摘要：传统配电网一般呈单电源辐射式潮流从电源流向系统，分布式风场接入当线路发生短路故障后改变了原配网的结构很可能引起潮流逆向，分布式风场提供的短路电流影响继电保护之间的配合。分析了传统电流保护原理及接入分布式风场后对继电保护的影响。提出了限流与电流保护相配合的继电保护方式，并通过PSCAD/EMTDC 建立系统仿真模型，通过仿真数据验证此保护方案的正确性。

 

　　关键词：分布式发电，风电，配电网保护，限流器与电流保护

 

 

　　传统配电网一般为单电源辐射式或双电源开环式运行，潮流从系统流向负荷，因此传统配网线路采用电流保护完全满足继电保护要求。随着化石能源的消耗、环境污染问题的严重性、传统大电网事故及世界各国电力事业的发展，因此要求一种高效、绿色、经济的能源[1]。风能是一种可再生无污染的绿色能源。风电开发技术逐渐成熟，而且具有较好的经济效益和社会效益，是现今最具开发前景的新能源之一。但风能的分散接入以及风场容量增大决定了并有风电场的配电网保护成为一个难点[2]。在我国风力发电分散接入配网已经广为重视，但随着风场数量及容量的增加改变了传统配电网潮流结构从而严重影响配电网继电保护。因此系统分析分布式风场接入配网对线路继电保护的影响具有重要的意义[3]。

 

　　近年来随着风场大规模的接入由此带来的配网继电保护问题是人们关注的重点。以前对风电的研究大多围绕风电场内部故障分析以及含风电场的配电网电压稳定性控制进行[4]，而对风电场提供短路电流大小及整个系统保护的研究却很少，针对分布式风电场并网配网保护方案可行性方面研究更少。但随着风场容量的增大提供的短路电流也随之增大，这就对配电网继电保护的灵敏性和选择性造成影响[5]。

 

　　文献[6]对分布式电源接入后非三相短路故障特性分析并给出了快速保护方案，文献[7]提出根据DG接入点得位置，对保护馈线进行了区域划分在DG上游区域配置了方向纵联保护，而整条馈线则保留了过电流保护，文献[8]提出在分布式电源的出口处接入一个限制电阻，当系统发生短路时限流电阻将短路电流限制在很小的范围从而保证保护之间的相互配合。但是出现的问题是限流电阻接入使得分布式发电出口产生了压降，其次是电阻接入消耗了系统中的能量。文章全面分析传统的继电保护方案不足并在此基础上提出了限流电抗与电流保护配合的继电保护方案。通过仿真数据验证了保护方案的可行性。

 

 

　　配电网广泛应分布于电力系统中，配电网的安全运行直接关系到人民的生命财产安全，所以针对配电网的保护必须简单，安全，可靠。而三段式电流保护恰恰具备这些特点，因而被广泛应用在配电网的保护中，而且在实际应用中得到了认可。三段式电流保护主要包括电流速断保护、限时电流速断保护以及定时限过电流保护[7]。

 

　　1.1 电流速断保护

 

　　电流速断保护又称无时限电流速断保护即瞬时I段电流保护，反应了短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，其整定原则为保证在下一级线路出口处发生短路故障时保护不会出现误动，按动作电流按躲过被保护线路外部短路时最大短路电流来整定，整定式如式(1)所示[9]

 

　　

 

　　综上可得电流速断保护的原理图及动作特性 如图1所示。

 

　　

 

　　由此可见传统电流速断保护不能保护线路的全长，并且保护范围受系统运行方式及短路类型的影响较大。

 

　　1.2 限时电流速断保护

 

　　电流速断保护不能保护本线路的全长所以其保护范围外的故障必须由带时限的电流速断保护切除，这就是限时电流速断保护也称II段保护，其整定原则为躲过下一级线路瞬时电流速断保护范围末端最大短路电流。整定式为：

 

　　

 

　　1.3 定时限过电流保护

 

　　定时过电流保护也叫过流保护也即为第 III 段保护，它是作为下级线路的主保护拒动和断路器拒动时的远后背保护也作为过负荷保护。整定原则是躲过最大负荷整定。整定式为：

 

　　

 

　　2 分布式风场接入对传统配网继电保护影响

 

　　一般传统配电网线路采用三段式电流保护相互配合，满足继电保护要求。但是随着分布式风电接入，改变了传统单电源模式，使配电网结构和潮流分布相应发生了改变[9-10]

 

　　

 

　　2.1 分布式风场接入对传统配电网电流保护选择性的影响

 

