含分布式电源的配电网保护研究

含分布式电源的配电网保护研究

0分布式电源保护随着环境问题和能源危机的日益突出，新能源及其控制技术的不断发展和完善，配电系统中的分布式发电能力不断增加。分布式电源接入配电系统后,可以更有效地利用清洁能源,减少输配电设备的建设投入,同时可以提高供电可靠性。然而,分布式发电具有和火电厂、水电厂、核电站等传统发电厂不同的发电特点,而且其接入点为原本呈辐射状的配电网络,其接入对原有配电网的运行带来了多方面的影响,其中继电保护是分布式发电接入配电网的重要技术问题。传统配电网一般只有单一电源供电,采用辐射状运行,潮流方向固定,发生故障时短路电流的方向也基本确定,保护方案相对简单,从经济性角度考虑,保护的配置也相对简单。而随着配电网中分布式电源的种类、数量和容量的增加,配电网的拓扑结构会越来越复杂化,网络中潮流的方向不再单一,会随着分布式电源运行方式的切换而发生相应的改变。发生故障时,短路电流的方向也不能确定,给继电保护的整定、运行带来了很多问题,原有的简单保护方案已经不能适应有DG接入的配电网对保护的要求。1更高的单元发电技术分布式发电既可以作为单独单元发电,也可以采用互补的方式,形成更高效、供电质量更高的单元发电,如风光互补、冷热电联产、风电—柴油机互补、光伏—柴油机互补、微型燃气轮机—燃料电池互补等其他互补发电技术。分布式发电接入配电网后,对配电网的继电保护有着多方面的影响。1.1dg作为负荷态运行时对潮流方向的影响传统配电网为单端辐射状网络,潮流方向固定,发生短路时,故障电流方向也可以确定。而DG接入配电网后,会改变配电网原有的拓扑结构,对配电网潮流方向的改变视其运行方式不同而不同。当DG处于离网、向电网送电、从电网吸收电能(储能装置)三种状态时(分别相当于0/S/L),对潮流方向的影响如图1所示。从图1可以看出,DG离网或者并网从电网中吸收能量,作为负荷态运行时,不会影响原配电网的潮流方向;但是在图1(b)中,当DG并网向电网输送能量时,线路AB相当于双端电源供电,当线路AF重载,且DG出力较大时,可能会造成线路AB上潮流的反向,潮流的不定向性会使传统的无方向性电流保护误动。1.2dg接入在l态时dg短路电流随dg同cg其他线路运行时,dg通过合理的方向生长,可引起两大误动当DG并网运行时,无论是S状态(向电网送电)还是L状态(从电网吸收电能),即便配电网潮流方向不变,发生短路时,短路电流值都会受到影响。当DG运行于S态,且配电网潮流方向不变时,如图2所示,若在保护3出口f1处发生短路故障,则DG会提供助增电流,流过保护2、3的短路电流增大,保护3可靠动作,保护2可能误动;若在f2处发生短路故障,DG经线路AB向故障点提供短路电流,流经保护1的反向电流过大有可能引起保护1的误动。当DG运行于L态时(储能装置充电),配电网潮流方向不变,如图3所示,当f1处发生短路故障时,由于DG支路的分流作用,流经保护3的短路电流减小,保护3可能拒动,同时,流向DG支路的充电电流增大,对逆变器的安全性带来一定影响。通过以上分析可以看出,DG的接入使得配电网发生故障时,流经保护的短路电流值发生变化,且这种变化并不是定向的,即随着DG运行状态的不同,以及故障位置的不同,流经保护处故障电流值可能增大,也可能减小。如f1处短路,DG在S态运行时,流经保护2故障电流增大;DG在L态运行时,故障电流减小。这些故障电流值的变化情况还会随着配电网中DG接入数量和种类的增多而变得更加复杂,同时,故障电流变化幅度也会随着DG接入容量的不同而不同。如果配电网仍采用原有保护配置方案,则从保护可靠性的角度考虑,DG的接入条件,包括接入点、接入数量、准入容量等会受到很大限制。1.3同步组合问题对于瞬时性故障,自动重合闸能够迅速恢复供电,提高供电可靠性。在传统配电网结构下,重合闸成功率较高,且不会对系统产生冲击。