（电力系统及其自动化专业论文）含微网配电系统的继电保护问题研究.pdf

山东大学硕士学位论文 序检测故障的算法，通过层次化的比较，可以方便、明确地确定出故障的位置， 进而在不影响其他设备正常运行的情况下，快速、灵敏、有选择性地将故障设备 可靠切除。 本文提出的保护方案对从机上传的故障方向信息有很大的依赖性，所以对方 向元件的判断结果提出了很高的要求。当发生故障时，分布式电源的存在会对方 向元件判断结果产生一定的影响，严重时可能出现误判。为了保证方向元件判断 结果的准确性，本文通过使用p s c a d e m t d c 仿真软件搭建了不同的仿真模型 并进行了相应的计算分析，结果表明在故障发生后2 0 0 m s 的时间内，方向元件 的判断结果能正确反映故障方向。继电保护要求的动作时间一般要小于这个时 间，因此，方向元件的判断结果完全能满足本方案对故障判断和定位的要求。为 了保证继电保护的快速性，需要构建一种强大的通信系统来保证本方案能够及时 切除故障。鉴于光纤通信传输速度快、不受其他因素干扰的优点，本文采用光纤 通信手段来实现主机与从机之间的信息交互。 关键词：配电系统；分布式发电；纵联保护；p s c a d e m t d c ；光纤通信 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o n ( d g ) t e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da n dt h ed g p e n e t r a t i o nl e v e li sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e ri nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mi nr e c e n t y e a r s t h em a g n i t u d e ，d i r e c t i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti n d i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mh a sc h a n g e dal o td u et ot h ei n t r o d u c t i o no fm u c hm o r ed g a sar e s u l t ，t h et r a d i t i o n a lo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nz o n e sc a n tw o r ke x a c t l y t os a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ft h er e l a yp r o t e c t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m su n d e rah i g hd g p e n e t r a t i o nl e v e l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e ws c h e m et or e s o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m s o ft h er e l a yp r o t e c t i o n t h en e wp r o t e c t i o ns c h e m ei sb a s e do nl o n g i t u d i n a l c o m p a r i s o np r i n c i p l e w i t ht h ef o u n d a t i o no fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e w s c h e m ei sak i n do fs u b s t a t i o na r e al o n g i t u d i n a lp r o t e c t i o nw i t hm a s t e r - s l a v es t r u c t u r e ， f o rt h ep u r p o s eo fp r o t e c t i n gt h es u b s t a t i o n so ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hm o r ed g a n dt h e i rf e e d e r s t h i sp a p e rw i l lb u i l ds o m ed i f f e r e n tm o d e l so ft h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r kb yu s i n gt h ep s c a d e