（电力系统及其自动化专业论文）dg条件下基于移动agent的配电网保护控制策略研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w o r l d - w i d ee n e r g ys h o r t a g eh a sl e dt ot h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sf o r m so fn 学e n e r g ys o u r c e , w h i c h p r o v i d e sap r o s p e m n sf u t u r ef o rd i s t n b u t e dg e n e r a t i o no x d , a n db e c o 撇san 嘲ri m p o r t a n tr e s e a r c h i n t e r e s t t h ep r i m a r ye n e r g yf o rd g ng e tf r o maw i d cr a n g eo fr e s o 峨a n di ti sc l e a na n de n e r g y s a v i n g m e a n w h i l e ，d gi s 叠g o o ds u p p l e m e n tf o rp o w e r 倒e s p e c i a n yi ne n h a n c i n gp o w e r 倒s e c u r i t y , s t a b i l i t y , a n dp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y w i t ht h ec o n n e c t i o no f i m p a c to nt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a y s t r a t e g yh 勰b e 珏坞ab i gp r o b l e m s oi ti su r g e n t l yn e e d e dt od e v e l o pa na p p r o p r i a t ep r o t e c t i o na n d c o n t r o ls c h e m ef o rt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd q n ct o p o l o g yo ft r a d i t i o n a ln e t w o r kh a sc h a n g e df r o ms i n g l ep o w e rs o u r c et om u l t i - s o u r c e , u n c e r t a i n t yo fp o w e rf l o ws i n c ed ga r ec o n n e c t e dt ot h e 鲥d ，t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a ys t r a t e g y d o c s n tf u n c t i o nn o r m a l l y b a s e do nt h ep o s t - f a u l tc u r r e n ti n f o r m a t i o n , t h i st h e s i sp r o p o s e ss oc a l l e d c o m p l e xc u r r e n ta m p l i t u d ec o m p a r i s o nm e t h o dt of i r s tl o c a t et h ef a u l tf e e d e r a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a t d gc 蛆p r o v i d ef a u l tc u r r e n t , 吐i i st h e s i sr i s e sc u r r e n ta m p l i t u d et od e t e r m i n et h ef a u l td i r e c t i o n , t h e n i n t r o d u c e st h ef a u l td e c i s i o nm a t r i xt oc o n f j a - l nt h ef a u l tz o n ew h i c hc o n t a i n sf a u l ts e c t i o n o nf e e d e r b e c a u s e p r o t e c t i o ns c h e m ed o e s n tg e tv o l t a g ei n f o r m a t i o na n dg p ss y n c h r o n i z a t i o n , i t sd i f f i c u l tt ol o c a t e t h ep r e c i s ef a u l ts e c t i o no n l yu p0 1 1t h ec u r r e