文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190770
中文引用格式: 代運(yùn)滔. 面向中低壓饋電線路的區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2020,,46(3):71-75.
英文引用格式: Dai Yuntao. Design and simulation of area protection device for middle and low voltage feeder line[J]. Application of Electronic Technique,2020,,46(3):71-75.
0 引言
智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略下,隨著主動配電網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用,,傳統(tǒng)配電網(wǎng)向著多源,、網(wǎng)狀、并網(wǎng)方式發(fā)展,,其系統(tǒng)由單向固定向著雙向不確定轉(zhuǎn)變,;但是,導(dǎo)致當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時,,短路電流能量的流動方向出現(xiàn)多種不確定因素[1-2],。
為解決上述問題,國內(nèi)外研究人員提出了多種保護(hù)與控制方案,。文獻(xiàn)[3-4]從電流的相位角度出發(fā),,提出了基于故障電流相位變化方式的方向電流檢測法,并考慮了光照,、風(fēng)力以及負(fù)荷變化等不確定因素,,設(shè)計了一套完整的電流相位保護(hù)方案。文獻(xiàn)[5-6]利用本地信息,,仍沿用傳統(tǒng)保護(hù)判據(jù)進(jìn)行改進(jìn),,在配電線路兩端設(shè)置電流方向檢測元件,實現(xiàn)了故障的識別與切除,。文獻(xiàn)[7-8]利用多信息融合進(jìn)行綜合判別,,通過獲取含新能源電源的電網(wǎng)拓?fù)涞膶崟r信息,,計算不同支路故障時的特征與參數(shù),對保護(hù)配置與定值做出針對性的修改,。
但是,,多端差動保護(hù)原理在我國35 kV及以下中低壓饋電線路中的應(yīng)用中仍受到較大限制,因此為縮短故障切除時間,,提高保護(hù)動作可靠性,,縮小故障切除區(qū)域,提高配電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行水平,,本文提出了一種中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置,,并進(jìn)行了硬件電路與保護(hù)判據(jù)設(shè)計。仿真實驗結(jié)果證明,,本文設(shè)計裝置能夠滿足現(xiàn)階段配電網(wǎng)對于故障判別,、隔離與定位的要求,在速度和精度上相比于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)有了質(zhì)的提升,。
1 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計
當(dāng)前配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為集中控制式和分布決策式兩種形式[9],,綜合分析配電網(wǎng)對繼電保護(hù)的要求,本文中的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)采用分散式和集中式相結(jié)合的結(jié)構(gòu),,如圖1所示,。
集中式的決策中心直接控制線路上的節(jié)點IED,每條配電線路中設(shè)置一個控制本線路中IED之間的通信規(guī)則的主站IED,。在主站的統(tǒng)一調(diào)控下通過光纖將線路中IED采集的線路實時運(yùn)行數(shù)據(jù)在IED之間互相交換數(shù)據(jù),,實現(xiàn)信息共享。在多點數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,,IED設(shè)備根據(jù)廣域信息保護(hù)判據(jù)實現(xiàn)配電網(wǎng)中后備保護(hù)的功能,,利用多點信息實現(xiàn)故障元件的識別與隔離。
2 中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置設(shè)計
為確保裝置具有較好的兼容性,,中低壓饋電線路區(qū)域保護(hù)裝置主要包括模擬量采集模塊,、開入量采集模塊、主控電路模塊,、動作輸出模塊和顯示面板5部分[10],,其中裝置結(jié)構(gòu)及各模塊間的關(guān)系示意圖如圖2所示。
3 中低壓饋電線路區(qū)域裝置保護(hù)判據(jù)設(shè)計