m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a sar e s u l t ，t h ee f f e c t i v e t i m eo fd i r e c t i o nc o m p o n e n t sc a nb ev e r i f i e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e da c o m m u n i c a t i o np r o g r a mt os a t i s f yt h ep r o t e c t i o ns c h e m e b e c a u s et h ed gi sc o n n e c t e dw i t ht h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h et r a d i t i o n a l s i n g l e s u p p l yr a d i a ln e t w o r kb e c o m e sam u l t i - s o u r c en e t w o r k t h ed i s t r i b u t i o no ft h e n o r m a lp o w e rf l o ww i l lb ea f f e c t e d a n dt h ea m p e r a g e 、d i r e c t i o n 、a n dd i s t r i b u t i o no f s h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti nt h ee x i s t i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i l la l s oc h a n g e a sar e s u l t ， t h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i l lb e c o m eu n a c c e p t a b l e a f t e r t h ed gi n t e r c o n n e c t i o n ，t h ei m p a c to ft h er e l a yp r o t e c t i o ni sm a i n l ym a n i f e s t e di nt h e f o l l o w i n ga r e a s ：( 1 ) t h es e n s i t i v i t yo ft h el i n ep r o t e c t i o ni sp l a y e dd o w na n de v e n t r i pf a i l u r e ( 2 ) t h el i n ep r o t e c t i o nh a p p e n sm a l f u n c t i o n ( 3 ) t h ei n s t a n t a n e o u s o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o no ft h en e i g h b o rl i n eo c c u r sm a l f u n c t i o nt ol o s et h es e n s i t i v i t y ( 4 ) d g m a ym a k et h er e c l o s u r eu n s u c c e s s f u l a l t h o u g hs o m ei m p r o v e dp r o t e c t i o n s c h e m e sf o rt h ed gh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，m a n ys c h e m e sc a no n l yi m p r o v es o m e a s p e c t so ft h et r a d i t i o n a lr e l a yp r o t e c t i o n ，a n dt h e yh a v eal o to fl i m i t a t i o n s u n d e rt h e i i i 山东大学硬士学位论文 l o wd gp e n e t r a t i o nl e v e l ，m a n yo ft h e mc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e l a y p r o t e c t i o n u n d e rh i g hd gp e n e t r a t i o nl e v e l ，t h ea d v a n t a g e so fd gc a nb ef u l l ys h o w na n di t w i l lb et h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ep o w