n ta m p l i t u d e ，t l l i st h e s i sp r o p o s e sl o a dc u r r e n ta m p l i t u d e c o m p a r i s o ns c h e m e ，m a k et h ep r e c i s ef a u l tl o c a t i o nc o m et r i m p r o p o s e dn e wp r o t e c t i o ns c h e m ec a nn o tb es e p a r a t e df r o mt h es u p p o r to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , i e c 6 1 8 5 0i sp r i m a r i l yu s e di ns u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，w h i c ha i m sa ta c h i e v i n gt h es e a m l e s sd o c k i n g b e t w e e nd i f f e r e n td a t aa n dm u t u a lo p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n td e v i c e s i nt h i sp a p e r , i e c 6 1 8 5 0t e c h n o l o g y i su s e dt os o l v ei s o m e r o u sp r o b l e mo fs y s t e m s y s t e m so v e r a l ls t r u c t u r e ：i 墨d e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t h m c 6 1 8 5 0s p e c i f i c a t i o n , a n dc o n s t i t u t e so fi e d sa n dp r o t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e nd i 鲫竭d ，g s em o d e l h a sb e e na p p l i e d 盟t h ei n f o r m a t i o nm o d e l ，s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t sf o r 托l 毫ya n ds y s t e m sd a t a w a n s m i s s i o n d a t at r a n s m i s s i o no fp r o t e c t i o ns y s t e mi sa c h i e v e dt h r o u g he t h e m e t b e , c a u s cp r o t e c t i o ns y s t e mh a s r e a lt i m er e q u i r e m e n t so rd a t at r a n s m i s s i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h et i m ed e l a yp r o b l e mo nd a t a t r a n s m i s s i o n , a n dp r e s e n t ss o l u t i o n st oi m p r o v et h et i m ed e l a yp r o b l e m k e y w o r d ：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 k ；c o m p l e xc u r r e n t ：i e d ；f a u l tl o c a t i o n ：m o b i l e a g e n t ：i e c 6 1 8 5 0 ：e t h e m e t i l 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 盛监日霸：掣、1 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鲤墅兰导师签名： i v 期： 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 人类社会的能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代的演变，在能源利用总量不 断增长的同时，能源结构也在不断变化。每一次能源时代的变迁，都伴随这生产力的巨大飞跃，极 大地推动了人类经济社会的发展。然而进入2 l 世纪，随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来 越多，而化石能源又属于非可再生资源，能源对人类经济社会发展的制约越来越明显 琴 墨 筮 爨 姆 翳 翟 图1 1 世界能源结构变化 团1 2 世界能源消费变化 由图1 1 和图1 2 可以看出，世界能源结构从十九世纪到新千年发生了巨大变化，对煤炭、石油 等化石燃料的消耗达到了有史以来的巅峰i 。 