含分布式电源配电网保护方案
含分布式电源配电网保护方案
孙景钌 , 李永丽 , 李盛伟 , 金 强
(天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室 , 天津市 300072)
摘要 : 分布式电源(D G) 接入配电网会对传统的配电线路电流保护产生影响 ,可能导致保护不正确
动作。针对这一问题 ,文中提出一种新的保护方案 ,对传统的配电线路保护配置进行了改进。该保
护方案根据 D G接入点的位置 ,对被保护馈线进行了分区 ,在 D G 的上游区域配置了方向纵联保
护 ,而整条馈线则保留了过电流保护。为了能方便整定工作以及更快地切除故障 ,根据 D G 接入位
置的不同 ,馈线的过电流保护分别采用定时限或反时限形式。采用该保护方案后 ,无论 D G 的输出
功率如何变化 ,故障都能被可靠切除。最后 ,对一个 10 kV 配电系统进行了仿真 ,验证了保护方案
的有效性。
关键词 : 分布式电源 ; 配电网 ; 保护方案
中图分类号 : TM773
收稿日期 : 2008207202。
国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 973 计 划 ) 资 助 项 目
(2009CB219704) ;国家高技术研究发展计划 (863 计划) 资助
项目 ( 2007AA05Z241) ; 天 津 市 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目
(08J CYBJ C13500) 。
0 引言
近年来 ,分布式电源(D G) 已经受到越来越广泛
的关注。但当 D G 接入配电网后 ,必然会改变配电
网的潮流分布 ,配电线路的保护装置不可避免地会
受到影响[124 ] 。因此 ,研究针对含 D G 配电网的新的
保护方案成为目前面临的一个新课题。
文献[5 ]提出了限制 D G注入容量的方法 ,但是
随着 D G应用的日益广泛 ,其注入的容量也越来越
大 ,这种方法显然无法满足未来 D G 发展的要求。
文献[6 ]提出采用加装方向元件的方法 ,但是对于像
风力发电和太阳能发电 ,其出力随自然条件变化随
机波动 ,有可能会出现故障时流过方向元件的短路
电流太小使其不能动作 ,从而导致保护的不正确动
作。文献[7 ]将距离纵联保护引入配电网中 ,但其针
对的是环网系统 ,同时也未考虑 D G 出力随机变化
的情况 ,切除瞬时性故障的时间也较长。文献[8 ]提
出用多代理系统来实现保护间的协调 ,但其需要依
靠复杂的通信网络 ,在配电网中应用并不十分可行。
本文提出一种新保护方案 ,对原有保护配置进
行改进。本保护方案原理简单 ,可行性强 ,无论 D G
的输出功率如何变化 ,都能对故障进行可靠切除。
1 DG接入配电网后对保护的影响
目前 ,国内配电网系统大多是单侧电源、辐射型
网络 ,在现有保护配置[9 ] 下 ,如果在配电网中接入
D G ,将会对配电网的保护产生较大的影响。
如图 1 所示 ,当 D G 下游发生故障时 ,对于 D G
下游的保护 1 和保护 2 ,D G的接入增加了流过它们
的电流 ,对过电流保护动作有利 ,但是有可能会使
2 处的电流速断保护范围延伸到下一条线路 ,从而
使速断保护动作失去选择性 ;对于保护 2 和保护 3 ,
由于保护 2 处的过电流保护检测到的短路电流增
大 ,保护 3 处检测到的短路电流减少 ,使得保护 2 处
的过电流保护动作灵敏性增大 ,保护 3 处的灵敏性
降低 ,因此 ,D G 的接入将更有利于保护 2 处和保护
3 处的过电流保护的协调。当 D G 上游发生故障
时 ,对于保护 3 和保护 4 ,其感受到的故障电流只由
系统提供 ,故 D G 的接入不会对其构成影响。当相
邻馈线发生故障时 ,D G 供出的反向短路电流有可
能导致 D G上游的保护误动作 ,从而中断健全线路
的正常供电[224] 。根据 D G 接入的数量以及 D G 接
入点和故障点位置的不同 ,文献[224 ]还详细分析了
其他一些情况下 D G对保护的影响。
图 1 DG接入对保护的影响
Fig. 1 Impacts of DG on protection
—18—
第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
2 含 DG配电网新的保护方案
2. 1 保护方案介绍
由于 D G接入配电网后会对传统的电流保护产
生影响 ,为消除此影响 ,本文提出一种新的保护方
案 ,对原有配置进行了改进 ,并保留了过电流保护。
根据 D G接入点位置的不同 ,保护配置也略有区别。
2. 1. 1 所有 D G均接在母线处
当只有一个 D G接到母线 C 处时 ,如图 2 所示。
图 2 单 DG情况下的保护方案
Fig. 2 Protection scheme with only one DG
本方案根据 D G接入的位置将馈线 2 分成 2 个
区域 :区域 1 为 D G 的上游区域 ,由线路 A B 和 B C
组成 ;区域 2 为 D G 的下游区域 ,由线路 CD 和 D E
