有源配电网对继电保护的影响分析及对策.pdf

今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 792 0 2 3 年第5 期2023 No.51 背景在国家“碳达峰”“碳中和”战略的推动下，越来越多的分布式电源（Distributed Energy Resources，DER）接入配电网，同时大量的储能设备以及电动汽车接入，改变了传统配电网被动、单向的特性，使其具备主动控制和管理的能力1，变成有源配电网（Active Distribution Network，ADN）。有源配电网是配电网络的一种新型形式，具备以下主要特点。（1）高比例的分布式能源资源接入。有源配电网可以接入大量的分布式能源资源，并能有效地管理和调度这些资源。（2）主动管理和控制。相比于传统的被动配电网，有源配电网具备主动管理和控制的能力，可以根据实时电网状态和需求，进行优化调度，提高电网的运行效率和可靠性。（3）交互性和双向流动。在有源配电网中，电能可以双向流动，用户既可以从电网中购电，也可以向电网中注入电能。此外，电网运营商、电力用户以及分布式能源资源等参与者之间，可以进行信息交互和协同运行。（4）智能化和数字化。有源配电网广泛应用信息化和自动化技术，如物联网、人工智能、大数据分析等，实现电网的智能化和数字化，提高电网的运行效率和服务水平。因此，有源配电网是未来电力系统的重要组成部分，能够有效地提高电力系统的灵活性、可靠性和可持续性，同时也为用户提供更加高效、优质的电力服务。文章从有源配电网的构成和特点出发，分析有源配电网对继电保护的影响，提出继电保护的解决方案。2 有源配电网对继电保护的影响在有源配电网中，分布式电源的分散接入对继电保护提出了新的挑战。传统的继电保护系统是基于单向功率流的理念设计的，但是在有源配电网中，由于分布式发电系统（DG）的接入，其潮流和故障电流可能变为双向的，同时受电力电子器件的限制，故障电流变小，甚至只有短暂的电流输出。有源配电网的故障特征影响继电保护系统的性能。图1为有源配电网的模型。NM?图1 有源配电网模型2.1 继电保护的方向性方向性问题：传统的继电保护系统通常假定故障电流总是从变电站向负载流动。然而，由于分布式发电系统的加入，这个假设可能不再成立，电流方向可能发生变化，这可能会导致方向性保护设备误动作或者拒动。如图1所示，若分布式电源上游发生故障，如F1，那么 DG 有可能向故障点提供短路电流，此时，流过开关 K2处保护的电流是反向的，影响 K2处保护的动作行为。2.2 故障电流的变化故障电流大小：分布式发电系统可能会改变故障摘 要大规模分布式新能源接入配电网，影响传统配电网保护的正确性。文章阐述有源配电网的概念及特点，分析对配电网保护的影响，包括方向性、故障电流特性以及选择性，并提出有源配电网的技术解决方案。关键词配电网；5G 技术；差动保护；防孤岛保护中图分类号TM773 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05007903Analysis and Countermeasures of the Impact of Active Distribution Network on Relay ProtectionFENG Jiaguo，YANG Yuntao，XU HualiAbstractThe large-scale distributed new energy integration into the distribution network affects the correctness of traditional distribution network protection.The article elaborates on the concept and characteristics of active distribution networks,analyzes the impact on distribution network protection,including directionality,fault current characteristics,and selectivity.Based on the analysis,propose a technical solution for active distribution networks.Keywordsdistribution network;5G