(贵州电网有限责任公司遵义供电局袁贵州遵义563000)
代运滔
摘要院针对中低压馈线线路中分支线路众多尧多端线路电流差动保护应用受限的问题袁提出了一种面向中低压馈电线路的区域保护装置袁并分别对区域保护装置结构尧硬件电路尧保护判据进行了设计遥实验仿真结果表明袁所提出的具有自适应能力的区域保护装置可有效判别保护区域内的相间故障袁并对发生在馈线分支的故障实施有效的隔离遥关键词院配电网曰馈电线路曰区域保护曰故障隔离中图分类号院TN06曰TM774
文献标识码院A
DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.190770
中文引用格式院代运滔.面向中低压馈电线路的区域保护装置设计与仿真[J].电子技术应用袁2020袁46(3)院71-75.
英文引用格式院DaiYuntao.Designandsimulationofareaprotectiondeviceformiddleandlowvoltagefeederline[J].ApplicationofElectronicTechnique袁2020袁46(3)院71-75.
Designandsimulationofareaprotectiondeviceformiddleandlowvoltagefeederline
(ZunyiPowerSupplyBureau袁GuizhouPowerGridCo.袁LTD.袁Zunyi563000袁China)
Abstract院Inviewoftheproblemthatnumerousbranchlinesinmediumandlowvoltagefeederlineslimittheapplicationofmulti鄄terminallinecurrentdifferentialprotection,anewareaprotectiondeviceformiddleandlowvoltagefeederlineisproposed.Andthestructure,hardwarecircuitandprotectioncriterionoftheregionalprotectiondevicearedesigned.Experimentalsimulationresultsshowthattheproposedregionalprotectiondevicewithadaptiveabilitycaneffectivelyidentifythephasefaultsintheprotectionareaandeffectivelyisolatethefaultsinfeederbranches.
Keywords院distributionnetwork曰feeder曰regionalprotection曰faultisolation
DaiYuntao
0引言
智能电网发展战略下袁随着主动配电网技术推广应用袁传统配电网向着多源尧网状尧并网方式发展袁其系统由单向固定向着双向不确定转变曰但是袁导致当配电网确定因素[1-2]遥
内部发生故障时袁短路电流能量的流动方向出现多种不
为解决上述问题袁国内外研究人员提出了多种保护
馈电线路区域保护装置袁并进行了硬件电路与保护判据设计遥仿真实验结果证明袁本文设计装置能够满足现阶段配电网对于故障判别尧隔离与定位的要求袁在速度和精度上相比于传统的配电网保护有了质的提升遥
1中低压馈电线路区域保护结构设计
式和分布决策式两种形式[9]袁综合分析配电网对继电保护的要求袁本文中的配电网区域保护采用分散式和集中式相结合的结构袁如图1所示遥
当前配电网区域保护系统结构主要分为集中控制
与控制方案遥文献[3-4]从电流的相位角度出发袁提出了基于故障电流相位变化方式的方向电流检测法袁并考虑了光照尧风力以及负荷变化等不确定因素袁设计了一套完整的电流相位保护方案遥文献[5-6]利用本地信息袁仍沿用传统保护判据进行改进袁在配电线路两端设置电流方向检测元件袁实现了故障的识别与切除遥文献[7-8]利用多信息融合进行综合判别袁通过获取含新能源电源的电网拓扑的实时信息袁计算不同支路故障时的特征与参数袁对保护配置与定值做出针对性的修改遥
但是袁多端差动保护原理在我国35kV及以下中低压馈电线路中的应用中仍受到较大限制袁因此为缩短故障切除时间袁提高保护动作可靠性袁缩小故障切除区域袁提高配电网继电保护运行水平袁本文提出了一种中低压
图1区域保护结构
叶电子技术应用曳2020年第46卷第3期
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测控技术与仪器仪表MeasurementControlTechnologyandInstruments集中式的决策中心直接控制线路上的节点IED袁每条配电线路中设置一个控制本线路中IED之间的通信规则的主站IED遥在主站的统一调控下通过光纤将线路中IED采集的线路实时运行数据在IED之间互相交换数据袁实现信息共享遥在多点数据的基础上袁IED设备根据广域信息保护判据实现配电网中后备保护的功能袁利用多点信息实现故障元件的识别与隔离遥
