CN117200152B - 一种适用于多类型dg多点并网的配电网多级方向电流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法，包括：评估不同位置故障时多类型DG多点接入配电网后对保护的影响；采用基于正序阻抗角差异的方向判据；提出有源配电网多级方向电流保护的配置和整定方案。基于本地信息的多级方向电流保护方案适用于不同类型DG多点并网的配电网络，计及IIDG低电压穿越要求，保护仍可在允许时限内就近切除故障，不受DG出力随机性和复杂性的影响；不同类型DG以100％渗透率下和不同并网位置投入运行时，配电网侧主干线路、分支或分界线路发生三相和两相相间短路故障时保护均能可靠动作，并可在最小范围内切除故障；保护整定计算简单实用，不随配电网运行方式变化而变化，具有广泛的适用性。

Description

一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护 方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体是一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法。

背景技术

多类型高渗透率DG接入配电网后，传统的配电网保护无法避免受到DG出力随机性和复杂性的影响，可能出现误动、拒动等问题。为保证DG并网后配电线路保护的选择性和可靠性，根据所利用信息的不同，主要有基于本地信息的保护、集中式保护和纵联保护。

目前依赖通信的集中式保护和纵联保护方案研究成果较多，保护利用两点或多点信息进行决策，本地信息的复杂变化对保护的影响相对较小，保护选择性和速动性均能得到较大改善，但安全稳定的高速通信网络技术是保证此类保护可靠性的基础和关键。因此，作为不依赖通信且最可靠的保护方式，基于本地信息的保护在保护配置中非常必要。但由于DG出力的不确定性导致系统运行方式多变，使得传统的配电网保护整定困难，上下游保护之间难以形成配合，有必要进一步挖掘本地故障信息对电流保护进行改进，包括自适应保护原理和方向电流保护。早期提出的自适应电流保护将逆变型分布式电源(Inverter-interfaced Distribution Generation,IIDG)等效为电压源和阻抗的串联，通过保护安装处实测正序或负序分量实时计算IIDG接入保护背侧时的系统等值阻抗，形成实时调整定值的自适应电流保护，给含DG配电网保护问题提供了一种解决思路，但方案并未考虑IIDG控制策略对其故障特性的影响；实际上，IIDG计及低电压穿越特性及其他控制策略，其实际故障特性与以上等效模型有很大不同，因此后续研究有适当考虑这些因素以得到更有效的分析结果和保护方案，但总体上对DG并网场景和容量等仍缺乏较全面的讨论，且多数文献只对单一保护进行整定计算，并未考虑上下级保护之间的配合而形成完整的配电网保护方案。针对方向电流保护的研究，根据故障方向或故障类型设置不同电流整定值以增强保护动作的可靠性，但缺乏对DG并网类型、位置和容量等多种复杂场景下方向判据的适用性讨论及对不同位置的阶段式电流保护的影响分析，导致现场适用性差。

发明内容

本发明提供一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法，以解决DG多点高渗透接入的配电网后网侧保护选择性和可靠性差的问题。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案：一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方案，包括如下步骤：

第一步：针对多类型DG多点并网的配电网络配置多级方向电流保护和重合闸，出口配置三段式方向电流保护和两次重合闸、分段断路器处两段式方向电流保护(电流Ⅱ段和Ⅲ段)和一次重合闸、分支断路器处两段式方向电流保护(电流Ⅱ段和Ⅲ段)和一次重合闸、分界断路器处两段式方向电流保护(电流Ⅱ段和Ⅲ段)和一次重合闸；

第二步：多类型DG多点接入配电网，并计及IIDG低电压穿越控制要求时各级电流保护整定如下：

第三步：各级保护处配置基于正序阻抗角差异的方向元件，其动作方程满足

第四步：有源配电网多级方向电流保护实现逻辑为：方向元件动作且任一相电流大于整定值时经延时后保护动作。

本发明在中压配电网现有多级电流保护配置和整定方案的基础上，根据多类型DG多点接入配电网后对各级保护的影响分析结果，针对具有低电压穿越能力的多类型DG并网的复杂工况，提出基于正序阻抗角差异的方向判据，并调整电流保护配置和定值，形成多级方向电流保护。该保护方案适用于不同类型DG多点并网的配电网络，可在允许时限内就近切除故障，不受DG出力随机性和复杂性的影响，高渗透率下保护可靠性仍能得到保证；无需根据配电网运行方式的变化进行调整，现场应用简单方便，为含DG配电网线路保护提供较完善可行的解决方案。

附图说明

图1为10kV典型配电网络结构图；

图2为DG多点并网的配电网方向元件动作特性图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1、传统配电网多级保护配置与整定

传统配电网以辐射状结构为主，性能优越的阶段式电流保护是配电网保护的首选。配电网直接与用户连接，从提高供电可靠性的角度进行开关和保护配置，是保障电能质量的重要措施。无论对于供电半径长短、短路电流水平大小或架空电缆线路等不同的网络，将出线开关、分段开关、分支开关等替换为断路器，保护位置与其一一对应，实现多级级差保护，并配合合理的整定计算原则和重合闸功能，是提高供电可靠性的一种合理可行的解决方案。