e rg r i d s t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w p i l o tp r o t e c t i o ns c h e m et os o l v et h ep r o b l e mw i t hd gc o n n e c t e du n d e rh i g hd g p e n e t r a t i o n l e v e l d i f f e r e n tf r o mt h e t r a d i t i o n a l ”p e e r - t o p e e r ”l o n g i t u d i n a l c o m p a r i s o np r o t e c t i o n ，t h en e ws c h e m ei n t r o d u c e sam a s t e r s l a v e s t r u c t u r e t h e k e r n e lo ft h en e ws c h e m ei st h a tas t a t i o n 1 e v e lm a s t e rp r o t e c t i o nd e v i c e ( m p d ) i s e q u i p p e da tt h ep r o t e c t e dd i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o na n ds e v e r a lf i e l ds l a v ep r o t e c t i o n u n i t s ( s p u ) a r ei n s t a l l e da tt h ep o s i t i o n o fd i f f e r e n tc i r c u i tb r e a k e r s t h em p d c o m m u n i c a t e sw i t ht h es p ut h r o u g hc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k e a c hs p uh a sa d i r e c t i o n a lr e l a yi n s i d ei t ，w h i c hm e a s u r e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n to fi t sp o s i t i o na n d d e t e r m i n e st h ef a u l td i r e c t i o n t h ef a u l td i r e c t i o nm e s s a g ew i l lb es e n tt ot h em p d w h e naq u e r yc o m m a n di sr e c e i v e db yt h es p u t h em p dp r o c e s s e st h ea l lo f m e s s a g e sf r o md i f f e r e n ts p ua n dd e c i d e st h ef a u l ts e c t i o nu s i n gaf a u l t l o c a t i o n a l g o r i t h mt ot r i p c o r r e l a t i v eb r e a k e r t h ep r o t e c t i o ns c h e m ei saf a u l td e t e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h eh i e r a r c h i c a lo r d e r t h r o u g ht h eh i e r a r c h i c a lc o m p a r i s o n ，i tc a n e a s i l ya n dc l e a r l yi d e n t i f yt h el o c a t i o no ff a u l t ，a n dt h ef a i l u r ee q u i p m e n tw i l lb e r a p i d l y , s e n s i t i v e l y ，s e l e c t i v e l ya n dr e l i a b l yr e m o v e dw i t h o u ta f f e c t i n gt h en o r m a l o p e r a t i o no fo t h e re q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r , t h ed i r e c t i o ni n f o r m a t i o no ff a u l tf r o mt h es l a v ei sv e r yi m p o r t a n t f o rt h ep r o t e c t i o ns c