接入分布式电源的配电网双整定值方向过电流保护方法_李海绯.pdf
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1、第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20210617修改日期:20220110Dual Setting Value Direction Overcurrent Protection Method forDistribution Network Connected to Distributed GenerationLI Haifei*(State Grid Hulunbeier Power Supply Company,Hulunbeier Inner Mon
2、golia 021000,China)Abstract:The popularity of distributed generation in distribution network is getting higher and higher Due to the connection of multipledistributed generation,the traditional directional overcurrent protection may not be able to meet the demand A dual setting directionalovercurren
3、t protection method without communication assistance is proposed With the goal of determining the optimal forward and re-verse setting values of relay protection and minimizing the total action time of relay protection,the protection method is described as anonlinear programming problem,and an algor
4、ithm is established to solve it The proposed protection method is applied to the 33-bus ra-dial distribution network with distributed generation,and the performance is compared with the traditional protection method which relieson standard over-current relay and directional over-current relay The re
5、sults show that for the radial distribution network,the protectioncoordination failure caused by the reverse fault current of the distributed power supply can be reduced by using the proposed method,and auxiliary communication and additional relays are not needed,indicating that the proposed method
6、has high protection performanceKey words:overcurrent protection;distributed generation;dual settingEEACC:8140doi:103969/jissn10059490202301037接入分布式电源的配电网双整定值方向过电流保护方法李海绯*(国网呼伦贝尔供电公司,内蒙古 呼伦贝尔 021000)摘要:分布式电源在配电网中的普及率越来越高,由于多台分布式电源的接入,传统的方向过流保护可能无法满足需求。提出了一种无需通信辅助的双整定值方向过流保护方法。以确定最优的继电保护正反向整定值和最小化继电保护
