（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电条件下的广域电流保护研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kc h a n g e sf r o ms i m p l er a d i a ls i n g l e s o u r c es y s t e mt oc o m p l e xm u l t i - s o u r c e o n eb e c a u s e o ft h ei n t r o d u c t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s ( d g ) c o n s e q u e n t l y , i tb r i n g ss u c hn e w p r o b l e m st op r o t e c t i o no ft r a d i t i o n a ld i s t r i b u t i o ns y s t e ma sf a l s et r i p p i n g ，r e d u c t i o no fs e n s i t i v i t y , l o s so f s e l e c t i v i t ya n ds oo n a tp r e s e n t ，t h ep r i n c i p l ep r o p o s e db yi e e es t a n d a r d sf o ri n t e r c o n n e c t i n gd g w i t ht h e n e t w o r kg u a r a n t e e st h es e c u r i t yo ft h es y s t e m ，b u ts a c r i f i c e st h eb e n e f i t so ft h ed go w n e r s ，s i n c ei tb r i n g s n e g a t i v ee f f e c tt ot h ea t t e m p tf o rw i d e n i n ga r e aa n di m p r o v i n gr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m sb r o u g h tb yd qt h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dan o v e ld i s t r i b u t i o ns y s t e m ( d s ) p r o t e c t i o ns c h e m eb a s e do nc u r r e n tp r o t e c t i o n ( c p ) a n dw i d e - a r e ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( w c s ) 1 1 1 em a i np r o t e c t i o ns c h e m e sa r ea sf o l l o w s ： 1 p r o t e c t i o no p e n i n gm e t h o db a s eo nw c sc a l le a s i l yd i s t i n g u i s ht h ef a u l tf e e d e rw i t ho t h e rn o r m a l f e e d e r sb e c a u s eo ft h ea s s u m p t i o nt h a tt h ec a p a c i t yo fd gi sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fd s 2 a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nc u r r e n to ff a u l ta n dn o n f a u l ts e c t i o n , t h ef a u l t i d e n t i f i c a t i o nc o e f f i c i e n ttw a sp r o p o s e dt ol o c a t et h ef a u l ts e c t i o n w h e nt h i sm e t h o di si nf a i l u r e ，c u r r e n t p h a s ec o m p a r i s i o np r o t e c t i o ni su s e dt od ot h ej