适于光伏接入的配电网继电保护配置方法与流程

本发明涉及配电网继电保护技术领域，具体涉及一种适于光伏接入的配电网继电保护配置方法。

背景技术：

传统配电网结构一般为单电源辐射型网络，且运行方式变化不大。传统配电网故障保护方式之一为采用距离保护装置，通过在线路上设置距离保护装置，利用电流保护能够快速可靠地切除故障。传统的距离保护装置基于配电网为单电源辐射型网络、潮流单向流动且系统运行方式变化不大的特点，同时利用了线路发生短路故障时电压、电流的变化特性，通过测量阻抗来确定故障点所在的范围，具有保护区域稳定、灵敏度高以及动作情况受电网运行方式变化的影响小等优点。

然而，当光伏电源接入配电网后，传统配电网的网络结构发生改变，而且因光伏电源的出力随自然条件变化而随机波动，导致配电系统的运行方式复杂多变，使得传统的配电网采取的距离保护装置不可避免地受到影响。含光伏电源的配电网在发生故障期间，因光伏电源的故障特征受并网逆变器的控制，存在故障电流限幅环节，采用传统的电流保护难以整定，存在不适应的问题，需要加以改进。同时，配电网系统在发生短路故障时，一般都存在过渡电阻，由于过渡电阻的存在，使得距离保护装置的测量阻抗、测量电压等参数发生变化，有可能造成距离保护装置的不正确动作。光伏电源接入配电网后的实际运行中，若在光伏电源与系统电源之间的线路发生短路故障，设其过渡电阻为Rg，过渡电阻Rg中流过的短路电流不再是距离保护装置安装处的电流，距离保护装置安装处的测量电压和测量电流的关系可表示为：

令则距离保护装置的测量阻抗Z_m可以表示为：

式中，为距离保护装置安装处的测量电压，为故障期间光伏电源输出电流，Z_k为光伏侧距离保护装置安装处与故障点间线路阻抗，为系统侧短路电流，R_g为过渡电阻，Z_m为距离保护装置的测量阻抗。

过渡电阻R_g对测量阻抗Z_m的影响，取决于系统电源提供的短路电流大小及故障期间光伏电源输出电流和系统侧短路电流之间的相位关系。一般而言，故障期间，光伏并网逆变器为避免过热而损坏将对故障电流进行限制，光伏电源的最大故障电流约为光伏额定电流的1.2倍。系统电源故障期间提供的短路电流会达到平时的十几倍甚至几十倍。故障期间，设则尽管过渡电阻R_g很小，|MR_g|将会很大。此外，由于光伏故障电流的相角不确定，因而系统与光伏电源两侧故障电流的相角差θ也不确定。测量阻抗Z_m落在以无系统侧短路电流时的测量阻抗为圆心，|MR_g|为半径的圆轨迹上，从而对保护动作的正确性产生影响。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种适于光伏接入的配电网继电保护配置方法，该方法通过在光伏电源侧配设距离保护装置，并使距离保护装置在配电网发生故障时延时启动从而能够有效避免由于系统侧短路电流在过渡电阻上产生的压降对光伏侧距离保护装置的影响，提高光伏接入后的配电网保护的可靠性。

本发明的技术方案是：本发明的适于光伏接入的配电网继电保护配置方法，其包括以下步骤：

①在光伏接入点上游线路两侧加装断路器，系统电源侧设置带有功率方向元件的电流保护装置采用Ⅰ、Ⅱ两段式电流保护，光伏电源侧设置带有方向性阻抗元件的距离保护装置采用Ⅰ、Ⅱ两段式距离保护；

②系统电源侧发生故障时，系统电源侧电流保护装置无延时启动，光伏侧距离保护装置延时0.6秒启动；

③系统电源侧电流保护装置启动后，通过电压互感器和电流互感器采集电流保护装置安装处的故障电压和故障电流，通过功率方向元件判断是否为正方向故障，若判定为正方向故障，则将故障电流幅值与由式(3)计算而得的系统电源侧电流保护Ⅰ段的整定值I^I_set.1以及由式(4)计算而得的系统电源侧电流保护Ⅱ段的整定值通过电流保护装置配设的电流元件进行比较，若故障电流幅值大于电流保护I段整定值，则系统电源侧电流保护装置电流I段继电器无延时动作；若故障电流幅值大于电流保护II段整定值，则电流保护装置电流II段继电器延时0.5秒后动作；若判定为反向故障，则电流保护装置执行闭锁保护；

I^Π_set.1＝K^Π_relI^I_set.2 (4)

式中，I^I_set.1为系统电源侧电流保护Ⅰ段的整定值，K^I_rel为可靠系数，取值1.2～1.3；为系统等值电动势；Z_s.min为系统最大运行方式下的系统阻抗；Z_L为被保护线路的正序阻抗；I^Π_set.1为系统电源侧电流保护Ⅱ段的整定值，K^Π_rel为可靠性配合系数，取值1.1～1.2；I^I_set.2为相邻下段线路的系统电源侧电流保护Ⅰ段整定值。

