（电力系统及其自动化专业论文）基于全网信息的分布式发电系统自适应保护研究.pdf

东南人学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) b r i n g sm u c hm o r ee c o n o m i cp r o f i t s ，m e a n w h i l ei tm a k e st h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kf r o mr a d i a n tt r a n s m i s s i o nn e t w o r kt om u l t i - p o w e rt r a n s m i s s i o n - l i n es y s t e m f o rt h ec h a n g eo fp o w e rf l o w , i ti sn e c e s s a r yt om o d i f yt h er e l a yp r o t e c t i o nm e c h a n i s mt om e e t t h er e q u i r e m e n t so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m w i t ht h ef u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h ev a r i e d c h a r a c t e r i s t i c st h a td i s t r i b u t e dn e t w o r kr a r e l yh a sp ta n di su n a b l et oo b t a i np o w e rd i r e c t i o na n d g e ts h o r t - c i r c u i ti m p e d a n c ei nh i 【g hs p e e d ，h o wt oc l e a rf a u l tr e l i a b l yi st h ef o c u so ft h i sp a p e r f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa n dp u t sf o r w a r dt h a tt h en e wp r o t e c t i o nf o rd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ns y s t e ms h o u l dm e e ts u c hr e q u i r e m e n t su n d e rf a u l tc o n d i t i o na sk e e p i n gd gf r o m r e m o v i n g ，p r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms u i t a b l et od i s t r i b u t e dn e t w o r k ，n e wp r o t e c t i o n a l g o r i t h mu t i l i z i n ga m o u n t so b t a i n e da se a s i l ya sp o s s i b l e ，n e wp r o t e c t i o nm e e t i n ge c o n o m i c n e e d so nt h eb a s i so ff u l f i l l i n g “t h r e ep r o p e r t i e s ”，a n da v o i d i n gu s i n gd i f f e r e n t i a li nl a r g es c a l e t h e ni tp u t s1 e c 618 5 0s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n t op r a c t i c ei nt h i sp r o t e c t i o n f u r t h e r m o r e ，i tg i v e st h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h es i g n a l c o m m u n i c a t i o nm o d e lf o rd i s t r i b u t e dp r o t e c t i o nb a s e do ni e c 618 5 0 h o w e v e r , a f t e rt h ea p p l i c a t i o no fi e c 6 l8 5 0t od i s t r i b u t e ds y s t e m s y n c h r o n i z a t i o no fs i g n a l t r a n s m i s s i o ni sc h a l l e n g e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h