含分布式電源的配電網保護影響機理及故障定位①

梁華敏,高 輝,王晨清

1(南京郵電大學 自動化學院、人工智能學院,南京 210023)

2(江蘇省電力試驗研究院有限公司,南京 211103)

隨著全球石油資源儲量逐漸減少,碳排放過量與空氣污染等環境問題日益嚴重,發展清潔有效、環境友好的能源技術對解決能源與環境問題具有重要意義[1,2].以光伏、風力發電為主的分布式電源(distributed generation,DG)接入傳統配電網能有效緩解環境問題,并且提高系統運行的可靠性[3,4].然而DG 并網會對配電網造成影響,其中對整個系統的繼電保護影響最為明顯[5,6],DG 接入配電網使傳統配電網的單一電源輻射網絡轉變為雙端或多端供電網絡[7,8].因此,針對含分布式電源的配電網繼電保護研究尤為關鍵.

關于分布式電源并網的相關研究對進行配電網故障定位與切除工作,保證系統安全運行尤為重要[9-12].文獻[13,14]總結了國內外對直流配電網保護、交直流混合配電網繼電保護以及換流器保護等技術以及環境效益方面取得的最新進展與成果.文獻[15]提出將距離保護作為過電流保護的替代方法來進行故障檢測.文獻[16]提出了基于本地信息量的自適應電流保護方案,為DG 并網后的繼電保護算法研究提供了一定理論依據.在故障定位方面的研究,現有的方法主要有阻抗法、行波法、信號注入法、矩陣算法、遺傳算法及神經網絡算法等[17,18].文獻[19]提出了基于分布式智能饋線自動化系統的故障定位方案,能夠準確地對故障進行定位與隔離,分析方法值得借鑒,但該系統方案對設備間的通信要求較高.文獻[20]提出了一種自適應矩陣算法,具有良好的容錯性.文獻[21]提出一種基于子網絡劃分的配電網故障區段定位算法,無論是單一故障還是多重故障均可準確定位,但是對算法精確度要求較高.文獻[22]提出了一種環網故障定位的矩陣算法,但必須要對不同電源假定不同的功率正方向才能確保判別故障區域.文獻[23]對矩陣算法進行了改進,但是需要對上傳的故障信息進行修正.

針對上述不足,本文選取含DG 接入的配電網作為研究對象,分析DG 分別以不同位置接入配電網對電流保護產生的影響,通過PSCAD 仿真驗證理論分析的準確性,針對含DG 的配電網發生短路故障動作值難以整定的問題,提出一種基于智能電子設備(intelligent electronic device,IED)上傳故障信息的矩陣算法,并通過算例驗證了該算法的準確性.該算法無須對元素進行修正與規格化處理,且適用于單一故障與多重故障,可實現故障區域的精準定位,為含DG 的配電網穩定可靠運行提供保障.

1 DG 對配電網電流保護的影響機理

本節以雙饋線配電網為例,研究當線路不同區段發生故障時,DG 分別接入配電網饋線末端母線、非末端母線與首段母線,對電流保護的影響.如圖1、圖2所示.由于DG 采用電流型PQ 控制方式接入配電網,故在進行故障分析時可將DG 簡化為電壓控制的電流源.

圖1 DG 接在饋線末端母線D 示意圖

圖2 DG 接在饋線非末端母線C 示意圖

1.1 DG 接在饋線末端母線

(1)線路AB末端發生故障

當線路AB末端f1處發生故障時,如果配電網沒有DG 接入,保護裝置1 正常啟動,切除故障; DG 接入配電網后,向故障點f1提供電流,電流經過保護2 和保護3,保護靈敏度度提高,將有可能導致保護誤動作.

(2)線路AE末端發生故障

當線路AE末端f2處發生故障時,由于DG 位置與故障點f2距離相差較遠,對保護4 的影響較小.

1.2 DG 接在饋線非末端母線

(1)線路AB末端發生故障

當AB末端f1處發生故障時,為了更直觀地分析流經各個保護的電流大小,可將故障線路等效成如圖3所示的電路圖進行分析.

