（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电系统保护新技术研究.pdf

a bs t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ( d g ) h a se f f e c to nt h ep r o t e c t i o na n da u t o m a t i o n s y s t e mi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( d n ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fd g ；t h ep a p e rp r o p o s e s t 1 1 r e ep r o t e c t i o nm e t h o d s ，t h et r a v e l i n gw a v ep r o t e c t i o nm e t h o d so fd gi m p r o v e d a l g o r i t h mf o rf a u l ts e c t i o nl o c a t i o ni nd nw i t hd ga n dt h er e f o r m i n gs c h e i n eo f f e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m i 0c o o r d i n a t eo fd gw i t ht h ep r o t e c t i o no fd n ，an o v e li n t e r c o n n e c t i o nc o n t r o l a p p r o a c hf o rd gi sp r o p o s e di nt h ep a p e r b e c a u s eo ft h ed i f | f e r e n ti n n u e n c eo fd go n d np r o t e c t i o nu n d e rt h ef - a u l to c c u r r e di nu p p e ro rl o 、v e rl i n e so p p o s i t et ot h e i n t e r c o n n e c t i o np o i n to fd gf o rt h i sr e a s o ni ti sp u tf o r w a r dt 0i n s t a l lw a v et r a p p e r s i nd nc o n t a i n i n gd gt of o r mi i n eb o u n d a r i e s a n db ym e a n so ft r a v e l i n gw a v e b o u n d a r yp r o t e c t i o nm o d et h es e l e c t i v ep r o t e c t i o n i s i m p l e m e n t e df o rt h ef a u l t s o c c u r r e di nu p p e ro rl o w e rl i n e so p p o s i t et ot h ei n t e r c o n n e c t i o np o i n to fc gt oe n s u r e t h a tt h ed gc a nb es p l i tq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya r e rd i s t r i b u t i o nl i n e si si nf a u l t r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a i y s i ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dn e wp r o t e c t i o n m o d ec a ni m p r o v et h ec o o r d i n a t i o no fd gw i t hd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a n dt h e u t i l i z a t i o ne m c i e n c yo fd g a v a i l a b l y w i t ht h ei n c r e a s i n gp e n e t r a t i o no fd gd nb e c o m e sm u l t i s o u r c e sn e t 、0 r k ，a n d t h ec o n f i g u r a t i o no fd nb e c o m e sm o r ec o m p l e x i ti sd i f 五c u l tt od e t e r m