在中国，改革开放以来，能源供给能力不断增强，促进了经济持续快速发展但在经济快速发 展过程中，能源供给不足的矛盾十分突出。往往只要固定资产投资规模扩大、经济发展加速，煤电 油运就会紧张，成为制约经济社会发展的瓶颈。到2 0 世纪9 0 年代末，随着能源市场化改革不断推 进、能源工业进一步对外开放和能源投入增多，煤炭、电力产能大幅度提高，油气进口增多，能源 对经济社会发展的制约得到缓解进入新世纪，随着中国新一轮经济发展，能源供求形式又发生了 新的变化，工业化和城市化步伐加快，一些高能耗行业发展过快，能源对经济社会发展的制约又开 始加大。 东南大学硕士学位论文 2 0 0 12 0 ( 1 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 图1 3 。十五以来中国能源消费增长情况 能源资源的开发利用在促进世界发展的同时，也带来了严重的生态环境问题。化石燃料的使用 是c 0 2 等温室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球大气中c 0 2 的浓度已从工业革命前的 2 8 0 p p m v 上升到了目前的3 7 9 p p m v ：全球平均气温也在近百年内升高了o 7 4 ，特别是近3 0 年来 升温明显。全球变暖对地球自然生态系统和人类赖以生存环境的影响总体上是负面的。从中国国情 来看，能源结构长期以煤炭为主，煤炭生产使用中产生的s 0 2 、粉尘、c 0 2 等是大气污染和温室气 体的主要来源。特别是近几年来，一些高能耗高污染的企业大批上马，粗放式的发展对资源的利用 和环境的破坏是巨大的。从2 0 0 0 年开始，中国进入了“电荒”时代，全国各地纷纷拉闸限电大规 模的拉闸限电对经济的影响也是巨大的据测算，从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，5 年来。电荒”给国民经 济的直接和间接损失已超过1 万亿人民币1 1 2 分布式发电 1 2 1 分布式发电介绍 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) ，是利用可再生能源进行电力生产，清洁的可持续发 展的发电方式。相对于传统发电方式，减少了粉尘、s 0 2 、n m 、废水、废渣等的捧放同时利用的 是可再生能源，在一次能源的获取上不需担心能源的耗尽中国地域广阔，各种可再生能源十分丰 富如中国陆地1 0 米高度层的风能可开发储量为2 5 3 亿千瓦，近海风场的可开发风能资源是陆上的3 倍，据此，中国可开发的风能资源约为1 0 亿千瓦但预期到2 0 1 0 年风电装机容量仅为5 万千瓦：农 业生产每年产生过剩秸秆约l 亿吨，相当于4 0 0 0 万吨标准煤。因此分布式发电的发展对于我国有着特 别的经济及环保意义。 分布式发电与传统发电方式相比，有其特殊的优点： 1 节省输变电投资。分布式供能系统的供能装置直接安置于用户近旁，输电距离短，无需架设 输电线、建设配电站，可有效降低输配电成本。 一 2 弥补大电网在安全稳定性方面的不足和提高供电的可靠性。直接安置在用户近旁的分布式供 能装置相互独立，用户可自行控制，与大电网配合，可有效降低电力负荷波动对大电网的影响，减 少发生严重事故的可能；电网一旦发生故障，分布式能源系统可以保证用户的电力供应不受影响， 避免一些灾难性后果的发生。尤其是在电网崩溃和意外灾害( 例如地震、暴风雪、人为破坏、战争) 情况下，可维持重要用户的供电及供电的可靠性2 0 0 8 年1 月下旬至2 月上旬，我国南方地区遭到 百年一遇的大雪灾害，导致南方某些电网主网架纷纷倒塌，从而导致部分地区停电停水，对居民的 生活造成了巨大的影响，尤其湖南郴州地区停电几乎长达1 2 天郴州地区的某些重要医院由于有自 备发电设备，因此幸免遇难，仍能继续承担救死扶伤的责任 2 如 筋 加 搭 m 5 o 3工牮、嘲躅瓤滔蹲箍 第一章绪论 3 满足特殊场合的需求。对不适宜大规模铺设电网的西部等边远地区或散布的用户，对供电安 全稳定性要求较高的医院、银行等特殊用户，能源需求较为多样化的用户，这种能源系统的优点是 可进行遥控和监测区域电力质量和性能，输电损失显著减少，运行安全可靠，并可按需要方便、灵 活地利用排气热量实现热电联产或热、电、冷三联产，提高能源利用率。 4 具有良好的环保性能。分布式供能系统一般采用清洁燃料作能源，如天然气、沼气、生物质 能等( 传统发电以煤为主) ，并且应用了现代污染物控制技术，减少了粉尘、s 0 2 、n o x 、废水、废 渣等的排放。此外，分布式供能系统由于减少了输变电线路和设备，电磁污染和噪声污染极低，因 而具有良好的环保性能。 5 为可再生能源的利用开辟新的方向。相对于化石能源而言，可再生能源能流密度较低、分散 性强，而且目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低，作为集中供能手段是不现实的 而分布式供能方式为可再生能源利用的发展创造了条件。我国可再生能源资源丰富，发展可再生能源 是减少环境污染及替代化石能源的有效措施因此，为充分利用资源丰富的可再生能源发电，方便 安全地向偏僻、缺能地区供电，建设可再生能源分布式供能系统应受到高度重视 目前，国际上对于分布式发电并没有一个统一的规范化定义，但是基本的概念是一致的。