3.1 有源配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)設(shè)計
3.1.1 基于相電流突變量的保護(hù)起動方法
基于相電流突變量的保護(hù)起動主要利用故障后電流發(fā)生突變的特點[11-12],。由于該保護(hù)是作為主保護(hù)對速動性要求較高,,因此起動部分采用單相電流突變量起動,提高保護(hù)靈敏性,,降低動作延時。其中單相電流突變量的計算方式如下:
式中,,Iset1為預(yù)設(shè)的浮動閾值,,可根據(jù)線路上負(fù)荷的變化而即時調(diào)整,,通常不小于0.3倍的最小負(fù)荷電流,不大于0.5倍的最大負(fù)荷電流,。
3.1.2 電流差動保護(hù)判據(jù)設(shè)計
現(xiàn)階段配電網(wǎng)的常見形態(tài)如圖3所示,,在配電網(wǎng)兩條母線間存在帶有負(fù)荷Load的不可測分支。因此,,考慮不可測分支后的區(qū)域電流差動保護(hù)判據(jù)如下:
式中,,k%為最大轉(zhuǎn)移電流占額定電流的百分比,通常取10%,;Km為可靠系數(shù),;IN為該段線路額定電流。
式(4)為制動電流判據(jù),,Kres為制動系數(shù),,考慮TA飽和誤差,存在電機(jī)類DG等特點,,其值取0.3~0.45,。
3.2 配電網(wǎng)故障隔離方法
隔離區(qū)域根據(jù)分段開關(guān)的位置被劃分為8個獨立的定位區(qū)域,如圖4所示,。
不同類型的區(qū)域存在不同的定位判據(jù),。對于多出口、多IED設(shè)備的區(qū)域,,如定位區(qū)1,、2、4,、6,,采用基于多端電流差動的定位判據(jù)。其判據(jù)如下:
4 仿真與測試
4.1 保護(hù)仿真模型的建立
通過MATLAB/Simulink軟件搭建有源配電網(wǎng)模型,,具體如圖5所示,。
圖5中電源使用三相接地電源模塊,電壓設(shè)置為10.5 kV,,容量為500 MVA,;頻率設(shè)置為50 Hz;DG1與DG2均為逆變型DG,,不同時工作,,容量為5 MVA,逆變器輸出電壓0.38 kV,,頻率50 Hz,,經(jīng)配變0.4 kV/10 kV升壓并網(wǎng),短路輸出電流為1.3 p.u.,。f1,、f2為兩個饋線分支三相短路故障點,,不同時故障。輸電線路使用三相Π型等值電路,,具體參數(shù)如表1所示,。
4.2 自適應(yīng)電流差動保護(hù)方法分析
基于圖5,故障點f1處發(fā)生三相短路故障,,令系統(tǒng)電源至A母線及AC母線間的線路長度均為10 km,,故障點距離C母線5 km。故障發(fā)生于0.4 s,,故障發(fā)生時DG1退出,,DG2先投入并在0.7 s后退出,對保護(hù)1,、2,、5以及保護(hù)2、3采用自適應(yīng)電流差動保護(hù)方案的結(jié)果進(jìn)行仿真,。差動電流波形如圖6所示,。
由圖6(a)可見,當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)外時,,其最大差動電流小于0.2 A,,不滿足式(1)、式(2),、式(3)保護(hù)起動及動作條件,。由圖6(b)可見,當(dāng)故障發(fā)生在該保護(hù)區(qū)內(nèi)時,,0.4 s故障發(fā)生的瞬時,,差動電流就已超過500 A,即使分布式電源退出,,短路電流400 A,,滿足自適應(yīng)電流差動保護(hù)所設(shè)定的起動及動作條件,保護(hù)將立即動作,,跳開4,、5所對應(yīng)的斷路器,故障切除,。
由于保護(hù)2,、3的區(qū)域內(nèi)存在未檢測饋線分支,無法獲取其瞬時電流量信息,,因此采取式(4)負(fù)荷預(yù)測的方式,,取平均負(fù)荷電流為50 A,相比于傳統(tǒng)電流保護(hù)在這種情況下產(chǎn)生的越級保護(hù)或是靈敏度下降問題,自適應(yīng)電流差動保護(hù)方法顯然更加可靠和靈活,。
4.3 新型故障隔離方法仿真分析
搭建一個環(huán)網(wǎng)仿真模型,,如圖7所示,具體參數(shù)與4.1節(jié)相同,。圖7中存在11個分段開關(guān),1,、5,、6、10為斷路器,,2,、3、4,、7,、8、9,、12為負(fù)荷開關(guān),。將11個分段開關(guān)劃分為7個關(guān)注的隔離區(qū)域,當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時,,將通過這7個負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行深度隔離,。隔離區(qū)域與分段開關(guān)的關(guān)系如表2所示。
4.3.1 故障發(fā)生于f1處
當(dāng)故障發(fā)生在f1處時,,7個隔離區(qū)計算所得的電流信息如表3所示,。由于饋線分支2為未檢測分支,故根據(jù)其最大負(fù)荷0.5 MW估算其最大單相電流為28.86 A,,并設(shè)置該區(qū)域差動閾值為40 A(下同),。
