基于分布式电源的含新能源配电网自适应保护方法

王归新，郭 艺，童世成

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

引言

分布式电源(DG)的接入可以对传统配电网提供良好的支撑，有利于提高能源利用率，降低传统配电网电力系统冗余限制，减少经济损失。但随着配电系统中分布式电源渗透率的不断提高，原有配电网结构由单电源供电转变为多电源供电，改变了传统配电网中的保护灵敏度，甚至造成保护误动、拒动[1]。因此，在已有的自适应保护原理基础上，需要提出新的保护方案，以保证DG接入配电网后，电力系统中的保护可靠动作。

1 自适应电流速断保护方法

1.1 传统自适应电流速断保护原理

自适应保护是根据系统当前运行模式和故障类型实时地做出保护动作或调整整定值。传统自适应电流速断保护定值主要有以下几个步骤：（1）判定等效电势；（2）采集数据；（3）判断系统当前运行状态和故障类型；（4）根据阻抗和电势计算整定值[2-5]。自适应电流速断保护为克服传统电流速断保护的缺点，其保护整定值随电力系统当前实际的运行方式和故障状态而实时自动地改变[6],在各种故障情况下自适应电流速断的保护范围均大于传统电流速断的保护范围，可以保证该保护对发生的各种故障都能提供足够的保护范围，降低传统电流速断保护造成误动拒动的风险。

2 基于含新能源配电网自适应保护方案

根据如图1所示的含新能源配电网典型结构，提出的自适应继电保护整定可以自动调节定值[6]，使保护在两相短路与三相短路时的灵敏度大致相等，避免因故障类型、系统运行方式等问题造成的保护范围缩减甚至无保护范围的问题，能够更有效地处理故障信息，加强电力系统的可靠性和稳定性。在整定保护计算方面，根据不同故障位置对原有配电网保护带来的影响，并且根据分布式电源正序电压的特点[7-9]，对含有新能源配电网提出一套完整的保护方案。

图1 含新能源配电网典型结构

2.1 DG上游整定保护方法

当DG上游发生短路故障，则流经故障点处的电流由系统ES和分布式电源DG共同提供，上游系统与分布式电源之间形成双电源网络。如图2所示，需要先区分背侧有无DG的情况，即分别对QF1、QF2开展保护分析。

图2 DG上游发生短路故障

2.1.1 有DG接入的上游保护方法

（a）两相短路

在含新能源配电网中F处发生两相短路故障，复合序网简化图如图3所示。

图3 复合序网简化图

根据电路知识，可得到：

式中，UQF2为正序电压；IQF2为正序电流；α为故障点在线路MN的占比，范围0～1。

一般情况下，考虑到选择性，仿真时α取1，则保护QF2处的新的整定方式为：

（b）三相短路

为了满足选择性，可得到三相短路电流整定值为：

2.1.2 无DG接入的上游保护方法

如图2所示，此时DG提供的电流不流经QF1，故可按照传统自适应电流速断保护整定方案。

2.2 DG下游整定保护方法

当DG下游发生短路故障，则流经故障点处的电流由系统ES和分布式电源DG共同提供。如图4所示，I1为系统向故障点提供的短路电流，I2为DG向故障点提供的短路电流，If为故障点电流。

图4 DG下游发生短路故障

根据电路原理，可得到保护3处整定值为：

由式（4）整定可知，故障点发生在DG下游，不考虑背侧等效阻抗和电势的问题，只需考虑最大运行方式系统等效阻抗ZSmin和最小运行方式下系统等效阻抗ZSmax等因素。

2.3 相邻馈线整定保护方法

如图5所示相邻馈线处发生短路故障时，根据DG正序电压的特性，仍可从两相短路、三相短路分析。

图5 相邻馈线发生短路故障

（1）两相短路

当系统中F处发生故障，其复合序网简化图如图6所示。

图6 复合序网简化图

根据电路知识，可得到：

式中，UQF1为正序电压，IQF1为正序电流；α为故障点在线路MN的占比，范围0～1。

一般情况下，考虑到选择性，仿真时α取1，则保护QF1处的新的整定方式为：

（2）三相短路

当系统中F处发生故障，可得到三相短路电流整定值为：

3 仿真验证

图7为某含有新能源结构的配电网系统，利用PSCAD软件，结合上述保护方案，搭建含自适应保护的仿真模型，如图8所示。除了在不同位置加入了自适应保护装置，并且在母线BC末端加装了断路器BRK2_2，作为背侧有DG研究，验证方案的可行性。