DG接入配电网后,相应配电线路变为双侧电源供电,重合闸的动作需要考虑两侧保护的时间配合问题和两侧电源的同步问题。在图4中,当f1处发生短路故障时,系统侧保护1可靠动作;在考虑DG继续向负荷C供电的的情况下,断路器4不动作,保护2动作,DG继续向负荷C输出功率。重合闸需要保证系统侧保护1和DG侧保护2都跳闸以后才能重合。此时系统侧保护1检无压重合,重合成功后,DG侧保护2再进行检同期重合闸。但是,如果在故障时保护2拒动,若f1为永久性故障,则当系统侧保护1进行重合时,故障点电弧可能由于DG的维持没有熄灭,在系统电源注入时引起电弧重燃,绝缘击穿,使故障进一步扩大;若f1为瞬时性故障,则在保护跳闸和重合的这段时间,由DG和负荷C形成的网络与系统电源会拉开相角差,而保护1重合并不会检同期,重合时流经保护1的冲击电流可能使保护1再次动作于跳闸,失去对瞬时故障的恢复能力。1.4短路时助增电流的影响除了以上影响之外,DG的接入还会带来一些附加问题,如短路时助增电流问题会影响线路和继电器的热稳定性,必须重新校验,或者对设备进行升级;低频甩负荷时需要考虑DG的供电能力;工作人员因固有操作习惯引起的安全操作问题等。2保护方案的确定由于DG的接入对配电网保护带来的这些影响,传统的配电网电流保护方案已经不能适应新的网络拓扑下对保护选择性、可靠性、灵敏性、速动性的要求。必须对原有的保护方案进行改进,或者引入新的保护配置以满足对保护四性的要求。针对以上DG接入配电网后潮流反向、故障电流值变化、保护灵敏度降低以及重合闸过程中的配合等问题,新的保护方案可以从三个方向来考虑。第一,从经济性的角度,继续沿用原有的保护装置及保护方案,则需要尽量减少或规避DG接入对配电网的影响;第二,鉴于DG接入后,对短路电流值和短路电流方向带来影响,严重影响了电流保护的整定,可以考虑采用其他原理的保护方案,降低或消除短路电流值变化对保护整定的影响;第三,鉴于DG接入位置、运行方式以及容量等的灵活性,固定的保护设计方案可能难以实现对所有运行方式下的保护功能,可以考虑基于良好的通信条件,采集多点信息,完成保护动作判断。上述三个方向的出发点不同,改造成本、实现方法、最终效果也不相同。在具体设计保护方案时,可以针对特定区域配电网的结构、DG接入特点、负荷特性等,有针对性地进行量化分析,考虑保护的分区、分层设计,寻求不同方向之间的平衡点,最终设计出最优的区域配电网保护方案。目前国内外应对DG接入的配电网的保护方案主要有5种,即:(1)配电网故障时退出DG单元;(2)限制配电网中DG的接入位置和接入容量;(3)限制DG接入点故障电流;(4)改变配电网原有保护方案;(5)采用多代理智能保护。2.1dg退出和保护动作时间控制配电网故障时,立即将DG单元从配电网中退出,这样可以保持原有配电网的结构及短路潮流分布情况。如图4中f1故障后,断路器4跳闸,保护和重合闸都可以按照配电网原有的方案整定,待故障消除后,再控制DG并入电网。这种方法对原有保护的改动最小,成本最低。但是主要存在以下问题:在故障发生时,DG单元需要检测到故障之后再退出,这对DG单元的故障检测能力提出了较高的要求;只有在DG退出之后,配电网才恢复原有拓扑,需要DG退出及保护动作时间的准确配合,也会影响保护的速动性。发生故障时,线路电压降低,供电可靠性变差,电力系统本身希望运行于S状态的DG具有一定的低电压穿越能力,提高系统的稳定性。DG在故障时提前退出,不仅会失去这种功能,甚至会加剧系统的不稳定;配电网故障较多为瞬时性故障,若DG在瞬时性故障时频繁的切投,会加剧断路器等设备的老化,也增加了DG重新并网的控制工作量。2.2通过重新整定来保护原有的原权利文献在保证继电保护可靠动作的前提下,分析了DG接入数量、接入位置、组合方式以及线路参数等多个方面对其准入容量的影响。结果表明,在不改变配电网原有保护配置的情况下,DG的准入条件受到很大限制。