隔離區(qū)7所在的負(fù)荷開關(guān)11捕捉到了故障電流,其波形如圖8所示,。
4.3.2 故障發(fā)生于f2處
當(dāng)故障發(fā)生在f2處時,,7個隔離區(qū)計算所得的電流信息如表4所示。
隔離區(qū)6所在的負(fù)荷開關(guān)8,、9通過不完全差動算法捕捉到了故障電流,,其波形如圖9所示。
5 結(jié)論
本文設(shè)計了一種適用于我國中低壓系統(tǒng)的區(qū)域保護(hù)裝置,,提出了自適應(yīng)的多端電流差動保護(hù)以及故障隔離方法,。該設(shè)計裝置以傳統(tǒng)差動電流保護(hù)為基礎(chǔ),結(jié)合含DG配電網(wǎng)故障電流的特點,,解決了傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)應(yīng)用于有源配電網(wǎng)時存在的諸多問題,,縮小了配電網(wǎng)的故障隔離區(qū)域,能在較短的時間內(nèi)完成非故障區(qū)域的停電恢復(fù),體現(xiàn)了設(shè)計裝置的快速性,、高效性,、可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 陸川,,楊超,,陳新.一種認(rèn)知智能電網(wǎng)中頻譜接入策略選擇機(jī)制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(9):114-118.
[2] 畢曉東.智能電網(wǎng):萬億蛋糕如何分享[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(2):10,,12.
[3] UKIL A,,DECK B,SHAH V H.Current-only directional overcurrent protection for distribution automation challenges and solutions[J].IEEE Transaction on Smart Grid,,2012,,3(4):1687-1794.
[4] HALABI N E,GARCIA-GRACIA M,,BORROY J,,et al.Current phase comparison pilot scheme for distributed generation networks protection[J].Applied Energy,2011,,88(12):4563-4569.
[5] 許偲軒,,陸于平.含DG配網(wǎng)電流幅值差異化保護(hù)方案[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,,30(18):164-170.
[6] 陳曉龍,,李永麗,譚會征,,等.含逆變型分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化,,2015,39(9):107-112.
[7] 黃純,,劉鵬輝,,江亞群,等.基于動態(tài)時間彎曲距離的主動配電網(wǎng)饋線差動保護(hù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,,2017,,32(6):240-247.
[8] 白加林,高昌培,,王宇恩,,等.基于數(shù)據(jù)源共享的廣域智能保護(hù)及控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,,44(18):157-162.
[9] 馬靜,,張涌新,項曉強(qiáng),等.基于保護(hù)動作信號的配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)方案[J].電力自動化設(shè)備,,2018,,38(3):34-41.
[10] 王勝利,吳云峰,,張晨雨,,等.用于鋰電池模擬的高速電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(12):125-129.
[11] 李娟,,高厚磊,朱國防.考慮逆變類分布式電源特性的有源配電網(wǎng)反時限電流差動保護(hù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,,2016,31(17):74-83.
[12] 牛耕,,周龍,,裴瑋,等.低壓有源配電網(wǎng)在線故障區(qū)間定位與識別方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,,2017,,37(9):2525-2539.
作者信息:
代運(yùn)滔
(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 遵義供電局,貴州 遵義563000)