i n et h ef a u l t s e c t i o nb yt h ee x i s t i n g a l g o r i t h m s ， w h i c hn e e dl a 唱ea m o u n to fc a l c u l a t i o no r c o m p l i c a t e dc r i t e r i o n s oa ni m p r o v e dm a t r i xa l g o r i t h mt of a u l ts e c t i o nl o c a t i o nf o r d nw i t hd gi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h et y p e sofd g c o n n e c t i n gj u s tt 、v o p o s i t i v ed i r e c t i o n sa r es u p p o s e dr e s p e c t i v e l yf o rn e t w o r km a t r i xa n df a u l ti n f o r m a t i o n m a t r i x a n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sc o m p o s e dw i t ho n l yo n es t e po fc a l c u l a t i o n a n dm o r es i m p l i c i t yc r i t e r i o n t h er e s u l to fa n a l y s i ss h o w st h a tf a u l ts e c t i o nl o c a t i o n c a nb ed e t e r m i n e de 行e c t i v e l yb yn o v e ls c h e m e d gh a ss e r i o u se f f e c to nt h ea u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do na u t o r e c l o s e ra n d s e c t i o n a l i z e r b a s e do nt h ec o o r d i n a t i o np r i n c i p l eo fa u t o r e c l o s e ra n ds e c t i o n a l i z e r ， t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dt or e f o r mf e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m i nt h es y s t e m s e c t i o n a l i z e r sw h i c hw e r el o c a t e da tt w oe n d so ft h ei n t e r c o n n e c t i o np o i n to fd ga n d l o o ps w i t c h e sw e r er e f o r m e d t h er e s u l to fe x a n l p l ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e f o r m i n g s c b e m ei sa c c u r a t e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a t p r o p o s e dp r o t e c t i o n m e t h o d sc a ni m p r o v et h ec o o r d i n a t i o no fd gw i t hd na n dt h eu t i l i z a t i o ne f l f i c i e n c yo f d g k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r i ，b o u n d a i 了p r o t e c t i o n ， w a v et r a p p e bf a u l ts e c t i o nl o c a t i o n ，a u t o r e c l o s e bs e c t i o n a l i z e r i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名专 醐：吖诎嘲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密m 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 储獬嘭趣醐吖年岁肼日 翮躲锄艺魄沙月y 乡日 1 1选题的背景和意义 第一章绪论 随着能源的日益枯竭，作为一种集约式发展的电力运行方式，分布式发电系 统得到越来越多的关注。