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1、距离保护在具有分布式电源的配电网系统中的应用摘要：研究了分布式电源接入放射状配电网对配电网继电保护的影响。利用Matlab/Simulink建立了直接并网和逆变并网两种分布式电源模型，并对配电网进行距离保护整定计算。针对分布式电源的类型、容量和接入位置等因素，探讨了在有分布式电源接入的配电网系统中，电流速断保护和距离物的工作情况。分析了运行中可能出现的问题，如长短线配合、短路点过渡电阻对测量阻抗的影响，并给出了相应解决办法。结果表明分布式电源对配电网继电保护的灵敏度，选择性有一定的影响。关键词：分布式电源；配电网；继电肺1引言分布式电源是一种新兴的电力电源技术。分布式电源是指直接布置在配网或分
2、布在负荷附近的、功率为数千瓦至50MW的、小型模块式的、与环境兼容的独立电源。DG包括功率较小的内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池和风力发电等。分布式电源具有调峰、利用再生能源、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。但随着越来越多的分布式电源接入配电系统中，将不可避免地使配电系统复杂化，给运行和调度带来困难。配电网的一般特点是呈放射形结构并由单电源供电，配电网的继电保护是以此为基础设计和配置的。当分布式电源接入配电网后，配电网的结构将发生改变。当配电网发生故障时，除了系统向故障点提供故障电流外，分布式电源也将对故暄点提供故障电流，改变了配电网的节点短路水平。因而影响配电网继电保
3、护装置的正常运行。分布式电源的类型、安装位置和容量等因素都将对配电网的继电保护造成影响。根据DG并网技术的类型分类，DG可分为直接与系统相连（机电式）和通过逆变器与系统相连两大类。若DG是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类；而逆变器型分布式电源通常指的是将直流电逆变上网的分布式电源（如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术本文旨在分析分布式电源对配电网继电保护的影响，对两种并网类型的DG进行建模，建立一个典型结构的配电网模型并进行继电保护整定，从分布式电源的位置、容量等因素考虑其对配电网继电保护的影响。2配电网继电保护配电网络的继电保护，相对于高电压大系统继电保护而言，属于简单
4、保护。配电网中常用的继电保护有电流保护、电压保护、反时限电流保护、距离保护等。分布式电源接入配电网之后，原有配电网络的结构发生了较大变化。在故障发生时，由于分布式电源助增电流的作用，流经故障点的故障电流将增大。分布式电源的引入改变了分布式电源附近节点的短路水平，对配电网继电保护的正确动作带来影响；也改变了保护的范围和灵敏度，给各线路继电保护的上下级配合带来问题。电流保护是配电网中最为常用的保护，它是用电流突然增大使保护动作的保护装置。在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的改变，在配电网中发生故障时，配电网中的短路电流有着较大的改变。与不接分布式电源相比，对于同一点故障，分布式
5、电源下游保护流经的故障电流增大，上游保护流经的故障电流减小，这将使下游保护的保护范围增大，而上游保护（线路的远后备保护）的保护范围减小。并且当DG容量达到一定大小时，故障线路和其上级线路的保护都有可能达到电流速断保护的整定值，两个保护都将跳闸，继电保护将失去选择性。由此可知，对于DG渗透率较高的配电网，电流速断保护在选择性、灵敏度校验上不满足要求。距离保护是一种反映物理量测量阻抗下降而动作的保护。距离保护测量元件的输入是该处的母线电压和流经该线路上的电流，各母线处的母线相电压和流经该线路的电流之比为该处保护的测量阻抗Zm。显然，距离保护能够克服电流电压保护受系统运行方式影响大的缺点。在正常情况