7、的总动作时间为目标,将保护方法描述为非线性规划问题,并建立算法进行求解。将所提出的的保护方法应用于 33 节点具有分布式电源的放射状配电网,并与传统的依赖标准过流继电器和方向过流继电器的保护方法进行了性能比较。结果表明,对于放射状配电网,该方法能够减轻分布式电源反向故障电流引起的保护配合失效问题,且不需要辅助通信,也不需要额外的继电器,具有较高的保护性能。关键词:过电流保护;分布式电源;双整定值中图分类号:TM774文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01022309故障保护是配电系统规划中的一项基本内容1。其中保护配合策略用于确定每个故障位置的主保护装置和备用保护装置的动作顺
8、序,保护配合策略的最低要求是仅隔离受故障影响的区域2。配电系统通常设计成放射状运行,以单向进行电能传输,这种单向功率流可接受相对简单的保护策略。因此,在传统的配电系统中,通常采用如过流继电器、重合闸和熔断器这类简单的保护装置35。然而,由于双向潮流的存在,以及分布式电源的并网给配电网保护带来了一定挑战。分布式电源对配电系统保护的影响包括继电保护配合失效、熔断器误跳、继电保护触点不足等问题6。因此,近期的研究工作集中在提出新的保护方法,以减轻分布式电源并网对系统保护配合的影响。在文献 7 中对于含分布式电源的放射状配电系统,提出了依赖于每条线路上配置的两个过流继电器的保护方法,可优化总的保护时间
9、。在文献 8 中,在分布式电源所连接的馈线上增加了一个电子器件第 46 卷过流继电器与系统上的其他继电器配合,以减少保护配合故障。在文献 9中,提出了一种基于智能通信的保护方法,利用过流继电器来保护带有分布式电源的放射状配电网。文献 10基于随机混合整数线性规划优化继电保护动作时间,确定含分布式电源的配电网中过流继电器的最优整定。上述方法都依赖于过流继电器,而且未考虑分布式电源反向故障对保护配合的影响,还需要辅助通信。在文献 1113 中提出的保护方法也依赖过流继电器,而且随着系统规模的增大,反向故障电流的影响变得更加严重。文献 14分析了分布式电源反向故障电流对过流继电器整定的影响,结果表明
10、分布式电源的大小和位置会对保护整定产生不利影响。为了减轻这种影响,在文献 1516 中,提出了基于方向过流继电器的保护方法。在文献 17 中,通过为每个继电器关联其他继电器的闭锁信号,进一步增强了保护效果。上述方法需要在每条线路中设置额外的继电器,或者需要通信基础设施来避免配合故障。相关学者已经提出了几种适用于含分布式电源的网状配电系统的保护方法1819。考虑到分布式电源的存在可能会使过流继电器失去配合,恢复过流继电器配合的有效解决方法之一是使用故障电流限制器20。然而,随着分布式电源渗透率的增加,相关的成本将会增加。在文献 21 中,继电器安装在线路的每一端,具有标准反时限过流继电器和距离继
11、电器的组合特征。为了缩短保护动作时间,提出了双定值方向过流继电器22。本文提出了一种适用于分布式电源高渗透率的放射状配电网的双整定值方向过流保护方法。所提出的保护方法可以减少继电保护动作时间,处理分布式电源反向故障电流影响,并最大限度地减少需要安装的继电器数量,且不需要辅助通信或故障电流限制器。该方法被描述为一个非线性规划问题,其主要目标是最小化继电保护动作时间,同时保持对上下游故障的保护配合。将该方法应用于 33 节点放射状网络,并与文献 23 中提出的传统过流保护方法进行了比较。1问题表述通常,过流继电器(Over-Current elay,OC)的动作时间由通过它的故障电流的反函数决定。
12、控制继电器操作时间的特征方程因类型而异。过流继电器时间电流特性方程为:tij=TDSiAIscijIp,i()B1(1)式中:i 表示继电器,j 表示故障位置;tij是继电器 i 在j 位置故障跳闸所需的时间(s);Iscij是继电器 i 在 j位置故障时在电流互感器一次绕组处测量的短路电流;A 和 B 是根据文献 24 中标准正态逆特性分别设置为 014 和 002 时的常量;Ip,i是继电器 i 动作的阈值电流;TDSi是继电器 i 的时间刻度设置,用作调谐参数。文献 23 中提出了一种基于时间电流电压过流继电器的保护方法,与传统继电器的时间电流特性相比,该方法能够减少继电器的总动作时间。