分布式发电系统( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，d g ) 是 指功率为数千瓦至几十兆瓦、与环境兼容的独立电源系统，用以满足电力系统和 用户的特殊要求，具有灵活的变负荷调峰性能，可为边远用户或商业区提供较高 的供电可靠性，节省输变电投资，适合可再生能源利用等特点。计算机技术、电 力电子技术和新材料技术的快速发展极大的推动了d g 技术与常规电网的联系， d g 不再仅仅局限于独立供能，而是越来越多的并入电网运行。d g 的并网不可避 免的给电网运行带来了一系列难题，其中一个主要方面就是d g 的保护问题。 d g 的引入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络。由 于传统的配电网为单电源放射状结构，其保护系统相对较为简单。一般来说，我国 配电系统主要采用速断和过电流两种保护方式。速断保护保护线路的全长，瞬时 动作切除故障：过流保护作为线路的后备保护，延时o 5 l s 动作。考虑电网8 0 9 0 的故障为瞬时性故障和不同线路的具体特性，分别采用重合闸前加速与重合 闸后加速装置以快速恢复瞬时性故障，提高供电可靠性n 1 。但是d g 会使配电网 的故障无法及时、准确地切除，造成对配电系统稳定、设备健康状态的破坏。 u l l 7 4 l 、i e e es t d 9 2 9 和i e e es t d 1 5 4 7 规定一旦电网断电，立即断开d g 装置与 电网的连接陋叫1 。 d g 对配电网保护系统的影响主要有哺1 ： ( 1 ) d g 引起保护拒动作。d g 提供的故障电流降低了所在线路保护的检测电流 值，使相应保护因达不到动作值而不能启动。 ( 2 ) d g 引起保护误动。相邻线路发生故障时，d g 的反向电流使其所在的健康 运行线路的保护误跳闸。 ( 3 ) 配网故障水平的变化。d g 既可能造成故障电流的增加，也可能造成故障 电流的减少。若某配电区域的d g 容量很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则 必须提高其断路器的容量和升级保护装置。 ( 4 ) 造成非同期重合闸，降低供电可靠率。d g 在其所接的线路故障重合时， 如果没有跳闸脱网，造成的非同期重合可能引起保护误动作、设备受损，线路无 法及时恢复运行，而增加了用户的停电时间。 ( 5 ) 电压不能合理调节。大容量的d g 使所在线路电压越上限，而当其因故停 役时，又可能引起线路电压越下限。相邻线路必须增加附属设施才能满足电压调 整需求，增加了接入d g 的投资总成本。 因此，为了配电网运行的安全可靠与d g 的有效利用，必须有效解决d g 的 保护问题。 1 2分布式发电系统保护技术的研究现状与存在的问题 当前国内外对d g 保护问题的研究主要集中在三个方面，一是d g 与原有配 电网保护的配合问题；二是d g 对线路重合闸的影响；三是孤岛检测和保护问题。 1 2 1分布式发电系统与配电网保护的配合问题研究 根据i e e es t d 1 5 4 7 的相关要求，以及各国电力系统的普遍做法，文献【6 8 】 提出故障发生时为确保保护装置正确动作，应快速切断电网中的d g 。这样可以 使电网恢复原始状态，从而保证电网保护和重合闸的正常动作，但是这样会引发 以下几个问题旧1 ： ( 1 ) 故障的切除与d g 的切断在时限上的配合； ( 2 ) 自动重合闸开断时间问隔内，确保d g 快速有效地切断； ( 3 ) 在架空线和地下电缆的混合线路中切断d g ，变压器空载运行，电缆对地 电容与变压器侧的线圈发生铁磁谐振，产生不规则的高电压大电流严重威胁线 路的电力器件； ( 4 ) d g 切除的选择性问题，并不是所有的d g 都会对线路保护和重合闸产生 影响，特别是配电网8 0 的故障是瞬时性的，不加选择的切除d g ，会极大的降 低d g 的利用效率。 为了减小d g 设备对配电网的影响，保证电力系统的可靠性，一些研究人员 提出对现有的保护加以改进和完善，以适应d g 并网的保护要求。文献【l0 】以d g 接在l l o k v 变电站3 5 k v 母线并通过专线并网为例提出了一套简单、实用的d g 并网运行时并网线保护及自动装置配置，配置方案如下：在并网联络线m n 两侧 配置必要的逻辑将原有的距离保护改造为允许式方向纵联保护作为线路主保护， 原有的三段式相间和接地距离、四段式零序保护作为后备保护，同时在n 侧加装 弱馈逻辑构成弱馈保护，该保护出口跳闸n 侧断路器2 d l 的同时联跳3 5 k v 母线 出口短路器将分布式电源解列，待m 和n 侧断路器重合后恢复对并网变电站供 电。此方案提高了并网变电站的供电可靠性，加速了对永久故障的隔离，具有投 2 资少，简单且实用性强的特点。文献【1 1 】对基于d g 通过l o k v 开关站并入配电网 比较普遍的现状，提出了一种d g 机组并网1 0 k v 开关站的保护新逻辑，根据对 现行d g 并网保护配置存在缺陷的分析，提出的利用通信线路转换保护配置的逻 辑程序来实现远程遥控方案，既提高了开关站供电的可靠性又加速了对永久故障 的隔离，同时也减小了因外部故障使发电机停机的可能性。