图7 某配网系统含新能源结构图

图8 含自适应保护的仿真模型

参数设置：系统基准电压为ES=10.5 kV，连接到配电网的电压等级为10 kV，系统最大运行方式下的电源电阻为Rmin=0.105，电源感抗为Lmin=0.001 96 H；系统最小运行方式下的电源电阻为Rmax=0.418，电源感抗为Lmax=0.007 52 H。AB、BC、CD、AE、EF均为8 km架空线路，架空线路单位长度的正负序电阻分别为R1=0.107 Ω/km，R0=0.23 Ω/km；单位长度的正负序电感分别为L1=1.21 mH/km，L0=5.478 mH/km；单位长度的正负序电容分别为C1=0.009 6 μF/km，C0=0.008 μF/km。通常情况下，我国配电网馈线流经的电流不超过200 A，以此电流检验配网所接负载是否达到标准。在建模时，采取固定功率的负载模型用以等效代替负荷：有功功率2 MW，无功功率为0.4 MW。仿真设置：DG输出2 MW，仿真运行1 s，在仿真运行的0.7 s时，发生故障，故障持续时间0.3 s。

3.1 DG上游保护仿真验证

设置F1点BC两相短路故障，上游仿真结果如图9～图11所示。由图9～图10可知，在设定的0.7 s后发生两相短路故障，短路电流增大，检测到的电流超过保护1整定值，所以保护1可靠动作。加入上游保护后，发生故障后保护2也随之调整，但由于故障前整定值偏大，故障后迅速调整保护范围。由图11可知，发生故障后保护2_2整定值迅速调整，由于保护2_2属于背侧有DG接入，由分布式电源产生的电流冲击更加直接，所以需要一定时间调整。综上所述，BRK1可靠动作，切除故障，BRK2和BRK2_2不动作。加入自适应保护方案后，保护2和保护2_2整定值能随故障电流而迅速调整，提高灵敏度。

图9 保护1的整定值和检测到的电流

图10 保护2（背侧无DG）的整定值和检测到的电流

图11 保护2_2（背侧有DG）的整定值和检测到的电流

设置F1点ABC三相短路故障，仿真结果如图12～14所示。分析仿真结果可得，保护1检测到超出整定值的故障电流，BRK1动作，切除故障。BRK2和BRK2_2不动作。保护2和保护2_2根据自适应保护方案，整定值能随故障电流迅速调整，提高灵敏度。

图12 保护1的整定值和检测到的电流

图13 保护2（背侧无DG）的整定值和检测到的电流

图14 保护2_2（背侧有DG）的整定值和检测到的电流

3.2 DG下游保护仿真验证

设置F3点BC两相短路故障，下游仿真结果如图15。设置F3点故障ABC三相短路故障，下游仿真结果如图16。F3故障点发生短路故障，由图15和图16可知，保护3检测到的短路电流迅速增大，超出整定值的故障电流。可见，下游故障发生后，BRK3保护可靠动作，切除故障。

图15 保护3的整定值和检测到的电流

图16 保护3的整定值和检测到的电流

3.3 相邻馈线保护仿真验证

3.3.1 故障点设置在F4

设置F4点BC两相短路故障，相邻馈线仿真结果如图17和图18所示。设置F4点ABC三相短路故障，相邻馈线仿真结果如图19和图20所示。

图17 保护4的整定值和检测到的电流

图18 保护5的整定值和检测到的电流

图19 保护4的整定值和检测到的电流

图20 保护5的整定值和检测到的电流

F4故障点发生短路故障，保护4检测到的短路电流迅速增大，超出整定值的故障电流；保护5的整定值随故障电流变化，灵敏度提高。可见，F4点故障时，BRK4可以可靠切除故障。

4 结论

在分析传统自适应电流速断保护存在的问题后，提出基于含新能源配电网的自适应电流速断保护方案，当不同位置发生故障时，分析各种故障情况下保护的动作特性，通过理论推导与仿真验证，证明了自适应电流保护的有效性与可靠性。自适应电流速断保护在整定时可以自动调节整定值且其保护范围不随不同故障类型而改变，保证了各保护对发生的各种故障都能提供足够的保护范围的要求，具有一定的实用性。