h e m e ，s ot h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t sf r o mt h ef a u l td i r e c t i o n e l e m e n t si ss t r i c t l yd e m a n d e d w h e nf a u l th a p p e n e d ，t h er e s u l t so ff a u l td i r e c t i o n f r o mt h ef a u l td i r e c t i o ne l e m e n t sm a yb ei m p a c t e db yd ga n ds o m e t i m e sm i s j u d g e m a ya r i s e i no r d e rt o e n s u r et h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t sf r o mt h ef a u l td i r e c t i o n e l e m e n t s ，t h i sp a p e rw i l lb u i l ds o m ed i f f e r e n tm o d e l so f t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kb y u s i n gt h ep s c a d e m t d cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a sar e s u l t ，t h er e s u l t so ft h e d i r e c t i o nc o m p o n e n t sc a l lr e f l e c tc o r r e c t l yf a u l td i r e c t i o nw i t h i n2 0 0 m sa f t e r f a u l t b e c a u s et h er e q u i r e dt i m eo ft h er e l a ya c t i o ni sal i t t l el e s s ，t h er e s u l t sf r o mt h e d i r e c t i o no fc o m p o n e n t sc a ne n s u r et h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e i no r d e rt oe n s u r e t v 山东大学硕士学位论文 t h es p e e do fr e l a y , ap o w e r f u lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lb en e e dt or e m o v a lt h e f a u l tt i m e l y i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o ns p e e da n df r e ef r o m i n t e r f e r e n c ew i t ho t h e rf a c t o r so ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，t h ei n f o r m a t i o n b e t w e e nt h em a s t e ra n ds l a v ep r o t e c t i o nd e v i c ew i l lb ee x c h a n g e db yt h eo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o ni nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ；d i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o n ( d g ) ；l o n g i t u d i n a l p r o t e c t i o n ；p s c a d e m t d c ；o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：移 7 以 7 舌 ， - e t 期：盈：! 兰：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：砬导师签名：论文作者签名：丝垒 导师签名： j 日期：鲨z ：竺：! 山东大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 能源是人类赖以生存和发展的基础。在我国经济和社会快速发展的过程中， 能源需求增长与能源紧缺之间的矛盾目益突出，能源利用与环境保护之间的矛盾 日益尖锐。电力作为最清洁便利的终端能源形式，是国民经济的命脉。