摘要：分布式电源（DR）在配电网中的高度渗透，使传统的配网保护与控制面临极大的困难，因此，基于高级馈线终端单元，提出了一种保护控制技术。本文针对智能配电网，分析了含分布式电源以及其保护控制措施。
关键词：智能配电网；分布式电源；保护
对于传统的配电网，其网架结构为辐射状，其特征为单电源提供下游一条或多条馈线，配网保护是根据单一的方向来整定。为了满足日益增长的负荷需求，有效缓解化石能源的紧缺，应该优先将DR就地接入配电网络。通过DR就地接入，能够提升电能质量，以及供电的可靠性，还能降低线路的损耗，但是，也为配网的保护控制增加了诸多的问题。
1 DR接入方式与其对保护的影响
1.1 DR的并网方式
根据DR的容量不同，DR接入配电网的电压等级一般为400 V-110 kV。各电压等级配电网的接线方式不同，DR的接入也有所差异，主要通过变电站母线接入和通过馈线接入，如图1所示。当DR容量较大时，一般接入35 kV或更高电压等级系统中，如图1中的DR1，容量较小时一般接入10 kV母线或直接接入馈线，如DR2和DR3，而更低容量的DR可直接接入400 V低压配网。
1.2 DR接入对保护控制的影响
（1）导致保护拒动或误动。如图1所示，若馈线L3末端发生故障，DR3提供短路电流并抬高节点6的压，由此导致母线3和6之间的电压差减小，可能引起L3出口保护拒动。若馈线L4上发生故障，DR3提供的反向短路电流流过L3出口保护，可能导致该保护误动。
（2）影响断路器的重合闸。在线路发生故障时，若主系统侧断路器跳开而DR继续给线路供电，则会影响到故障电弧的熄灭，导致重合闸失败。当位于系统和DR之间的断路器重合闸时，DR仍然没有解列，可能造成非同期合闸，由此引起的
冲击电流导致重合困难，还可能破坏电气设备。
（3）影响备用电源的自投。如果系统电源中断而DR没有及时解列，则由于母线电压的继续存在，将会影响备自投装置的正确判断进而导致拒动。
（4）影响孤岛内线路的保护。孤岛运行后岛内的拓扑结构和潮流数据均发生较大的变化，并网运行时对相关线路设置的保护定值在孤岛运行时可能不适应。如图1中变压器发生故障且在开关B3断开时，若DR2和DR3能够维持该区域内的功率平衡，则可形成孤岛运行模式。此时，馈线L3, L4和LS的原保护定值就无法匹配该运行模式。
2 分布式保护控制方案
2.1 方案的整体规划
在未来的智能配电网中，DR将高度渗透。当系统故障时，DR需具备低电压穿越能力和孤岛运行能力，由此保证区域内全部或重要负荷不失电，提高供电可靠性。为此，在配网规划时就应该科学设计，结合DR的种类、接入位置、容量大小以及附近的负荷情况进行计划孤岛的划分。考虑到投资成本，不可能在馈线的每个分段处都装设断路器，因此在网络划分后，可在系统内两个相邻区域的边界处安装AFTU和智能开关，AFTU实时检测当地电气量信息、IB的位置信息，具备与其他AFTU进行信息交互、故障诊断、保护控制等功能。IB接收AFTU的指令，可以切断故障电流、重合闸以及检同期合闸等。图2是整体方案的示意图，虚线圆内部分是计划孤岛的划分区域。IB1, IB2, IB3分别是线路出口、边界和DR并网点处的智能开关，AFTU1-AFTU3是相应的智能终端单元。
2.2 配电网络的区域划分
对配电网络进行区域划分，一是要保证故障时具有将故障区域与系统分开的能力，确保非故障网络的安全稳定运行。二是要满足孤岛内分布式电源与负荷的匹配关系。