这种方法也不需要对原有的保护进行改动,但是它对原有保护的支持度相对差一些,即使保护定值经过重新整定,保护的灵敏度、可靠性会受到影响;同时,DG的接入受到很大制约,这违背了在配电网中接入DG的初衷,没有达到原有的利用清洁能源、减少输电投资、提高电网稳定性的目的,基于这一问题,文献提出了选择合适的DG接入点、在配电网关键电流保护处引入电压量,实现电流电压连锁速断保护和故障方向判别等方法,实现提高DG准入容量的目的。这需要对配电网原有保护进行改进,同时,在考虑DG接入后,由于要对不同故障点、不同故障情况下所有的保护重新校验,这一过程较为复杂,工作量较大。2.3fcl的应用在DG接入点引入故障电流限制手段,如故障限流器(FCL),限制故障时DG提供的助增电流。近年来FCL的发展主要有两大类,一类采用功率电子器件,另一类利用具有特殊性质的新材料,其基本原理都是保证FCL在正常负载时呈现低阻抗,在故障时呈现高阻抗以限制故障电流。图5为在DG接入点串联功率电子型FCL的示意图,通过电力电子器件的导通关断控制,可以调节DG的串联阻抗,实现以上目的。而对于通过电力电子变换器接入电网的DG,本身就具有良好的可调控特性,可以通过有效的控制手段,减少故障时DG支路的电流。如采用PQ控制方法接入配电网的储能单元,配电网发生故障时电压降低,若储能输出保持不变,则为了跟踪参考PQ值,该支路向配电网输出的电流会大大增加,如果能够控制储能单元迅速降低其出力,则该DG支路向故障点提供的助增电流会大大减小。故障限流策略既减弱了DG接入对原有配电网保护的影响,又大大减小了对DG接入的限制,是一种相对比较优化的方案。这种方案和故障时退出DG的方法有一定的相似性,因此同样存在故障时DG对系统稳定支持不足的问题。同时为了保证在不同故障位置、DG不同工作状态情况下,都能限制故障电流在保证配电网保护可靠动作的范围内,这对FCL或DG自身变流器的适应能力及调控能力都提出了较高要求,控制操作的实现快慢同样影响保护动作时间的配合。2.4其他保护模块改变原有的电流保护方案,引入低电压启动判据、方向启动判据,或者采用差动保护或故障时负序电流保护等其他原理的用于输电网的保护,保证不论DG在何处接入,接入容量多大,运行方式变化的情况下,保护都能够快速可靠动作。这种方案对原系统的改动较大,且差动保护等用于输电网的保护成本也较高,不太适用于在配电网中大范围使用。同时,固定设置的保护方案也很难全面适应DG在不同运行方式下配电网发生故障的情况。2.5网络中的dgagent在配电网中构建通信网络,引入智能终端采集线路、DG、断路器等单元的模拟量和状态量信息,再将这些信息通过通信网络进行汇集,通过对多点信息的综合分析判断,实现故障的准确定位,并发送指令给相应断路器,切除故障。图6为多代理保护的示意图,智能终端处于整个系统最底层,各个单元可以和临近的智能单元进行信息交互,如线路1、线路2、断路器2之间的信息共享,各个单元获得交互信息后在各自单元内部进行最简单的信息处理;中间层为区域处理单元,需要先结合配电网和通信网络结构,对整个系统保护进行分区,各个区域的终端将各自的信息汇集到区域处理单元,在区域处理单元内部进行更多信息的处理,并下发控制指令到相应终端,设置区域处理单元的目的是为了对信息处理进行分层,避免大量综合信息汇集之后影响处理速度;最上层为中央处理单元,中央处理单元不直接和智能终端通信,它从区域处理单元处获得所需要的信息(经区域处理单元提取),从整个网络的角度进行整体分析调控,是一个全局的控制单元。按照以上结构,多代理系统需要考虑的问题主要有三大方面:“方框”代表的智能终端;“椭圆”代表的信息处理单元;(1)对于底层的智能终端,如线路Agent、断路器Agent和更复杂的DG_Agent,需要从Agent的功能目标出发,分析Agent需要采集的信息,与其他Agent交互的信息,以及可执行的控制指令,根据这些信息设计同类Agent的通用模型。