④系统电源侧电流保护装置在故障发生后由Ⅰ段无延时或Ⅱ段经0.5秒延时切除系统侧故障电流；考虑断路器机械动作时间以及电弧熄灭时间，在故障发生后0.6s，故障点过渡电阻中仅流过光伏电源提供的短路电流，光伏电源侧距离保护装置通过电压互感器和电流互感器采集距离保护装置安装处的故障相电压和故障相电流经过低通滤波后，采用式(5)计算故障环路中的测量阻抗Z_m：

式中，为故障环路电压、为故障环路电流，故障环路电压和故障环路电流的计算均为成熟的现有技术，不详述；

⑤光伏侧距离保护装置根据式(6)计算光伏侧距离保护Ⅰ段的整定值Z^I_set，根据式(7)计算光伏侧距离保护Ⅱ段的整定值Z^Π_set.1：

Z^I_set＝K^I_relL_A-Bz₁ (6)

Z^Π_set.1＝K^Π_rel(Z_A-B+Z^I_set.2) (7)

式中：L_A-B为光伏侧被保护线路的长度/km；z₁为光伏侧被保护线路单位长度的正序阻抗/Ω/km；K^I_rel为可靠系数，取值0.8～0.85；K^Π_rel为可靠系数，取值0.8；Z^I_set.2为相邻线路的距离Ⅰ段整定值；

⑥光伏侧距离保护装置将步骤④中得到的测量阻抗Z_m与根据步骤⑤中得到的光伏侧距离保护Ⅰ段的整定值Z^I_set以及距离保护Ⅱ段的整定值Z^Π_set.1所确定的阻抗特性元件进行绝对值比较或相位比较，比较方法均为成熟的现有技术，不详述。若测量阻抗Z_m在光伏侧距离保护I段范围内，则光伏侧距离保护装置的距离保护I段无延时动作；若测量阻抗Z_m在光伏侧距离保护II段范围内，则光伏侧距离保护装置的距离保护II段延时0.5秒动作，也即光伏侧距离保护装置的距离保护II段的距离保护装置自启动后自延时1.1后动作。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的适于光伏接入的配电网继电保护配置方法，其通过在接入配电网的光伏电源侧设置距离保护装置，对光伏电源侧配备距离保护，有效解决了传统配电网系统电流保护由于光伏出力随机变化产生的整定难题。(2)本发明的适于光伏接入的配电网继电保护配置方法，其通过将光伏侧的距离保护装置设置成在故障发生后0.6s启动，此时系统侧电流保护已经动作，将系统侧短路电流切除，过渡电阻中仅流过光伏侧提供的短路电流，并通过光伏电源侧Ⅰ、Ⅱ两段式距离保护装置的保护动作，从而能够有效避免由于系统侧短路电流在过渡电阻上产生的压降对光伏侧距离保护装置动作准确性的影响。

附图说明

图1为实施例中采用的含光伏的10kV配电网模型示意图，图中还示意性显示了电流保护装置的设置方式；

图2为系统侧保护动作前后的测量阻抗变化轨迹示意图；

图3为实施例中系统电源侧电流保护的流程图；

图4为实施例中光伏电源侧距离保护的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(实施例1)

参见图3和图4，本实施例的适于光伏接入的配电网继电保护配置方法，其主要包括以下步骤：

①在光伏接入点上游线路两侧加装断路器，系统电源侧设置带有功率方向元件的电流保护装置采用Ⅰ、Ⅱ两段式电流保护，光伏电源侧设置带有方向性阻抗元件的距离保护装置采用Ⅰ、Ⅱ两段式距离保护。

②系统电源侧发生故障时，系统电源侧电流保护装置无延时启动，光伏侧距离保护装置延时0.6秒启动。

③系统电源侧电流保护装置启动后，通过电压互感器和电流互感器采集电流保护装置安装处的故障电压和故障电流，通过功率方向元件判断是否为正方向故障，若判定为正方向故障，则将故障电流幅值与由式(3)计算而得的系统电源侧电流保护Ⅰ段的整定值I^I_set.1以及由式(4)计算而得的电流保护Ⅱ段的整定值通过电流保护装置配设的电流元件进行比较，若故障电流幅值大于电流保护I段整定值，则系统电源侧电流保护装置电流I段继电器无延时动作；若故障电流幅值大于电流保护II段整定值，则电流保护装置电流II段继电器延时0.5秒后动作；若判定为反向故障，则电流保护装置执行闭锁保护；

I^Π_set.1＝K^Π_relI^I_set.2 (4)