文献 1 2 】提出将配电网 中的d g 系统分成不同的功率带，进而采用自适应方法进行保护配合，但是这样 需要d g 容量大于本地负荷容量，而且需要配备功率控制装置。 当线路故障时，d g 会助增故障电流从而导致一些线路保护误动，所以如果 能保证d g 反向助增电流小于其背后限时速断保护定值，就可以很好地保证保护 的选择性，不需对保护定值进行修改。基于这点，文献 1 3 】通过d g 对配电系统保 护影响分析，提出利用电抗器高阻抗值的特性，限制d g 提供的短路电流，从而有 效地解决d g 与保护之间的协调性问题，同时由于电抗器的高阻抗值的作用，在线 路短路故障时，d g 所提供的短路电流大幅度降低，从而有利于故障点电弧熄灭和 降低d g 机组检测到的负序电流，确保了重合闸的正确动作和发电机组的健康运 行。但是不利的是高阻抗电抗器会对正常运行时的电压产生影响。 近几年随着电力电子技术和新材料技术的发展，柔性交流输电技术( f a c t s ) 得到越来越广泛的应用，其中短路限流器( f c l f a u nc u r r e n tl i m i t e r ) 是在串联阻抗 器限流的基础上发展而来的，它同f i a c t s 中的其他控制器一样，依靠电力电子技 术对其相应的传统技术进行改进而来，克服了传统串联高阻抗器限流的缺点，可 在系统正常运行时，旁路开关装置处于闭合状态，f c l 无电抗投入；而只在系统 故障时开关快速断开投入阻抗器进行限流。文献 1 4 ，1 5 】提出将短路限流器接入 d g 系统，并根据系统的具体模型和参数合理设置限流器的阻抗值，从而有效降 低d g 提供的故障电流，在一些情况下，减弱d g 对原系统继电保护的影响，使 保护正确动作。文献 1 6 18 】介绍了一种利用p w m 控制的新型短路电流限制器，文 献【1 9 2 1 】提出了超导限流器的思想。短路电流限制器的发展，为d g 保护的完善 提供了新的思路。 文献【2 2 】提出了利用逆变器限制故障短路电流的思想，当故障发生后，逆变 器提供反向电压，抑制线路短路电流。此思想只见诸文献中，还没有具体得到实 现，但是很大部分的d g 所发出的电能均需要经逆变器转换成工频交流电之后 才能使用，因此这种利用逆变器限制短路电流的思想有一定的实际意义。 此外，计及保护影响的d g 准入容量得到了一定的研究。文f 2 3 】通过对d g 的影响进行分析，并结合杭州电网的实际情况，提出了计算d g 准入容量的三个 约束条件：( 1 ) 相邻线路故障，d g 提供的反向电流不应使d g 所在线路的定时限 过流保护动作；( 2 ) 线路末端两相短路故障时，由于d g 的接入降低了断路器检测 到的故障电流，减小了的故障电流仍要保证电流速断保护可靠动作；( 3 ) d g 的接 入，要保证电流速断保护跳开前，不损伤支线熔丝。 1 2 2分布式发电系统对自动重合闸的影响 自动重合闸在当前的电网中尤其是中压网络中应用非常普遍，大多数的故障 可以通过自动重合闸消除，因此可以有效的提高电力系统的可靠性。d g 对自动 重合闸有以下两个方面的影响：( 1 ) 反孤岛装置与自动重合闸的关系；( 2 ) 馈线上的 d g 影响了自动重合闸的正常运行。 不同的国家和地区对于孤岛的准许运行时间有不同的标准，而大多数地区对 自动重合闸的使用和运行也有严格的要求。i e e es t d 1 5 4 7 标准规定孤岛运行时间 不能超过2 秒，2 秒以后反孤岛保护要动作，保证d g 不再向带有自动重合闸装 置的电网输送电能【2 4 】。美国电网中的自动重合闸运行时间为0 2 秒，北欧国家的 快速自动重合闸的运行时间为0 3 秒。这样为了在自动重合闸闭合线路之前断开 d g ，就需要反孤岛保护快速动作。 在放射性的常规配电网中，自动重合闸运行效果良好，可以很好保证电网的 可靠性。在配电网中加入d g ，使得配电网由单一电源供电的放射状转变为有多 个电源的复杂电网。带有d g 的馈线发生故障后，分布式电源会继续向故障点输 送电流，可能导致故障点电弧继续存在，最终自动重合闸失败，而暂时性故障也 会发展成为永久性故障。此外，故障发生后，d g 的出力也会发生变化，使得孤 岛与电网端的频率、相位不相匹配，在这种情况下重合闸后，电网会失稳而造成 电力系统震荡，这种情况在现代电力系统中是不允许发生的。 现代电力系统为了保证供电的质量和可靠性，自动重合闸的动作时限一般整 定为o 5 s 甚至更低，这样就加大了故障时d g 系统的解列难度，若增加自动重合 闸时限，则会降低供电可靠性，两者之间存在明显的矛盾，关于这个问题，文 2 5 】 分析了自同期重合闸在d g 并网系统中的应用可行性，通过分析和仿真，得出了 以下几点结论：( 1 ) 自同期合闸时，对于次暂态电抗相近的d g ，随着容量的增加， 冲击电流越小：d g 接入点距离变电所低压母线越远时，冲击电流越小，采用自同 期合闸可行性越高多个d g 接入系统，除距离变电所低压母线最近的d g 冲击电流 较大，不推荐采用自同期合闸外，其余位置的d g 都适合采用自同期合闸；( 2 ) 对于 逆变型d g ，并网逆变器很关键电流瞬时值反馈可以实现合闸并网条件；( 3 ) 采用 4 “后加速方式时，从技术的角度是可以实现的，但将使配电网的保护变得复杂。 