在图6中,如对于线路Agent,需要采集其电流、电压等信息,则这些信息应该是Agent中模拟量信息的属性项;而对于断路器Agent,因为断路器是一个执行机构,其Agent模型中应该包含状态量属性“开关状态”和模拟量属性“开关次数”,而DG_Agent,因为DG单元的复杂性,需要采集和交互的信息也更多,其Agent模型应该有更全面更详细的设计。此外,哪些相邻Agent之间需要进行信息交互、不同交互渠道的并行,也是在终端Agent模型设计中需要考虑的内容。同时,由于Agent单元本身也具有智能性,因此在信息的优先级设置、容错等信息处理方面也要进行考虑。(2)对于信息处理单元,包含区域信息处理单元和中央信息处理单元。区域信息处理单元是一个中间环节,是信息的交汇点,既要和智能终端进行信息交互,也要和中央处理单元进行信息交互。在此基础上,区域信息处理单元的模型设计是比较复杂的,首先需要考虑Agent管理区域的划分,在划分时应该保证一定的冗余和重叠;其次,从智能终端采集到的信息的分类、存储、取用等都需要一个方便灵活的模型支撑;和上层和底层Agent之间的信息传输接口设计,上行、下行信息的区分、信息报文的设计等内容都需要详细考虑。在执行最重要的信息处理过程时,对信息的筛选,保证处理算法的高效性,以及在不同配电网运行状态下信息处理的自适应性,更是保证区域信息处理单元性能的关键指标。中央处理单元不仅是一个多代理保护的分析机构,也应该起到优化网络运行的功能。它能够采集到全网运行状态的全面信息,当网络中DG处于不同运行状态时,需要有较强的拓扑分析能力,对不同运行情况进行分析。DG的优化调度和潮流的合理分配是中央处理单元所要实现的主要目标,为此,它不仅需要系统运行的实时信息,还需要具有一定的预测能力,包括负荷预测、DG出力预测等,这些功能也可以由单独的模块实现,只将信息传输给中央处理单元。此外,中央处理单元的数据库模型设计也是实现以上功能的关键基础。(3)通信系统是多代理保护能够实现的桥梁,通信系统设计的关键问题在于信息的传输方式,如采用直接通信、广播通信模式等;信息的传输速率;多点信息的同步;通信系统搭建成本等。针对这些问题,可以通过多代理系统的整体优化设计来加以考虑,如通过合理安排本地Agent的任务,尽量减少信息的传输;在进行信息传输时,尽量利用状态信息进行传输,相应状态所代表的内容用全局的定义来描述;缩短信息传输的距离,不进行信息的远距离大量传输。通过这些优化设计,也可以减少通信系统的建造成本,提高信息的传输利用效率。通过多代理保护来实现含DG的配电网保护方案和其他方案相比有本质的不同。保护动作的判断不再单纯地只依赖本地采集到的信息,通信网络可以整合用于故障准确定位的各点信息,保护的整定不再受限于单一的标准,大大提高了保护判断的灵活性和准确性。但构建通信网络的成本同样很高,同时在使用这种方法时,对以上所涉及到的一些问题,包括Agent模型设计、信息处理方式、通信网络构建等,都需要进行全面的考虑。最终形成的保护设计方案可以从以下几个方面评估:满足电网对继电保护四性的要求;功能模块的标准化设计,保证不同系统的兼容以及高复用性;良好的可扩展性和自适应性;系统整体构建的经济性。3存在问题及设计方向上述方案中,方案(1)~方案(3)从减少DG接入对配电网影响的角度考虑,对原有保护的改动较少,经济性较好,其中,尤以方案(3)效果相对较好,但三种方案都未能较彻底地解决问题。方案(4)改变保护原理,引入输电网保护到配电网中,需要对原有保护做较大改动,经济性较差,保护效果整体较好,但对DG运行的灵活性也不能做到完全的兼容。方案(5)依靠通信网络,采集多点信息,实现保护的准确判断,可以较好地适应DG接入带来的影响,但成本较高,对算法及通信的依赖性较大。未来配电网保护的发展从整体上应该是基于方案(5),依靠通信网络,实现智能判断。一方面由于DG的多样性和运行方式的灵活性,固定