6、下，保护测量元件的测量阻抗为负荷阻抗。而当线路上发生三相短路时，保护装置所测量的阻抗即为短路阻抗。短路时，测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比，短路点到保护安装处的距离越大,测量阻抗越大，反之越小。设距离保护的整定阻抗为Zset如果保护的测量阻抗为短路阻抗Zk,且Zk3仿真算例配电网络的拓扑结构类型较多，我国城乡大多数配电系统仍以放射状链式为主。这种结构的网络有许多特点，比如接线可靠、保护容易整定、扩容简单等。本文将变电所以上的系统等值为一电压源，配电网电压等级为10kVo分析中系统电压始终保持不变。文中所建立的配电网模型为放射形结构，如图1所示。系统的容量基准取为100MVA,电压
7、基准取为10.5kV。该模型包含一条15km长的输电线路，平均分成LI、L2、三段，每段长为5km。线路阻抗为0.35Q/km。在配电系统的馈线中，通常存在许多分支线，这些分支线相距不远，其负荷一般较小。文中假设这些分支线从10%LI开始，按10%LI的长度递增，均匀地分布在配电网中。分布式电源将从这些节点接入配电网中。为了进行继电保护整定计算，需要了解系统阻抗，此处用短路容量来表示其短路水平。本文中，变电所变压器的低压母线短路容量为250MVA。配电网距离保护整定值如表1所示。3.1DG直接并网系统中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障电流。从研究继电保护的角度而言
8、，分布式电源可以用一个电源串联电抗的模型来表示。对于不同类型的分布式电源，其电抗值是不同的，它代表着该电源的故障电流注入能力。根据Barker等对各类型分布式电源的故障电流注入能力研究的结果，最大的故障电流注入能力为1000%。该值可用于电路仿真以确定最坏的故障情况。分布式电源由变压器连接至配电网上，取变压器的容量与所接分布式电源容量一样。分布式电源电抗变压器电抗3.1.1 分布式电源容量变化采用以上网络数据，分布式电源安装位置不变而容量发生改变时在系统以最大运行方式下，对配电网进行三相短路仿真。在各种仿真情况中，选取一个分布式电源以下面几种容量连接在母线L上，配电网对应节点短路时的测量阻抗情
9、况如表2所示。表2中容量为零表示没有DG接入系统，zl、z2、z3分别表示1QF、2QF、3QF处保护的测量阻抗值。由仿真结果可知，在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的变化，在配电网中发生故障时，分布式电源上游保护处的测量阻抗逐渐增加，其下游保护的测量阻抗保持不变。例如，当故障发生在线路L3的中点处时，上游保护由于分布式电源的分流，测量阻抗会根据分布式电源容量的变化而相应改变。而下游保护根据距离保护原理可知，测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比。此时，Z3,Zl保护不会误动。假设故障发生在线路k的首端，断路器2QF处距离保护的测量阻抗只会接近且大于1.75,该保护
10、不会误动。因此不会出现类似电流速断保护因为电流助增而引起的断路器2QF、3QF处保护同时达到整定值，同时动作，进而失去选择性的情况。由上表还可以看出，如果故障点在断路器1QF处距离保护第二段范围内,随着分布式电源容量的增加，断路器1QF处保护的测量阻抗将增大，其结果可能导致该处距离保护第n段测量元件出现拒动作，使其第n段距离保护的实际保护范围缩小。可见DG对距离保护的第n段保护有一定的影响。3.1.2 分布式电源位置变化依旧采用上面的网络数据，选取相同容量分布式电源连接在不同位置。以2MVA的分布式电源在各种位置接入配电网为例，当故障发生在80%L处时，配电网距离保护处测量阻抗大小如表3所示。