o ba st h eb a c k u pp r o t e c t i o n t h eo p e r a t i o no ft h ep r o p o s e dp r o t e c t i o ns c h e m ew a sv a l i d a t e dt h r o u g he x t e n s i v es i m u l a t i o n su s i n g m a t l a b n op t sa n dn og p sb a s e dt i m es y n c h r o n i z a t i o nw e r et h eb i g g e s ta d v a n t a g e so ft h ep r o p o s e d p r o t e c t i o ns c h e m e t h es c h e m ep r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o nw i l l n o to n l yi n c r e a s et h eb e n e f i t so f 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 ，b u ta l s oa v o i di t sn e g a t i v ei n f l u e n c e s ，t h u sg u a r a n t e et h ep o w e rs y s t e mm o r e e f f i c i e n ta n dr e l i a b l eo p e r a t i o n 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 u r r e n tp r o t e c t i o n ：w i d e - a r e ap r o t e c t i o n ； f a u l ti d e n t i f i c a t i o nc o e 街c i e n t ；f a u l tl o c a t i o n i l 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： 至盖臼缝 日期：业矿 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：盗壅臼垒建导师签名：研究生签名： 苏每翻彳钞一导师签名： 第一章绪论 1 1 分布式发电的研究背景 第一章绪论 在地球自然资源贫乏以及人口与环境压力剧增的当今社会，人们普遍意识到当前电力资源可持 续发展的必要性。因此，能解决能源生产、经济和环境之间矛盾的高效、清洁的电力成为了世界电 力专家f i j 的研究热点。 另外，在大电网供电的弊端日趋明显的情况下，有必要研究能够解决这些矛盾的新型发电、供 电结构。传统的集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主 要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。然而大型互联电网由于自身的缺陷其单一供电已 不能满足这种要求p j ：( 1 ) 大型互联电力系统中，局部事故容易扩散。( 2 ) 集中式大电网不能灵活 跟踪负荷的变化，效率成本比太低。( 3 ) 大电网的发展不能满足对环保和节能的要求。相对于传统 电网，分布式发电具有如下优势：( 1 ) 具有分散性，能良好跟踪当地的负荷变化。( 2 ) 可以减小风 险分担，缩减大电网故障后的停电区域。( 3 ) 可以减少输电损耗，节约成本。( 4 ) 具有绿色环保特 性。 近年来，能源和环境越来越成为全球关注的热点问题，人们认识到在利用能源满足自身需要的 同时，不能以自然资源的迅速消耗和环境的恶化为代价。相当数量的地方小电厂由于能源利用率低， 环境污染严重等问题逐渐停用。与此同时，世界各国对能源问题达成了普遍的共识，即应该大力推 广可再生能源的使用。分布式发电就是在这种情况下产生的一种新的电力电源技术，它利用可再生 能源进行电力生产，是一种清洁的可持续发展的发电方式。目前，大电网与分布式发电相结合被世 界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方 式，是2 1 世纪电力工业的发展方向1 4 j 。 1 2 分布式发电的简介 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 ，简称d g 。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”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 d g 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 1 0 0 m w 之间。” 