摘要：随着能源形势和环境问题的严峻，可再生能源分布式发电技术（DG：Distributed Generation）得到了越来越多的重视和发展。大量分布式电源的接入，改变了配电网原有的单侧电源辐射性结构，使传统的配电网保护策略无法快速、正确地动作。同时，随着智能配电网的建设，微机保护得到了大力发展，微机保护的应用以及通讯网络的建设，使基于多点信息的广域保护策略成为可能。DG—般通过逆变器并网，可能会产生大量高次谐波，同时对配电网保护的快速性提出了更高要求。本文着重研究了分布式电源接入对配电网保护的影响。
关键词：分布式电源；广域保护；配电网保护；微机保护
1引言
当前，我国以集中发电和远距离输电为主的传统大电网形式作为主要供电形式，其具有容量大、冗余性高的优点。然而，随着经济社会的发展，电网规模不断扩大，这种大电网本身存在的固有缺暗也逐渐暴露出来，所带来的安全性问题不容忽视。这种集中式大电网具有强耦合性，任何一处故障都有可能波及到整个电网，甚至会引起联锁反应导致电网崩溃，造成难以想象的后果。可再生能源发电为代表的分布式发电技术很好地解决了以上问题，其直接布置在配电网或负荷附近的发电设施，具有经济、可靠、高效的优点。同时有效应对了能源短缺和环境污染问题，而且由于靠近负荷，减小了长距离输电的损耗，提高了能源的利用效率，提高了整个系统的安全性和稳定性。
本文含分布式发电的配电网故障和配电网保护保护为研究对象。分析了逆变型DG的故障特征，详细研究了分布式电源接入对配电网保护的影响，提出了基于多点信息的广域保护方法。
2逆变型DG的建模
本文所采用的逆变型DG模型如图1-1所示。逆变器采用应用十分广泛的三相半桥结构，输出滤波器采用LCL滤波器，相比于传统的L型滤波器，LCL滤波器体积更小，对高频纹波的抑制能力更强，故而在大容量分布式电源并网时应用更广。考虑到并网逆变器直流侧一般接有大电容进行能量解精，在暂态时电容能够提供电能，此外对分布式发电影响较大的光照强度、风速等因素在故障发生的数十毫巧内基本可以认为是不变的，故而在模型中直流侧直接用直流电压源进行等效。
图1-1
3逆变型DG的并网故障分析
在MATLAB/Simulink中建立如图2-1所示简单1OkV配电网模型。系统电源电压10.5kV，系统电抗0.1Ω，线路AB，BC阻抗均为0.81+j1.05Ω，CD，DE阻抗均为1.08+j1.452Ω，负载为3MW，功率因数0.9。逆变型DG采用上节所建立的模型，容量为500kVA，额定有功功率500kW，无功功率为0。并网变压器采用△/ Yg连接方式。由于10kV配电网一般采用中性点非直接接地方式，故以下只研究三相短路和两相短路的故障特性。
图2-1含分布式DG的简单10KV配电网模型
3.1正常运行时
系统正常运行时，由电网和DG共同供给负载功率。此时分布式DG并网点电压，输出电流以及输出有功功率如图2-2所示。可以看到DG输出有功功率基本保持恒定，维持在500kW左右。
图2-2正常运行时DG并网点电压、电流以及输出有功功率
3.2 DG并网点远处故障
当线路CD末端发生两相短路时，DG并网点电压，输出电流和输出有功功率如图2-3所示（故障发生时刻为0.1s）。由图可知，故障发生后，DG并网点电压下降，输出电流上升，由于控制环节的作用，输出有功功率在经历短暂的下降后重新跟踪参考值500kW。由于故障点距离DG并网点较远，DG电压仅下降到额定值的72%，电流上升到额定值的140%，未达到DG限值2倍额定电流，故而仍能按照恒定有功功率输出。所以当DG并网点远处故障时，DG可等效成恒功率源，其输出电流与电压成反比。
图2-3CD末端三相短路时DG并网点电压、电流以及输出有功功率
当CD末端发生两相短路时，DG并网点电压，输出电流和输出有功功率。故障发生后，故障相电压迅速下降，由于控制环节的作用，DG输出电流随之增加，有功功率稍有波动，但仍能跟踪上参考值。由于此时三相电压不对称，导致DG输出电流稍有时变，有功功率在稳态值附近上下波动。
3.3 DG并网点近处故障
当线路BC 50%处发生三相短路时，DG并网点电压，输出电流和输出有功功率如图2-4所示。由图可知，故障发生后，DG并网点电压迅速下降到额定值的34%，电流随之增大，若按恒功率计算，此时电流应上升到原来的290%，但由于控制器中限流环节的作用，输出电流被限制在了2倍额定电流，输出功率由原来的500kW下降到了340kW。所以当DG并网点近处故障时，DG可等效成恒流源，其输出电流被限制在2倍额定电流。
