多dg接入条件下配电网分布式保护的研究

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1、多 DG 接入条件下配电网分布式保护的研究 张青杰，陆于平，林 霞，王联合，吴新佳 （东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096） 摘 要： 分布式发电条件下的配电网潮流的流向发生了很大的变化， 传统的配电网保护原理已不再适用于分布式发电系统。 本文结合多 DG 接入的配电网部分母线节点可以通过电流量来判断故障方向的特点， 提出了一种具有较强自适应性的故障相关范围划分方法， 保护装置只需得到故障相关范围内故障电流数据即可实现正确动作， 实现了保护的选择性及速动性， 同时还可方便的实现后备保护。为配合保护相关数据的快速传输，借鉴 IEC61850 的 ACSI 通信模型，提出了一种符合 IE

2、C61850 标准的分布式保护通信模式。 关键词：分布式保护；故障相关范围；DG；配电网；IED；IEC61850 0 引言 随 着 可 再 生 能 源 的 推 广 ， 分 布 式 发 电 （Distributed Generation，DG）已成为一种重要的 电力电源形式。大量的 DG 并网使配电网的结构和 运行方式发生了很大的变化，原先的保护控制体系 越来越难以适应。目前，国外现行的 DG 并网运行 规程12大都是考虑了 DG 并网不影响原有的配电 网保护控制系统正常工作的原则提出的，这些规程 虽然最大限度地保证了电力系统的安全性，却在一 定程度上限制甚至破坏了 DG 的正常运行，损害了

3、DG 发电商的利益， 不利于分布式发电技术的发展。 本文主要研究接入多 DG 后配电网的分布式保护原理和为实现分布式保护所进行的智能电子装 置（Intelligence Electronic Device, IED）对故障相关 范围的自适应划分，以及基于 IEC61850 的基本通 信结构模型在分布式保护系统中的应用。DG 接入 前，配电网的电流呈辐射状，为单向流动；但是在 接入多 DG 后的配电网由于受电网的运行方式等因 素的影响，故障电流的流向表现为不确定性。所以 只有通过收集到更多的电流信息才能实现保护的 选择性3，但是对于继电保护而言，接受故障信息 的范围并不是越大越好，这主要基于两方

4、面原因： 一是继电保护的快速性要求使得没有足够的时间 接收和处理大范围的信息；二是故障扰动可能只影 响有限的局部范围，该范围内的故障信息对故障判 断至关重要，而范围外的信息则无关紧要。因此在 结合保护算法的基础上，有必要对故障相关范围的 划定展开研究。为了尽可能接近现有配电网的实际 情况，本文算法中均不使用电压量测量数据。 1 分布式保护的原理 多 DG 接入电网后要实现保护的选择性，要有基金项目：国家自然科学基金项目（50577006） 相应的IED将相对应的故障电流信息及时有效的传 输至保护装置，然后经过保护算法的综合判断后， 由保护装置发出指令跳开相应的断路器来隔离故 障。本文将这样的保

5、护称之为多 DG 接入后的分布 式保护。 借助通信手段，分布式保护系统理论上可以获 得电网上任何测点的电流信息，但在实际应用中应 首先确定出尽可能小的故障相关范围。由于无原则 的信息交换不仅会增加通信系统的压力，还会影响 继电保护的选择性4。故障时负荷电流非常小，所 以本文不考虑故障状态下负荷电流的影响。故障相 关范围可以根据实际电网的运行方式来动态的划 定。下面就分布式保护原理以及故障相关范围的划 分展开论述。 1.1 故障状态下节点分类 本文把 DG 接入点或者母线连接点称为节 点。故障状态下电网的节点类型可以分为 4 类，如 图 1 所示，其中左侧为系统侧，即上游侧。 (a) (b) (