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【5 】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【6 】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d x 于1 0 m w l 5 6 ) 、模块化的电能生产或存储技术，仍沿片j 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。 东南大学硕士学位论文 1 3 分布式发电的分类 在不同的研究领域d g 有不同的分类方式【7 1 。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p 1 7 l ：柴( 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。 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1 3 ( 3 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 z d g o r i 末r i l m 。 保护 图3 6 线路保护误动闭锁判据 图3 6 中三条判据是作判断所需的最少条件。若线路特别长或分段特别多等特殊情况时可以利 用其它d g 的故障区间判断功能来增加判断的冗余度，提高判据的可靠性。 针对图3 4 ( a ) 中的网络结构，图3 6 中的第二、三个判据中用到的电流数据具体含义是：末1 3 ( 3 为线路上靠线路末端最近的d g ，因此可能有两个或多个，他( 们) 出口下游的断路器是末r 。因 此这条馈线的保护闭锁判据需要用最少5 个判据来决定故障是否发生在被保护馈线上。 该方案的最大难点在于整定值的准确获取，因为d g 的运行状态变化频繁，加之系统最大最小 运行方式的差距较大，在最大运行方式下的整定值很可能使得电流判据失去判断故障区的能力或能 判断的故障区很小。因此文中采用了保护区交错最大化的方法来弥补这个缺陷。 3 5 仿真实例分析 3 4 节介绍了分布式系统中馈线线路保护闭锁原理，下面通过m a t i a b s i m u l i n k 仿真f 5 l 】，建立 数字仿真模型，通过实际算例分析该原理的实用性。 3 5 1 对m a t l a b s i m u l i n k 的简单介绍 m a t l a b 是一种科学计算软件，适用于工程应用各领域的分析计算，它使用方便，输入简捷， 运用于工程应用各领域的分析计算与复杂计算，它使用方便，输入简捷，运算高效且内容丰富，很 容易由用户自行扩展。因此，当前已经成为许多国家大学教学和科学研究中最常用且必不可少的工 具。 基于m a t l a b 平台的s i m u l i n k 是动态系统仿真领域中最为著名的仿真集成环境之一，它在各 个领域得到广泛的应用。 s i m u l i n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用s i m u l i n k 来建模、分析 和仿真各种动态系统( 包括连续系统、离散系统和混合系统) ，将是一件非常轻松的事情。它提供了 一种图形化的交互环境，只需要用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统的框图模型，甚至不需要 编写一行代码。它和m a t l a b 无缝结合使得用户可以利用m a t l a b 丰富的资源，建立仿真模型， 监控仿真过程，分析仿真结果。另外，s i m u l i n k 在仿真系统领域中得到广泛的承认和应用，许多专 家的仿真系统都支持s i m u l i n k 模型，这非常有利于代码的重用和移植。使用s i m u l i n k 可以方便地进 行控制系统、d s p 系统、通信系统以及其他系统的仿真分析。毫无疑问，s i m u l i n k 具有出色的能力， 因此它在系统仿真领域中有着重要的地位p 引。 3 5 2 系统建模 本文采用1 0 k v 放射状配电网进行算例仿真，系统网络结构如图3 7 ，线路参数、各d g 的参数 和负荷参数如下： 额定电压：i o k v 。 第三章基于广域信息的保护闭锁原理 两条馈线：f e e d i 、f e e d 2 。f e e d l 包括( a ，e ，f ) ，f e e d 2 包括( a ，b ，c ，d ) 。 