2中低压馈电线路区域保护装置设计
为确保装置具有较好的兼容性袁中低压馈电线路区域保护装置主要包括模拟量采集模块尧开入量采集模块尧主控电路模块尧动作输出模块和显示面板5部分
[10]
图3含不可测分支的局部配电网示意图
中装置结构及各模块间的关系示意图如图2所示遥
袁其
量电流袁其值会随时间尧天气尧季节等造成较大的相对波觶虽不可直接测量袁但可对Load进行负荷预测袁作动曰IL为补偿量加入曰Iset2为预设的阈值袁在实际应用中袁需考
觶为分布式电源的测电网中可采集到的三端电流量曰IDG
觶为该区域配觶尧I觶尧I式(3)为差动电流判据袁其中院IDGNM
觶>KresI觶+I觶觶+I觶-I觶+I觶-I觶-IILDGLNNMDGM
(4)
觶虑负荷与分布式电源的功率转移和未测量馈线分支IL觶遥因此袁为降低判定误差袁躲过当负荷的最大误差驻ILmax正常转移时的最大电流袁对阈值进行整定为院
图2装置结构及各模块间的关系示意图
10%曰Km为可靠系数曰IN为该段线路额定电流遥3.2配电网故障隔离方法
觶Iset2=k%窑KmIN+驻I(5)Lmax
式中袁k%为最大转移电流占额定电流的百分比袁通常取
式(4)为制动电流判据袁Kres为制动系数袁考虑TA饱
3中低压馈电线路区域装置保护判据设计
3.1有源配电网自适应保护判据设计3.1.1基于相电流突变量的保护起动方法
流发生突变的特点[11-12]遥由于该保护是作为主保护对速动袁提高保护灵敏性袁降低动作延时遥其中单相电流突变量的计算方式如下院
驻I椎=
2
1
和误差袁存在电机类DG等特点袁其值取0.3~0.45遥
基于相电流突变量的保护起动主要利用故障后电
隔离区域根据分段开关的位置被划分为8个独立的定位区域袁如图4所示遥
动性要求较高袁因此起动部分采用单相电流突变量起
电流的采样值遥式(2)所示院
驻I椎>Iset1
式中袁i椎T尧i椎T尧i椎T分别为T2尧T1尧T0时刻的渍相相
2
1
0
i椎T-i椎T-i椎T-i椎T
1
0
(1)
保护起动判据基于单相电流突变量生成如
(2)
式中袁Iset1为预设的浮动阈值袁可根据线路上负荷的变化而即时调整袁通常不小于0.3倍的最小负荷电流袁不大于0.5倍的最大负荷电流遥
3.1.2电流差动保护判据设计
现阶段配电网的常见形态如图3所示袁在配电网两条母线间存在带有负荷Load的不可测分支遥因此袁考虑
图4有源配电网隔离区域示意图
不可测分支后的区域电流差动保护判据如下院
觶+I觶+I觶+I觶>Iset2IMNDGL
(3)
不同类型的区域存在不同的定位判据遥对于多出口尧多IED设备的区域袁如定位区1尧2尧4尧6袁采用基于多端电流差动的定位判据遥其判据如下院
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测控技术与仪器仪表觶>Iset觶+I觶+IILNM
MeasurementControlTechnologyandInstruments(6)
需躲过IED可能产生的最大测量误差曰(2)当区域内存在未检测的馈线分支袁则Iset的设置需要在躲过IED可能产生的最大测量误差的基础上袁躲过未检测馈线分支上的最大负荷电流遥
而对于单出口尧单IED的区域袁如定位区5尧7尧8袁则
采用过电流的定位判据遥其判据如下院
觶为故障时流过IED的电流量曰I为预设的阈式中袁IMset2
参数正序阻值/(赘/km)正序电感/(H/km)正序电容/(F/km)相应的阈值院(1)当区域内无未检测的馈线分支袁则Iset只
流量曰Iset为预设的阈值袁根据隔离区域的实际情况设置
觶为故障时该区域三端的IED所测得的电觶尧I觶尧I式中袁ILMN
觶>Iset2IM(7)
图5接有DG的简单配电网模型示意图
值袁需躲过该馈线分支正常运行时的最大负荷电流遥
4仿真与测试
4.1保护仿真模型的建立
通过MATLAB/Simulink软件搭建有源配电网模型袁具体如图5所示遥
图5中电源使用三相接地电源模块袁电压设置为10.5kV袁容量为500MVA曰频率设置为50Hz曰DG1与DG2均为逆变型DG袁不同时工作袁容量为5MVA袁逆变器输出电压0.38kV袁频率50Hz袁经配变0.4kV/10kV升压并网袁短路输出电流为1.3p.u.遥f1尧f2为两个馈线分支三相短路故障点袁不同时故障遥输电线路使用三相装型等值电路袁具体参数如表1所示遥
表1装型等值线路参数
0.17值参数零序阻值/(赘/km)零序电感/(H/km)零序电容/(F/km)0.23值1.21伊10-39.1伊10-95.48伊10-36.6伊10-94.2自适应电流差动保护方法分析