6、c) (d) 图 1 故障状态下节点分类示意图 图 1(a)描述的是故障状态下的汇流点，即有两 路以上故障电流流入的节点；图 1(b)描述的是 DG 接入节点；图 1(c)描述的是电流单向流动的节点； 图 1(d)描述的是两侧都有电源接入的节点，没有电 压量，其故障电流的方向是不易确定的。 1.2 无电压量故障方向判断原理 根据基尔霍夫定律知道：在节点外部故障时有公式： 1. 0lmmI = （1） 其中：m为连接在母线上的线路编号，l为连接在 母线上的线路总数。 对于图 1(a)和图 1(b)描述的两种节点，可以采 用公式（2）和（3）作为故障方向判据。考虑到实 际测量装置的误差以及算法的可

7、靠性，由（1）式 可以得到如下算法来判别故障时母线节点处的故 障方向： 13210|( )( )( ) |nkIkIkIk=+ （2） 13120|( )( )( ) |nkIkIkIk=+ （3） 其中：k代表采样序列的序列号，n代表一个 周波内的采样次数，代表由于测量误差以及负荷 电流等在算法中产生的最大累计误差，这些字母在 本文中均代表上述相应的意义。公式（2）为上游 故障的判据，公式（3）为下游故障的判据。 对于图 1(c)所描述的节点类型，采用公式（4） 11max.00|( ) |( ) |nnloadkkI kKIk= （4） 其中：max.loadI代表最大负荷电流，K代表可靠

8、系数。 因为只有上游侧有电源接入， 所以如果图 1(c) 类型的节点感受到故障电流，即符合公式（4） ，那 么判为下游故障。 图 1(d)描述的节点类型由于上下游均有电源接 入，在没有电压量参与的条件下，受负荷、电网运 行方式等因素的影响，不易判断出故障方向。故这 种类型节点故障发生条件下，不做方向判断。 1.3 分布式保护的工作方式 以图 2 所示的多 DG 接入的简单电力系统为例 来说明分布式保护的工作方式， IED 安装在母线处， 与母线一一对应。另外，在本文中讨论的分段母线 皆为有分断故障电流能力的断路器连接的母线节 点，由分段器等隔离的母线由于保护无法控制，故 不在本文讨论范围之内。

9、 图 2 DG 接入配网后的结构示意图 在图 2 中以母线 1、2 之间发生接地故障为例。 故障发生时节点 1、2、3 都感受到故障电流。其中 节点 1、 3 属于图 1(b)描述的节点类型， IED1和 IED3 启动故障方向判断。而节点 2 则属于图 1(d)所示类 型，无法判别故障方向。IED1和 IED3判断出故障 方向后，分别将相应的方向信息向故障方向上传 递。IED1在接收到来自于下游 IED2转发的故障方 向信息后，由于本地判断出的故障方向为下游故 障， 所以 IED1一定位于故障相关范围内； 同理 IED3 接收到来自于上游 IED2转发的故障方向信息， 本地 判断的故障方向为

10、上游故障， 所以 IED3也一定位于 故障相关范围之内。 至于 IED2收到分别来自于上游 和下游的故障方向信息后， 由于 IED2无法判断故障 方向，继续把收到的故障方向信息向两侧转发。 IED2收到了两次故障方向信息，所以判断出节点 2 也一定位于故障相关范围之内。能判断出故障方向 的 IED 不向非故障方向发送故障信息。IED 判断出 对应的母线节点位于故障相关范围之内，则由 IED立即向保护装置传送相应节点的故障电流信息。为 了减少数据在信道上的等待延迟时间，上传的信息 只包括故障相关范围内的故障电流信息，范围内每 个母线节点的故障电流信息只需一个数据包上传 至保护装置。保护装置经过综

11、合比较上传的电流信 息后，发出跳闸命令跳开相应的断路器。 在继电保护系统当中，断路器失灵是一个重要 的问题。在多 DG 接入的配电网当中，传统的电流 保护已经无法实现断路器失灵的后备。分布式保护 系统当中，可以方便的实现断路器失灵保护功能。 如果在一定时间内保护装置没有收到应该跳开的 断路器的位置反馈信号，则发出跳开相邻的断路器 的指令，以实现保护的后备。仍以图 2 在 1、2 之 间发生故障为例， 假设在母线 2 处的 IED2在收到跳 开指令后，相应的断路器没有跳开，保护装置发出 跳闸指令后在一定时间内（如 0.5s 等）没有收到由 IED2传来的反馈信号， 则保护装置综合判断后发出 跳母