es c h e m et h a tt h ei e e e15 8 8s y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o la p p l i e st ot h er e c o m b i n a n td i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n i e c 618 5 0 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i sp r o t o c o la l s os u i tf o rm a t u r ee t h e m e t i tc o n s t r u c t st i m e m a r kg e n e r a t i o nd e v i c eb yf p g a ，g i v e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d e lo f c l o c k s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea c c o r d i n g 、i t hi e e e 15 8 8p r o t o c 0 1 a n da l s ov e r i f i e si t sa c c u r a c yo ft h e s y n c h r o n i z a t i o nu n d e rt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t f o rt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ts o m eb u sn o d e sc a nd e t e r m i n et h ef a u l td i r e c t i o nm e r e l yb y c u r r e n ta tt h em o m e n to ff a u l th a p p e n s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sap r o t e c t i o na l g o r i t h mc o n f o r m i n gt o d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hg i v e sac o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e la n dg e n e r a t e sf a u l ti n f o r m a t i o na n df a u l ts e a r c hm a t r i x ，w i t hc o m p l e t i n g n e t w o r kd e s c r i p t i o na n df a u l ti s o l a t i o n t h e ni tg i v e st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ep r o c e s sa b o u t r e a l i z i n gt h i sa l g o r i t h mi nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，i ta l s oa n a l y z e st h ea d v a n t a g e a n da p p l i c a t i o nl i m i t a t i o n so ft h ec o m b i n a t i o n a tl a s tt h i sp a p e rp r o v e st h a ta d o p t i n g f a u l t - r e l a t e dr e g i o np a r t i t i o n i n ga l g o r i t h mc a l lr e l i a b l ys o l v et h ef a u l tp r o b l e mi nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k 谢md gu n d e rd i s t r i b u t e dp r o t e c t i o ns y s t e mw i t hi e e e l 5 8 8 ，w h i c hh a sg o o dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；d g 。