分布 式发电可以称为嵌入式发电( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ，e g ) 它形象地描述了将分布式电源“嵌入一 到配电系统之中；同时也可称为分散发电( d i s p e r s e dg e n e r a t i o n ) ，它强调的是与“集中发电”相区 别的发电形式；国际大型电力系统委员会( c i g r e ) 将分布式发电定义为“非经规划的或中央调度 型的电力生产方式，通常与配电网连接，一般发电规模在5 0 m o m w z 间” 分布式发电与传统集中式发电的主要区别是其规模较小且靠近用户，一般可以直接向其附近的 负荷供电或根据需要向电网输出电能。文献【2 】认为d g 指的是为了满足一些特殊用户的需求、支持已 有配电网的经济运行而设计和安装的在用户处或其附近的小型发电机组，或坐落在用户附近使得负 荷的供电可靠性及电能质量都得到增强、又或者由于就地应用热电联产使得效率得到提高的发电形 式。文献f 3 1 也指出d g 可以包含任何安装在用户附近的发电设施而不论这种发电形式的规模大小和一 次能源的类型。一般意义上d g ，d r 或d e r 甚至包括分布式电力( d i s p e r s e dp o w e r ，d p ) 都可以用 来指安装在用户附近并为其供电的小规模发电技术。本文所使用的分布式发电概念指的是位于用户 附近的各种小型的( 容量小于1 0 m w 瑚j ) 、模块化的电能生产或存储技术，仍沿用d g 作为其名称， 它们中的大部分可通过并网设备与电网相连 在现代一次能源日趋紧张的形势下，分布式发电的出现都人类社会有着积极的意义 1 2 2 分布式发电分类 在不同的研究领域d g 有不同的分类方式嘲一般可以根据d g 的技术类型，所使用的一次能 源及和电力系统的接口技术进行分类根据d g 通常所使用的技术可分为r 卜1 2 j ：紫( 汽) 油机组发 电、水力发电、风力发电、光伏发电、太阳热发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的 能源有化石燃料、可再生能源及电能储存元件目前，研究的热点之一是可再生能源发电技术，其 中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电，太阳热发电地热及潮 汐发电等都属于新兴的发电技术。 一 若d g 与电力系统相连，则可以根据d g 并网技术的类型分类，即直接与系统相联( 机电式) 和通过逆变器与系统相联两大类若d g 是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类，像小 型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电、太阳热发电等；而逆变器型d g 通常指的是将直流电逆 变上网的d g ( 如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术) 和发出高频交流电的d g ( 微透平机组) 但在d g 的实际应用中，考虑到d g 大小对其在电力系统中应用有直接影响，因此按其大小分 为小型( i o o k w ) 中型( i o o k w 一1 m w ) 大型( 1 m w ) 三类 3 东南大学硕士学位论文 1 2 3 分布式发电前景 当今社会对电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足 这种要求大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起 大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果。根据已有运行经验表明：大电网系统和分布式发电 系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法据国际分布式能源联盟 的数据，分布式能源在众多欧洲国家发电总量中所占的比例已超过了3 0 * 4 ，在丹麦这一比例则超过 了5 0 由于目前很多国家采取集中式电力系统为主要的供电方式，导致大量能源的损失，各国电 力系统利用效率不及3 3 ，许多发展中国家还不到3 0 ，而目前已商业化、可大规模实现能源转换 的技术中，热电联产的效率高达可达6 0 一踟，热电冷系统效率则可达9 0 当前中国正在进行电力体制深化改革，主推大电网、高电压等级，推崇的是“美国模式一。但这 种模式出现了深刻的教训：首先是“美国模式”的始发地美国加州发生大停电j 紧接着是法国、 意大利、英国、西班牙，然后是澳大利亚这次世界性的大停电反映出传统大电厂o - 大电网 超高压的模式是不安全的。传统观念认为的大的就是好的，认为大的可以降低成本，提高效率，价 格下降，在电力行业也正成为过时的观念。电力大到一定程度以后，就会出现异化，走向事物的相 反。美国模式的弊病在这次大停电中也暴露无疑而“丹麦模式”的发源地刁导麦，改革进行了 2 0 年，国内产值翻了一番多，供电能力一直保持了增长，但消耗的资源量没有增加，环境代价大幅 度降低，能源成本也增加不大丹麦全国今天已经没有一个火电厂不供热，也没有一个工业锅炉不 发电，能源利用效率得到持续地提高 1 3 课题进展的意义及开展的工作 以上介绍了分布式发电的优势及前景，可见利用可再生能源的分布式发电技术必将得到广泛应 用。