组成。在 D G接入点的上游侧加装断路器以及保护
装置 5。在区域 1 中保护 4 处和保护 5 处配置方向
纵联保护 ,当区内故障时它将瞬时动作保护整个区
域 ;在保护 3 处和保护 4 处还要配置带有方向元件
的定时限过电流保护。考虑到当区域 1 发生故障
时 ,如果此时 D G 的输出功率较小或者已经退出运
行 ,可能导致方向纵联保护 5 侧的方向元件灵敏度
不足 ,不能动作 ,所以在保护 5 处还应配置弱馈保
护 ,以保证无论 D G的输出功率如何变化 ,方向纵联
保护都能可靠地保护整个区域 1。在保护 4 和保护
5 处还设置了重合闸功能 ,当保护 4 处的断路器跳
闸后 ,将启动保护 4 处的重合闸重新恢复供电。由
于此时保护 5 处断路器已经断开且未重合 ,因此保
护 4 只需配置一般的重合闸 ,不要求有检同期功能。
保护 5 的重合闸功能只有在保护 4 判为瞬时性故障
时才由保护 4 来启动 ,当然由于此时 D G 仍然存在 ,
因此这里的重合闸需要检同期。如果区域 1 发生的
故障是瞬时性的 ,则在重合闸动作之后就恢复供电 ;
如果故障是永久性的 ,则故障由过流保护 3 或保护
4 有选择性地切除。
区域 1 的保护配置类似于配电网系统中常用的
由电流速断和过电流保护组成的重合闸前加速方
式 ,只是这里用同样瞬时动作的方向纵联保护代替
了电流速断保护。区域 2 是一个单端电源网络 ,在
保护 1 处和保护 2 处分别配置定时限过电流保护 ,
并根据实际情况采取重合闸前加速或后加速方式。
对于没有接入 D G 的馈线 1 ,还是按照传统的重合
闸前加速或后加速方式的电流保护进行配置。
对馈线 2 进行上述保护配置以后 ,由第 1 节中
的分析可知 ,D G 的接入将不会对馈线 2 原来没有
D G接入时的定时限过电流保护之间的配合产生影
响 ,整条馈线的过电流保护完全可以保留原有的定
值和时限上的配合关系 ,不需要重新进行整定。
对于有多个 D G接入的情况 ,分析方法类似 (见
图 3) 。馈线 2 接有 2 个 D G ,将馈线 2 分为 3 个区
域 ,分别给区域 1 和区域 2 配置方向纵联保护 ,区域
1 和 2 中的定时限过流保护也加装方向元件。
图 3 多 DG情况下的保护方案
Fig. 3 Protection scheme with multi2DG connected
2. 1. 2 至少有一个 D G 不接在母线处
当一条馈线上至少有一个 D G 不接在母线处
时 ,如图 4 所示。D G 接在母线 B 和 C 之间的 K
点 ,此时需要在 K 点两侧分别加装断路器和保护 4
和保护 5。这样不可避免地需要进行过电流保护的
重新整定配合 ,为了能在发生故障时较快地切除故
障 ,以减小短路对 D G的破坏 ,可以用反时限过电流
保护来代替定时限过电流保护。如果把 D G 的接入
点 K 当做新的母线 ,那么此时对各个断路器处保护
的配置将与 2. 1. 1 节中介绍的完全一样。
图 4 DG接入点不在母线处的保护方案
Fig. 4 Protection scheme for DG’s connection not at bus
对反时限过流保护的整定原则是 :启动电流仍
然按躲开最大负荷电流来整定 ;同时 ,为了保证保护
之间的选择性 ,要求在最大运行方式下 ,下一级线路
出口短路时 ,上一级保护在动作时限上要比下一级
保护高一个时间阶梯Δt ,这样即可保证在其他运行
方式下保护的动作时限均能满足选择性要求[9211 ] 。
按照这一原则 ,对图 4 中馈线 2 的反时限过电流保
护进行整定配合。
首先对区域 2 中保护 1 处和保护 4 处的反时限
保护进行整定配合 ,在最大运行方式下 ,即 D G 以最
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2009 , 33 (1)
大出力运行 ,保护 1 的出口发生短路时 ,保护 1 可整
定为瞬时动作 ;为保证选择性 ,此时保护 4 的动作时
限应比保护 1 高出一个时间阶梯Δt。这样整定以
后 ,当 D G 输出功率变小或退出运行时 ,保护 1 和保
护 4 仍然能够保证可靠配合。
对于区域 1 中保护 2 处的反时限过流保护 ,考
虑在 D G没有接入的情况下 ,保护 4 出口短路时 ,保
护 2 的动作时限应整定为比保护 4 高出一个时间阶
梯Δt ,这样就能保证当 D G 接入以后 ,保护 2 和保
护 4 仍然能够保证选择性。对于保护 3 处的反时限
保护 ,按照相同方法与保护 2 进行时限上的配合。
当有多个 D G 接入以后 ,保护的配置以及整定
方法完全类似。
在采用本文提出的保护方案以后 ,对文献[224 ]
中提到的所有保护问题均能有效解决。
2. 2 保护的动作行为分析
以图 4 为例 ,分析不同地点发生故障时保护的
动作行为。
当区域 1 即线路 A B 和 B K 的任一点发生故
障 ,方向纵联保护两侧的方向元件均判断为正方向 ,
故认为发生了区内故障 ,将可靠动作断开保护 3 处
和保护 5 处的断路器。随后保护 3 处断路器进行快