以图1所示典型配电网络局部结构为例，说明本发明实施例配电网多级保护的配置与整定原则。图1中10kV中压变电站有两条出线，线路Ⅰ和Ⅱ。根据线路中断路器所在位置定义了断路器名称，包括出口断路器(QF1和QF2)、分段断路器(QF21)、分支断路器(QF11、QF22、QF23和QF24)、分界断路器(QF12和QF25)和DG并网开关(QF13、QF14、QF26、QF27和QF28)。系统中并网DG包括电机型和逆变型两大类，并网位置如图中所示。为保证任一故障都能被有选择性地切除，配置四级保护，分别是出线开关保护、中间分段断路器保护、分支线保护和分界开关保护。断路器处均配置保护装置，保护名称与断路器名称一致，如QF1处的保护装置称为保护1。其中，DG并网开关处配置的保护为分布式电源涉网保护，其他保护称为配电网侧保护，本发明实施例只讨论配电网侧保护的配置与整定计算，如表1所示：

表1

2、多类型DG多点并网对配电网保护的影响

(1)不同类型DG输出特性分析

DG分为同步发电机、异步发电机和IIDG三种。同步发电机电源等效为电压源和阻抗的串联，从故障开始，其输出短路电流最大可达到发电机额定电流的10倍。异步发电机通常用于风力发电装置。短路初始，由于惯性作用，转差没有变大，可等效为欠激的同步发电机，其初始短路电流与同步发电机次暂态电流相当。IIDG故障后输出特性则由其控制策略和限流技术决定。计及IIDG低电压穿越要求，即网侧电压出现不同程度降低时，IIDG在一定时限内不脱网，并优先输出一定的无功功率，支撑系统电压。常采用PQ分解控制策略，灵活控制有功无功输出，并进行负序抑制使其只输出正序分量，同时逆变器限流技术限制其最大输出电流不超过1.2～1.5倍额定电流。

(2)对线路出口保护的影响

1)出口保护正方向故障

本线路上发生故障时，本线路外电机型DG对流过出线开关的短路电流有助增作用，尤其当出口处故障时助增作用最强，等于DG输出最大短路电流。本线路外IIDG对出口短路电流也存在助增作用，但最大值不超过所有IIDG额定电流的1.5倍。而接入本线路且位于故障点上游的DG，将抬升并网点电压，导致出口短路电流减小，在特殊情况下(DG接在回路阻抗中点)，出口短路电流减少的最大值是DG额定电流的2倍。

以图1所示10kV系统为例，线路Ⅱ出口下级分支开关QF22距离线路出口小于1.5km时，下级线路故障可能引起出口电流Ⅰ段越级跳闸。出口电流Ⅱ段保护范围内故障时可能由于并网DG的外汲作用而拒动；线路出口至下级线路末端的距离超过5.4km时，计及DG外汲作用电流Ⅲ段可能拒动。

2)出口保护反方向故障

相邻线路或系统侧故障时，本线路并网DG提供的短路电流将流经本线路出口。DG容量较大时，其电流幅值可能大于保护整定值导致误动。

(3)对其他保护的影响

1)分段保护

分段保护正方向故障时，在DG外汲作用的影响下可能使分段保护电流Ⅱ段拒动，但出口保护Ⅱ段绝不会越级跳闸；电流Ⅲ段不受DG影响。

分段保护的反方向故障时，电流Ⅱ段和Ⅲ段均可能误动。

2)分支线和分界保护

保护正方向故障时电流Ⅱ段和Ⅲ段不受影响；保护反方向故障时，电流Ⅱ段和Ⅲ段均可能误动。

3、基于正序阻抗角差异的方向判据

针对多类型DG多点并网的配电网，基于正序阻抗角差异的方向判据为方向元件动作特性图如图2所示。方向元件启动条件为电流Ⅲ段继电器动作，即任一相电流大于最大负荷电流；当测量到的正序电压满足时，采用故障前20ms的电压数据进行计算，避免出口处三相短路时电压死区问题。

4、有源配电网多级方向电流保护的配置与整定

(1)计及DG低电压穿越控制策略且多点高渗透接入配电网时各级电流保护整定

1)出口保护

出口保护配置二次重合闸。第一次重合闸确保瞬时性故障快速切除后尽快恢复供电；第二次重合闸纠正I段保护区内分支线路永久性故障时出口开关越级跳闸。重合闸时间需躲过断路器跳闸后其下游DG孤岛保护动作时间。

出口保护Ⅱ段按躲过线路5倍的最大负荷电流和下级配电变压器二次侧短路最大短路电流整定，适当降低整定值，延长保护范围。

针对出口保护Ⅲ段可能拒动的问题，一是按躲过2.5倍最大负荷电流整定；二是增加过负荷保护，整定值大于1.2倍的最大负荷电流，统一选为600A，动作时限整定为15～20s，确保故障不会长期存在。