1 2 3分布式发电系统中的孤岛保护研究 孤岛( i s l a n d i n g ) 效应，是指当电网失电后，d g 系统继续向一部分负荷供电的 情况。如果配电网发生故障后，在保证电力系统安全的前提下，尽可能维持d g 正常供电，而将配电网转化为若干孤岛自治运行，将可以减小停电面积，提高供 电可靠性，对电网公司、d g 发电商和用户都是有利的。 但是非计划性孤岛运行时会有很严重的后果：( 1 ) 电网无法控制孤岛中的电压 和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；( 2 ) 如 果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁；( 3 ) 与逆变电源相 连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；( 4 ) 对孤岛进行重 合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其它设备。可见，研 究孤岛检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意 义。当主电网跳闸时，d g 装置的非计划运行将对用户以及配电设备造成严重损 害，因此实际电网系统中d g 装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛 效应并及时与电网切离的功能。 根据国内外目前的研究情况，孤岛检测方法可分为两大类即被动检测法和主 动检测法。 被动检测法是利用逆变器从并网到市电掉电时，由于电网负载有大的变化而 引起逆变器输出电压的幅度或频率突然变化，或是由于局部电网负载引起的电压 电流谐波大幅度增加，从而达到孤岛检测的目的。文献【2 6 ，2 7 】提出过低电压和 高低频率检测( o v p u v p 、o f p 肘f p ) ，孤岛保护动作于公共耦合点( p c c ) 的频率 和电压幅值超过规定范围。这种保护只适用于d g 与负荷容量有较大差距的情况， 因为到d g 与负荷基本匹配时，即使形成孤岛，保护测的电压仍然在正常范围内， 无法及时动作，从而使得孤岛继续运行。文献 2 8 】提出了检测逆变电源终端电压 和其输出电流之间相位差异的电压相位突变检测方法。文献【2 9 1 提出通过检测电 压谐波或谐波的变化来判断是否处于孤岛状态的电压谐波检测法。 主动检测法的思想是在逆变器的控制信号中加人很小的电压，频率或相位扰 动信号，然后检测逆变器的输出。当逆变器与电网相连则扰动信号的作用很小， 而当孤岛发生时扰动信号的作用就会显现出来，当输出变化超过规定的门限值就 能预报孤岛的发生。文献 3 0 】提出了阻抗测量法，通常情况下，孤岛产生后，电 网的阻抗是增大的，因此可以通过孤岛发生时测量到的电网阻抗的改变来实现孤 岛检测的。文献【3 1 】提出频率或相位偏移法。文献【3 2 】提出输出电压或频率规律扰 动法。 此外，文献【3 3 ，3 4 】提出基于通讯的反孤岛策略，主要是利用无线电通讯来 检测孤岛效应，其性能与d g 装置的类型无关。文献【3 5 提出电力线载波通讯方 案，使用电力线路作为信号通道，在配电变压器低压母线侧装有信号发生器，发 送器可以连续不断地向所有d g 装置发送信号，每个d g 装置都装配有信号检测器， 如果检测器没有收到信号( 由断路器动作导致) ，就判断为孤岛运行状态，d g 装 置立即停止运行。随着配电网中分布式电源的增多，电力线载波通讯方案很有效， 而且由于不必考虑馈线拓扑结构的改变，该方案易于执行。但是需要考虑其成本 问题，因为信号发生器是一个中压装置，连接时还需要降压变压器；另外载波信 号可能受到来自其它电力线路通信的干扰。文献 3 6 】提出了连锁跳闸方案，其基 本思想是监控电路中所有可能导致孤岛形成的断路器或自动开关的状态，当其中 一个开关动作并导致d g 系统中变电站分离，中央控制单元将确定孤岛地带，并 立即发送信号中止孤岛区域内d g 装置的运行。连锁跳闸方案对有着固定拓扑结 构的馈电线来说十分有效，它允许电网对d g 装置的附加控制，增加了d g 装置 与电网之间的协调，并且在故障清除后，还可以用同一个中央控制单元提供d g 装置的重连信号，但是代价是成本高、执行复杂。 1 2 4分布式发电系统保护需要解决的问题 d g 的大量并网引起了电力系统的巨大变革，其中对保护系统的影响虽然得 到了深入研究但还没有得到彻底解决。为了协调d g 与电网的关系，更好的利用 d g 技术，d g 的保护还存在三个问题需要解决：( 1 ) 系统故障后d g 能否及时的解 列，从而保证系统保护的正常运行；( 2 ) 如何将系统故障对d g 运行的影响降到最 小，是否可以保留一部分不对系统保护产生影响的d g ，从而提高d g 的运行效 率；( 3 ) 如何最大程度的保证原有保护系统的正常动作。 