电力生产 的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能 的过程。传统的一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭。提高能源利用效率， 开发新能源，加强可再生能源的利用日益受到世界各国的普遍关注。分布发电供 能( 简称：d g ) 就是利用各种分散存在的能源，包括再生能源( 太阳能、地热 能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等) 和本地可方便获取的化石类燃 料( 主要指天然气) 进行发电供能，是分布式能源最清洁有效的利用方式。 采用分布式发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源发 展“绿色电力”，对于我国实施可持续发展的战略具有重大现实意义。随着世界 各国在相关领域投资的不断加大，分布式发电供能技术得到了迅速发展，其发电 成本已越来越低，尤其是风力发电、太阳能发电和采用燃气机组的冷、热、电联 供( c c h p ) 的经济性几乎可以与传统的发电方式相竞争。分布式发电供能代表 了从工业时代的规模效益向信息时代以效益定规模的生产方式的转变，是解决当 今世界能源短缺和环境污染的重要途径，也是促进电力工业变革的重大契机。大 电网与分布式发电供能系统的结合，被世界能源和电力专家公认为是节省投资、 降低能耗、提高电力系统安全性和灵活性的主要方式，是2 1 世纪电力工业的发 展方向。这对于解决我国能源紧缺、环境污染问题和保障我国能源供给具有重大 意义。 采用分布式发电供能技术，有助于防止大面积停电，提高电网抵御自然灾害 的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。我国的能源资源与需求分布 极不平衡，经济发达的东部不得不依赖西部的能源供应，一旦由于自然灾害或人 为原因导致输送路径阻塞，都会使社会秩序混乱，影响国家的经济和社会稳定， 从而容易造成不可估量的损失。美国2 0 0 3 年8 月1 4 日的大停电以及我国2 0 0 8 年初南部省份的大停电都充分印证了这一点n3 。因此单纯地将供电的安全性依赖 山东大学硬士学位论文 于传统的大型电厂供能形式，通过提高输电系统或铁路运输系统的设计标准，加 强电厂和电网建设来保证电力系统的安全都是不现实的，都无法应对如2 0 0 8 年 初南方雪灾这样的极端事件。人们逐渐认识到，采用集中发电、远距离输电和形 成跨区域互联的传统大电网的发展模式，在给资源分布不平衡的国家或地区带来 资源共享的便利同时，也存在控制复杂、事故容易连锁扩散及由此导致的大停电 影响范围广、损失严重等问题。分布式发电供能系统由于采用就地能源，可以实 现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在灾难性事件发生导致大电网解裂 的情况下，可以实现对重要基础负荷紧急供电，从而有效减小大电网停电所造成 的经济和社会损失。因此，研究先进的分布式发电供能系统与传统大电网系统的 配合问题变得十分迫切，这是事关电力安全乃至国家能源安全的战略性问题。 为了充分发挥分布式发电供能系统的作用解决分布式电源接入大电网的安 全可靠性问题，代替将单个分布式电源直接接入系统一种被广泛接受的更为科 学的方式是将分却式发电供能系统组成微网( m i c r og r l d ) 接入到系统中。如图 1 - 1 所示，微网是指由分布式电源、储能装置、用电负荷和相关监控、保护装置 汇集而成的自治发配电于系统，它既可以并网运行，也可以独立运行”。 非重耍负荷 图1 - 1 微网的结构示意图 分布式发电供能微网系统是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系 统，既可以与主系统并网运行，也可以孤立运行。通过在用户侧安装分布式电源， 形成微网结构，对消除输配电瓶颈、减少网络损耗、延缓对新建或扩建发输电系 统的投资等都具有重要作用尤其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，可以维持重要用户的供电。为了在太电网崩溃条件下 山东大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i 宣i i i i i i i i i i 能够提供电源，传统的可行方法是为重要负荷配置备用电源，这些备用电源只在 供电系统发生紧急停电的情况下才启动投入运行。而更先进、有效的方案则是配 置持续在线运行的分布式电源并形成微网结构。鉴于微网技术的潜在优势，分布 式发电供能系统通常组织成一个或多个微网运行的结构形式，微网技术己成为分 布式发电供能系统集成的技术核心，也是未来分布式电源运行的主要模式之一。 未来的配电系统中将包含许多微网子系统，如何保障分布式发电微网系统与电力 系统主网的安全并网运行就显得尤为重要。 尽管分布式发电具有很大的实用价值和经济价值，但是将其与配电网并网运 行时，它会对配电网的电能质量、继电保护、电能效益等方面产生很大的影响。 其中，对配网继电保护的影响显得尤为突出，在某些情况下，d g 的并网运行有 可能危害整个配电网的安全运行。