　　传统配电网如图2 示，不论线路发生短路故障与否，潮流始终从电源侧流向线路，传统配电网电流保护特点是本级线路三段式配合加上下级线路相互配合完全满足线路继电保护要求。当分布式风场接入配网后如图3 所示，改变了原配网结构。当分布式风场接入级线路保护上游F1或F2(一般为母线或同母线相邻线路)发生故障后，由分布式风场提供的逆向短路电流将是保护发生误动作。当分布式风场下游F3 故障时由分布式风场提供的助增电流使得与原配网相比灵敏度过大，甚至上级线路保护范围延伸到下级线路，从而影响上下级线路保护之间的配合。

 

　　

 

　　2.2 分布式风场接入对重合闸及熔断器分段器配合的影响

 

　　传统配电网线路首段有时配备重合闸装置，不论前加速或后加速，其原理都是重合器断开后重合检测是否隔离故障，对于单电源网络，都能正确开断或重合。

 

　　当分布式风场接入后，当分布式风场接入如图4 F4 处发生故障后由于线路首端重合闸断开后，分布式风场对故障处仍然提供了很大的管路电流，因此使得重合闸开断后不能顺利熄弧，从而重合失败，严重时将损坏重合闸装置。

 

　　

 

　　此外，分布式风场提供的过大的短路电流使得分段器计数错误导致保护误动拒动，也会使得原配网安装熔断器失去配合，即影响分段器、熔断器及其配合。

 

　　总之，当大容量分布式风场接入配网后，由于短路时提供过大的短路电流影响传统电流保护之间的协调性，因此采用限流与电流保护相配合的方法即经济又适用的方案来满足配电网线路继电保护要求。

 

　　3 分布式风场接入配电网限流与电流保护方案

 

　　基于分布式风场提供的过大的短路电流是影响传统配电网线路继电保护保护协调性的主要因素，因此针对短路电流提出限流保护与电流段式保护相互配合的保护方案。

 

　　3.1 限流与电流保护配合保护原理

 

　　实验整定限流电抗值，当系统相关线路发生短路故障，分布式风场出口限流保护装置如果感受到故障电流，限流保护启动，从而限制附加短路电流，系统保护正确动作。

 

　　

 

　　3.2 限流保护装置原理

 

　　限流装置等效图如图6所示，限流器投人运行开始阶段， 开通所有晶闸管。串联祸合变压器的原边流过部分电流， 这部分电流藕合到变压器副边通过桥路给直流电感充电， 直流电感上有逐渐增大的直流电流产生。与此同时， 并联在变压器原边的旁路电感上通过部分交流电并逐渐减小。经过几个周期， 充电过程结束， 进人到稳态运行阶段。变压器原、副边电流定义为Ia ，Ib ，变比为N如图7示，线电流关系为Ia ： Ib = 1： N ，直流电感上的电流ILd 等于变压器副边电流峰值， 即ILd = 2Ib = 2NIa，稳态运行阶段直流电感上电流ILd 接近一常量，则dILd / dt ≈ 0 ， 因此直流电感上压降接近为0，这意味着变压器副边绕组压降很小，所以并联在原边上的交流电感上压降几乎为0。在稳态运行时，限流器的压降主要由串联变压器的漏抗、绕组电阻和晶闸管压降引起， 在高中压系统中，由此产生的压降可以忽略。短路故障发生时， 变压器原边突然加上很大的压降， 交流电感立刻出现稳态短路电流ILa ， 直流电感上电流ILd 随即增大。由于交、直流电抗器的存在， 故障电流受到抑制而不会急剧上升。通过正确的控制策略， 使直流电感和桥路退出故障回路的运行， 交流限流电感完全承担限流作用。旁路交流限流电感大小由系统所允许的短路电流水平决定， 即

 

　　

 

　　上式表明，Δim = Im即短路发生后半个周期内使直流电感中的电流增加到正常稳态运行值的2倍来选择直流电感， 可使直流电感器的设计最优。由此可见， 直流电感和桥路参数的设计与系统的短路电流水平无直接关系[14]

 

　　3.3 限流与电流保护设计优点

 

　　根据以上分析，当分布式风场接入配电网后原配网线路继电保护采用限流与电流保护配合完成主要有以下优点：

 

　　(1) 目前风机出口都需安装低电压穿越保护装置，即当系统故障时保证风机在低压范围625ms 内不脱网，在这个时限范围远超出一般系统电流保护时限，因此限流更显得必要，及故障时限流器与低电压保护也形成配合关系。

 

　　(2) 对于一般的限流电抗器或电阻式限流装置，当系统发生故障虽然限制了电流但是额外消耗大量能量或产生压降，对于此方案采用一种新型固态短路限流电抗器，克服了以上缺点