线路的正序参数为：r 1 ：o 4 5 5 2q k i n ，l i = 0 9 3 3 7 m h k m ，c i - - - 0 0 7 0 7 4 p f ，k m ；线路零序参数为： r o - 0 7 4 0 k m ，l o = 4 1 2 6 4 m h k m ，c o - - o 0 4 7 8 0 f k m ；变压器电抗为：z - r - - = o 5 6 8 5 + j 0 4 0 3 3 5 2 ，电压 等级l1 0 1 0 k v ；线路长度是l = 3k m 。 负荷参数如下： l o a dl ：i = - 2 m w ， q = o 2 m v a r ； l o a d 2 ：p = - 2 m w ， q - - 1 2 5 m v a r ； l o a d 3 ：p - - 0 6 5 m w 。 q = 0 2 4 m v a r ； l o a d 4 ：p = o 5 2 m w ， q = o 21m v a r ； l o a d 5 ：p = 0 4 5 m w ， q ：0 18 m v a r ； l o a d 6 ：p = o 3 5 m w ， q = o 1 4 m v a r ； l o a d 7 ：p = 0 3 6 m w ， q = o 1 4 m v a r 分布式电源参数： d gl ：p - - 0 5 m w ，q = o 2 m v a r ； d g 2 ：p - - 0 5 m w 。q = o 2 m v a r 图3 7 系统网络结构图 建立仿真模型如图3 8 所示，以同步发电机作为分布式电源。 3 5 3 仿真实例分析 图3 8 仿真系统图 仿真模型是最简单的两条馈线模型，其中馈线2 接入了两个d g 。因此，在馈线1 故障时馈线2 原有的保护可能误动。根据系统参数，馈线2 接入d g 后，切司2 5 7 a 。i z d g - - - - 9 1 6 a ，i l m x = 5 0 a 。 2 1 东南大学硕士学位论文 3 5 3 1f e e d l 出口处发生三相短路故障 t s 图3 9f e e d l 出口处三相短路时f e e d 2 保护各监测点电流 故障发生在f e e d l 出口处，f e e d 2 的保护根据保护闭锁原理，由图3 9 可知，t f 时刻故障后，由 保护闭锁判据i r i z l ，i 束d g i z d g ，i 束r i l m 。均不满足，故判断故障未发生在f e e d 2 上，于是将f e e d 2 保护闭锁，t b 0 时f e e d l 保护动作，f e e d 2 恢复正常。 3 5 3 2f e e d 2 线路a b 段中问发生三相短路故障 图3 1 0f e e d 2a b 段中问处三相短路时f e e d 2 保护各监测点电流 故障发生在f e e d 2 上的线路a b 段中间，f e e d 2 的保护根据保护闭锁原理，由图3 1 0 可知，t f 时刻故障后，由保护闭锁判据i r i z l ，i 束d c r i z r x ，i 幕r i l 一中前两个均满足，故判断故障发生在 f e e d 2 上，于是将f e e d 2 保护开放，进行进一步的故障搜索，k 时f e e d 2 保护动作，系统不再供电， d g 带负荷孤岛运行： 第三章基于广域信息的保护闭锁原理 图3 1 1f e e d 2b c 段中间处三相短路时f e e d 2 保护各监测点电流 3 5 3 3f e e d 2 线路b c 段中问发生三相短路故障 故障发生在f e e d 2 上的线路b c 段中间，f e e d 2 的保护根据保护闭锁原理，由图3 1 l 可知，t f 时刻故障后，由保护闭锁判据l r l z l ，i 束r r , i z l x ；，ir | l m 缸中第二项满足，故判断故障发生在f e e d 2 上，于是将f e e d 2 保护开放，进行进一步的故障搜索，t b o 时f e e d 2 保护动作，系统供给部分负荷， 1 3 ( 3 带负荷孤岛运行。 3 6 本章小节 本章主要论述了利用电流量和广域通信完成的故障线路判断，从而避免线路保护误动。本章介 绍了广域保护控制系统的原理与实现，从而提出了分布式发电系统中如何利用广域信息进行保护的 新思路。主要研究了如何在大量的信息中提取所需的重要信息、根据不同的配网结构分析了保护误 动的可能性以及根据不同的电网结构选取需要装设闭锁装置的保护。最后利用选定的特定电流于预 先整定的电流比较，判断故障是否发生在被保护线路上。并在原理上考虑了现实的d g 运行方式的 变化，判据有一定的冗余能力，可以很好的判断保护线路是否发生了故障。文章最后对该判据作了 仿真，证明了方案的可行性。 东南大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章基于广域信息的馈线故障定位原理 上一章提出的保护闭锁原理，解决了d g 接入配网馈线以后，馈线保护误动的问题。