微网概念出现前，由于d g 容量占系统总容量 的比例很小，一旦系统发生故障，立刻将所有d g 退出运行，这样对原有的配网 保护方案不会造成影响；但是这样不利于充分发挥d g 的发电能力和紧急备用功 能。随着d g 在电力系统中所占比重越来越高以及微网技术的出现，人们开始关 注如何充分利用d g 的供电能力，因此故障时不再直接将所有d g 退出运行，而是 允许d g 带一部分负荷继续运行。然而d g 接入配网后，将传统的单电源辐射网络 变成了多电源复杂网络，从而改变了原有网络中短路电流的大小和流向；此外， 部分分布式电源在配电网中的角色会随着自然环境的状况而发生改变，例如，太 阳能电源在晴天阳光充足时，可以将富裕的电能上传给配电网，而在阴天时需要 从配电网中汲取电能来保证负荷正常用电。因此接入分布式电源后，配网的运行 方式变得复杂多变，原有的阶段式电流保护的整定配合将十分困难，甚至根本无 法按照规程要求进行整定，无法起到应有的保护作用，对电网存在着极大的危害。 分布式电源接入电网后，当发生短路故障时，由于其助增作用，会减小流过保护 装置的故障电流，影响继电保护的灵敏性；而且在相邻线路发生故障时，有可能 引起没有安装方向元件的保护装置误动，失去选择性n 3 q 引。此外由于分布式电源 的存在，可能对故障点持续提供短路电流，将瞬时故障发展成永久性故障，从而 造成重合闸失败，延长了停电时间。因此，如果想充分发挥分布式发电的优势， 就必须针对分布式电源的各种特点提出一种有效的继电保护方案来保证含微网 的配电系统在各种情况下都能安全地运行。当微网并网运行发生故障时，要求该 方案能够迅速、有选择地切除故障，尽可能地缩小停电范围，保障电网继续安全 山东大学硕士学位论文 i i li i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 有效地供电运行。 1 2 国内外研究现状 在能源需求与环境保护的双重压力下，国际能源界己将更多的目光投向了既 可提高传统能源的利用效率又能充分利用各种分散的可再生能源的分布式发电 供能系统上。然而，各国在对微网的研究上更多地侧重于并网设备和控制方法的 研究，尽管也提出了一些针对微网与配电网并网运行时发生短路故障的继电保护 方案， 但是每种方案都有一定的局限性，并不能满足所有短路故障的继电保护 要求。 目前己提出的保护方案可分为两种：一是对配网中采用的传统电流保护方案 进行改进，以达到减少故障切除时间、增加保护灵敏性和适应性、提高馈线电能 质量的目的，在一定程度上满足d g 引入的要求。二是将输电线路中成熟的保护 原理、方案应用于配电系统中，如距离保护、纵联保护等。国内外在这方面已经 进行了一定的研究，提出了一些新思路和新方案。 1 改进的电流保护 传统的电流保护无法满足包含微网的配电系统对保护的特殊要求，改进后的 电流保护有望在一定程度上使得d g 与原有的保护系统配合并与之适应，避免因 新增的d g 而需对已经存在的继电保护装置做出较大改动。文献 4 分析了d g 容量以及接入位置对保护装置间配合的影响，在此基础上，文献 5 ，6 ，7 ，8 ， 9 针对不同的影响采取了不同的改进措施。文献 5 通过短路分析，根据故障发 生位置的不同，并计及飞轮提供的故障电流，对含微网的简单配电网各级电流保 护进行了整定。文献 6 提出一种能在故障过程中保持大部分d g 的运行，但同 时保证传统的过流保护不失去作用的方案。很多配网结构为保证供电可靠性都是 环网结构，但是正常情况下分段开关处于断开状态解环成辐射网络运行，该方案 将配电网恢复为坏网，d g 需同时接到两条馈线上，当发生故障时分段开关断开， d g 从故障线路退出，通过另一条线路继续供电。而故障线路在d g 都退出后传 统的过流保护就不再受影响。该方案切除故障的时间较长，可能会影响系统的动 态特性。文献 7 提出为防止相邻馈线发生故障，本线路电流保护感受到d g 提 供的反方向故障电流引起误动的情况，将某些馈线保护装置改为方向性电流保 4 山东大学硕士学位论文 护。而哪些线路的保护装置需要加装方向判别元件取决于最小故障电流的幅值和 保护流过的反向故障电流的幅值。而反向故障电流的幅值取决于分布式电源的容 量，因此对于分布式电源容量经常发生改变的情况，该方案并不能总是有效。针 对分布式电源下游线路发生故障时，d g 上游的保护装置感受到的故障电流由于 d g 的助增作用而减小导致灵敏度降低，严重时甚至会缓动或拒动，使得故障切 除时间增加的情况，文献 7 ，8 提出的解决方案是将速断保护、定时限电流保护 和反时限电流保护配合使用，三种保护相互协调能够大大减少故障切除时间。当 接入配电网中的d g 容量增加时，对故障电流的助增作用会越来越大，仍会对上 述的三种电流保护配合产生很大的影响，严重时可造成该方案失败。文献 9 提 出在包含d g 的环网结构中使用t c m 法，即时间配合法。由前面的分析可知， 对于复杂网络，通过传统的配合方法要找到保护的定值很困难，而t c m 法则是 主要通过时限上的配合：故障时所有保护都会动作，但通过故障电流大的保护将 会先动作，如果故障未被切除，故障电流会重新进行分配，导致剩下的保护装置 将会感受到故障电流幅值的变化从而使其动作时间发生变化，以此类推直至故障 切除。