12、线 3 处相应断路器的命令。 此外， IED 不仅具备传输故障电流信息的功能， 而且在通信系统故障情况下有跳开与故障相关断 路器的功能。假设分布式保护通信系统瘫痪条件 下，母线 1 与母线 2 之间发生故障，因无法通信， IED1 长时间既没有收到跳开断路器指令， 故障仍然 长时间存在， 则可以由 IED1发出指令跳开故障方向 上的断路器，IED3也是同理。从而实现了各种故障 情况下的故障隔离。 2 故障相关范围的划定 要使分布式保护系统可靠的、有效的工作，首 先应该确定任意 IED 的故障相关范围， 即需要上传 故障电流信息的节点的范围，而这个范围是动态 的，随着电网的运行方式等因素的变化，

13、这个范围 也是不断变化的。本节以接入多 DG 后的实际配电 网为例来讨论 IED 对故障相关范围的划定。典型图 3 多个 DG 接入后的电网结构 结构图如图 3 所示6。 以图 3 中线路 9- 10 发生断路故障为例。 假设故 障发生前所有断路器都处于闭合状态，所有的 DG 都正常投入运行。故障发生时，由第一节论述的原 理可以判断出故障相关范围为节点 9 和节点 10。 但 是由于多个 DG 接入配电网后，电网的结构复杂且 经常处于变化当中。所以在同一条线路发生故障， 在不同的运行条件下，它对应的故障相关范围也在 不断的变化，这就要求相关算法必须确定适合各种 条件下的故障，使保护有很强的自适

14、应性。 2.1 不同运行方式的故障相关范围的划分 根据本文确定的故障相关范围的划分原则，线 路 9- 10 故障后，以 DG9退出运行为例来说明划分 过程。节点 9 由图 1(b)类型的节点变为图 1(d)类型 的节点，节点 8 属于图 1(d)类型的节点。故障发生 后 IED8和 IED9在只有电流量测量的条件下，不易 判别故障方向，故不作方向判断，等待接受方向信 息，于是将收到分别来自于上游和下游两次故障方 向信息，由此判定节点 8 和节点 9 一定位于故障相 关范围内，IED8和 IED9立即向保护装置上传故障 电流信息。 节点 6 和节点 10 都属于图 1(a)类型的节 点，都向故障

15、方向上发送故障方向信息，并且都收 到了来自于故障方向上节点IED转发的故障方向信 息，由此判定节点 6 和节点 10 都位于故障相关范 围内，需上传故障电流信息。同理，当其他不同的 DG 退出运行后，针对于同一故障的故障相关范围 也要变化，具体见表 1。 表 1 不同条件下的故障相关范围 运行方式 故障相关范围内节点对应的 IED 全部 DG 投入运行 IED9，IED10 DG9退出运行 IED6，IED8，IED9，IED10 DG14退出运行 IED9，IED10，IED12，IED15 DG15退出运行 IED9，IED10，IED11，IED14 DG9、DG15退出运行 IED6，

16、IED8，IED9，IED10，IED11，IED14 2.2 IED 的工作过程 图 4的流程图说明了分布式保护中每个 IED 的 具体的工作过程。 正常情况下保护可以迅速的切除故障，只有在 断路器故障或者相应的辅助结点无法正常工作时， 才由后备保护动作切除故障。在本文阐述的方案 中，相关的故障信息传输到保护装置以后，即可实 现保护的后备，而不需要另外传输额外的故障信 息。因此，对于后备保护的实现不需另外的通信进 程，这也是本方案的优势之一。 2.3 单侧电源节点的故障相关范围 至于在电网故障发生在电流单向流动的线路 上时，故障相关范围就是距离故障点最近的下游的 那一个节点。例如在图 3 模型中，在 DG15退出运 行后，线路 12- 15 发生故障。节点 10 属于图 1(a) 类型节点，节点 12 属于图 1(c)类型节点。IED10和 IED12根据各自的节点类型