速重合 ,如果是瞬时性故障 ,重合后故障将消失 ,接
着保护 5 处断路器将重合 ,从而恢复对整条馈线的
供电 ;如果是永久性故障 ,将由保护 2 处和保护 3 处
的反时限过流保护选择性动作切除故障。如果 D G
的输出功率变小或者 D G 退出运行 ,将导致保护 5
处的方向元件灵敏度降低 ,无法启动。但是 ,由于在
保护 5 处装设了弱馈保护 ,可以保证弱电源侧也能
可靠动作。
当区域 2 即线路 KC 和 CD 发生故障时 ,保护
的动作行为因采取的重合闸方式的不同而异。以重
合闸前加速方式为例 ,此时将在保护 4 处配置电流
速断保护用于保护整个区域 2。当区域 2 内发生故
障时 ,首先保护 4 处的电流速断保护瞬时动作 ,随后
进行重合。如果是瞬时性故障 ,重合后故障将消失 ;
如果是永久性故障 ,则由保护 1 处或保护 4 处的反
时限过流保护选择性动作切除故障。由于 D G 下游
的反时限保护按 D G 的最大出力来进行配合 ,因此
当 D G 的输出功率变小或退出运行时 ,D G 下游发
生故障后它们仍然能够有选择性地动作 ,不会受
D G 输出功率变化的影响。
当相邻馈线 1 发生故障时 ,由于对区域 1 的反
时限过流保护都加设了方向元件 ,流过保护 2 处和
保护 3 处的是反方向的电流 ,因此它们不会误动作。
保护动作以后有可能会形成孤岛 ,对此可以进
行孤岛的划分 ,以维持孤岛内功率的平衡以及电压
频率的稳定。
3 仿真验证
图 5 所示为天津市某 10 kV 配电网 ,系统基准
容量 500 MVA ,基准电压 10. 5 kV 。线路 A B , B C,
A F 为架空线路 , 线路参数为 x1 = 0. 347 Ω/ km ,
r1 = 0. 27 Ω/ km ; CD , D E, FG 为地下电缆 , 线路参
数为 x1 = 0. 093 Ω/ km , r1 = 0. 259 Ω/ km。在每个
节点处接入额定容量为 6 MVA 、额定功率因数为
0. 85的负荷。利用 PSCAD/ EM TDC 仿真软件对此
系统进行仿真分析。
图 5 天津市某 10 kV配电网系统
Fig. 5 A 10 kV distribution system in Tianjin
municipality
在不接入 D G 的情况下 ,馈线 2 上各保护流过
的最大负荷电流以及相应的过流保护定值见表 1。
表 1 无 DG情况下流过馈线 2 各保护的最大负荷
电流及相应的整定值
Table 1 Maximum load current and setting value for the
protections of feeder 2 without DG
保护 最大负荷电流/ kA 过电流保护整定值/ kA
1 0. 177 0. 256
2 0. 392 0. 566
3 0. 646 0. 933
4 0. 931 1. 345
为保证各保护之间的时限配合关系 ,保护 1 整
定为瞬时动作 ,而各保护之间的时限阶梯Δt 整定为
0. 3 s。在母线 C 处接入额定容量为 10 MVA 的
D G 后 ,需要为线路 A C 配置方向纵联保护; 另外 ,
由于线路 CD 和 D E 为电缆线路 ,故不再对保护 1
和保护 2 配置重合闸装置。在系统最小运行方式
下 ,馈线 2 的各段线路末端发生两相短路时流过各
保护的短路电流如表 2 所示。综合表 1、表 2 可知 ,
无论 D G的出力如何变化 ,当 D E 末端发生故障时 ,
保护 1 能可靠动作切除故障;当 CD 末端发生故障
时 ,保护 2 能可靠动作;当 B C 末端发生故障时 , 属
于区内故障 ,即使 D G 的出力为 0 ,方向纵联保护也
能可靠动作 ,随后保护 4 处的断路器重合 ,如果是永
久性故障 ,保护 3 将可靠跳闸;同样 ,当 A B 末端发
生永久性故障时 ,保护 4 也能可靠动作。
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·绿色电力自动化 · 孙景钌 ,等 含分布式电源配电网保护方案
表 2 接入 DG后在最小运行方式下流过馈线 2 各
保护的短路电流
Table 2 Short2circuit current for the protections of feeder 2
at the minimum operation mode with DG
DG出力/
MVA 保护 短路电流/ kA
D E 末端 CD 末端 B C 末端 A B 末端
0
5
10
1 0. 570
2 0. 688 1. 319
3 0. 879 1. 452 2. 749
4 1. 110 1. 655 2. 869 5. 317
1 0. 625
2 0. 757 1. 505
3 0. 652 1. 235 2. 749
4 0. 893 1. 447 2. 869 5. 317
1 0. 679
2 0. 815 1. 657
3 0. 459 1. 057 2. 749
4 0. 709 1. 279 2. 869 5. 317