f a u l t - r e l a t e dr e g i o n ；i e c 6 1 8 5 0 ；i e e e l 5 8 8 ：f p g a ； c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生硌梅日期：碎 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 i v 绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着国民经济结构的调整和电力行业的飞速发展，当今社会对能源和电力供应的质量 和安全可靠性要求日益提高，而目前电力工业在向“大电网、大机组”模式发展的过程中， 不可避免的存在着系统不稳定的弊端，局部事故极易扩大为大面积电网事故，严重影响着 重要用户供电；同时，大量地消耗以煤为主的化石能源所带来的日益严重的污染，以及其 对生态环境的破坏，使得研究利片j 清洁能源和可再生能源发电成为迫在眉睫的课题。在此 背景下提出了分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n 以下简称d g ) 。 在大电网供电的弊端日趋明显的情况下，有必要研究能够解决这些矛盾的新型发电、 供电结构。传统的集中发电、远距离输电和人电网互联的电力系统是目前电能生产、输送 和分配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。然而大型互联电网由于自身 的缺陷其单一供电已不能满足这种要求幢1 ：( 1 ) 大型互联电力系统中，局部事故容易扩散。 ( 2 ) 集中式大电网不能灵活跟踪负荷的变化，效率成本比太低。( 3 ) 大电网的发展不能满 足对环保和节能的要求。相对于传统电网，分布式发电具有如下优势：( 1 ) 具有分散性， 能良好跟踪当地的负荷变化。( 2 ) 可以减小风险分担，缩减大电网故障后的停电区域。( 3 ) 可以减少输电损耗，节约成本。( 4 ) 具有绿色环保特性。 目前，大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、 降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是2 l 世纪电力工业的发展方向1 。 d g 的容量一般较小，电压等级也较低，因此多在配电网络中并入电力系统。这些分散式 电源的并入，势必会对电力系统的稳定，特别是继电保护系统造成一定的影响。d g 主要 用以提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害情况下维恃重要用户的可靠供电。它特别 适合丁组成分布式的热电联供或热电冷联供系统。与大型计算机微机的关系类似，d g 将是未来“微型电力系统”的重要组成部分，在未来电力市场中是一种有竞争力的发电方 式。 1 2 分布式发电的定义及特点 分布式发电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指位于或接近负荷的发电设施 ( 1 0 0 m w 以下) ，它们或接在配电网上或独立运行，经济、高效、可靠地发电。早期的小火 电、小热电也可以算是分布式发电，但技术经济性很差。现在的分布式发电是采用内燃机、 微型燃气轮机、燃料电池、可再生能源如太阳能电池、潮汐、地热、风力、水力等提供电 能，因具有良好的环保特性，与早期的小火电等有本质的区别。特点可归结为：尺寸和功 率小，高效、经济、可靠、污染小，能源的输入是间断的：独立运行或接在配电网上；位 于负荷附近。文献 5 指出d g 可以包含任何安装在用户附近的发电设施而不论这种发电形 式的规模大小和一次能源的类型。一般意义上d g ，d r 或d e r 甚至包括分布式电力 ( d i s p e r s e dp o w e r ，d p ) 都可以用来指安装在用户附近并为其供电的小规模发电技术。本 文所使用的分布式发电概念指的是位于用户附近的各种小型的、模块化的电能生产或存储 技术，仍沿用d g 作为其名称，它们中的大部分可通过并网设备与电网相连。 几种常见的分布式发电技术如下隋1 引： 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 燃料电池发电技术 燃料电池是一种在恒定温度下。直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转 化为电能的装置。燃料电池的阴极和阳极由电解质隔开，发电时从外部储罐内经处理器将燃 料和氧化剂( 空气) 分别供给阳极和阴极，通过电解质传送带电离子，产生电位差引起电子在 外电路流动，从而发出低压直流电。燃料电池的优点是：效率高且不受负荷变化的影响。 燃料电池的能量转化效率可达8 0 一9 5 ，实行联合循环后的电厂综合效率可达6 0 - - - 8 0 ，而传统大型火电厂的效率不超过4 3 ，平均为3 3 左右。适应负荷变化的能力极 强，当负荷变化在2 5 1 0 0 范围内时。电池效率不受影响，而且跟踪负荷变化的速度很 快。这两者都是传统电厂无法比拟的。清洁无污染。占地少、建设快、检修维护容易 及燃料适应性强等。其安装、维护的方便性源于其模块化的组装方式，而能用于燃料电池的 燃料非常广泛，如煤、石油、天然气和甲醇等。 燃料电池被认为将成为与火电、水电、核电并驾齐驱的第4 种发电方式，其前景十分广 阔。技术的发展和批量生产的实现将使得这些优点可以十分经济地获得。将来即使不考虑环 保方面的效益也可以与传统的燃煤和燃气发电竞争。 ( 2 ) 微型燃气轮机发电技术 微型燃气轮机是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备。其具有以下3 个方面 的优点：体积小，重量轻。建造成本和运行成本都极具竞争力。发电效率高。污染 少。微犁燃气轮机单独用于发电，效率可达3 0 ，可与大型火电厂媲美。若实行热电联产， 效率可提高到7 5 。运行维护简单。微犁燃气轮机发电单元运行时既可在本地监控，也可由 中心监控站来管理。当出现故障时，由于重量轻、安装快，可以马上整机替换，然后把故障 机组整体运往维修中心维修。 ( 3 ) 光伏电池发电技术 在美国和日本的一些地区已经有由屋顶式光伏电池发电设备联成的p v ( p h o t ov o l t a g e ) 系统与当地电网相联。白天发电的盈余倒送电网。晚间用户从电网取电。在供电企业和用 户间形成了一种新型的关系。目前光伏电池发电的成本太高。但由于它利用的是清洁、可 再生的太阳能。故其前景仍被广泛看好。 ( 4 ) 风力发电技术 风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。也是一种清洁能源。和光伏电池一样， 它的输出功率由风能决定。风力发电机可采用同步电机、感应电机或者直流电机。由于其 输入功率存在同有的不平衡性，风力发电在一定程度上可起到蓄能作用，一般风力发电机 输出的交流电经过整流后向蓄电池组充电，然后通过逆变器连入电网。 d g 的应用给电力系统运行带来许多优点，归纳而言主要有以下几点口剖： ( 1 ) 弥补大电网在稳定性方面的不足。当电力系统发生故障时可以提供紧急供电支持， 既保证重要用户供电，又可防止系统事故扩大。不仅增加电网机动性，而且改善电能质量， 提高供电可靠性。尤其是在电网崩溃和意外灾害( 例如地震、暴风雪、人为破坏、战争) 情 况下，可维持重要用户的供电及供电的可靠性。2 0 0 8 矩1 月下旬至2 月上旬，我国南方地 区遭到百年一遇的大雪灾害，导致南方某些电网主网架纷纷倒塌，从而导致部分地区停电 停水，对居民的生活造成了巨大的影响，尤其湖南郴州地区停电几乎长达1 2 天。郴州地区 的某些重要医院由于有自备发电设备，因此幸免遇难，仍能继续承担救死扶伤的责任。 ( 2 ) 不需要建设配电站，不需要架设长距离输电线路，建设成本较低，并避免投运后增 加输配电成本，同时大大降低了输电损耗。 ( 3 ) 分布式供电的环保性能优良，其能源利用率高，可达6 5 一9 5 ( 传统能源系统 的发电效率为4 0 左右) 。而d g 也使得研究利用清洁能源和可再生能源发电成为可能。 燃料电池、太刚能光伏发电、太阳能高温集热发电、风力发电都将得到有效应用。 2 绪论 ( 4 ) 用于冷热电联产( c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n g a n dp o w e r ) 。d g 除了在生产电力的同时， 能够很方便的实现与供热和制冷三者合而为一的冷热电三联产，用户将能够更加有效地利 用能源和满足不同的能源需求。 1 3 分布式发电的应用及发展前景 1 3 1 分布式发电的应用状况 在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所 带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广人经济欠发达的农村地 区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨 额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术 则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富， 像内蒙古已经形成了年发电量l 亿k w h 的电量，除白用外，还可送往其他地区，这种无 污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外， 还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。在美国，容量 为l k w 到1 0 m w 分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。 由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和 交通应用的一系列要求。 目前，广州、北京和上海是应用分布式发电相对较为多的城市。以下表1 1 是我国上海 地区的分布式发电建设运行情况【l 引。一般作为备用电源。 