t c m 法就是在这个过程中找到故障切除时间短供电可靠性高的保护配合 的最优方案。然而，该方案在某些情况下会增加故障切除时间，无法满足继电保 护要求。文献 1 0 提出在分布式电源的并网线上串联电抗器来减小分布式电源的 助增电流来保证原有的电流阶段式保护正常工作。当电网正常运行时，由于负荷 电流相对较小，电抗器不会产生较大的电压降而损害电网的电压质量；当系统发 生短路故障时，电抗器可以将短路电流限制在设定值以下，从而减小对流过保护 装置的故障电流的影响。然而，这种改进措施存在着很大的局限性，只适用于分 布式电源比较少的情况。当分布式电源接入电网的数量增加时，考虑到各个分布 式电源的相互影响，很难确定引入分布式电源的串联电抗的阻抗值。文献 1 1 提出了基于电流对称分量检测的保护策略，以超过一定阈值的零序电流和负序电 流分量作为主保护的启动值，将传统的过电流保护与之结合可取得良好的效果。 而当配网发生三相短路时，保护处检测不到零序和负序电流，则无法启动主保护， 只能靠传统的过电流保护来切断故障。由于d g 的引入对传统的电流式保护产生 很大影响，因此在发生三相短路时该方案并不能取得理想的效果。 以上方案都是在配网原有的保护基础上进行改造，不需要研究全新的保护原 山东大学硕士学位论文 理，也不需要对配网结构重新进行规划和建设，但存在着一定的局限性，如电流 保护的整定配合十分困难，甚至是根本无法协调；并且只能有针对性地解决某些 问题，无法在d g 高渗透率的配电系统内广泛使用。 2 距离保护 众所周知，距离保护相对于电流保护性能更加完善，可以满足更高电压等级 的复杂网络快速、有选择性地切除故障元件的要求。此外，距离保护受系统运行 方式影响较小，且其i 、i i 段的测量元件都具有明确的方向性，因此可以考虑将 距离保护原理应用到含分布式电源的电压等级比较低的配电网中。但是也要考虑 到距离保护会受到分布式电源提供的故障电流的影响，同时短路点过渡电阻也会 对距离保护产生较大影响。文献 1 2 针对具体的含d g 的l l k v 配网系统探讨了 距离保护方案的可行性以及d g 对该保护的影响。 图1 2包含分布式电源的配电网 如图1 - 2 所示，p 1 、p 2 为保护安装处。在距离保护中，测量阻抗通常用z 脚 表示，它被定义为保护安装处测量电压。与测量电流l 之比，即z m = u m i m 。 当f 1 处发生故障，引入d g 前后，p 1 感受到的故障电流均只由系统侧提供，p 1 处的故障电流就是其测量电流，因此保护的动作行为不受d g 影响。当f 2 处发 生故障，d g 引入之前，故障点的短路电流只由系统提供；d g 引入之后，d g 和 系统都会对故障点提供短路电流，但保护p 1 只能感受到系统提供的短路电流， 此时p l 处的测量电流小于故障电流，因而使得测量阻抗z ，不能准确反应出故障 位置，可能造成保护拒动。当f 3 处发生故障，通过计算可以发现p 2 的测量阻 抗z 。保持不变，不影响距离保护的正常动作。因此，只有在f 2 处发生故障时， d g 会对p 1 产生较大的影响。所以，尽管距离保护不受运行方式的影响且具有 方向性，但是在接入分布式电源后，并不能对所有短路故障做出正确反应，严重 6 山东大学硬士学位论文 i i i i imt i i i i i i i i i i 宣 时容易引起保护拒动。同时，短路点过渡电阻也会对距离保护产生较大影响。 3 自适应保护方案 2 0 0 4 年，由b r a h m a 提出了一种基于g p s 的自适应保护方案j 引。如图1 3 所示，该方案将系统分为几个区域( z 1 q 6 ) ，以断路器相互连接。主保护安装 在主电源一侧，借助计算机来存储和分析数据，且能和断路器及d g 的保护装置 进行通信。主保护负责在线识别故障、判断故障类型和区段、向相应的断路器发 出跳闸信号用以隔离故障区段并将故障区域内的所有d g 跳开，网络中的其他区 域继续正常运行。举例说明，当z 1 内部发生故障时，主保护将向断路器b 1 2 发出跳闸信号，同时将z l 内部的所有分布式电源跳开：当z 5 内部发生故障时， b 2 5 ，b 3 5 ，b 4 5 和b 5 6 都将收到跳闸信号，然后跳开z 5 区域内的所有d g 。 图l 一3由断路器连接的配电网络 该方案能够有效地将故障从配电网中隔离开来，但是此后要跳开故障区域内 的所有分布式电源，这样就发挥不出分布式电源的独特优势。该方案提出的自适 应保护的思想是：使保护尽可能地适应系统变化，改善保护性能，并且上述方案 能够克服接入配网的d g 对传统保护的影响，无需保护装置间进行定值和时限上 的配合。但是该方案需要大量的硬件投入，而配电系统量大、点多、面广，投资 不宜过大、安装维护不宜过于复杂，因此该方案还有待于改进，要想大规模实用 化应用还有很多工作要做。更重要的是，该方案将故障线路变成故障区域，通过 人为地扩大故障范围来隔离故障，从而不能满足继电保护的选择性和供电的经济 性。 微网内的保护需要适用于并网运行和独立运行两种情况，传统基于本地电气 量信息的保护很难实现这一功能。有的学者提出结合微网接入系统的具体情况， 研究运用通信手段实现纵联保护或基于多点信息的集成式保护的原理和方法。采 7 山东大学硕士学位论文 用纵联保护作为包含微网的配电系统的主保护，以距离保护、电流保护等作为后 备保护，这将是未来研究的方向盯1 。