1 3 本文主要工作 针对目前d g 系统保护技术的研究现状和应用难题，本文结合国内外的研究成 果主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 分析各种位置故障时分布式电源对线路保护的影响，根据分析的结果提出 基于边界保护的d g 系统保护方法，利用小波能量谱和希尔伯特一黄的分析工具， 提取故障行波信号，构成具有快速性和选择性的d g 保护控制方法。 6 ( 2 ) 在原有的故障区间定位矩阵算法的基础上，对网络矩阵和故障信息矩阵进 行了改进，简化了故障定位的判据，对于多端电源系统发生多重故障，通过一次 计算即可判断所有的故障区域，并考虑d g 系统并入馈线的情况，对故障判断矩阵 进行修正，以满足多个d g 系统多点并网的要求。 ( 3 ) 根据现有配电网保护系统的不足，考察馈线自动化系统中重合器与分段器 配合模式，对d g 接入点两端的分段器与线路联络开关进行改造，形成了一种适用 于d g 并网的馈电自动化模式。 7 第二章分布式发电系统行波保护方法 2 1引言 配电网的特点是呈放射形结构并由单电源供电，配电网的继电保护是据此配 置和整定的。在常规电力系统中，由于潮流是单向流动的即只有一个电源向故障 点提供故障电流，因此清除故障只需要动作系统侧的保护就能完成。当d g 接入配 电网后，配电网的结构将发生根本改变。配电网发生故障时，除了系统向故障点 提供故障电流外，d g 也将对故障点提供故障电流，改变了配电网的节点短路水平 以及故障电流大小、持续时间及其方向。因此d g 并网对配电网原有的继电保护产 生较大的影响。 本章针对d g 位于保护的上游位置、下游位置，对不同位置故障进行具体分析。 根据具体分析的结论，可以提出下面的解决方案：在带有d g 系统的配电线路上装 设阻波器构成线路边界，采用边界保护模式，对d g 并网点上游和下游故障进行选 择性保护，进而保证配电线路故障后，d g 能够快速准确地解列，保证系统安全， 并最大限度的提高d g 的利用效率。 2 2分布式电源对短路电流分布及电流保护的影响 2 2 1分布式电源在保护上游 在未接入d g 时，如图2 1 所示，系统故障电流尽、流过保护的故障电流厶、故 障点的故障电流后大小相同。 is l r 图2 1 未接入d g 时的厶、厶、扛关系 当在保护r 上游发生故障时，故障电流分布如图2 2 ( a ) 所示，故障点处的故障 电流矗增大，而流过保护的短路电流厶为零。在这种情况下，d g 对电流保护没有 影响。 当在保护r 下游发生故障时，故障电流分布如图2 2 ( b ) 所示，故障点的故障电 流斥增大，由于d g 助增的故障电流要流过电流保护，因此电流保护检测到的故障 8 电流厶也是增大的。在此种情况下，d g 对继电保护产生影响阳卜3 引。 ( a ) 保护上游发生故障 ( b ) 保护下游发生故障 图2 2d g 在保护上游的短路电流分布 2 2 2分布式电源在保护下游 当在保护r 上游发生故障时，故障电流分布如图2 3 ( a ) 所示，故障点故障电流 厶增大，流过保护的故障电流靠是d g 向故障点提供的故障电流，而且此故障电流 方向从负荷侧流向系统侧。在此种情况下，d g 对继电保护产生影响。 当在保护r 和d g 之间发生故障时，故障电流分布如图2 3 伯) 所示，故障点故 障电流如增大，流过保护的故障电流厶是由系统侧电源提供，此种情况下d g 对保 护r 没有影响。 当在d g 下游发生故障时，故障电流分布如图2 3 ( c ) 所示，故障点故障电流斥 增大，流过保护的故障电流厶是由系统侧电源提供，此时d g 对流过保护r 的故障 电流有影响口卜3 。1 。 2 2 3分布式电源对电流保护的影响 配电网络的保护，相对于高压网络保护而言，属于简单保护。在配电网中我 们常用的保护有电流保护、电压保护、反时限电流保护、距离保护等。 在配电网中接入d g ，发生短路故障时，配电网中的短路电流分布明显与不接 d g 时不同，这将影响配电网原有继电保护装置的正常运行。电流保护是配电网中 最为常用的保护，它是检线路电流突然增大动作跳闸的保护装置。 文献【4 0 】以电流保护作为研究对象，在d g 容量一定情况下故障位置改变时， 分析d g 对配电网短路电流和保护系统的影响，得出如下结论： ( 1 ) 当d g 在保护上游时，在保护下游故障，流过保护的故障电流增大，d g 起 增流作用。d g 离保护越近，增流作用越大，保护的灵敏度增加或保护范围增大。 9 l s + ( a ) 故障发生在保护上游 l s i r ( b ) 故障发生在保护与d g 之间 i s - ( c ) 故障发生在d g 下游 图2 3d g 在保护下游的短路电流分布 ( 2 ) 当d g 接在保护的下游时，在保护上游发生故障，有逆向短路电流出现， 保护有可能失去选择性。 ( 3 ) 当d g 接在保护的下游时，在d g 下游发生故障，流过保护的故障电流减小， d g 起分流作用，保护的灵敏度减小或保护范围减小。 配电网保护，最关键的是配电线路出口侧的电流保护，因此本章内容主要是 分析和解决d g 对其的影响问题。根据2 2 2 的分析，故障点位于出口保护与d g 接 入点之间时，d g 不对保护产生影响；故障点位于d g 接入点下游线路时，d g 降低 出口保护的灵敏度。