由于分布式发电引入配电网，使得配电系统由单电源辐射状变为分布有中小型电源的多电源网 络，网络拓扑结构发生了很大变化，配电系统的控制和管理将变得更加复杂目前，国内外现行的 d g 并网运行规程 2 , 5 1 大多数是基于d g 并网不影响原有配电网保护控制系统正常工作的原则提出 的。这些原则包括：要求d g 不能主动参与调压；配电网发生故障时，d g 必须迅速退出配电网以 保证配电网继电保护正确动作等【4 j 这些规程虽然保证了电力系统的安全性，但在一定程度上局限 甚至破坏了d g 的正常运行，损害了d g 发电商和d g 用户的经济利益，对提高供电范围及供电可 靠性也是不利的网配电网发生故障时d g 对继电保护有重大影响，影响大小与d g 数量、接入 位置及容量有关为了更好地发挥d g 的积极作用，本文对分布式发电条件下d g 对配网继电保护 的影响进行了研究，并基于传统电流保护原理，结合现有配电网的特点提出了针对分布式发电条 件下配网继电保护的新方案，为分布式发电的发展创造了有利条件 论文主要包括以下几个方面的内容； 1 第一章绪论：概述了分布式发电的概念，介绍了分布式发电技术的分类、特点及其应用发 展形势。 一 2 第二章分布式发电对电网系统的影响：首先介绍了分布式发电对电力系统产生的积极作用， 然后从电能质量、继电保护、短路电流、可靠性、铁磁谐振、电网效益等各方面阐述了d g 的不利 影响：其次介绍了分布式发电对配电网继电保护的影响：分析了d g 接入对继电保护以及保护间配 合的影响，提出d g 接入对配电网继电保护的影响是根本的，必须研究新型保护控制方案 3 第三章分布式发电保护控制策略：提出基于综合电流幅值的新型保护控制策略，利用d g 提供助增电流的特点划分故障关联区域，并通过负荷电流比相法实现故障区段的精确定位结合新 兴的移动a g e n t 技术实现了保护控制策略 4 第四章分布式发电保护控制系统的构成：介绍了保护系统的构成，将i e c 6 1 8 5 0 技术引入 4 第一章绪论 保护控制系统，分别对疋d 和保护设备进行功能建模，借助予成熟以太网技术实现了保护数据传输 的实时性，为保护系统的工程实际应用打下了基础 5 第五章保护系统数据传输时限研究：针对保护数据在以太网传输的时延问题，在端节点a u 的利用率、端节点处流量、网络负载三种情况进行了仿真，并对数据传输的时延问题提出了解决方 案 6 第六章结论与展望：对论文展开的工作进行总结，并对今后工作予以展望。 5 东南大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章分布式发电对配电网系统的影响 d g 的接入使配电网中各支路的潮流不再是单方向地流动，因此，d g 的弓i 入将会给整个电网带 来深刻的影响除了各种形式的d g 技术本身还有进一步研究和完善外，从d g 与传统电网连接的 角度，必须针对含有d g 的电网规划与运行方式、继电保护、安全及稳定性、对控制中心的影响等 一系列问题进行深入的研究 2 2 分布式电源接入对电力系统的影响 对于配电系统，无论是辐射式还是环网结构，d g 的接入都将极大地影响电网中的潮流和电压 如图2 1 所示，在传统的供电方式中，功率从高电压等级传送到低电压等级，通过配电变压器分配 到用户配电系统的设计、运行及其保护控制都是基于这样的供电方式 p ，q 圈2 1 传统的供电方式 当大量d g 接入时，配电线路上的潮流可能反向。配电系统不再是简单的电能配送工具，而是 集发电、配电功能于一身，其电压、潮流分布不仅取决子负荷，而且取决于d g 图2 2 分布式发电系统 以图2 2 所示的分布式发电条件下的配电系统( 以下简称为分布式发电系统) 为例，热点联产 装置( c l i p ) 向系统输送有功功率，同时它有可能发出或吸收无功功率，这取决于装置中励磁调节 器的参数设置；风力发电机组发出有功，同时很可能吸收无功，这主要是由于机组中的异步感应电 6 一叫 第二章分布式发电对配电网系统的影响 机在运行时需要吸收一定的无功；光伏电池阵列可以看作是一个恒压源，它还可以以某个设定的功 率因数发送有功和无功功率，但同时容易产生较多的谐波。所以在这个配电系统中的潮流分布可以 是任意方向的，这取决于负荷功率和d g 的发电功率 2 2 1d g 的积极作用 d g 对配电系统的影响可能是积极的也可能是消极的，这主要取决于系统和d g 的运行特性 总的来说积极作用主要体现在改善系统运行方式，支持系统高效、可靠地运行1 2 4 , 7 5 1 发展d g 的重 要意义主要包括以下几个方面吲： 1 经济性。由于d g 可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的阶梯利用，从而可提 高能源的利用效率( 达7 0 - 9 0 ) ，此外还可降低初投资者费用和网损； 2 环保性。