含分布式电源配电网的改进反时限过电流保护算法

刘 玉，李季英

（广东电网有限责任公司阳江供电局，广东，阳江 529500）

随着我国的能源与环境问题日益突出，可再生分布式发电（distributed generatinn，简称DG）技术逐渐受到关注［1－3］。目前为并网方便，我国大多数分布式电源采取就地接入配电网的方式［4－6］，此种并网方式会改变配电网原有的单端供电结构，在配电网发生短路时影响短路电流分布情况，可能导致保护装置的误动或拒动［7－9］。反时限过电流保护作为主保护和后备保护在配电网中被广泛采用［10］，分布式电源接入将改变短路电流分布，可能改变继电器检测短路电流的大小，从而影响其动作时限，造成各保护间失去配合或保护失效。若能在分布式电源接入后对反时限保护算法进行改进，以消除分布式电源接入对动作时限的不良影响，将极大提高反时限保护在含分布式电源配电网中的适用性。本文分析了分布式电源接入对配电网短路电流分布和反时限过电流保护的影响。仿真分析验证了所提改进反时限过电流保护算法的有效性。

1 反时限过电流保护的动作原理

反时限过电流保护采用动作时限与继电器流过电流大小有关的继电器，所用继电器具有反时限动作特性，其流过电流越大，保护的动作时限越小，反之，保护的动作时限越大。反时限过流继电器Ri的动作特性方程为［10］：

式中：Iop为启动电流，当流过继电器的电流大于启动电流Iop时，继电器启动，反之，继电器不动作；Ki为时间整定系数，改变Ki值可获得不同的动作时限曲线，Ki值越大，动作时限越长，反之，动作时限越短。

2 分布式电源接入对反时限过电流保护的影响

图1为含分布式电源的10kV 配电网，以此为例说明分布式电源接入对反时限过电流保护的影响。图中，R1、R2和R3分别为线路1、线路2 和线路3的继电器，ZS、Z1、Z2和Z3分别为系统电源、线路1、线路2和线路3的最小等值阻抗分别为1号和2号分布式电源的次暂态电抗，则分布式电源的等值阻抗分别为：

式中：SB为系统基准容量，SDG1和SDG2分别为1号和2号分布式电源的容量。

图1 10 kV配电网网络接线

设线路单位阻抗为Z。分布式电源接入前，在距离线路L1首端l0处短路时，其上游各继电器检测的最大短路电流为：

加入分布式电源后，分别分析对R3、R2和R1反时限过电流保护的影响。

2.1 对R3反时限过电流保护的影响

分布式电源接入后，流过R3短路电流为：

与公式（4）比较有：

则在原有的保护整定值下将缩短R3的动作时限。

2.2 对R2反时限过电流保护的影响

分布式电源接入后，流过R2的短路电流如下。

a.距离线路L2首端l处短路时：

b.距离线路L3首端l处短路时：

与公式（4）比较有：

I2－3与I2的大小关系与分布式电源容量及短路位置有关，即在两个分布式电源中游线路L2短路时，流过R2的短路电流增加，将缩短R2对中游线路故障的动作时限；而在两个分布式电源下游线路L3短路时，流过继电器短路电流的改变效果不定，或可延长或可缩短R2对下游线路L3故障的动作时限。