圖3 線路AB 末端發生故障等效電路圖

其中,I1為流經保護1 的電流,I2為DG 向故障點f1輸出的反向電流,Us為系統基準電壓,Zs為系統電源阻抗,ZCD為線路CD的阻抗,ZBC為線路BC的阻抗,ZAf1為從母線A到故障點f1之間距離的等效阻抗,ZBf1為從母線B到故障點f1之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,P為DG 的功率,通過式(2)對UDG進行求解,計算結果如式(3)所示.

由式(1)-式(4)可知,當AB末端f1處發生故障時,DG 向故障處提供故障電流,使得流過保護2 的電流增大,這將導致保護2 誤動作,有可能導致線路斷電范圍延長,而保護1 的電流不受DG 接入的影響,仍然能夠正常動作切除故障.

(2)線路CD末端發生故障

當線路CD末端f2處發生故障時,可將線路等效為如圖4 所示的簡化電路模型.

圖4 線路CD 末端發生故障等效電路圖

根據簡化電路模型圖,可得到流經保護1、保護2 以及保護3 的電流I1、I2、I3.

其中,Us為系統基準電壓,Zs為系統電源阻抗,ZAC為線路AC的阻抗,ZCf2為母線A到故障點f2之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,通過式(7)對UDG進行求解,計算結果如式(8)所示.

所以,當CD末端f2處發生故障時,先由保護3 動作,保護2 延時動作,而DG 接在母線C上,使得流經保護3 的電流增大,保護3 的靈敏度得到提高,流經保護2 的電流減小,保護2 的靈敏度降低.

(3)線路AE末端發生故障

當AE末端f3處發生故障時,可將故障線路等效成如圖5 所示的電路圖進行分析.其中,Us為系統基準電壓,Zs為系統電源阻抗,ZAC為線路AC的阻抗,ZCD為線路CD的阻抗,ZAf3為母線A到故障點f3之間距離的等效阻抗,UDG為DG 的電壓,I1為DG 輸出流經保護1 的反向電流,I2為DG 輸出流經保護2 的反向電流.

圖5 線路AE 末端發生故障等效電路圖

當AE末端f3處發生故障時,在DG 接入前,由保護4 動作即可切除故障,當DG 接入后,DG 向故障點輸出反向故障電流,保護1 和保護2 都可能誤動,但如果DG 距離故障點足夠遠,提供的故障電流就不足以造成保護的誤動作.

1.3 DG 接在饋線首端母線

當DG 接入到配電網饋線首端母線上時,DG 與系統原有電源共同為線路供電,相當于增大了系統電源的容量,無論是當線路CD末端或者線路AE首端發生故障時,相較于DG 接入前,對線路中各個保護的影響都是較小的.如圖6 所示.

圖6 DG 接在饋線首端母線A 示意圖

2 DG 對配電網電流保護影響仿真分析

在PSCAD 平臺建立如圖7 所示的仿真模型,仿真的具體參數配置如下:

(1)系統側仿真參數

配電網系統的基準電壓值為10.5 kV,系統側的阻抗值為j0.35 Ω.

(2)線路參數

配電網的線路AB、BC、CD、AF均采用架空線路,其參數設置為:R=0.26 Ω/km,X=0.355 Ω/km,由圖7可知,配電網絡為兩條饋線,其參數分別為:

圖7 分布式光伏電源接入配電網PSCAD 仿真模型

饋線1:AB的長度為3 km,其阻抗值為ZAB=0.78+j1.065 Ω; BC 的長度為3 km,其阻抗值為ZBC=0.78+j1.065 Ω; CD 的長度為10 km,其阻抗值為ZCD=2.6+j3.55 Ω.

饋線2:AF的長度為4 km,其阻抗值為ZAF=1.04+j1.42 Ω.

饋線1 和饋線2 末端的負荷的容量均為6 MVA,功率因數為0.85.

PV 輸出功率在0-10 MW 可調.

2.1 饋線末端接分布式電源仿真結果對比

DG 接在BUSD 上,設置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC三相短路,故障發生在仿真1 s,為永久性故障.