因其采用天然气做燃料，或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害物的排放 总量，减轻环保压力；大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，因此不但减少了 高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树木的砍伐， 有利于环保； 3 能源利用的多样性分布式发电可利用多种能源，如洁净能源( 天然气) 、新能源( 氢) 和 可再生能源( 风能和太阳能等) ，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能 源危机和能源安全问题的一种很好的途径： 4 调峰作用。夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、 热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供热与供冷的需要，同时也提供了一部分电力，由此可降 低电力峰荷，起到了电力调峰的作用。此外，也部分解决了天然气的峰谷差过大问题，发挥了天然 气与电力的互补作用； 5 安全性和可靠性。当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保 持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性； 6 电力市场问题。分布式发电是一种适应电力市场发展的需要、由多家来办电的良好方式； 7 投资风险。分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免类似大型发电站建设 周期带来的投资风险： 8 边远地区的供电问题。我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电 采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系统( s t a n d - a l o n es y s t e m ) 不失为一种优选 的方法 然而，这些d g 的积极作用在实际中并不能够轻松实现，它要求d g 必须具有很高的运行可靠 性、可以接受调度，而且具有合适的接入位置和容量，此外还需满足其他一些运行限制由于大多 数d g 不是电网公司所有，而且利用太阳能、风能等气候性能源发电本身就具有功率不确定的特点， 所以这些条件很难保证。事实上，由于一些条件常常得不到满足，d g 的接入反而对配电系统造成 诸多不利影响。 2 2 2d g 接入对配电网的影响 当分布式发电与配电网并网运行时，会产生一些问题，主要包括以下几个方面【捌： 1 电能质量问题【2 弘2 9 由于d g 是由用户来控制的，因此根据其自身的需要启动和停运d g ，这可能使配电网的电压 常常发生波动。d g 的频繁起动会使配电网线路上负荷潮流变大，从而加大电压调整的难度，调节 不好会使电压超标。 电力系统为保证电能质量，对配电线路的终端电压有严格的要求，线路的设计、选型都是依据 了这一要求。近年来，电力系统趋向于更高效地利用供电网络，在保证供电质量的前提下，使每条 线路的潮流接近于最大输电能力( 3 0 3 n 7 东南大学硕士学位论文 图2 3d g 对线路电压的影响 图2 3 是一个典型的辐射式配电线路的电压曲线可以看出，d g 接入以前，线路上的电压沿着 远离配变的方向不断下降。为了保证终端用户的电压水平，在实际运行中一般利用调压变压器调节 分接头使电压曲线提升当d g 接入线路以后，线路上的潮流发生改变，电压曲线随之变化。当负 荷非常小时，d g 的输出功率有可能流回到系统侧，在这种情况下，线路上的电压从配变到d g 接 入点不断上升电压增量可以由下式近似表示： a v - ( p r + x q ) v 其中p ，q 是线路上的有功、无功功率，晨、z 是线路的电阻和电抗，y 是额定电压 为了限制d g 对线路过电压的威胁，许多国家和组织对d g 接入容量进行了限制，根据不同的 电压等级和接入方式，对允许接入的d g 最大单机容量制定了详细的要求。大型d g 的接入点应该 选择在配变的低压母线或者直接接入中高压线路，小型的d g 可以直接在馈线接入各国对于d g 接入容量具有类似的要求，表2 1 是一个常见的例子 表2 1 欧盟对d g 接入容量的要求 接入位置允许接入的d g 最大单机容量 4 0 0 v 线路 5 0 k v a 4 0 0 v 母线2 2 5 0 _ i v a 1 1 k v 线路 2 3m 陬 1 1 k v 母线 8m n ，a 1 5 2 0 k v 线路和母线6 5 l om m 6 3 9 0 k v 线路1 0 4 0m v a 根据现行的d g 并网运行规程阱l ，当配电网发生故障时，d g 必须迅速退出配电网以保证配电 网继电保护正确动作，这可能会造成电压在故障后的跌落。图2 4 ( a ) 所示为包含d g 的一简单系统图， 其中r e d o s e r 是自动重合闸装置。正常运行时的馈线电压如图所示 图2 4 ( b ) 是故障切除后的系统图当线路上发生瞬时性故障，自动重合闸装置动作，同时d g 在重合闸闭合前退出运行。由于d g 的退出，线路电压出现降落，其降落程度与d g 的容量大小成 正比 8 第二章分布式发电对配电网系统的影响 abc 囹回国亡 l r 八妄。 u 甩t k | a bc 囵囹囝回 i r r 1r u i ) 故障前的线路电压 泐故障后的线路电压 图z 4 故障前后的线路电压跌落比较 未来的d g 可能大量采用电力电子型电源，电压的调节和控制方式与常规方式会有很大不同( 有 功和无功可分别单独调节，用调节晶闸管的触发角的方式来调无功，且调节速度非常快) ，需要相应 的控制策略和手段与其配合。