2)分段保护

分段保护电流Ⅱ段根据出口保护电流Ⅱ段按40％的比例调整，电流保护Ⅲ段无需调整。

3)分支和分界保护

分支和分界保护的电流保护Ⅱ段整定值只需根据上级保护按90％和80％的比例调整，电流保护Ⅲ段无需调整。

(2)方向电流保护

在电流保护的基础上增加方向元件构成方向电流保护。满足电流保护动作条件同时判别为正方向故障时，保护可靠动作；当检测到反方向故障或短路电流小于整定值时保护不动作。

线路故障时，若故障点下游和相邻线路中并网DG容量较小，电流方向可能为正，但此时电流远小于整定值，方向元件不启动，保护不动作；若DG容量较大，则电流可能为反方向，方向元件不动作将保护闭锁。

5、算例分析

根据图1所示10kV配电网络搭建仿真模型。其中，电源侧变压器容量40MVA，短路电压U_s％＝15.5；线路单位长度正序阻抗为(0.13+j0.35)Ω/km，线路Ⅰ长度为3km，DG1并网点距离线路出口1km，分支线路B11的分支点距离出口2km，分支和分界线路长度均为1km，分界下游负荷150A，本线路末端负荷350A；线路Ⅱ主干线路长9km，经分段断路器QF21分成两段，上游3km，下游6km，线路末端负荷45A；分支线路B21、B22和B23的分支点距离出口1km、2km和5.5km，长度均为1km，所带负荷均为100A；DG4并网点距离QF210.5km，DG5并网点在QF25出口处；负荷功率因数为0.9，采用恒阻抗模型；分支线上最大的配电变压器T1容量为2000kVA，额定电流为115.5A。

(1)保护整定计算

考虑DG并网后对保护的影响，线路各级保护配置和整定情况如表2所示：

表2

(2)多类型DG并网

假设图1中DG1、DG3和DG5为同步发电机，DG2和DG4为逆变型DG，仿真分析线路发生两相相间短路和三相短路时，各位置短路电流、正序电压电流相位差、方向判别结果和保护动作情况。故障位置f₁、f₂和f₃分别位于距离线路Ⅱ出口0.2km处、线路Ⅱ主干线中分段断路器QF21下游6km处和线路Ⅱ中分界断路器QF25下游0.5km处。DG渗透率为100％，三个故障位置处分别发生三相短路时各保护安装处电气测量值及保护动作情况如表3所示：

表3

DG渗透率为100％，三个故障位置处分别发生AB相间短路时各保护安装处电气测量值及保护动作情况如表4所示：

表4

电机型DG在网侧故障时输出的短路电流较IIDG大的多，对短路电流的影响较大。因此，若采用原保护方案，f₁处发生故障时，保护1和保护21可能误动；f₂处故障时保护21将拒动。采用改进的保护方案后，由于保护灵敏度提高且增加反方向闭锁保护功能，均能确保离故障点最近的保护有选择性地动作。从不同场景下各保护安装处正序电压电流相位差的数据可看出，各电源端到故障点沿线的方向元件只要能满足启动条件，均能正确判断故障方向，证明所提方向判据的正确性。

本发明具有以下优势：

1、多类型DG多点并网对传统配电网多级电流保护的影响分析结果明确了DG接入后现有各级保护的选择性和可靠性问题，对于DG并网限制和现有保护调整方向具有指导意义；

2、基于正序阻抗角差异的方向判据，动作区域对称，整定简单，无需根据配电网运行方式的变化进行判据调整，现场应用简单方便；

3、基于本地信息的多级方向电流保护方案适用于不同类型DG多点并网的配电网络，计及IIDG低电压穿越要求，保护仍可在允许时限内就近切除故障，不受DG出力随机性和复杂性的影响。

4、不同类型DG 100％渗透率下以不同并网位置投入运行时，配电网侧主干线路、分支或分界线路发生三相和两相相间短路故障时保护均能可靠动作，并可在最小范围内切除故障。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：针对多类型DG多点并网的配电网络配置多级方向电流保护和重合闸，出口配置三段式方向电流保护和两次重合闸、分段断路器处两段式方向电流保护和一次重合闸、分支断路器处两段式方向电流保护和一次重合闸、分界断路器处两段式方向电流保护和一次重合闸；

第二步：计多类型DG多点接入配电网，并计及IIDG低电压穿越控制要求时各级电流保护整定如下：

；

第三步：各级保护处配置基于正序阻抗角差异的方向元件，其动作方程满足；

第四步：有源配电网多级方向电流保护实现逻辑为：方向元件动作且任一相电流大于整定值时经延时后保护动作；

所述基于正序阻抗角差异的方向元件的测量值为保护安装处正序电压和正序电流，启动条件为电流Ⅲ段继电器动作；当测量到的正序电压满足时，采用故障前20ms的电压数据重新计算正序电压，避免出口处三相短路时电压死区问题。

2.根据权利要求1所述的适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法，其特征在于，所述配电网络中分段断路器距离出口断路器应超过5km，避免由于相邻线路DG助增电流的作用使得分段断路器下游故障时出口电流Ⅱ段误动作。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法，其特征在于，所述重合闸时间考虑：①断路器跳闸后其下游DG孤岛保护动作时间；②故障点熄弧时间；③断路器跳闸机构恢复时间；④裕度。