而馈线接 入d g 后，导致馈线结构变复杂，馈线变成了多电源线路，如何对多电源的馈线进行保护是需要解 决的问题。要隔离故障必须清楚地知道故障段，且该故障段不能再包含电源点，这就需要完整的故 障定位算法。在设计分布式发电系统的保护时，最关键的要点是配电网比较庞大，对保护系统的改 造需要考虑成本问题，所以要尽量避免使用电压量和精确同步技术等，但这给故障定位带来了很大 的困难。本章在分析了故障电流的特性后，利用故障线路和非故障线路的特征，最后可以通过寻优 过程找到故障区段。 4 2 分布式发电系统保护研究现状 传统的配电系统保护是依据单电源辐射型的配电网来设计的。一旦在馈线接入d g 以后，馈线 潮流不再是辐射状的，这意味着原有保护方案的配合逻辑将失效。当然，他们的配合失效与否与d g 的类型、容量以及接入位置等有关。 目前，对d g 接入条件下的馈线保护方案的研究正处于起步阶段，并没有什么实质性的进展。 究其主原因是新方案的实现必须能很好的节约改造成本。所以，从经济上考虑，在现有的多电源系 统中应用很广泛的功率方向元件或者说对于同步要求极高的相差保护在配电网都不可能应用。 文献【5 2 】分析了d g 接入馈线以后，保护检测到的故障电流将会变化，于是提出在每接入一个 d g 后校验保护的灵敏度。这个方法只能在d g 的注入容量非常小的时候才能奏效。 f oo ( a ) f u s e f u s e 图4 1 熔丝熔丝以及熔丝重合器典型配合图 ( b ) r c c i o s c r - f u s e 文献【3 7 】详细分析了熔断丝的配合问题，对于图4 1 ( a ) ，f 1 和f 2 在上游故障( f l t l ) 和下游故 障( f i t 2 ) 时检测剑的故障电流是相等的。对于f i t 2 要求f 2 先于f l 动作；而对于f l t l ，则要求 f 1 先于f 2 动作。文献 3 7 】和【5 3 】通过配合曲线图证明这种配合逻辑是不可能实现的。文献【5 3 】分析 了现实的配电网中根据d g 的安装位置和容量不同而导致的熔丝误配合问题。然后，文章得出结论， 一般来说，如果要保持保护策略不变，则维持1 3 ( 3 出现后的馈线保护配合关系的唯一方法是一旦馈 第p g 覃基于广域信息的馈线故障定位原理 线出现故障后将d g 与电网断开。但这也以为着一旦发生的是瞬时故障d g 也将与电网断开，大大 降低了供电可靠性。文献【3 7 】和文献【5 4 】都讨论了重合器与熔断丝的配合问题，对于图4 1 ( b ) 中的情 况，文章建议重合器为带方向识别的重合器，并且，为了避免非同期合闸，必须将下游的重合器断 开。d g 的安装其主要目的是能够可靠地给当地负荷供电。如果在馈线上发生任何瞬时性故障都将 d g 断开明显降低了系统的可靠性。因此以上几个方案在现实中是不实际的。 文献【5 5 】提出了一种自适应的保护方案，将配电网用断路器为边界划分成几个功率平衡的区域。 该方案利用的是分散采集断路器和电源点的电流信息，经过通信，最后由集中控制器进行决策保护。 集中控制器可以存储和处理大量的数据并且能够使用从断路器和电源点采集的电流向量来进行故障 区域判断。该方案的主要缺点是需要利用同步的电流向量来做故障区域判断，这种投资是非常昂贵 的。同时，由于一天内负荷与分布式电源的运行容量是变化很大的，因此，找出能够找出负荷与电 源一直平衡的区域是很困难的。 文献【5 6 】提出了一种基于分散式多a g e n t 的故障定位与负荷转移的保护策略。这些保护a g e n t 利用故障后检测到的电流和电压量进行小波变换后得到的谱能量来检测和定位故障。故障检测方法 使用人工神经元网络技术甚至能够检测到高阻故障。故障定位是通过对普能量进行模糊聚类分析来 完成的。整个系统利用了分散信息处理技术，保护a g e n t 协同做出决策。该方案应用多种复杂技术， 协作过程实现困难。 文献【5 7 】和【5 8 】提出了在分布式发电的保护控制系统中，将a g e n t 分为d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r a g e n t , r e l a y a g e n t ，e q u i p m e n t a g e n t 的多种智能体的通信协作系统。基于多a g e n t 系统的广域分布式发电保 护系统如图4 2 所示，它相当于在传统的保护装置基础上增加了网络通信、同步相量测量、广域后备 保护算法等功能构成的智能体，通过网络获取其它a g e n t 的信息进行故障判断和决策。文章阐释了这 些a g e n t 的功能作用，通过r e l a ya g e n t 之间，以及与其他类型的a g e m 之间的协调，最终在理论上给 出了一种解决目前分布式发电系统中不能很好的保证保护的选择性的问题，并且不改变电网一次系 统得格局。