据此本章提出了分布式发电系统边界保护方法，当d g 接入点 下游线路故障时，利用行波的超高速特点将d g 快速解列；而线路出口保护与d g 接入点之间线路故障时，保留系统中的d g 不被切除。 l o 2 3边界保护 2 3 1边界保护的基本原理 图2 4 所示为超高压输电线路模型，被研究的线路段为m n ，故障行波信号欲 进入到线路m n 中需经过母线对地等效电容和阻波器。其特点是： ( 1 ) 母线对地电容和阻波器属于集中参数元件，不同于具有分布参数的输电线 路； ( 2 ) 母线对地电容和阻波器的阻抗属于频变参数，但不等于线路的特性阻抗， 特别是在阻波器的阻塞频带内，在阻塞频带【5 8 ，12 6 】k h z 内阻波器的阻抗大于 8 0 0 q ；母线对地电容电抗值约在15 0 0 1 6 q 之间，线路的线模特性阻抗基本保持稳 定，约为2 5 0 q 。 母线a母细 一 r - 敬障仃凝 一 m n p qhf qf q l 口jl 口jl 口l 口 ii 线路边界线路边界 图2 4 单向输电线路的边界模型 可见，在一定频带( 尤其是阻波器的阻塞频带) 内，母线对地电容和阻波器的 阻抗显然不等于输电线路的特性阻抗，即线路特性阻抗的不连续点，又因处于被 研究线路的两端，故将母线对地电容和阻波器一起统称为“线路边界 。在边界点 由于所连接设备的阻抗与线路波阻抗不相同，即波阻抗在线路的边界点发生了变 化，这个变化导致行波在线路边界产生折射和反射，通过分析边界点检测到的故 障行波，可以判断出故障区域或类型h 。 边界保护的判据由单端故障暂态分量构成，具有快速性的特点，因此可以考 虑把边界保护作为d g 出口侧的超高速保护，这样可以在线路保护动作时限内将 d g 快速切除，有效地保证系统的可靠性。此外根据阻波器的带阻特性将区内故障 时弧光非线性过渡电阻产生的某个频带( 频率中心为阻波器的中心频率) 高频电压 噪声限制在保护区内，而将区外故障时的高频电压噪声阻挡在保护区外的特点，利 用阻波器构成线路边界，实现有选择性的d g 系统边界保护。 由于极大多数d g 需要通过逆变器并网，而逆变器的波阻抗非常大，逆变器的 反射系数接近于l ，折射系数接近于o ，d g 内部扰动所产生的行波基本无法通过逆 变器，因此在分布式发电系统边界保护中d g 本身所产生的干扰可以忽略不计，这 点有利于分布式发电系统边界保护的实现。 2 3 2阻波器对行波传输的影响 由于目前电力系统中已经广泛安装使用了阻波器，因此有必要研究阻波器对 行波传输的影响，相应的彼德逊等效电路如图2 5 所示，研究时使用国产g z ：一1 0 z l 阻波器，对应的工作频带万一厶为8 5 觚卜5 0 0 腑，相应的参数为：l l = 1 ，柑； c 。= 4 5 0 矿；l ：= o 5 朋日；c ：= 1 0 0 0 妒；r = 9 1 0 q 。根据等效电路可列出方程： z i 宽翱阻被曩砭 图2 5 彼德逊等效电路 厶誓也飞。吲詈+ c o 警) 厶鲁：厶鲁+ 毒f f ：西埔： l d l 出c ，j “ “ 詈+ c o 争+ 骗争 图2 6 仿真模型 ( 2 1 ) 采用拉氏变换法求解得： 吲加2 吲s ) 逝址垃坐垃争塑盟型( 2 2 ) 其中 b ( j ) = j 5 2 2 厶c l 厶c 2 g + s 4 ( z 2 厶c l g 尺q + 厶z g 厶c 2 + 2 z c l c 2 ) + s 3 ( z 2 厶c l c o + z 2 g 厶g + 厶z g 月c 2 + 2 z 足c 2c l 厶+ z 2 c 2 c o 厶+ 岛g 厶) + ，( 2 z 厶c 2 + 厶z g + 2 z 厶c l + z 2 c o r c 2 + r c 2 三+ 2 z 厶c 2 ) + s ( 厶+ 2 z r g + c o z 2 ) + 2 z 令b ( s ) = 0 为电路的特征方程。此特征方程是5 阶的，根据电路特点，特征方程 具有两对共轭复根和一个负实根。对应两个衰减的高频振荡分量和一个衰减的直 流分量。 变电站母线对地总的等效电容的大小，决定于母线本身的长度与母线直接相 接的各种高压电力设备( 电力变压器、开关、刀闸、电流互感器、电压互感器、 1 2 避雷器) 的对地电容。经过国内外大量的实际测量表明，各种电力设备的高频阻 抗，在载波频带内大部分表现为容性，通常电力变压器的电压等级越高，容量越 大，对地电容就越大。本文利用a t p 进行仿真分析，仿真模型如图2 6 ，采样频率 厂= l 脱眈，采样步长丁= 0 1 声，开关在5 芦时合上。仿真结果如图2 7 。 ， c = o0 1 5 7 5u f 日锻誓村电采叫 f j 一 “ 鼻| 1 。：j ，：立暑i i ：- m n 芒训d b 韬蹭蓖葛r 时自断口r 。 ? 八 譬u 西，：芎j f 日漩l 厝毫沉一 目 、毒害o0 0 5 u f 阻蛔【t 后电 危 f ( a ) 阻波器( 并考虑不同母线等效对地电容) 对电流行波的影响 c = 0 0 01汕f 阻技嚣后电一匙：珍芎：。