当相邻馈线 1 首端发生故障且此时 D G 出力最
大时 , 流过保护 3 和保护 4 的短路电流分别为
1. 26 kA和 1. 212 kA ,但是由于保护 3 处和保护 4
处分别加装了方向元件 ,故它们不会误动作。
通过仿真分析看出 ,对于接有 D G的配电网 ,在
采用本文提出的保护方案后 ,能可靠切除故障。
4 结语
本文介绍了一种新的保护方案 ,对传统的保护
配置进行了改进 ,并保留了过电流保护。本方案根
据 D G 接入点的位置 ,对被保护馈线进行分区。在
D G 的上游区域 ,将配置方向纵联保护来保护整个
区域 ,同时对该区域中的过电流保护加装方向元件。
整条馈线的过电流保护将根据 D G接入位置的不同
进行不同的配置 :
1) 如果所有 D G 均接在母线处 ,由于在 D G 上
游区域对电流保护加装了方向元件 ,D G 的接入将
不会对原来 D G 未接入时的定时限过电流保护之间
的配合产生影响 ,因此完全可以保留原来 D G 未接
入时的定时限过电流保护的定值 ,这将给保护的整
定工作带来很大的方便。
2) 如果至少有一个 D G 没有接在母线处 ,由于
此时不可避免需要进行过电流保护的重新整定 ,为
了能更快地切除故障 ,将用反时限过电流保护代替
定时限过电流保护。
通过对一 10 kV 系统进行仿真分析 ,验证了本
保护方案的有效性。
参 考 文 献
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孙景钌 (1983 —) ,男 ,通信作者 ,博士研究生 ,主要研究
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李永丽 (1963 —) ,女 ,博士 ,教授 ,主要研究方向 :电力系
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李盛伟 (1981 —) ,男 ,博士研究生 ,主要研究方向 :微电
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赵国波 (1985 —) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :电力
系统优化运行与控制、分布式发电。E2mail : sailor0727 @
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刘天琪 (1962 —) ,女 ,通信作者 ,教授 ,博士生导师 ,主要
研究方向 :电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电、调
度自动化。E2mail : tqliu @sohu. com
李兴源 (1945 —) ,男 ,博士生导师 ,教授 ,主要研究方向 :
电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电。
Optimal Deployment of Distributed Generation as Backup Generators
Z HA O Guobo , L IU Tianqi , L I Xingyuan
(Sichuan University , Chengdu 610065 , China)
Abstract : A mathematical model for deploying distributed generation is proposed to consider overall economic performance ,
reliability and environment assessment at the same time , by calculating annual generation costs , the consumer’s economic loss
of power outage and environment protection costs. Loss of load probability is used to evaluate the reliability of power supply.
Different optimal deployment scheme for distributed generators are given under different reliability targets. The sensitivity of
different consumer’s outage loss is also analysed. Meanwhile , environment influence of distributed generators is considered in
the optimization evaluation process. Research on SO2 , NO x emission characteristic of different kinds of distributed generators is