文章的提出了多a g e n t 协作模式给分布式保护提供了一种新思路，但其中具体的保护方案 原理还有待进一步完善。 。 逦 逦炮户 d a g ：d ga g e n t r a g ：r e l a ya g e n te a g ：e q u i p m e n ta g e n t - c o m m u n i c a t i o n 图4 2 基于多a g e n t 的分布式保护结构 参考文献 5 9 详细地分析了d g 的不同短路容量在电力系统发生故障时对继电保护灵敏度的影 响程度。研究表明：( 1 ) 若d g 容量在一定范围内。则采用反时限过流保护基本能够解决1 3 3 接入电 网后的保护配合性问题。( 2 ) d g 下游故障时，d g 容量越大，相邻保护的动作时间间隔越小，当d g 容量超过一定值时，相邻保护的动作时间间隔小于o 3 j ，保护可能会误动，这时候传统保护不再适 用。d g 上游故障时，若d g 容量很小，保护会拒动：此外，d g 容量对相邻保护的配合性也有很大 东南大学硕士学位论文 影响。( 3 ) d g 下游故障时，由于d g 故障电流的助增，保护灵敏度提高；d g 上游故障时，由于d g 贡献的故障电流的影响，系统侧的故障电流降低。 文献 6 0 】提出了在d g 出口处接入故障限流器，以保证在故障状态下，传统的继电保护装置可 以按照传统的保护原理正确动作。合理地选取限流阻抗值不仅可以有效地限制1 9 ( 3 助增电流，降低 故障电流大小，而且以此为参数修改得到的保护定值在考虑系统和1 3 ( 3 运行方式变化的前提下，很 好地保证了保护的选择性、灵敏性但是，限流器的整定受多方因素的影响因而整定困难。 4 3d g 接入馈线的方式及其对馈线保护的影响 4 3 1d g 接入方式 d g 接入位置理论上不受任何因素的影响，可以在馈线的任何位置接入。但是考虑到d g 一般 是由用户为了提高自身的用电可靠性而安装的，故一般接在用户负荷接入处。 对与架空线和电缆线路来说，由于这两种馈线形式接入负荷的形式不同，故d g 的接入情况也 可能有所不同。对于架空线来说，负荷比较分散，而电缆线路的负荷比较集中，所以架空线上的d g 接入点相对电缆线路来说更加随意。图4 3 ( a ) ，( b ) 分别为架空线路和电缆线路接入d g 以后的网络 结构。 ( a ) 架空线路 图4 3 典型多d g 接入馈线网络结构图 对于架空线路接入d g 后，对于图4 3 ( a ) 中的f 1 故障，要将故障隔离需要动作的断路器有2 ，3 ， 8 ，这样d g l 就必须在故障发生后退出运行。对于电缆线路接入1 3 ( 3 后，图4 3 ( b ) 中的f 2 故障，同 样需要1 ，2 ，8 动作将故障隔离，但为了能够保证d g i 的持续供电，更好的孤岛运行，可以参照多 电源系统的保护加装5 ，6 ，7 断路器。这样，在f 2 故障时，只需l ，5 动作就可以将故障f 2 隔离， 使故障隔离在最小范围内，同时1 9 ( 3 1 可以仍与电网连接，有利于孤岛的形成与划分，从而为用户提 供持续可靠的供电。 由于目前电缆线路馈线在城市比较主流，文章的算法提出主要是按图4 3 ( b ) 这种保护配置、安 第四章基于广域信息的馈线故障定位原理 装结构提出的。但其原理同样适用于图4 3 ( a ) l 拘l 结构形式，只不过，由于其特殊性，无法再保证故 障区域内的d g 持续并网远行。 4 3 2 传统电流保护在多电源系统故障定位时的缺点 对于图4 3 ( b ) 的典型多d g 馈线网络结构图，由传统电流保护可知，电流幅值对故障段有一定 的判别能力，但是由于幅值的误差原因，它对母线前后发生的故障不具有区分能力。具体来说，针 对三段式电流保护，对于保护2 ，如果故障发生在保护2 的i 段保护区内，保护2 可以确定故障段 为2 ，6 之间。但故障发生在母线b 的附近时，独立依靠保护2 的数据是不能区分的，传统保护是 依靠时限米解决这个问题的。但是在多电源系统中利用时限不可能调整到所有保护能配合【6 1 1 。这就 说明纯粹使用获得的电流幅值与整定值比较来区分段前、段后故障是不可能的。可以证明：即使使 用所有检测点的故障电流幅值与整定值比较仍不可能完成故障段的区分任务，这是使用电流幅值与 整定值比较判据的最大弱点。因此，应用传统的故障电流判断方法只能将故障定位在大概的范围， 无法完成精确的故障段定位。 4 4 基于广域电流幅值的馈线保护原理 由4 3 2 分析可知，利用电流幅值与整定值比较的方式有“致命”的缺点。因此，需要寻找一种 利用电流幅值进行故障定位的新方案。 4 4 1 馈线保护区域划分 图4 4 馈线保护区域划分 为了保护馈线的全线，可以将图4 3 ( b ) 的馈线分为图4 4 所示的若干保护区域。这些保护区域的 边界连接点均有电流测量点，在保护区内故障时可以用边界的断路器将故障隔离在最小范围内。这 里保护区域的划分的原则是能将故障点隔离的最近断路器所包围的区域称为保护区域。 