：，一 ，h ：捌； c = 0 0 0 5j f 阻被g ：酎砖爱鞋 ，1 t ；7 i ： ：兰u - 0 ，r 5 7 0 u 卜田橱f 暑 7 旨电压 fn 、e ，：oo + 5 予5 u f：庄t 被暑1 1 时哇田e 易 ( b ) 阻波器( 并考虑不同母线等效对地电容) 对电压行波的影响 图2 7 阻波器( 并考虑不同母线等效对地电容) 对行波的影响 在考虑母线电容时，从图2 7 可见，故障初始电流行波经过阻波器后，其陡度 与幅值衰减的程度更大，不同的电容值，衰减的程度不一样，电容值越大，电流 行波的陡度与幅值衰减的程度越大，从频率的角度来看，相邻两线路检测点的初 始行波的频率值更加明显不同；在考虑母线电容的情况下，阻波器两侧检测点的 电压行波也不相同，其陡度与幅值也都有较大程度的衰减，不同的电容值，衰减 的程度不一样，电容值越大，电压行波的陡度与幅值衰减的程度越大，从频率的 角度来看，相邻两线路检测点的初始行波频率值也是不同的，可以区分区内外故 障。从图中还可以看出电容值小于5 0 0 0p f 时，电容值的变化对行波的影响不大h 纠。 2 3 3配电网分支线路对行波传输的影响 线路上发生故障时，故障信号沿线路向远离故障点的方向传播，在阻抗不连 续点发生折射和反射。配电线路具有分支多的特点，对于带分支的故障线路，除 了故障点、母线、阻波器，不连续点还包括线路的终端及分支的节点和端点。为 了在配电网中实现边界保护，有必要研究配电网分支线路对行波传输的影响。 如图2 8 所示，在分支节点a 的下游f 点发生故障时，故障产生的行波向两侧 传播。考虑故障点接地电阻很小或金属性接地情况时，f 点两侧的行波将以f 点为 界，在各自范围内传播，穿过f 点向对方传播的信号能量很小，可以不予考虑。 在f 点与母线m 之间传播的行波信号，遇到阻抗不连续点a 和c 时，会发生折射和 反射，在这些折射和反射的波中，其中有下面几个特殊的行波：( 1 ) 直接折射过a 点，第一个到达母线m 的行波s f ，传播路径为f a m ；( 2 ) s f 在m 点发生反射， 一部分回到a 点，在a 点又反射回m 点的行波s a ，其传播路径为m ( s f ) 一a m ；( 3 ) 初始故障行波信号在a 点一部分折射到c 点，经c 点反射回a 点，又由a 点到达母线 m 的波s c l ，传播路径为f a c a m 。除此以外，还有其它折射和反射的行 波，只要信号未衰减到零，信号在阻抗不连续点的折射和反射就会一直持续下去， 在m 点检测到的行波信号包含了许多折射波和反射波h 3 1 。 s a s f m s c l - 一 p l f 1r c 图2 8 故障行波沿线路传播路径 2 3 4配电网分支线路与阻波器阻波特性的比较分析 在高压网络中，故障行波的衰减主要是由阻波器或者母线造成的，不同于高 压输电线路，配电网中有许多分支支路，在配电网中还需要考虑支路节点的影响。 下面对支路分支点和阻波器的行波折射作用进行分析。 支路 _ 彬2 吩 图2 9 支路节点折射系数求解模型 1 4 如图2 9 所示，彬为入射波，为反射波，形l 为支路的折射波，2 为被研 究线路的折射波，根据分析可得支路上仅有反行波，被研究线路上只有前行波， 根据图中的参考方向，彤2 为前行波，吸l 为反行波，即l = 马，哎2 = 最，令彬= f ， ：b ，根据行波理论可以得出各条线路上的电流和电压大小：，：业，厶：玉， 。 2 么 2 么l j i z = 尝，= 竿，u = 导，= 手，z ，z 一，z 2 为线路波阻抗。由于在配电 网中，干线和支路的线路参数差别不大，因此在这里，为了分析的简单性，假设 z = z 1 = z 2 由k c l 定理可得：如= ，+ 厶( 配电线路对地电容影响较小，在此忽略 了对地电容的影响) ，综上可得， e = f b 一骂( 2 3 ) 此外由于同属一个边界点，故u = u = ，从而得出， f + b = 马= e( 2 4 ) 联立式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以求出m 点的折射系数， 如z - 号专 ( 2 5 ) e k 彬 彬 卜- 一、 被面 u n r 究线路 图2 1 0 阻波器折射系数求解模型 如图2 1 0 所示，肜为入射波，为被研究线路的折射波，按照图中的参考 方向，形、为前行波，且被研究线路上仅有前行波，令= 巧，彬= f ，根 据行波理论，m 、n 点的电流与电压分另| j 是：k = 等，如= 皂，= 半， = 孚( 线路波阻抗的处理同支路节点) 。根据k v l 可得艮= + ，即， = 每+ 艺z z ( 2 6 ) 入射波形是由& ， 民= 孵= f( 2 7 ) 根据式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可以得出阻波器的折射系数为：砭，z = 争= i 警，z z z ， 故砭，z 石争，阻波器的波阻抗乙 2 ，因此砭，z “，z 。 1t 厶z 从上面的分析可以得出支路节点的折射系数远远大于阻波器的折射系数，即 阻波器对行波的影响远远大于支路节点对行波的影响。 2 3 5基于阻波器的线路边界保护选择性分析 对于行波的研究，最常用的方法是网格法。阻波器上游线路发生接地故障后， 根据网格法分析，