抗Z1=0.02083Ω/KM，正序对地导纳G1=0.8984×10-3，零模阻 抗Z2=0.1148Ω/KM，零模对地导纳G2=2.2886×10-3，保护测量点M距离母线4KMm，测量点N距离母线2Km，分布式电 源经变压器连在母线上， 额定功率为1MW，末端负荷容量为0.3MW，M、N检测点的方向均为由节点流向线路为正，DG 输出电流的正方向为节点流向线路。因为差动保护主要参照的电气量为电流量，而全波形差动保护是通过采样故障 发生时刻电流的瞬时值进行保护，故分析故障电流全波形特征的时候取测量点M和N处的电流和与差的绝对值进行分析。

在继电保护中，保护参数整定的原则为：以保证区外故障的时候差动保护不会发生误动作为前提，在此基础上 进一步提高保护的速动性。差动保护判据中的参数分别为：动作量、制动量和制动系数，因此这三个电气量会是影 响判据正常启动的直接因素。然而，在具体实现的过程中，积分时间窗Δt和差动电流门槛值I0的大小，对差动保护 的性能方面也会产生一定的影响。保护判据主要参数如图5所示。

^{图5保护判据主要参数示意图}

^{4分布式电源配电线路差动保护方案}

4.1未检测分支对差动保护的影响

图6为含未检测负荷分支的配电线路结构模型示意图。当保护区内发生故障时， 此时未检测负荷分支容量为 0.3MW，对比有无未检测负荷分支情况下对电流差动保护可能产生的影响。

图6含未检测负荷分支的配电线路结构模型示意图

当区内出现故障时，两端电流的差动电流即为负荷提供的电流与故障点处电流之和。作为故障区段来看，可以 将未检测分支上的阻抗和过渡电阻直接并联，成为一个组合体。通常情形下，过渡电阻的阻抗是远小于未检测负荷 分支的阻抗，由于在并联条件下超大阻抗可以忽略不计，因此未检测负荷分支对电流差动保护的影响相对较小。由 图4-2可知， 区内故障时，有无未检测负荷分支下对电流差动保护的影响几乎相同，所以此时未检测负荷分支的影响 可以忽略。

4.2未检测分支检测判据

由继电保护装置本身具备的属性可知，故障前一段时间之内的数据能够得以储存，故可以把差动保护区间等效 成一个整体，再运用基尔霍夫电流定律对之前储存的一段时间内的数据进行相量解析，根据解析所得结果来判断当 前保护区段的运行情况。有无未检测分支的判据如下所示：

（4-1）

式（4-1）中，令Imn为配电网正常运行状态下差动保护区段两侧的差动电流，Im和In分别为故障发生前差动保 护区段M侧和N侧电流的相电流值，Iset为是否存在未检测分支的电流整定门槛值，整定过程中依据线路两侧最大不 平衡电流进行分析，在配电网中大多表现为OCT的检测误差。

由式（4-1）可知， 当差动保护两侧电流故障前相量和大于电流整定门槛值Iset时，则未检测分支存在；反之则 未检测分支不存在。

结束语

传统的配电线路差动保护已经不能够满足具备低电压穿越特性的分布式电源并网的要求，这就使得传统的配电 线路差动保护将会面临新的挑战，即传统差动保护已经不能满足配电网对保护装置可靠性和稳定性的要求。因此， 对具备低电压穿越特性的分布式电源接入这一应用场景下的保护方案研究就十分必要。本文以光伏发电为例，研究 了具备低电压穿越特性的光伏电源控制策略及其并网后的故障特性，并根据光伏电源以T接法接入配电线路和接入公 共电网 10KV 母线两种拓扑下对保护产生的不同影响从而确定了本文研究拟采用的拓扑结构。基于上述研究，本文 提出了一种全新的配电线路全波形差动保护方案，搭建的配电网仿真模型验证了该方案不仅能解决传统差动保护带 来的拒动和误动问题，还能够大大提升保护的速动性。

参考文献

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