对于电压骤降，d g 是否有用，取决于它的安装位置、容量大小等， 一般而言，d g 对其安装母线处的电压骤降可能有助，对远方的电压骤降可能无助当d g 切换成 孤岛方式运行时，如储能元件或其能量太小，就易使用户负荷发生电压闪变。此外，电力电子型的 分布式电源易产生谐波，造成谐波污染，造成明显的电压畸变。文献【2 1 中规定了对d g 引入谐波的 限制，如表2 2 所示。 表2 2 瑾e e 对d g 引入谐波的限镧 谐波次数最大含量( 与基波的百分比) 1 1 t h 4 1 1 t ht o 1 7 t h2 1 7 t ht o 2 3 r d1 5 2 3 r dt o 3 5 t ho 6 3 5 t ho rg r e a t e ro 3 谐波总量 5 2 对继电保护的影响 配电网中大量的继电保护装置早已存在，不可能为了新增的d g 而做大量改动，d g 必须与之 配合并适应它，文章第四章和第五章对这个问题作了详细分析。当配电网的继电保护装置具有重合 闸功能时，则当配电网系统故障时，d g 的切除必须早于重合闸的第一次合闸。当d g 的功率注入 电网时，会使原来的继电保护区域缩小，从而影响继电保护装置正常工作。如原配电网继电器不具 备方向敏感性能( 原系统为放射型的，末端无电源，不会产生转移电流而无须具备方向敏感性能) ， 则当其他并联分支故障时，会引起安装有d g 的分支上继电器的误动造成该无故障分支失去主电 源。这些问题将在2 3 节中详细分析 3 短路电流问题 虽然在许多情况下d g 接入配电网侧装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但 当配电系统发生故障时，短路瞬时会有d g 的电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平， 可能使配电网的开关短路电流超标【3 2 1 如图2 5 所示，当配电网发生短路故障时，多个d g 都会提供短路电流。目前配电网的短路电 9 东南大学硕士学位论文 流水平已经接近了开关设备的额定电流。所以故障等级的提高要求电力系统增加投资成本改进开关 设备目前，一些国家规定这笔费用由接入d g 承担，这无疑对d g 的发展是一种阻碍。因此，大 功率d g 接入电网时，必须事先进行电网分析和计算，以确定d g 对配电网短路电流水平的影响程 度。 4 铁磁谐振问题 当d g 通过变压器、电缆线路、开关等与配电网相连时，一旦配电网发生故障( 如单相对地短 路) 而系统侧开关断开时，d g 侧开关也会断开，假如此时d g 变压器未接负荷，变压器的电抗与 电缆的大电容可能发生铁磁谐振而造成过电压，还可能引起大的电磁力，使变压器发出噪声或使变 压器损坏田j 。 如图2 5 0 ) 所示，当配电网发生故障时，通过断开d g 接入点的断路器将d g 与配电网隔离，这 样就留下了d g 、变压器和电缆的开口串连电路由于地下电缆存在较大的对地电容，与变压器的 励磁电感构成串连回路( 图2 5 ( b ) ) ，在参数满足一定条件时，产生串连谐振，造成高电压大电流冲 击。而在实际中，为了保证配电网的保护系统正常运行，d g 可能面临的频繁的投退过程，因而d g 、 变压器和电缆在不断遭受谐振冲击以后容易损坏 在一些国家，为了避免这种谐振的产生，常常要求连接变压器能够始终带一定量的本地负荷以 避免谐振发生的参数条件，防止不必要的冲击 ( | ) d g 、变压器和电缆的开口串连电路 ( b ) 等效电路 图2 5 铁磁谐振示意图 5 可靠性问题1 3 4 , 3 习 有时d g 会对可靠性产生不利的影响，但有时d g 会对可靠性产生有利的作用，要视具体情况 而定，不能一概而论 不利情况为：大系统停电时有些d g 的燃料会中断，或供给d g 辅机的电源会失去，d g 会同 时停运，仍无法提高供电的可靠性d g 与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动作， 反而使可靠性降低不适当的安装地点、容量和连接方式会使配电网可靠性变坏 有利情况：d g 可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加输配电网的输电裕度在适当的d g 1 0 第二章分布式发电对配电网系统的影响 布置和电压的调节性能。特殊设计的d g 可使它在大电力输配电系统发生故障时，i x ；仍能保持运 行这些都有利于提高系统的可靠性水平 6 变压器的连接和接地问题 当d g 采用不同的变压器连接方式与配电网相连时，或其接地方式与配电网的接地方式不配合 时，就会引起配电网侧和d g 侧的故障传递问题，及d g 的三次谐波传递到系统侧的问题，而且， d g 侧继电保护也会检测到系统侧的故障而动作，由此可能引起一系列问题 7 电网效益问题 d g 的接入可能使配电网的某些设备闲置或成为备用如：当d o 运行时，与配电网系统相连 的配电变压器或电缆线路常常因负荷小而轻载，导致配电系统部分设备成为相应的d g 的备用设备， 从而使配电网的成本增加，供电局的效益下降。