式中，I^I_set.1为系统电源侧电流保护Ⅰ段的整定值，K^I_rel为可靠系数，取值1.2～1.3；为系统等值电动势；Z_s.min为系统最大运行方式下的系统阻抗；Z_L为被保护线路的正序阻抗；I^Π_set.1为系统电源侧电流保护Ⅱ段的整定值，K^Π_rel为可靠性配合系数，取值1.1～1.2；I^I_set.2为相邻下段线路的系统电源侧电流保护Ⅰ段整定值。

④系统电源侧电流保护装置在故障发生后由Ⅰ段无延时或Ⅱ段经0.5秒延时切除系统侧故障电流；考虑断路器机械动作时间以及电弧熄灭时间，在故障发生后0.6s，故障点过渡电阻中仅流过光伏电源提供的短路电流，光伏电源侧距离保护装置通过电压互感器和电流互感器采集距离保护装置安装处的故障相电压和故障相电流经过低通滤波后，采用式(5)计算故障环路中的测量阻抗Z_m：

式中，为故障环路电压、为故障环路电流，故障环路电压和故障环路电流的计算均为成熟的现有技术，不详述。

⑤光伏侧距离保护装置根据式(6)计算光伏侧距离保护Ⅰ段的整定值Z^I_set，根据式(7)计算光伏侧距离保护Ⅱ段的整定值Z^Π_set.1：

Z^I_set＝K^I_relL_A-Bz₁ (6)

Z^Π_set.1＝K^Π_rel(Z_A-B+Z^I_set.2) (7)

式中：L_A-B为光伏侧被保护线路的长度/km；z₁为光伏侧被保护线路单位长度的正序阻抗/Ω/km；K^I_rel为可靠系数，取值0.8～0.85；K^Π_rel为可靠系数，取值0.8；Z^I_set.2为相邻线路的距离Ⅰ段整定值。

⑥光伏侧距离保护装置将步骤④中得到的测量阻抗Z_m与根据步骤⑤中得到的光伏侧距离保护Ⅰ段的整定值Z^I_set以及距离保护Ⅱ段的整定值Z^Π_set.1所确定的阻抗特性元件进行绝对值比较或相位比较，比较方法均为成熟的现有技术，不详述。若测量阻抗Z_m在光伏侧距离保护I段范围内，则光伏侧距离保护装置的距离保护I段无延时动作；若测量阻抗Z_m在光伏侧距离保护II段范围内，则光伏侧距离保护装置的距离保护II段延时0.5秒动作，也即光伏侧距离保护装置的距离保护II段的距离保护装置自启动后自延时1.1后动作。

参见图1和图2，为验证本实施例的适于光伏接入的配电网继电保护配置方法的有效性，本实施例中采用如图1所示的10kV配电网模型，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，在光伏并网点上游线路光伏电源侧配备距离保护装置1、2、3，采用带有方向性的方向圆阻抗元件，故障发生时经0.6s延时后启动。系统电源侧采用带有方向性的电流保护装置4、5、6，故障发生后无延时启动。当系统发生故障时，使用本发明提出的保护配置方法，电流保护流程图如图3所示，距离保护流程图如图4所示。系统电源短路容量为150MVA，线路AB、BC、CD为架空线路，线路单位长度电阻与电抗参数分别为r₁＝0.27Ω/km，x₁＝0.35Ω/km，长度均为6km。光伏电源接于母线A处，额定容量为2MW。故障点f位于线路BC某处。根据以上配电网络相关参数，计算得到电流保护装置5的Ⅰ、Ⅱ段整定值分别为1.24kA、0.84kA，距离保护装置2的Ⅰ、Ⅱ段整定值分别为2.25∠52.35°Ω、3.925∠52.35°Ω。

①假定在线路BC中点处发生故障，过渡电阻为0.5Ω，得到故障发生后距离保护装置2的测量阻抗在电流保护动作前后变化轨迹如图2所示。

②假定在线路BC上距母线Bα处设置三相故障，α为故障点距母线B的长度占BC线路总长度的比例，过渡电阻为0.2Ω。得到不同位置故障时，系统侧短路电流和电流保护动作时间、光伏侧距离保护在电流保护动作前以及故障发生后0.6s后的测量阻抗和距离保护的动作时间以及总的故障切除时间如表1所示。

表1

③假定在线路BC上距母线B1.8km处设置故障。改变过渡电阻，得到在不同过渡电阻情况下，系统侧电流保护动作之前、故障发生0.6s后距离保护装置测量阻抗的值以及相应的测量阻抗是否在距离保护整定范围内，结果如表2所示。

表2

仿真结果表明，本发明的保护配置方法，能够在故障发生后准确的判断出故障区段，并在1.1s内将故障线路从两端切除。此外，距离保护经0.6s延时启动，能够避免系统侧短路电流在过渡电阻上产生的压降对光伏侧距离保护装置产生的影响，准确得到测量阻抗，并判断出故障区段。因此该方法能确保光伏侧距离保护装置动作性能良好且具有较强的实用性。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。