technology;differential protection;anti islanding protection有源配电网对继电保护的影响分析及对策冯佳果，杨运涛，徐华利（中广核风电有限公司，北京100160）今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application80 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5点电流的大小和特性，使得保护设备的电流设定值需要重新确定，如果保护设备的设定值未能及时调整，可能会导致保护设备误动作或者拒动。若分布式电源下游 F2发生故障，此时由于 DG的接入使 DG 接入点电压升高，导致流过故障点的电流比没有 DG 时增大，K4处的保护范围增大导致保护可能误动；同时 DG 接入点电压升高，导致 DG 接入点上游故障电流减小，K1处后备保护灵敏度下降，甚至可能失去后备保护作用。2.3 继电保护的选择性选择性问题：在有源配电网中，由于电力来源发生改变，影响了保护设备的选择性动作，使小范围内的故障导致了更大范围的供电中断。如图1所示，若分布式电源上游发生故障，如F1，那么 DG 不会影响流过开关 K1处保护的电流，K1处保护可以切除电网电源提供的短路电流，但是DG 会继续向短路点供电。为保护配电线路和电力设备，需要从 F1点下游切除故障，可以通过下游开关K2处的保护切除故障，但是由于 K3离 DG 比 K2近，因此，K3感受到的故障电流大于 K2，K3会先于 K2动作导致保护不满足选择性；还可以通过 DG 接入点的保护将 DG 切除，但是会导致 DG 退出运行，无法充分利用 DG。因此，有源配电网的发展需要重新考虑和设计继电保护系统，使其能够适应电力系统的新发展，确保电力系统的安全运行。3 有源配电网对继电保护影响的对策对于有源配电网对继电保护带来的影响，以下是几个可以采取的应对措施。（1）采用新型保护原理。为应对电力流的双向性，可以考虑采用新型的保护原理，如电力方向判别、电压电流矢量关系判别等。（2）重新设定保护参数。根据有源配电网的特性，重新设定保护设备的参数，以确保其能够在发生故障时正确动作。（3）提高保护设备的灵敏度。为应对由于分布式发电系统的加入，而可能导致的故障电流变化，可以提高保护设备的灵敏度，以确保其在故障电流变化时仍能正确动作。（4）优化保护协调方案。根据有源配电网的特性，重新进行保护协调，以确保在故障发生时，保护设备能够正确、及时地切除故障。（5）引入智能保护技术。如采用人工智能、机器学习等技术，实现对保护系统的智能化，以适应有源配电网的复杂性。（6）引入通信技术。如采用远程监控和控制技术，可以实时获取电网的运行状态，对保护设备进行远程调整，以适应电网状态的变化。以上都是针对有源配电网对继电保护可能产生影响的应对措施，具体采取哪种措施，需要根据具体的电网状况和需求进行选择。3.1 配电网差动保护配电网纵联保护，能够解决传统阶段式电流保护选择性差、动作速度慢的问题，是有源配电网相间故障保护的理想方案2-4。配电网线路电流差动保护基于基尔霍夫电流定理。基尔霍夫电流定律指出，在集总线路中，任何时刻任一节点上流入节点的电流之和，等于流出节点的电流之和。由定理可知，差动保护适应于两端或多端线路。以两端配电线路为例，两侧电流的正方向都定义为从母线指向线路，且不考虑线路分布电容的影响。在配电线路正常运行时，线路一侧（M 侧）流入的电流等于另一侧（N 侧）流出的电流，两侧电流的差流值近似为0；当配电线路内部发生横向故障时，系统提供的短路电流和 DER 提供的短路电流均流入故障点，此时两侧电流的差值不再为0，而是故障电流值；当差流大于整定值时，差动保护动作，跳开两侧断路器，隔离故障。两侧电流差动保护的判断依据为：（1）式中，动作量、为 M 侧和 N 侧的电流相量；k 为制动系数；Idz为差动动作电流定值。Idz用来躲过区外故障时，因CT传变原因引起不平衡电流。由式（1）可看出，利用线路两端电流相量和内部故障与正常运行、内部故障与外部故障的差异，可区分线路的内部故障和其他运行状态。电流差动保护不需要利用上下游保护在定值及动作时间上的配合，即可满足选择性，尤其适用于多端电源情况。因此，如果将电流差动保护引入有源配电网，其对 DER 接入位置、接入容量良好的适应性，能够很好地解决有源配电网保护的选择性问题。基于5G 的配电网差动保护架构如图2所示。