表1 1 上海地区分布式发电三联供项目 序口项目地点 设备情况 备注 l 台1 0 0 0 k w 美国s o l a r 公司s a t u r n t l 5 0 1 型燃气轮1 9 9 8 年投入运行， l上海黄浦中心医院 机，l 台3 3 t h 余热蒸汽锅炉现己停运 l 台4 0 0 0 k ws o l a r 天然气燃气轮机，l 台9 7 t h 余热 2 上海浦东机场2 0 0 0 年投入运行 蒸汽锅炉 l 台4 0 0 k wg 5 0 0 型英国坚泰燃气内燃机，一台 3上海闵行医院 2 0 0 4 年投入运行 3 0 0 k g h 余热蒸汽锅炉( + 7 0 热水5 0 t h ) l 台6 0 k wc a p s t o n e 燃气微燃机，l 台1 5 万大卡余热正在进行施工图设 4 上海理工大学 直燃机计 上海舒雅良子健康2 台往复式内燃机h i w - 2 6 0 型，1 6 8 k w ，余热锅炉两 5已投入运行 休闲中心台供6 5 热水 上海锦虎电子配件 62 x1 0 0 0 k w 燃气机 科研阶段 自限公司一 1 3 2 分布式发电的发展f j 景 在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未 来能源领域的一个重要发展方向。而在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的， 应该首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建 筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电 冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。 3 东南大学硕十学位论文 表1 2 是欧盟制定的2 0 1 0 年分布式能源发展计划。可以看出分布式发电因其能源和环 境优势必将得到越来越充分的重视和发展。 一 表1 2 欧盟2 0 1 0 年可再生能源利用计划 能源类型t 、 风能8 0 水能 3 5 5 一人型水电( e 1 0 m w )3 0 0 一小型水电( i x c = = l ( 2 - 1 ) 三s r j + z | 一c 动作电流为： ikl=kktikcm(2-2) 引入可靠系数岛= 1 2 1 3 是考虑非周期分量的影响、实际短路电流可能大于计算值、保护 装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素。 对保护2 来讲，按照同样的原则，其启动电流应整定得大于变电所b 母线上短路时的 最大短路电流氏丑。，即 i k l 2 = k k t i t b j 一 ( 2 - 3 、) 电流速断保护的优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的虑用；缺点是不可能 7 东南人学硕上学位论文 保护线路的全长，并且保护范围直接受运行方式变化的影响。当系统运行方式变化很多， 或者被保护线路的长度很短时，速断保护甚至可能没有保护范围，因而不能采用。 2 ) 、限时电流速断保护( i i 段) 由于有选择的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此增加一段带时限动作的保 护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备，这就是 限时电流速断保护。 对这个保护的要求首先是在任何情况下都能保护本线路的全长，并且具有足够的灵敏 性；其次是在满足上述要求的前提下，力求最小的动作时限；在下级线路短路时，保证下 级保护优先切除故障，满足选择性要求。 图2 2 限时电流速断保护动作特性 启动电流的整定。设图2 2 所示系统保护l 装有电流速断，其启动电流按式( 2 2 ) 计 算后为如j ，它与短路电流变化曲线的交点m 即为保护1 电流速断的保护范同，在此点发 生短路时，短路电流即为岛，速断保护刚好动作。所以，保护2 的限时电流速断范围不 应超出保护1 的电流速断的范围。因此它的启动电流整定为： 毋2il,1(2-4) 引入可靠性配合系数硝，一般取为1 1 1 2 ，则得 墙2 = i i ! i ( 2 - 5 ) 限时速断的动作时限f l ，应选择的比下级线路速断保护的动作时限f f 高出一个时间阶梯出 鲤= f f + a t ( 2 6 ) 为了能够保护本线路的全长，限时速断保护必须在系统最小运行方式下运行，线路末端发 生两相短路时，具有足够的反应能力，这个能力通常用灵敏系数米衡量，一般如此定 义灵敏度系数的含义 。=保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值 厶 嘶 保护装置的动作参数值 垲： ( 2 7 ) 3 ) 定时限过电流保护( i i i 段) 作为下级线路主保护拒动和断路器拒动的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时 的近后备保护，也作为过负荷的保护，一般采用过电流保护。过电流保护主要有两种：定 时限过电流保护和反时限过电流保护，三段式电流保护中多采用定时限过电流保护作为第 三段。在图2 3 所示的网络中，保护装置的启动电流显然要大于线路上出现的最大负荷电 流，l 。；同时还要考虑到在外部故障切除后电压恢复的情况下，保护装置能返回。如在k 2 点短路时， 8 c 斗 一 固 分布式电源的接入对配网的影响 abcd 卜罗卜粤一 囹习 芝田f ， ：一y7 - 引 芒 t f b t ， a t 图2 3 过电流保护动作时限选择说明 短路电流将通过保护5 、4 、3 、2 ，这些保护都要启动，但是按照选择性的要求应由保护2 切除故障，然后保护3 、4 、5 立即返同。由此可靠系数础，自启动系数如，则 如= k 2 厶。= 础 名 。 ( 2 8 ) 由于保护装置的启动和返回是通过电流继电器米实现的，因此继电器返同电流与启动电流 之间的关系也就代表着保护装置返回电流与启动电流之间的关系。引入返同系数，则保 护装置的启动电流为 1矿i i i 矿 删= 几= 竽几一 ( 2 - 9 ) m ” 式中 础可靠系数，一般采用1 1 5 1 2 5 ； 自启动系数，数值大于1 ，应由网络具体接线和负荷性质决定； 电流继电器的返同系数，一般采用0 8 5 - 0 9 5 。 动作时限整定的基本原则是比相邻各元件保护的动作时限高出f ，以充分的满足选择性的 要求。动作时限与短路电流的大小没有关系。 将三段保护配合起来就是目前配网最常采用的三段式电流保护，其配合和实际动作时 间的示意图如图2 4 。 abcd 固团图圉田， ：，一 k l l i k 4 、以。 i k t 一 、 日k 一 帅 i l l k 3 山，、i f , t 1 l t t t t 3 t 4 t 3 谬 t 4 1 勿， 物型叨 ， 图2 4 电流保护的配合和实际动作时间的示意图 9 东南大学硕士学位论文 2 1 2 馈线自动化 配电自动化定义为利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线数据和离 线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化 系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电和配电管理 的现代化。一般实现配电自动化是指1 0 k v 配电网实现馈线自动化，配电自动化的重点是 馈线自动化，因此国外的配电自动化也往往称为馈线自动化。按照国际电气电子工程协会 的定义，馈线自动化系统是对配电线路上的设备进行远方监视、调整控制的集成系统。其 内容可归结为两个方面：正常情况下的状态检测、数据测鼍和进行优化及调压；事故状态 下的故障检测、故障隔离、负荷转移和恢复供电。馈线自动化的土要意义之一在于提高供 电可靠性，即当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段，快速隔离故障区段， 及时恢复对非故障区域用户的供电，缩短停电时间，减小停电面积【3 7 3 引。 目前，国内在馈线自动化系统的应用上人致分为电压型系统和电流型系统。2 个系统 各有优缺点，电压型系统比较适合应用于我国的配电网。 ( 1 ) 从1 0 k v 配电网运行方式上来看，因为我国1 0 k v 系统目前多为中性点不接地系统，较适 合采用电压式设备。将其应用于1 0 k v 架空线路的配电自动化系统较为合适。 ( 2 ) 从电力系统运行可靠性方面来看，电压型系统的优点较为突出。 从杆上设备的故障判断方式来看，电压型设备仅需根据配电线路的电源有无来进 行判断；而电流型设备要求开关t a 配合来判断故障电流的位置和方向，故障判断需要根 据分段区间的负荷变化来整定，这对负荷经常变化的配电网来说，是相当麻烦的。 从杆上设备的维护来看，电压型设备工作电源取自线路不需要额外提供；而电流 型设备虽然也可用电源变压器作为正常时的供电电源。但在线路故障时，必须依靠蓄电池 供电。才能保证通信的正常进行。蓄电池需要定期维护检查，这使得系统一次设备的免维 护性人人降低。 从线路的恢复供电方式来看，电压型系统由于采用逐级投入的方式。使开关动作次 数增多，在缩短停电时间上不如电流犁设备；但在实际应用时，由于断路器重合，分段开 关逐级的投入。可以有效地避免线路冈涌流而引起断路器的误动作。 电压型馈线自动化设备的工作原理是基于电压延时方式与变电站出线开关配 合，自动隔离相间短路故障段。对于分段点位置的开关。在正常工作时开关为常闭状态。 当线路因停电或故障失压时，所有的开关都打开。在第一次重合后，根据控制器设计的延 时设置，线路分段、分级投入，直至投到故障段后线路再次跳闸，故障区段两侧的开关因 感受到故障电压而闭锁。当站内断路器再次合闸后。正常区间恢复供电，故障区间通过闭 锁而隔离。 电压型馈线自动化系统的构成和故障隔离的实现过程如图2 5 所示 囝 f 一，分焉器3 一一一l 卜厂 分段器4 图2 5 电压型馈线自动化系统的构成 1 0 分布式电源的接入对配网的影响 2 2d g 接入后对配网保护的影响 d g 一般由配电网接入，传统的配电网采用的保护多为带反时限特性的过电流保护， 保护的配置也是按照辐射型网络结构进行的。d g 接入后，配电网转变成一个多电源互联 网络，故障电流的流向也不是单一的，而是由包括主系统和运行d g 在内的所有电源同时 流向故障点。这一根本性的变化对保护的配合机制与定值整定产生了深刻影响，使得传统 配电网保护无法适应新的配电网络。 2 2 1 对保护灵敏度的影响 使用多端口网络法和单位电流法，对d g 接入系统后短路电流的分配机制与和变化规 律进行了研究，得出了不同接入位置和运行状态下的d g 对过流保护灵敏度的影响规律。 ( 1 ) 单d g 接入的情况 利用故障分析的单位电流法，以三相短路为例，对d g 接入对过流保护灵敏度的影响 做深入分析。一个多电源系统发生三相短路时，可以经过归算得到以图6 ( a ) 的形式。其 中3 处为系统电源，2 处为分布式电源，耳、x ：。、x 。分别为各支路阻抗。e 量。为故障 点的附加电源。