(1)線路AB末端發生故障如圖8 所示,根據仿真結果可以看出,無DG 時系統保護1 (P1)動作正常,但在饋線末端接入DG 后,由于DG 向故障點倒送電流,會造成保護2 (P2)和保護3(P3)的Ⅲ段保護誤動作.

圖8 線路AB 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

(2)線路AE末端發生故障

如圖9 所示,由仿真結果可以看出,饋線末端接入DG 后,保護4 正常動作,其他保護不誤動.

圖9 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2.2 饋線非末端母線接分布式電源仿真結果對比

DG 接在BUSC 上,設置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC三相短路,故障發生在仿真1 s,為永久性故障.

1)線路AB末端發生故障

如圖10 所示,由仿真結果可以看出,在AB線路末端故障時,P1 的Ⅰ段不能保護線路全長,只能通過P1 的Ⅱ段延時切除故障,其他保護不動作,保護選擇性正確.而在C點加入DG 時,會使P2 的Ⅲ段發生動作,P2 誤動作,這是由于AB線路末端故障時,DG 會向故障點倒送電流,導致P2 誤動作.

圖10 線路AB 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2)線路CD末端發生故障

如圖11 所示,由仿真結果可以看出,CD末端發生故障時,保護不誤動,這是因為雖然含DG 的系統功率方向發生改變,但是故障后流過P2 的電流依然達不到P2 過流Ⅱ段保護的整定值,所以保護不誤動.

圖11 線路CD 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

3)線路AE末端發生故障

如圖12 所示,由仿真結果可以看出,在AE末端發生故障時,無DG 系統只有P4 動作,其他保護不誤動,在含DG 的系統中,由于DG 接入位置距離故障點較遠,倒送的短路電流較小,所以對配網的電流保護影響不大.

圖12 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2.3 饋線首端母線接分布式電源仿真結果對比

DG 接在BUSA 上,設置DG 出力為8 MW,故障類型為ABC 三相短路,故障發生在仿真1 s,為永久性故障.

1)線路CD末端發生故障

如圖13 所示.由仿真結果可以看出,分布式電源接入饋線首端后,保護動作正常,無誤動.這是因為分布式電源接在饋線始端的母線上時,僅相當于增大了系統的容量,雖然饋線上發生故障時短路電流會增大,但由于分布式電源與系統相比容量依舊很小,因此下游故障時DG對各個保護的影響都很小.

圖13 線路CD 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

2)線路AE末端發生故障

如圖14 所示.由仿真結果可以看出,DG 接入系統后保護動作正常,無誤動,與CD末端發生故障時相同,分布式電源的加入僅相當于增大系統容量,對系統故障的保護動作影響很小.

圖14 線路AE 末端故障時線路保護動作邏輯與A 相電流

3 基于矩陣算法的含DG 配電網故障定位

3.1 算法原理

通過上文對含DG 的配電網電流保護影響分析可知,當大規模DG 接入配電網運行,系統由原來的單電源線路變為復雜的多電源網絡,發生短路故障時DG對各段線路的電流保護造成了不同程度的影響,各個保護動作值整定工作也隨之變得困難,而使用矩陣算法故障判據所需信息量少,可適用于多電源網絡,盡可能地減少DG 接入造成的不良影響.當前,配電網線路中大部分都裝設有可以采集測量點電流、電壓等信息的智能電子設備IED,各IED 通過將信息上傳到決策子站,數據信息在子站中經過處理統一發送到決策中心,決策中心可實時監控區域內的線路運行情況,并可根據上傳的數據信息結合預設的算法判斷線路是否發生故障,給子站下發命令切除故障,為本文的矩陣算法提供了現實基礎.

(1)網絡描述矩陣D

將饋線上的IED 作為節點進行編號,與各個節點相連的饋線部分作為區域進行編號,假設配電網共有i個區域與j個節點,則可以構造一個i行j列的網絡描述矩陣D,矩陣D每個元素的值根據式(12)來確定,當區域i與節點j相連且潮流方向為由i指向j,則元素dij的值為1; 相反地,當區域i與節點j相連且潮流方向為由j指向i,則元素dij的值為-1; 當區域i與節點j不相連,則元素值為0.