当DR接入一个辐射状的配电网络之后，系统的物理结构仍然是辐射状的。若该系统发生故障，则故障区段将被隔离，上下游之间的电气设备连接也被切断。因此，可以建立一个由下游DR接入的区域进行孤岛运行的网络分区计划。分区时从DR接入的母线开始向该分支的下游延伸，直到满足区域内预计平均负荷与DR容量相匹配为止。当到达分支末端而DR的容量仍大于区域内预计负荷时，网络划分就向上游延伸，直至DR容量与区域负荷匹配。由此，配网被分成两种类型区域：其一，包含DR的区域，区域内要满足功率平衡方程(1)。
式中:PDRi，是区域内第i个DR的发电容量。其二，位于孤岛运行区域之间的不含DR的区域，该区域内的负荷由主电源或相邻区域的电源供电。
2.3 保护原理
对含DR的配电网络进行合理分区后，应进一步分析不同位置故障时的故障特征，以期发现解决措施。如图2所示，规定由电源端指向下游负荷的方向为电流的正方向，靠近系统电源端的开关为上游开关，而远离系统端的开关为下游开关，下面分析不同位置故障时的故障特征。以边界开关为分界点，总结不同位置故障时的特征如下：
（1）当某边界开关的下游区域发生故障时，边界开关和上游开关流过方向相同、幅值增大的故障电流，短路功率方向均为正。
（2）当某边界开关的上游区域发生故障时，边界开关和上游开关均流过故障电流，但二者的短路功率方向相异。
由图3可知，AFTU对故障的判别主要包括故障起动判别、过电流判别和功率方向比较，对此分别进行分析。
（1）故障起动判别。在配电网络中，负荷投切较为频繁，因此AFTU中的故障起动元件可采用故障分量算法，如式(2)所示。
对于起动判据，如式(3)所示。
（2）故障区域判别。当某IB的下游线路或上游线路发生相间或三相故障时，流过的电流的幅值都会增大，只是短路功率的方向相异。因此，通过判别本地电流是否越限，并与流过上、下游开关的功率方向进行比较，就可实现故障区域的快速判别，如图3所示判别流程。为提高保护的灵敏性，并兼顾上下游保护之间的关系，如式(4)所示。
（3）后备保护。当识别出故障区域后，相关IB应该立即跳闸，隔离故障区域。若发生保护拒动或开关失灵，则应由相邻的AFTU作为后备保护并切除故障。在此，提出后备保护动作策略:当某AFTU判别出其保护区域内发生故障后，将故障信息发给相邻的上游或下游AFTU，相邻的AFTU经过延时后若发现仍存在故障电流，则控制本地开关跳闸，实现相邻AFTU的后备保护功能。
2.4 重合闸、故障隔离与孤岛再并网
当相邻的两个AFTU判别出故障位于它们之间的区域后，二者会发出跳闸命令，跳开各自侧的IB。若能够重合闸操作，则由靠近上游的AFTU经延时后发出重合闸命令。若是永久性故障，则加速跳闸，永久隔离故障区，下游区域应该结合计划孤岛方案，处于孤岛运行模式。当故障处理完毕后，首先由系统侧的IB合闸，边界IB是否直接合闸则根据其下游区域是否为有压状态。若下游是孤岛运行区域，又或者由其他的电源供电，则边界IB应检同期合闸，保证区域间的再并网运行。若下游区域为无压状态，则IB能够直接合闸。若此故障是瞬时性的，上游IB重合成功，下游IB是否直接合闸，在控制策略方面，与上述一样。
结语：
随着配电网络的改造和升级，以及光纤通讯技术在配网中的广泛应用，为有通道保护提供了条件，为此提出了一种基于当地和相邻信息的含 DR 配电网的保护控制方案。预先将配电网划分为若干区域，区域间配置智能开关和 AFTU，各 AFTU 通过光纤网络进行信息交互，根据本地电气量信息、相邻的信息，可快速定位故障区域，实现故障的隔离。
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论文作者:杨楠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/11
标签：故障论文; 区域论文; 下游论文; 孤岛论文; 电流论文; 负荷论文; 电源论文; 《电力设备》2018年第3期论文;