 

　　(3) 对于限流保护的投切时间都远低于保护装置动作时限，保证限流与电流保护时限的配合。

 

　　(4) 此方案要比其他的功率方向保护元件、增设多个保护装置等更经济简单。

 

　　

 

　　3 算例验证

 

　　算例采用图5 等效模型，系统母线三回出现，其中一回接入分布式风场，仿真参数如下：配网电压：10.5KV系统：最小运行方式阻抗：0.54Ω，最大运行主抗0.64Ω。分布式风场：最小运行方式主抗0.75Ω，最大运行方式下主抗1.75Ω。线路参数：线路L1 主抗：0.88Ω，线路L2 主抗：0.96Ω，线路L3 主抗： 0.85Ω，线路L4 主抗：2.55Ω，线路L5 主抗： 1.75Ω，线路L6 主抗： 1.8Ω，线路L7 主抗： 3.5Ω。整定计算可靠系数：电流Ⅰ段可靠系数：1.2，电流Ⅱ段可靠系数：1.1，电流Ⅲ段可靠系数：1.2，自启动系数：1.1，回复系数：0.9。

 

　　

 

　　由此可见当分布式风场接入后系统母线或相邻线路首端发生三相短路故障时将引起保护R3 启动二段跳开断路器，按传统(未接分布式风场)保护，当系统母线尤其是相邻线路发生故障，保护不能动作，因此当分布式风场接入后将使保护误动。当线路L6，L7 发生短路故障，由于分布式风场提供的短路电流增大，使得其相应保护范围过大，有其实R6的短路电流增大到2.65。当分布式风场出口处接入线路保护装置后试验数据如表3 示：

 

　　

 

　　对比表2，表3 可见，当接入限流保护装置后，短路电流明显减小，从而实现，限流保护与三段式保护相互配合满足分布式电源接入配电网后配电网线路继电保护要求。

 

　　4 结论

 

　　文章分析了电流保护原理保护整定原则，灵敏度分析，系统论述了当风电场分布式接入配电网后对传统单电源配电网潮流分布及配电网线路电流保护的影响，提出了在分布式风场出口处接入一种新型固态电流保护装置，从而实现与传统电流保护相互配合满足配电网线路继电保护要求。并通过PSCAD/EMTDC 建立仿真模型并通过提取数据分析从而验证了方案的正确性。

 

　　参考文献

 

　　[1] 黄德琥，陈继军，张岚.大规模风电并网对电力系统的影响[J].广东电力，2010，23(7)：27-30.

 

　　[2] 孙敏，赵月灵，王磊.DG容量及接入方式对变电站继电保护定值的影响[J].电力自动化设备，2009，29(9)：46-49

 

　　[3] 孙元章；吴俊；李国杰.风力发电对电力系统的影响[J].电网技术，

 

　　[4] 刘森.含分布式电源配电网保护的研究.天津大学硕士论文.2007，06.

 

　　[5] 蔡盛舟，张伟，赵朝华，罗高. 分布式发电采用故障限流器对过电压的影响[J]. 电工电气，2010，10(1)：32-34.

 

　　[6] 孙景钌，李永丽，李盛伟，金强. 含分布式电源配电网的快速电流保护方案[J].天津大学学报，2010，43(2)：102-108.

 

　　[7] VIAWAN F A ， KARLSSON D ， SANNINO A ， etal. Protection scheme for meshed dist ribution systems with high penet ration of dist ributed generation//Power Systems，Conference ： Advanced Metering ，Protection Control ，Communication ， and Dist ributedResources ，March 14217，2006， Clemson ， SC ， USA ： 992104.

 

　　[8] 张宝会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

 

　　[9] E. Sortomme， S. S. Venkata， and J. Mitra， “Microgrid protection using communication-assisted digital relays，” IEEE Trans. Power Delivery，

 

　　vol.25， no.4， pp.2789–2796， Oct. 2010.

 

　　[10] 陈刚， 江道灼， 吕征宇， 吴兆麟. 一种新型固态短路限流器拓扑及其控制策略[J] 电力系统自动化，2004，28(3)：32-36.

 

　　作者简介：

 

　　王飞(1985-)，男，湖北襄阳人，西安理工大学自动化与信息工程学院，硕士研究生，研究方向：风力发电并网保护

 

　　地址：陕西省西安市金花南路5号西安理工大学自动化与信息工程学院

 

　　段建东(1973-)，教授，博士，主要从事电力系统分析、保护、新能源方面的研究