4 4 2 电流向量与幅值误差分析 这里定义所有的电流正方向为母线流向线路。对于图4 4 中的故障f l 来分析电流向量t ，五， 厶，厶的关系和幅值量l ，厶，厶的关系。 故障发生在f 1 处时，系统出口处电流向量与厶的相角关系，如图4 5 ， 东南大学硕士学位论文 u 图4 5 向量与厶的相角关系图 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，即忘与岛l 夹角很小，可以忽略 不计。厶的相角磊主要与线路阻抗角有关，而一厶的相角疋主要与d g 阻抗角有关。对于架空线路 来说，磊一般在7 0 。 - - 8 5 。之间；对于电缆线路，磊一般在4 0 。 - 6 5 。之间。盈的角度与d g 的 容量大小有关，一般在6 0 。 8 5 。之间。可见，对与电缆线路来讲，与一厶的相位差一般在2 0 。左 右，最大可能在4 0 。左右。 用相同的方法可以分析其它接入的d g 注入电流向量，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4 4 所示的故障f l 发生 时，故障电流向量图如图4 6 ， 。 lf 图4 6 故障时电源电流向量图 由图4 6 可知，d g 提供的短路电流相位几乎相同，而与系统侧提供的短路电流的相位有相对较 大的差别。这里记所有d g 提供的短路电流的总和为乇，d g i 提供的短路电流为如，系统提供的 短路电流为丘，则所有电源提供给故障点的短路电流为 lf = i i 七l g 对于乇来说， i 乞i ：l 圭乇l 主乞 ij l li ，= l 对于0 来说， ( 4 1 ) ( 4 - 2 ) 第四章基于广域信息的馈线故障定位原理 当五与乇角度很接近时，故障电流t 的幅值就等于五与厶幅值和，即 ( 4 - 3 ) m + (鼠g万)(4-4) 从以上分析可知，针对馈线故障后成立的向量等式可以导出类似的幅值等式，误差在可估计范 围之内。 4 4 3 基于广域电流幅值的保护原理 对于任何一个保护区域来说，电流基尔霍夫定律( k c l ) 是始终成立的。即对于一个保护区域 来讲，假设其区域内发生故障，区域边界注入电流为t ，其短路电流值为t ，如图4 7 ，则， 图4 7 区域基尔霍夫电流定律图 而对于非故障区域来说，根据k c l 可得， ( 4 - 5 ) t=o(4-6) i = 1 假如确定了被保护馈线发生了故障，则可以依据馈线接入的电源点电流信息来求得故障点的故 障电流0 ，即 打 1 g i + l 。= i f 扛i ( 4 7 ) 式( 4 7 ) 中， g i 为馈线上第i 个电源点注入的短路电流。 由于电流向量的获得需要精确的同步过程，否则，获得的向量是没有意义的。于是，本文试图 从电流幅值着手希望能找出以上公式的近似关系，并最终利用电流幅值形成保护判据。文中以下用， 代替向量j 的幅值i j l 。 由4 4 2 节分析可知，对于故障段，针对式( 4 5 ) ，可得， 0 = 厂1 。硝 东南大学硕士学位论文 这里的k 代表的是故障区域k ，以下不再赘述。 对于非故障段，针对式( 4 6 ) ，可得 l 。2 厶。戤，l 。= m a x l i - i 这里n 代表的是非故障区域r l ，以下也不再叙述。 针对式( 4 7 ) ，可得， i g l + i 、i f 由此可以根据故障段与非故障段的差异来构成判据。定义动作量嵋为 = 卜一喜厶 定义制动量k 为 ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 - 1 0 ) ( 4 1 1 ) 她一船= k 一乇l ( 4 - 1 2 ) l i z l i 对于故障段来说，制动量几乎为零，而动作量一般比较大；对于非故障段来说，动作量几乎为 零，而制动量一般比较大。所以定义第k 个保护区域的故障判定系数瓦为 瓦；粤磐 ( 4 1 4 - 1 3 )，= = 一 ij ， 俎k 印+ k k i k 眦 、 式( 4 - 1 3 ) 中厶m 觚的作用有两个：一是防止分母为零，瓦值无意义；二是可以分别考察动 作量蝇一印与制动量她一船在判据中的作用。 由于式( 4 1 3 ) 的分母反应的是非故障区域的特性，分子反应的是故障区域的特性，他们的共 同作用理论上可以明显地区分故障段与非故障段。该判据的本质是：对于保护区是故障区段，其动 作量为区域内的注入的电流幅值和与其中的最大值厶。脒的两倍的差，对于故障区域来说所有电流都 是注入的，厶皑一般不等于最大值之外的所有电流的和，用概率的观点来看，相等的可能性是极小， 故大多数的情况下，动作量都不为零。而制动量是故障点电流与区域内的注入的电流幅值和的差， 该值由k c l 定律知一般接近于零。所以故障区段的故障判定系数瓦是很小的一个值，至少理论上 是一个不大于1 的值。由式( 4 9 )