(2)故障信息矩陣G

當節點j有故障電流經過其方向與規定正方向相同時,則元素gjj的值為1; 當節點j有故障電流經過其方向與規定正方向相反時,則元素gjj的值為-1; 若節點j沒有檢測到故障電流經過,則gjj為0; 除了對角線外的其他元素統一為0,形成故障信息矩陣G.

(3)故障判斷矩陣P

故障判斷矩陣P的構造方法為,先將網絡描述矩陣D與故障信息矩陣G相乘得到一個n×n的矩陣P*,然后分別對P*每行元素進行求和,得到如式(15)所示n×1 的故障判斷矩陣P,當P中某元素pi1＜0,表示流出該區域的短路電流小于流入的短路電流,則可以判斷在該區域內發生故障; 當pi1=0,表示流入該區域的短路電流與流出的短路電流相等,則該區域沒有發生故障; 當pi1＞0,表示該區域為T 型區域或者與系統主電源或DG 直接相連,區域內流過了電源產生的反向電流,所以該區域也沒有發生短路故障.故障定位判別流程如圖15 所示.

圖15 故障定位判別流程圖

3.2 算例分析

下面以如圖16 所示的配電網模型來驗證算法的正確性與有效性,規定箭頭方向為每個開關節點的正方向.

圖16 含分布式電源的配電網模型

假設區域(2)與區域(4)發生三相短路故障,配電網的潮流方向會發生改變.根據裝設在各個開關上的IED 采集的故障信息,首先建立網絡描述矩陣D與故障信息矩陣G分別為:

由式(14)、式(15)計算得到P=[0 -2 1 -2 1 0 0 1 0 0]T,可見,p21與p41＜0,則在區域(2)與區域(4)發生短路故障,判斷正確,決策中心發出指令,及時切除故障.

通過對配電網不同區域設置短路故障并運用矩陣算法進行故障定位驗證算法的普遍性,得到驗證結果如表1 所示,無論是單一故障還是多重故障,該算法都能準確定位故障區域.

表1 矩陣算法故障定位驗證結果

此外,配電網在實際運行過程中有可能因為檢測設備故障或者通信原因導致線路中的部分故障信息無法傳遞到決策中心,從而影響故障判斷矩陣的建立,此時應根據信息漏報的節點所處位置做出相應的應對措施,當與信息漏報節點相鄰的兩個節點故障信息為1 時,則將漏報故障信息記為1; 當與信息漏報節點相鄰的兩個節點故障信息為-1 時,則漏報故障信息記為-1,通過上述方法仍然可以得到準確的故障定位結果.例如,當區域(5)發生故障時,如果節點7 號節點故障信息漏報,因與之相鄰的6、8 號節點故障信息都為0,則可以將漏報故障信息置0,最后得出短路故障發生在區域(5).而當與信息漏報節點相鄰的兩個節點故障信息為互不相同時,無法對漏報信息進行修正,需要通過智能電子設備重新采集故障信息,所以在配電網實際工作中,保證設備之間能夠進行正常通信極為重要.

4 結論與展望

本文分析了在線路不同位置發生三相短路故障時,分布式光伏電源接入不同位置,對線路中流經各個保護的短路電流大小影響.當故障發生在DG 上游,會造成故障位置保護誤動作; 當故障發生在DG 下游,處于DG 上游的保護有可能拒動,處于DG 下游的保護會誤動作; 當故障發生在DG 相鄰饋線位置,DG 所在饋線上游的保護靈敏度提高,有可能會誤動作,但是當故障位置距離DG 較遠時,對各個保護的影響較小.針對DG 接入后電流保護動作值難以整定的問題,提出了運用IED 采集故障信息的矩陣算法來進行故障區段定位,該算法具有普遍適用性,可實現故障區段的精確定位,對確保配電網安全運行具有實際意義.