利用单位电流法求各电源至短路点的转移阻抗，可得到如图6 ( b ) 形式。其 中巨。为系统等效电势，e ：。为分布电源等效电势，五置为系统支路的等效转移阻抗，x ：f 。 为分布电源支路等效转移阻抗。 一凸 上 ( a ) 三相短路时等效系统图 ( b ) 电源至短路点的转移阻抗图 图2 6d g 接入网络三相短路图 设系统电源为无穷大系统，忽略负荷电流，则故障时，系统及d g 电源支路感受电流 分n # j -靠2 惫2 南 倍柳 ( 2 1 1 ) d g 接入后对保护电流的影响可用以下电流变化量大小表示： ，：三一一三一 ( 2 - 1 2 ) x 3 + x i x 3 。+ ( 鲁+ 0 x l 。 ( 2 1 2 ) 式第l 项为系统未接入d g 时保护感受到的故障电流，第2 项为d o 接入时保护感 受剑的故障电流。令生：口，生：口，则( 2 1 2 ) 式可表示如下： 赤 立 = 东南人学硕上学位论文 ，： 竺 ( 2 - 1 3 ) ( + 1 ) ( + 1 + 口) 口为d g 接入点前的系统阻抗与d g 分支的阻抗比值，反映出d g 接入主系统的相对位 置；表示d g 接入点前后两段线路阻抗的比值，反映出d g 接入点与故障点之间的位置 关系。为了直观起见，如图2 7 所示单电源馈线为例，分析d g 接入对保护安装处电流的 影响： 。工1 ：协x 。k 肝p 九 i r ( 1 ) 当d g 的容量和接入位置固定，故障点沿d g 接入点下游移动时，对保护安装处 电流的影响：此时口不变，越小，世成平方倍数增大，即故障点越向线路末端移动时， 对保护分支电流的影响就越大，灵敏度下降越多。 ( 2 ) 对于故障点和d g 接入位置固定，d g 容量变化时，对保护感受电流的影响：此 时不变，随着口的增大，出亦增大，即对于同一系统，接入d g 容量越犬，d g 对系 统的渗透度越高，对保护分支电流的影响就越大，灵敏度下降越多。这里渗透度是指：接 入系统d g 的容量占系统总容量的百分比。 ( 3 ) 当故障点位置同定，d g 接入位置变动时，对保护电流的影响规律：设d g 短路阻 抗为常数x ：。，且五。+ 毛。= ，为d g 未接入时的系统全阻抗。则( 2 - 1 0 ) 式可化简为： 屯一礴一砰- x ，2 + i x 3 , 定义：d g 对保护分支电流的影响因子函数为 f ( x ”x ，) ：- x 了3 2 一+ i x 3 该函数为一个二次型，对置。求偏导，反映保护感受电流的变换率： 疋 掣 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 当x 3 - - 三2 时，有二次型达到极大值醴，忐) ，此时k 达剑极小值。说明。g 接 入位置在圭附近时，保护电流受影响最大，即当d g 位于从主系统到故障点阻抗和中点的 时候保护灵敏度最小。而在寺附近二次型厂的变化率最小，即d g 位置移动时保护感受电 1 2 分布式电源的接入对配网的影响 流变化率最小，随着d g 向两端移动时，电流的变化率增大。这是由于d g 接入位置变动 时，保护支路分支系数变化以及总短路阻抗变化这两种相反趋势共同影响保护支路电流的 结果。 d g 短路阻抗五。的大小，理论上不会影响极值点出现的位置，但是会影响极值点的大小及 电流变化的速率。对丁不同的两个d g ，其阻抗z 。 正一，说明同一系统当接入d g 短路容量较大时，保护安装处感受到的电流最小 值相对更小；对( 2 1 6 ) 式有：统 吃，说明当接入d g 容量较大者位置变化时，保护 感受电流变化率更大。也就是当d g 接入容量增大时，保护安装处感受电流受影响的幅值 与变化率都相应更人。 图2 8 所示为保护分支电流的影响冈子函数曲线，即d g 对保护灵敏度影响特性曲线。 该曲线反映d g 位置发生变化时，保护安装处感受电流的变化趋势。 ， 图2 8d g 短路容量及位置变化对保护电流影响特性曲线 其中曲线a 对应叫。，曲线b 对应孵，曲线a 的极值点大于曲线b 。在实际应用中， 我们可以通过调整d g 接入位置，使其远离保护灵敏度最低点来减少其对保护的影响。 ( 2 ) 多d g 接入对保护灵敏度的影响 为了分析多d g 接入时对保护灵敏度的影响，本节采用适合复杂网络结构的多端口 网络法进行分析。 k j 。一以一 f ： 图2 9 多端口网络双d g 接入时三相短路时故障图 定义：l ：f 为第 卜d g 接入后新系统的合成阻抗；k 为第个d g 接入位置前( 系 统侧) 合成短路阻抗，x 为后侧( 负荷侧) 合成短路阻抗；c f 为第个d g 接入后，系 统侧合成支路的电流分支系数。 假设d gr 接入系统时，在其系统电源侧，已接入i 一1 个d g ，且i 一1 个d g 的接入位 置及短路容量已确定。则将系统侧已接入的f 一2 ：f d g 看作一个合成支路，则由( 9 ) 式可得 1 3 东南人学硕上学位论文 矿一 q - 1 7 ) 考察西一- 与之间的关系，由图6 可知： = 。一k + h ，将q = 彘带入整理得：寺t = 。- + 等 令乌鱼：名可煸 x g “| = l 一一、+ f ：j 1 川= ，+ 厂乏 上，。=z+厂0c i ” 对( 2 1 7 ) 式两侧同乘以分支系数c - 2 c l c o ，则左侧相当于f 一2 卜- d g 的合成支路电流 厶呦2 i 互互= 1j 五型赢1 t z x g t 。 