另外还可能使配电系统负荷预测更加困难 8 配电系统的实时监视、控制和调节问题 原先配电系统的实时监视、控制和调度是由供电部门统一来执行的，由于原配电网是一个无源 的放射型电网，信息的采集、开关的操作、能源的调度等相应比较简单。d g 的接入使这些过程复 杂化，需要增加哪些信息，这些信息是作为监视信息、还是作为控制信息，由谁来执行等，均需要 依据d g 并网规程重新予以审定，并通过具体d g 的并网协议最终确定 9 其他问题 配电网电容器投切应与d g 的励磁调节相配合，否则会出现挣抢调节的现象( 即h u n t i n g 现象) 当配电网故障时，d g 有可能采取解列运行的方式，但解列后再连接时的判同期问题成为减少对配 电网的冲击所必须考虑的重要问题，应有一定的控制策略和手段来给予保证。另外，分布式发电的 市场体系、相应的法律、法规和行业规范等等体制都需要进一步的完善和发展 2 4 , 2 5 3 6 ，3 7 1 2 3 分布式电源接入对配电网保护的影响 分布式电源接入配电网后，配网由单电源、辐射式变为多电源接入并与用户互联的网络结构， 网络的拓扑结构发生了深刻变化，潮流也不再单向地从变电站母线向各负荷，传统保护的故障判断 量不再可靠。本章对分布式电源接入配电网后对继电保护本身以及保护之间的配合协调的影响进行 了分析，着重从对继电保护的选择性、灵敏性和协调性的影响进行了研究 近年来，国内外学者针对分布式发电系统在实际运行中暴露出的诸多问题进行了大量的研究工 作，研究结果表明：d g 接入对配电网保护系统存在多方面的影响，其中最为典型的影响包括以下 几个方面 1 4 - 2 2 1 ； 图2 6 分布式配网结构示意图 东南大学硕士学位论文 2 3 1 对继电保护选择性的影响 图2 6 为分布式电源接入配电网示意图。如图示f 1 故障，d g l 接入之前，应由保护1 动作切除 故障f 1 d g l 接入后，提供反向注入电流，该电流若达到保护3 的动作定值，保护3 将误动作 f 2 故障，d g l 提供助增电流，而保护3 处检测到的电流小于保护动作定值，保护3 将拒动 2 3 2 对继电保护灵敏度的影响 d g 接入配电网对继电保护灵敏度的影响有两种：提高保护的灵敏度和降低保护的灵敏度。保 护灵敏度的提高对故障判定及切除无不利影响，此处不再讨论下面主要讨论降低保护灵敏度的问 题当d g 接入配电线路时，线路保护感知到的故障电流可能会减弱，有效保护区域减小，某些情 况下引起保护拒动。 假设将某d g 接入一条馈线上，并且接入点离配电变压器较近当馈线末端发生故障时，故障 电流来自于配电变压器和d o 如图2 7 所示，图中各阻抗的意义如下： 乙：电力系统和配电变压器的阻抗 乙：d g 和变压器的等效阻抗 乃：母线至d g 接入点之间的阻抗( 表征d g 接入位置) 乙：保护末端至d g 接入点之间的阻抗 砀：线路保护范围内的总阻抗 z _ 圈2 7d g 接入降低馈线保护灵敏度 假设z l - 理矗，z t - 0 - x ) z 硝，当无d g 接入时，馈线保护感知到的故障电流为，l ；d g 接入 的情况下，馈线保护感知到的故障电流为k ，可以通过k1 1 1 的比值反映出d g 接入对保护灵敏度 的影响程度。图2 7 的等效电路如图2 8 所示： 圈2 8 等效电路图 通过电路分析，可以得到： 。丽考 ( 2 - 1 ) 第二章分布式发电对配电网系统的影响 一 i r 。瓦i 两面忑了f 丽 g 国 q t + z j + x z _ 讧i + q 一砖z d l z t 、 j 当未接入d g 时馈线保护感知到的故障电流为： 卜者 ( 2 - 3 ) 从式p 2 ) 可以看出k 1 1 的比值小于1 ，这说明由于d g 的接入使保护所检测到的故障电流有 所降低，降低了馈线保护的灵敏性 z - 、z f 存在于k 的表达式弘2 ) 中，其中z 表示着d g 的等效阻抗，它代表着d g 的容量，并 与d g 的容量大小成反比，z ，表示着d g 的接入位置。因此，从式( 2 1 ) 可以看出d g 的容量和接入 位置的改变都将影响i i 的大小当z 暑为常数时，式中的分母是关于x 的一元二次方程，其中 0 j 0 7 即某出线发生不对称故障时，流过该线的综合电流幅值大于流过其它任一条出线的综合电流幅值。 上式即可作为综合电流判断法确定故障方向的依据 上述所使用的电流量均为相量，不仅包括幅值还包括相位，在采集传输这些值时将占用较多系 统资源，为此可考虑仅采用电流幅值来简化信息传输量 圈3 4 幅值比较相量图 根据电路的叠加定理，将馈线1 上所接入的d g 等效为一个d g 源，对于接入d g 的配电网来 说，一般d g 与系统的功角差很小，即或与宣、夹角很小，可以忽略不计，的相角瓯主要与 线路阻抗角有关，而，z ，的相角哦主要与d g 阻抗角有关对于架空线路来说，磊一般在7 0 。8 5 1 9 东南大学硕士学位论文 。之间；对于电缆线路，色一般在4 0 。6 5 。之间嘎的角度与d g 的容量大小有关，一般在 。8 5 。之闯可见，对于电缆线路来讲，z ，与毛l 的相位差一般在2 0 。左右，最大可能在4 0 左右。 各d g 出口处的故障电流向量一般很接近，他们都与系统有一个相对较大的相角差( 1 4 0 。 1 6 0 。) 。于是对于图3 3 所示的故障f 1 发生时，故障电流综合量图如图3 4 ， 根据三角形余弦定理， k ：f l 毛。+ 是，l 一i j 三。1 2 + i j z ，1 2 + 2 i 。0 磊