当前，智能电子装置( 1 e d ) 、分布式人工智 能( d a i ) 技术、多a g e n t 系统( m a s ) 以及通信技术发展迅速，在此基础上研究、 探讨纵联保护、网络化保护等方案，有望找到理想的保护、控制新原理和方案。 文献 1 6 ，1 7 都提出了基于多a g e n t 的保护方案，能够充分利用计算机智能作用 和电力系统固有的分布性来构筑保护系统，多a g e n t 系统在组织结构上是分层的， 在控制上是分布的。传统保护方案仅依靠采集保护安装处的电气量而无法了解系 统其他的运行状态信息，这样保护装置之间的定值整定及配合都相当繁琐；而保 护a g e n t 不仅能反应保护安装处的信息，而且通过和其他保护子系统的通信和交 互，可以共享整个系统故障信息和数据，各保护a g e n t 在分析这些信息和数据的 基础上协调动作，使得保护子系统对于故障位置的判断和故障距离的检测更为准 确。 配电系统的故障一般不会引起大系统之问的失稳、大面积停电等恶性事故， 所以对保护动作时间等方面的性能要求要比输电系统低一些。此外，配网硬件设 施的改造投资不宜过大，宜采用简单、可靠的保护原理。因此，可以根据上述特 点，提出一种切实有效的继电保护方案来解决微网并网运行的继电保护问题显得 尤为重要。 1 3 本文所做的主要工作 目前，世界上很多国家已经认识到分布式发电技术的优越性，正对分布式发 电的相关问题进行积极的研究，并取得了一定的成果。然而，很多研究只是针对 于分布式电源并网后对配网电能质量方面的探讨，而对配电网继电保护方面缺少 深入的研究。本文针对上述问题，主要做了以下工作： ( 1 ) 系统地分析d g 接入配电网后，在不同地点发生短路故障时，对配电 网原有的继电保护的影响。 ( 2 ) 提出一种新型的继电保护方案“一主多从”的主从式区域纵联比 较的保护方案，分析了该方案在解决含微网的配电网继电保护问题的特点，研究 了不同网络结构、不同运行方式下的故障检测与定位算法，提出了一种不受d g 容量和并网位置影响的故障方向检测元件。 山东大学硬士学位论文 i - - 一 一 i il i - - i _i l i i i i i i ( 3 ) 利用p s c a d e m t d c 的系统仿真软件，搭建含d g 的配电网模型进 行仿真分析，对多种系统结构的各种故障类型进行仿真，分析了不同网络结构和 运行方式下包含d g 的配网系统的特点，同时验证了故障方向检测元件的有效 性。 ( 4 ) 选用光纤通信作为通信手段，基于光端机和单模光纤构建快速、可靠 的通信系统，讨论了不同的通信组网方式和通信策略。 ( 5 ) 总结已做工作中的不足，提出进一步实现该新型继电保护方案的改进 措施和方法。 9 山东大学硬士学位论文 第二章d g 并网对配网系统继电保护的影响 2 1 分布式发电概述 随着地球资源的r 渐枯竭和人们环保意识的普遍加强，世界各国都对一次能 源、可再生能源的充分利用给予了高度的重视，促使了一种新兴的高效、环保的 发电技术一分布式发电( d g ) 飞速发展。分布式发电就是利用各种可用的分散 存在的能源，包括可再生能源( 太阳能、地热能、生物质能、小型风能、小型水 能、波浪能等) 和本地可方便获取的化石类燃料( 主要指天然气) 进行发电供能， 是分布式能源最清洁有效的利用方式。分柿式发电技术和储能技术合称为“分布 式电源”。目前，对这一新的发电形式的正式称谓还不统一。在英属国家，习惯 叫做“嵌入式发电”( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ) ；在北美，叫做“分布式发电”( d i s p e r s e d g e n e r a t i o n ) ；在欧洲和亚洲的部分国家，叫做“非集中式发电 ( d e c e n t r a l i z e d g e n e r a t i o n ) 。近年来，分布式发电供能在发达国家得到大力的推广应用。据报道， 2 0 1 0 年之前全世界累计新增发电容量的2 5 3 0 将来自于分布式发电供能系统。 美国能源部提出，到2 0 1 0 年分布式发电将占美国新增发电装机容量的2 0 n p 2 引。 分布式电源的规模一般不大，大约在几十千瓦至几十兆瓦。一般而言，分布 式电源是直接接入配电系统( 3 8 0 v 或1 0 k v 配电系统) 并网运行或采取独立运行的 方式。当d g 与配电网并网运行时，会对配电网的运行产生一定的影响。由于供 电部门通过配电网对用户供电，需保证相当高的可靠性和电能质量，所以往往只 有在d g 对配电网的不利影响基本消除后，供电部门才允许d g 与配电网并网运 行。结合传统电网和分布式发电的优势，将其合理地整合在一起，具体的联网方 案有乜卜2 2 1 ：( 1 ) 将分布式电源输出由直流转换为交流输出，同时要求与交流大电 网保持绝对的同步：( 2 ) 将分布式电源转换为交流输出后，直接给某些特定负荷 供电，从而起到与大电网相互补充的作用：( 3 ) 将分布式电源与交流大电网隔离， 完全成为一个独立的系统。 为了充分发挥分布式发电系统的作用，解决分布式电源接入大电网的安全可 靠性问题，代替将单个分布式电源直接接入系