13、式(2)描述了时间电流电压继电器的工作时间特性:tij=TDSiAIscijIp,i()B11e1vfij()(2)式中:是一个常量参数。另一方面,在文献 15 中提出了具有两对整定值的方向过流继电器。与仅在一个正向动作的传统方向继电器不同,双整定值方向过流继电器能够在正向和反向动作,但不同方向具有不同的整定值。本文将时间电流电压特性与双整定值特性相结合,提出了一种适用于含分布式电源的放射状系统保护的双整定时间电流电压方向过流继电器。图 1 显示了时间电流电压双整定值方向过流继电器的正向特性。该继电器有两对不同的TDSi和 Ip,i整定值:用于正向保护的 TDSfw、Ip,fw和用于反向保护的
14、 TDSrv、Ip,rv。图 1时间电流电压双整定方向过流继电器正向特性与文献 15 相比,本文提出的时间电流电压双整定值方向过流继电器在应用方面主要区别为:在放射状系统中,本文提出的继电器不需要任何辅助通信;正反向整定值既可用于主保护,也可用于后备保护。422第 1 期李海绯:接入分布式电源的配电网双整定值方向过电流保护方法本文继电器的时间电流电压特性可表示为:tfwij=TDSfwiAIscijIp,fwi()B11e1vfij()(3)trvij=TDSrviAIscijIp,rvi()B11e1vij()(4)式中:tfwij、TDSfwi和 Ip,fwi表示继电器正向动作时间、继电器
15、正向时间刻度设置、继电器正向电流设置参数,而 trvij、TDSrvi、Ip,rvi表示继电器反向动作时间、继电器正向时间刻度设置、继电器正向电流设置参数。vfij是继电器 i 在故障位置 j 处测量的每相电压。保护整定问题的主要目标是在保持保护整定条件的前提下,使主、备用继电保护动作时间之和 T最小。因此,目标函数可以表示为:Minimize T=Ni=1Mj=1tpfwij+Kk=1(tbkfwij+tbkrvij)+tprvij+Kk=1tbkrvij()(5)式中:i 表示故障位置,N 是考虑的故障位置总数,j表示继电器,M 是继电器总数。上标 p 表示主继电器,bk 表示继电器 k
16、的备用继电器,K 是每个主继电器的备用继电器的数量。保护配合优化模型考虑了必须满足的约束条件,以求每个继电保护正反向动作的最优可行解。首先是继电器设定值上下限约束。每个继电器的 TDSi值受下限 TDSi,min和上限 TDSi,max的约束,分别设置为 005 和 5,如式(6)所示。类似地,每个继电器的 Ip,i被限制在 Ipmin,i和 Ipmax,i之间,如式(7)所示。其次在正向和反向两种动作下,每个继电器的Ipmin,i被设定为其保护线路额定负载电流的 16 倍,以确保每个继电器仅在故障发生时跳闸。此外,常量参量 的下限和上限分别被设置为 min=0 和max=5,如式(8)中所示
17、。TDSi,minTDSfwi,TDSrviTDSi,max(6)Ipmin,iIp,fwi,Ip,rviIpmax,i(7)minmax(8)最后,后备继电器应在特定时间间隔后配合主继电器运行。主保护和后备保护之间的这种动作时间差称为配合时间间隔(Cooperate Time Interval,CTI),在本研究中将其设置为 02 s。所描述的关系表示如下:tbkfwijtpfwijCTItbkfwijtprvijCTItbkrvijtprvijCTIj(9)例如,对于图 2 中 F51 处的故障,主继电器 18正向动作和 19反向动作。在这种情况下,后备继电器将是继电器 18的 1正向动作
18、和 2反向动作,以及继电器 19的 20反向动作。继电器动作时间的下限为 01 s,最长时间为 25 s。上述问题通过使用MATLAB Optimization Toolbox 来求解。在有分布式电源的情况下,单一整定值继电保护可能会导致保护配合故障。另一方面,文献中提出的双定值继电器需要通信,并且是基于电流的,因此需要更长的故障清除时间。而本文所提出的继电保护方法依赖于电流和电压,不需要辅助通信。图 2在所提出方法下的 33 节点系统2仿真验证对 33 节点放射状配电系统进行建模,分析了所提出的时间电流电压双整定值方向过电流保护方法的性能。此外,还与其他过电流保护方法进行了比较分析。采用传统
19、过流继电器的保护方法,只需要32 个继电器,并安装在线路的一端,如图2 所示,该系统的总容量为 5084 MW 和 2547 MVA。522电子器件第 46 卷33 节点系统通过整合不同位置的分布式电源进行了改进,总容量由变电站和所有分布式电源提供。每个分布式电源的额定功率为 1 MVA,运行在单位功率因数下,瞬变电抗为 10%。每个分布式电源通过 130 的升压变压器连接在每个馈线的末端,阻抗为 5%。在每条线路上,考虑一个栓接的三相中间故障,其中故障位置用 F34 到 F65 表示。更多系统细节见文献 25。所提出的保护方法依赖于时间电流电压继电器与双整定值继电器的组合。继电器的选择主要取