差动保护的构成包括配电线路各侧的差动保护装置和5G CPE（Customer Premise Equipment）通信接收终端。5G 通信网络包括无线基站和核心网等节点。采用北斗同步卫星授时，实现差动保护各侧的保护装置采样同步。3.2 防孤岛保护有源配电网配置防孤岛保护。防孤岛保护具备两大作用：有源配电网内出现非计划性孤岛运行时，今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 812 0 2 3 年第5 期2023 No.5解列分布式电源，防止因配电网的电压质量和频率指标不合格，损坏用电设备；同时避免分布式电源继续发电，导致配电线路继续带电、威胁运维检修人员人身安全。配电网中的光伏发电、储能装置都是通过逆变器并网的，受制于逆变器成本，通常配电网故障时，输出的短路电流不会超过发电功率的150%，导致无法利用电流保护及时解列，因此，防孤岛保护可以解列 DER，从而避免故障点电弧不能熄灭造成重合闸失败，也防止非同期重合闸产生冲击电流。有源配电网防孤岛保护方法主要有：基于测量点电气量被动式保护方法、主动式保护方法和基于通信的远端量保护方法。3.2.1 被动式防孤岛保护基于测量点电气量的被动式防孤岛保护，主要检查并网点逆变器端电压、频率、相位等的变化情况来进行孤岛判断。常用的方法包括过电压保护、欠电压保护、过频率保护、欠频率保护、频率变化率保护和电压相位偏移保护等。3.2.2 主动式防孤岛保护主动式防孤岛保护的主要思想是，给逆变器输出加入很小的扰动，这种扰动在并网时受电网的钳制作用影响很小；当发生孤岛运行时，这种小扰动将变得很大，保护判别测量电气量的变化动作跳开 DER。例如，逆变器主动调整其输出电压的频率、相位或幅值，以造成孤岛电压/频率明显变化，使电压/频率进行保护动作。主动式防孤岛保护测量精度高，死区小，但是控制算法复杂，实现困难。主要有主动频率偏移法（Active Frequency Drift，AFD）、Sandia 频率偏移法、电压偏移法及滑模频率偏移法（SMS）等。3.2.3 基于通信的防孤岛保护基于通信的防孤岛保护方法，主要依靠通讯手段传输线路断路器位置状态，利用断路器器的位置信号判别是否处于孤岛运行状态。通信的介质包括电力线载波通信方式、光纤通信方式和5G 通信方式等。采用光纤通信或5G 无线通信时，DER 端与并网点可以实时通信、获取并网断路器的位置和线路电流数据。在正常运行时，通信终端之间可采用心跳报文通信，用以监测通信状态和断路器位置状态；当并网断路器位置变化，由合位变位触发故障报文，快速传输跳位位置及线路电流信息，当 DER 端收到断路器跳位，同时并网点电流为0时，表明并网断路器已跳开，配电网孤岛运行。基于电力线载波的通信模式相对于光纤通信和5G 通信来说，通信成本低，但通信可靠度低。配电网处于并网运行时，DER 端信号接收器能正常接收到到并网点信号发生器发出的载波信号；当并网断路器跳开，载波信号通道断开，则 DER 端信号接收器无法接收到载波信号，此时认为配电网处于孤岛运行状态。比较这3种通信介质，基于光纤通信和5G 通信的防孤岛保护可靠度高，不会对电网正常运行产生影响，但5G 建设成本高。随着配电自动化的发展，光纤通信成本变低，基于光纤通信的防孤岛保护应能成为主流。4 结束语随着新型电力系统发展，大量的分布式新能源和储能设备接入配电网，导致配电网的 DER 渗透率不断提高。大规模电力电子器件接入，改变了传统配电网的结构以及故障电流特征，对传统保护造成影响。而配电网差动保护可以有效解决这些问题，其差动原理可靠度高，随着5G 技术发展，光纤通信成本地降低，基于光纤通信或5G 通信的配电网差动保护将会大规模应用。基于电压和频率原理的防孤岛保护缺陷日益突出，当系统电压与频率扰动时，可能造成大面积的 DER 脱网，亟待加强防孤岛保护新技术的研究，而基于光纤通信或5G 通信的防孤岛保护是一种有效的解决方案。参考文献1 詹惠瑜，刘科研，盛万兴，等.有源配电网故障诊断与定位方法综述及展望 J.高电压技术，2023，49（2）：660-671.2 高厚磊，徐彬，向珉江，等.55G 通信自同步配网差动保护研究与应用 J.电力系统保护与控制，2021（7）：1-9.3 王宁，韩国栋，高厚磊，等.有源配电网电流差动保护判据研究 J.电力系统保护与控制，2023，51（7）：14-23.4 余江，陈宏山，丁晓兵，等.5G 无线通信承载差动保护业务的应用探讨 J.电力系统保护与控制，2021（7）：10-16.CPECPE同步卫星DGNM图2 基于5G的配电网差动保护架构