11、结果表明，在不改变分布式电源容量的情况下，改变分布式电源接入位置对配电网的测量阻抗产生了一定影响。当分布式电源位置在线路L上变化，此时分布式电源位于断路器2QF处保护的上游，故障时,测量阻抗z,逐渐增加，测量阻抗z保持不变，此时断路器2QIF处保护能正常动作；当分布式电源位置在线路L2上变化,即分布式电源位于断路器2QF处保护下游时,测量阻抗Z2随着电源接入位置的增加而减小，但此时Z其灵敏度由于分布式电源的出现而降低，保护范围减小。因此当分布式电源位于保护下游时，会对距离保护动作产生一定的影响。按照DG在10%L接人进行计算，此时的灵敏度为0.57515。即2QF处3巨离保护的第1段只能保护L
12、2的57.515%，小于整定时的80%。3.1.3 .2DG逆变并网系统为了对DG逆变并网系统进行仿真，首先必须建立DG逆变并网模型。本文在Matlab环境下对系统进行了直观建模。该模型为离散系统，取样时间为5.144e.006se其中3-phaseFault模块选为A、B、C三相故障。为了不对电网产生谐波污染，必须控制网侧电流。本文建立的DG模型采用电流瞬时值反馈。该反馈控制方法简单，计算量小。具体的控制方案为网侧实际电流与电网参考电流比较，再通过PI调节从而获得开关管控制信号。下面讨论系统发生三相故障时，分布式电源位置变化对逆变并网DG对系统的影响。采用上面网络数据，选取相同容量分布式电源
13、通过逆变器接在系统不同位置。故障发生在80%L2处。测量阻抗的数据如表4所示。由上表可知，当分布式电源逆变并网的位置在线路L1上变化时，测量阻抗zl逐渐增大，测量阻抗Z2，保持不变，2QF处保护能正常动作；当分布式电源位置在线路L2上变化，即分布式电源位于2QF处保护下游时,测量阻抗Z2随着电源接入位置的增加而增加。当DG在1O%L2和20%L2并入系统时,Z24.1长短线的配台配电网中，如果本级线路较长而下级线路过短，可能出现长短线配合问题。考虑到10kV等级线路输送距离为620km，设PL段长为16km,LM、MN段各为2km。在进行距离保护整定时，PL、LM、MN线第1段整定都不会出现问
14、题。=4.480,=0.56Q。先对PL线第n段保护进行整定。按躲LM线第1段阻抗整定，=4.928。=/=0.88按灵敏度整定，=1.3,=7.28Q。对LM线第II段保护进行整定。(3)按躲MN线第I段阻抗整定，=1.0080,=/ZLM=1.44,满足灵敏度要求。采用长短线配合的网络数据，在Matlab环境下建立仿真模型。故障发生在LM线末端。表5为3种情况下的测量阻抗。容量为零表示没有DG接入系统。在前两种情况下，Zl,Z2比较表中数据可知，对于配电网络，无论有无分布式电源接入，长短线的配合对距离保护都存在一定的影响。但是由于DG的存在，此影响反而减小。特别当DG容量增大到一定时，Zl
15、避免了保护失去选择性的情况。此外使用时限特性能保证保护选择的正确性。即母线p处距离n段动作时间比l处距离口段动作时间多0.5s。4.2短路点过渡电阻对测量阻抗的影响在配电网中，由于线路距离较短，线路阻抗相应较小，距离保护耐受过渡电阻的能力大大下降。当分布式电源并于L处，故障发生在3QF处保护出口时，由于过渡电阻R呈电阻性，Z2=ZPL+R,Z3=R，如图2的。Z2和Z3均落在2QF和3QF处保护第n段的动作特性圆内和3QF处保护第1段特性圆外。若过渡电阻R增大到R,则两处保护的第I、n段均不动作,而由第in段鼾动作跳闸，使得保护速动性变差。选取表2和表3中MN线的数据，分析其各段保护正常工作下
16、过渡电阻的临界值，用R表示。计算结果如表6所示。由上表可知，工、n段保护耐过渡电阻能力较差。这是由于配电网线路具整定阻抗值较小,因此对过渡电阻的耐受能力较差。为了提高躲过渡电阻能力，可以使用多边形特性距离继电器，它们具有较好的耐受过渡电阻的能力。例如四边形、五边形特性距离继电器以及类似杯型特性距离继电器。5结束语5.1 当分布式电源位于距离保护上游时，对保护的灵敏度、选择性影响较小，不影响距离保护的正常动作。当DG位于距离保护下游时，无论是直接并网还是逆变并网，DG都有一定的分流作用，会使得保护范围减小。5.2 对于长短线配合的系统，距离保护可能失去选择性。但随着分布式电源容量的增加，此影响反而减小甚至消失。5.3 距离保护工、n段耐过渡电阻能力较差。对于过渡电阻的影响，可以采用多边形特性距离继电器，将圆和直线特