2.3 对R1反时限过电流保护的影响

a.距离线路L1首端l处短路时：

b.距离线路L2首端l处短路时：

c.距离线路L3首端l处短路时：

与公式（4）比较有：

I1－1＝I1；I1－2＜I1；I1－3＜I1

综上所述，分布式电源接入将会改变配电网短路电流分布，从而缩短或延长保护动作时限，可能导致保护失去选择性，或由于故障切除时间过长而失去保护意义。

3 反时限过电流保护的改进

设分布式电源接入前后流过继电器Ri的短路电流有如下函数关系：

式中，Ii为分布式电源接入前流过继电器Ri的短路电流，Ii－j为分布式电源接入后，在第j条线路短路时流过继电器Ri的短路电流。

将式（13）代入式（1），即将Ii－j修正为Ii，可得各继电器的修正反时限动作方程：

此时若已知继电器短路电流Ii－j，根据公式（14）计算所得动作时限与分布式电源接入前的动作时限相同，可有效消除分布式电源接入对反时限动作时限的影响。

应用动作方程（14）的关键是得到分布式电源接入前后短路电流的函数关系Ii＝fi－j（Ii－j），下面以图1所示10kV 配电网为例详细介绍其计算方法。

3.1 针对R1的Ii＝fi－j（Ii－j）

a.当I1－j≥min（I1－1）时，可判断为线路L1短路，此时在分布式电源接入前后流过R1的短路电流相等，即：

b.当min（I1－2）≤I1－j≤max（I1－2）时，可判断为线路L2短路，由公式（7）、公式（11）及公式（4）可得：

c.当min（I1－3）≤I1－j≤max（I1－3）时，可判断为线路L3短路，同理由式（5）、（8）和（12）可得短路点距离线路L3首端的距离l，将其代入到式（4）中可得到此时I1与I1－j的关系。

3.2 针对R2的I2＝f2－j（I2－j）

a.当I2－j≥min（I2－2）时，可判断为线路L2短路，由式（7）可得短路点距离线路L2首端的距离l，将其代入到式（4）中可得到此时I2与I2－j的关系。

b.当min（I2－3）≤I2－j≤max（I2－3）时，可判断为线路L3短路，由式（5）和（8）可得短路点距离线路L3首端的距离l，将其代入到式（4）中可得到此时I2与I2－j的关系。

3.3 针对R3的I3＝f3－3（I3－3）

当R3流过正向电流大于min（I3－3）时，可判断为线路L3短路，由式（5）可得短路点距离线路L3首端的距离l，将其代入到式（4）中可得到I3与I3－3的关系。

4 仿真分析

基于某10kV 配电网（见图1），分析分布式电源接入对短路电流分布和保护动作时限的影响，验证所提改进反时限过电流保护算法的有效性。网络参数见表1。

4.1 分布式电源接入对短路电流和保护动作时限的影响分析

分布式电源接入前，流过各继电器的短路电流与故障位置的关系见图2，各保护的动作时限特性曲线见图3，各保护对L1、L2 和L3 末端故障的动作时见表2。

表1 10 kV配电网网络参数

图2 继电器短路电流与故障位置关系曲线（DG接入前）

图3 各保护动作的时限特性曲线（DG接入前）

表2 R1、R2和R3的动作时限（DG接入前） s

由图2可知分布式电源接入前，流过各继电器的短路电流相等。由图3和表2可知各保护可实现相互配合，且动作时限较短，满足保护对选择性和速断性的要求。

分布式电源接入后，流过各继电器的短路电流与故障位置的关系见图4，各保护的动作时限特性曲线见图5，各保护对L1、L2和L3末端故障的动作时限见表3。

图4 继电器短路电流与故障位置关系曲线（DG接入后）

图5 各保护动作的时限特性曲线（DG接入后）

表3 DG接入后R1、R2和R3的动作时限 s

由图4可知分布式电源接入后，流过各继电器的短路电流不再相等。由图5和表3可知各保护动作时限仍存在一定阶梯，但R1对下游线路的线路动作时限延长，最大已达到1.482 4s，可能由于故障切除时间过长而导致保护失去意义。

4.2 改进反时限过流保护算法有效性验证

采用改进反时限过流保护算法后，根据分布式电源接入前后短路电流曲线得到其对应函数关系见图6。

对分布式电源接入后，根据图6得到的函数关系曲线对短路电流进行修正，可得到修正后R1、R2和R3对各条线路末端故障的动作时限，结果采用改进反时限过电流保护算法后，各保护的动作时限与分布式电源接入前的数值相同，有效避免了分布式电源接入导致的动作时限延长或缩短。

图6 分布式电源接入前后短路电流的函数关系曲线

5 结论

本文提出了一种可自适应修正短路电流的改进反时限过电流保护算法，使分布式电源接入前后继电器的时限曲线保持不变，以有效消除分布式电源接入对动作时限的影响。仿真分析验证了所提改进反时限过电流保护算法的有效性，该方法可有效消除分布式电源接入对继电器动作时限的延长或缩短作用，保证继电器有效切除各条线路故障。

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