20、决于分布式电源的位置。例如,分布式电源上游的所有继电器都需要双整定值继电器,而分布式电源下游的继电器使用常规过流继电器。如前所述,所有分布式电源都位于馈线的末端,这对保护配合最具挑战性。对于图 2 中传统的过流保护,每个继电器有两个整定值 TDS 和 Ip,系统要优化的设置总数为 64个。对于所提的保护方法,图 2 中除 1外的过流继电器被时间电流电压双整定值方向过电流继电器取代。每个继电器将配备四个整定值,两个用于正向动作(TDSfwi,Ip,fwi),两个用于反向动作(TDSrvi,Ip,rvi)。此外,如 1等连接到电源的继电器以及图 2 中所示的四个附加继电器 33、34、35和 36
21、被建模为时间电流电压过流继电器,没有双向功能。过流继电器的位置选择主要考虑所连接馈线上的分布式电源故障电流的影响。例如,对于分布式电源连接的馈线上 F50 处的故障,过流继电器 33和双整定值继电器 17(正向动作)将充当主继电器并隔离故障。继电器 16正向动作充当 17的后备继电器。另一方面,其他馈线将主要通过主保护和后备保护的时间电流电压双整定值方向过电流继电器进行保护。例如,对于故障位置 F36,继电器 3(正向动作)和继电器 4(反向动作)将充当主继电器。继电器 3的备用继电器是 2(正向动作)和继电器 22(反向动作),而继电器 5(反向动作)充当继电器 4(反向动作)的备用。对于所
22、提出的保护方法,需要优化的整定值总数为 170 个,其中双整定值继电器 155 个,时间电流电压过流继电器15 个。将该方法与文献 23中提出的保护方法进行了进一步的比较。对于每个故障位置,文献 23 中方法依赖于在每条线路末端配置两个方向过流继电器,如图 3 所示,该方法配备了 64 个方向过流继电器,需要优化的整定值总数等于 192 个。图 3时间电流电压方向过流继电器保护的33 节点系统4结果验证给出了常规过流继电器、时间电流电压方向过流继电器和双整定值时间电流电压方向过流继电器 3 种保护方法在 33 节点放射状配电网中的仿真结果,并进行了比较。41常规过流继电器保护方法如前所述,最近
23、的许多研究工作都考虑了在具有分布式电源的放射状配电系统中使用过流继电器。这种方法只需要对保护系统进行最小程度的改变,但在考虑上游故障时,这种方法未必有效。在这一部分中,将研究在使用过流继电器的情况下的最优保护配合。表 1 列出了下游和上游同时故障时继电器动作时间。如表 1 所示,过流继电器对所有下游故障都进行了有效的保护配合。例如,对于 F48 处的故障,继电器 15为主继电器,动作时间为 0407 1 s。14为后备继电器,动作时间为为 0607 s 的。相反,对于继电器上游的故障,所有继电器保护配合失效,也就是备用继电器在主继电器之前动作。例如,对于相622第 1 期李海绯:接入分布式电源
24、的配电网双整定值方向过电流保护方法同的故障位置,备用继电器 17将在 0103 s 动作,而主继电器 16在 0612 s 才动作。对于所研究的系统,保护配合失效的总数为 28 次。表 1常规方法上游和下游故障继电器动作时间单位:s故障位置动作时间/s上游主保护后备保护下游主保护后备保护F4815 040714 060716 061217 0103F6330 04229 06231 218532 013242时间电流电压方向继电器保护方法为了缓解在有分布式电源的情况下使用常规过流继电器的保护配合失效问题,提出了时间电流电压方向继电器保护方法,在此方法下方向过流继电器位于每条线路的两端。表 2
25、给出了对于选定故障的继电器动作时间,而表 3 给出了最佳继电保护整定值。通过与常规过流保护方法的比较可以看出,对于 F48 处的故障,下游继电器 27将作为继电器 29的后备,而上游继电器 32将作为相同故障时继电器30的后备。在最佳整定下,29和 27的继电器动作时间分别为 01 s 和 03 s。同样,30和 32的最佳继电保护动作时间分别为 01 s 和 03s。由此可见,时间电流电压方向过流继电器能够为上下游故障提供充分的保护配合。表 2时间电流电压方向保护方法继电器动作时间故障位置动作时间/s主保护备用 1备用 2故障位置动作时间/s主保护备用 1备用 2障位置动作时间/s主保护备用
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