源至A母线及AC母线间的线路长度均为10km袁故障点距离C母线5km遥故障发生于0.4s袁故障发生时DG1退出袁DG2先投入并在0.7s后退出袁对保护1尧2尧5以及保护2尧3采用自适应电流差动保护方案的结果进行仿真遥差动电流波形如图6所示遥
基于图5袁故障点f1处发生三相短路故障袁令系统电
(a)保护1尧2尧5的电流差动结果
图6分布式电源位于故障线路上游时的差动电流
(b)保护2尧3的电流差动结果
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测控技术与仪器仪表MeasurementControlTechnologyandInstruments由图6(a)可见袁当故障发生在该保护区外时袁其最大差动电流小于0.2A袁不满足式(1)尧式(2)尧式(3)保护起动及动作条件遥由图6(b)可见袁当故障发生在该保护区内时袁0.4s故障发生的瞬时袁差动电流就已超过500A袁即使分布式电源退出袁短路电流400A袁满足自适应电流差动保护所设定的起动及动作条件袁保护将立即动作袁跳开4尧5所对应的断路器袁故障切除遥
由于保护2尧3的区域内存在未检测馈线分支袁无法获取其瞬时电流量信息袁因此采取式(4)负荷预测的方式袁取平均负荷电流为50A袁相比于传统电流保护在这种情况下产生的越级保护或是灵敏度下降问题袁自适应电流差动保护方法显然更加可靠和灵活遥4.3新型故障隔离方法仿真分析
4.1节相同遥图7中存在11个分段开关袁1尧5尧6尧10为断
搭建一个环网仿真模型袁如图7所示袁具体参数与
表2隔离区域所辖分段开关表
隔离区隔离区1隔离区2隔离区3隔离区4隔离区5隔离区6隔离区7
所辖分段开关1尧2尧5尧93尧4尧126尧7尧88尧9122尧34尧7尧10
使用判据差动差动差动差动差动差动过流
表3故障发生于f1处各区域计算电流
隔离区隔离区1隔离区2隔离区3隔离区4隔离区5隔离区6隔离区7
故障前电流
0.1130.1120.2190.2180.23320.2719.04故障后电流0.0840.0630.0540.0870.13912.81328.7区外区外区外区外区外区外区内
故障判断
(A)路器袁2尧3尧4尧7尧8尧9尧12为负荷开关遥将11个分段开关
划分为7个关注的隔离区域袁当区内故障时袁将通过这系如表2所示遥
7个负荷开关进行深度隔离遥隔离区域与分段开关的关
其波形如图8所示遥4.3.2故障发生于f2处电流信息如表4所示遥
当故障发生在f2处时袁7个隔离区计算所得的
表4故障发生于f2处各区域计算电流
隔离区隔离区1隔离区2隔离区3隔离区4隔离区5
图7接有DG的复杂配电网模型示意图
隔离区6隔离区7
故障前电流
0.1130.1120.2190.2180.23320.2719.04故障后电流0.0840.0630.1030.0880.077429.38.90区外区外区外区外区外区内区外
故障判断
(A)4.3.1故障发生于f1处
当故障发生在f1处时袁7个隔离区计算所得的电流信息如表3所示遥由于馈线分支2为未检测分支袁故根据其最大负荷0.5MW估算其最大单相电流为28.86A袁并设置该区域差动阈值为40A(下同)遥
隔离区7所在的负荷开关11捕捉到了故障电流袁
隔离区6所在的负荷开关8尧9通过不完全差动算法捕捉到了故障电流袁其波形如图9所示遥
5结论
本文设计了一种适用于我国中低压系统的区域保护装置袁提出了自适应的多端电流差动保护以及故障隔
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欢迎网上投稿www.ChinaAET.com图8故障发生于f1处隔离区7的故障电流波形
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测控技术与仪器仪表MeasurementControlTechnologyandInstruments图9故障发生于f2处隔离区6的故障电流波形
离方法遥该设计装置以传统差动电流保护为基础袁结合含DG配电网故障电流的特点袁解决了传统三段式电流保护应用于有源配电网时存在的诸多问题袁缩小了配电网的故障隔离区域袁能在较短的时间内完成非故障区域的停电恢复袁体现了设计装置的快速性尧高效性尧可靠性遥参考文献
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作者简介院
胡仕兵(1976-)袁男袁博士袁讲师袁主要研究方向院数据采集与雷达信号处理遥
陈子为(1978-)袁男袁副教授袁硕士生导师袁主要研究方向院高速数字信号处理及应用遥
叶电子技术应用曳2020年第46卷第3期
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