图2-4线路BC 50%处三相短路时DG并网点电压、电流以及输出有功功率
当BC 50%处发生两相短路时，DG并网点电压，输出电流和输出有功功率如图2-15所示。由图可知，故障发生后，故障相电压迅速下降，非故障相电压仍保持为原来的相电压不变。由于控制环节的作用，三相电流均有所增加，但仍被限制在2倍额定电流之内。可以看到此时有功功率在稳态值上下波动，这是因为，两相短路时，三相电压中含有一定的负序分量，经abc/dq变换后在d轴和q轴上表现为两倍频交流分量，故通过式2-1计算出来的有功功率含有一定的两倍频波动分量。
图2-5线路BC 50%处两相短路时DG并网点电压、电流以及输出有功功率
4基于微机测控保护装置的配电网广域保护
传统的配电网保护主要是基于本地量的保护，主要是利用本地的信息进行保护判断，存在很多局限性，容易造成保护误动或拒动。而依托于微机保护和通信网络的发展，基于多点信息的广域保护成为可能。广域保护将点保护上升到面保护，通过采集配电网多点的状态信息，进行综合分析和故障判断，故障定位的准确性大大提高。随着分布式电源的大量接入，配电网结构和拓扑不断复杂，基于多点信息的广域保护有希望成为最终的解决方案。
广域保护按照系统组成结构可分为集中式与分布式两种类型。集中式广域保护主要由保护主站、本地测控终端和主从式通讯网络组成。安装于各断路器处的本地测控终端将电压、电流等测量信息或故障方向等逻辑量信息上传至广域保护主站，主站根据特定的算法对上传的信息进行分析判断，完成故障定位并下发控制命令，本地测控终端根据控制命令操作相应断路器，完成故障隔离。集中式广域保护的优点在于：基于全局信息，能实现配电网故障的最优化隔离和供电恢复，确保最优的动作流程。与此同时，缺点在于：故障时，所有本地测控终端均向保护主站发送大量故障信息，对通信要求很高，可能会出现通信拥堵；保护主站需同时接受和处理大量信息，为了保证故障处理的实时性，要求保护主站具有很强的计算能力；若主站故障，则整个保护系统便无法工作，对主站可靠性要求很高。
分布式广域保护主要由本地测控终端和对等式通信系统组成，在此结构下，本地测控终端通过对等式通讯网络与区域内其它测控终端进行通讯，互相传递测量信息，最终根据自身和从其它测控终端获取的信息进行故障的检测、定位和隔离。分布式结构的优点在于：故障的检测通过各测控终端间通讯完成，某一终端故障时不会影响整个保护系统的工作，可靠性较高；各测控终端一般只与相邻终端或同区域内的终端通讯，对通讯网络的要求降低。与此同时，缺点在于：分布式结构通常应用的故障定位算法较为简单且十分有限，没法做到整个系统的最优化故障隔离和恢复。
本地测控单元是广域保护的基础，分散装设于配电网各个节点，采集信息并执行相应控制操作。而线路微机测控保护装置（Microprocessor-based protectiondevice，MPD）以高性能处理器为核心，包含AD采样模块、通信模块、开关量输入输出模块、断路器操作模块、显示模块等，集测量、保护、通信、控制、显示于一身。显然，线路微机测控保护装置满足广域保护本地测控单元的全部要求，故本文以微机测控保护装置作为广域保护本地测控终端。
5结语
随着智能配电网建设，继电保护逐渐脱离传统继电器模式，走向微机保护模式。微机保护的发展，使基于多点信息的含分布式电源的配电网保护成为可能。针对逆变型DG，详细建立了PQ控制策略下的并网发电模型，并进行了故障分析，指出当并网点远处故障时DG可等效成恒功率源，近处故障时可等效成恒流源，为含DG的配电网保护研究提供了简化模型。然后，基于智能微机测控保护装置，提出了基于多点信息的配电网广域保护方案，通过采集多点信息，综合分析和判断，以实现故障定位和切除。
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作者简介：
周舟（1991-），男，汉族，辽宁朝阳，国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助力工程师，现从事电力系统工作。
论文作者:周舟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：故障论文; 分布式论文; 功率论文; 配电网论文; 终端论文; 网点论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第34期论文;