c l _ 、xg i z + 露h 。l 搬f l , - , + 付士咒 z + 露+ + ，一+ 兀咒 = i 。j f f i i 。， 1 ( c n = 1 )( 2 1 8 ) ，+ 兀髭 i = 1 ，2 l 。， 其中，n 为系统接入d g 的个数。 通过( 2 1 8 ) 式可以看出，保护分支电流的影响冈子函数曲线可以近似看作i 个d g 影 响因子函数二次曲线的叠加。对于靠近系统末端的d g r 来说，当在系统内移动其接入位置 时，其极值点出现在丁l ji 处，当其前端接入d g 越多时，行越大，。川越小，d g t 对保 一 j f f i l 。， 护支路电流影响极值点位置随着整个系统短路合成阻抗的减小，而感觉到向系统电源侧偏 移。 两d g 接入系统时对保护分支电流的影响曲线如图2 1 0 所示。 1 4 音 分布式电源的接入对配网的影响 厂( 如。：。 ( 0 ， 图2 1 0 双d g 接入时对保护分支电流的影响特性曲线 曲线l 表示d g 2 在新系统，中移动时，对保护分支电流的影响；曲线l 为考虑分支 系数c i 影响后，d g2 对保护分支电流的影响，其值大于曲线i ；曲线2 表示d g - 在原系 统l 中移动时，对保护分支电流的影响；曲线3 表示d g - 位置固定时，d g ：位置变化对 保护电流的影响函数曲线。d g ：对保护分支电流的影响程度，受d g t 接入位置和容量大 小的影响，由于d g , 的并联接入，- 、 巡 c r i 弋粥 - - q x 电 图2 1 4 接入d g 的网络保护动作曲线图 但是实际的配电网络比图2 1 3 所示网络要复杂的多，在d g 接入后无法完全知道每个 节点的电流方向的情况下，很难确定故障的发生范围，更难以找到去对保护的动作曲线去 进行整定的依据。 2 2 3 重合闸问题分析 在配网常见的故障中，据电力部门对配电网中发生的故障的统计，其中瞬时故障发生 的概率很高，大约在8 0 9 0 。因此重合闸在配网中的应用极其重要，他对提高配网的 供电可靠性和减小电网维护工作量有着明显的作用。在接入d g 以后，线路保护若因故障 原冈而动作，分布式电源将带孤岛独立运行，这时可能产生如下损害【3 9 】： 1 ) d g 由于某些原因没有在重合闸之间跳开的情况下，d g 仍然对故障点注入短路电 流，导致故障点电弧无法熄灭，从而引发永久性故障，最后导致重合闸火败，最终将事故 扩大化。 1 6 分布式电源的接入对配网的影响 2 ) d g 带孤岛独立运行后，其功角不再与主网同步，即使瞬时性故障消除了，在重合 闸时由丁：主网与孤岛不同步，检同期装置检同期失败导致无法重合闸，导致了不必要的停 电。若没有检同期装置，合闸时可能会产生较人的冲击电流，在该电流作用之下保护会误 动作，并且该冲击电流也可能会对d g 造成损坏。 2 3d g 接入后对配网保护的新要求 d g 接入后，仅仅依靠当地的保护信息是无法实现保护的可靠性和选择性的，必须利用 配电网中其他节点的信息，进行信息综合分析，从而确定山故障的范围。d g 的接入一方面 使我们原来的保护配合策略和保护机理受到极大的冲击，但同时也提供了更多的信息供我 们使用。d g 接入配网后，改变了原来的潮流，有单一的辐射形变为多向的潮流。考虑到经 济性和配网故障时时间的裕度比较大的特点，可以采用综合网络信息进行交互比较的方法 来确定故障的具体位置。 由于受通信条件的限制，2 0 世纪9 0 年代以前保护的研究主要停留在基于点或线信息 的保护装置本身上。随着计算机网络通信技术和分布式智能体技术的发展，研究面向全网 信息的保护已成为人们关注的热剧4 0 1 。在国际上，人们已开始尝试使用多智能体技术解决 单个设备( 如单条线路) 的保护问题【4 1 , 4 2 1 ，但这种应用水平还很低，多数只是应用智能体的 简单概念。由于多智能体技术的复杂性及不成熟性，各保护智能体的结构、通信机制和控 制策略急需做深层的研究。 随着微机技术、通信技术的不断发展及其在电力系统中的推广应用为广域保护的实现 提供了技术保证。通信技术是近年来发展最迅速的技术之一，以太网( e t h e m e t ) 正逐步取 代工业控制的现场总线。许多地区在高压变电站间铺设了s d h ( s y n c h r o n o u sd i 西t a l h i e r a r c h y ) 光纤环网，并承载a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 业务，可将信号传输延 时控制在4 m s 以内。g p s 同步技术应用于实时采样时，采用高精度的晶振( 1 秒的积累误 差不超过l l x s ) ，并每秒被卫星同步时钟的1 p p s 脉冲同步一次，输入信号采样脉冲可按要 求由品振时钟信号分频获得，这样可以做剑整个系统采样脉冲时间误差在几个微秒以内。 采用g p s 技术就可以保证保护的采样同步要求。 分布式发电系统的保护控制之所以存在诸多难题，主要是由以下两方面原冈引起： 1 分布式发电系统是一个多电源系统，并且电源的位置分布和运行状态具有不确定性， 所以利用保护安装点的局部信息量和传统的保护原理很难设计出有效的保护方案； 2 配电网庞大而且复杂，采用的改造保护方案必须考虑经济冈素，否则对于分布式发 电技术的推广不利。 结合前面的分析