given and deployment results under different environment protection costs are analyzed. Simulation results indicate that this
model can evaluate the performance of distributed generators comprehensively and establish optimal deployment scheme which
can satisfy consumers’different demands for reliability and environment protection.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50577044) .
Key words : distributed generation ; backup generator ; reliability of power supply ; environmental influence
(上接第 84 页 continued from page 84)
A Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations
S U N J ingliao , L I Yongli , L I S hengwei , J I N Qiang
( Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education ,
Tianjin University , Tianjin 300072 , China)
Abstract : When distributed generation (DG) is connected to the distribution system , it may have some effect on the traditional
current protection and lead to the protection of maloperation. By improving the traditional protection configuration , a new
protection scheme is introduced to solve this problem. According to the connected point of DGs , the protected feeders are
divided into different zones , with directional pilot protection configured at the upstream side of DG and the overcurrent
protection retained for the whole feeder. In order to make the value setting convenient and the fault clearing quick , the definite2
time or inverse2time overcurrent protection is adopted for the feeders based on different locations of DGs. No matter how the
output power of the DG changes , the fault can be reliably cleared with this protection scheme. Simulation results on a 10 kV
distribution system have verified the validity of the scheme proposed.
This work is supported by Special Fund of the National Basic Program of China (No. 2009CB219704) , National High2
Tech Research and Development Program of China ( No. 2007AA05Z241 ) and Natural Science Foundation of Tianjin
Municipality (No. 08J CYBJ C13500) .
Key words : distributed generation ; distribution network ; protection scheme
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·绿色电力自动化 · 赵国波 ,等 分布式发电作为备用电源的优化配置
含分布式电源配电网保护方案.pdf
