《电子技术应用》
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面向中低压馈电线路的区域保护装置设计与仿真
2020年电子技术应用第3期
代运滔
贵州电网有限责任公司 遵义供电局,贵州 遵义563000
摘要: 针对中低压馈线线路中分支线路众多、多端线路电流差动保护应用受限的问题,提出了一种面向中低压馈电线路的区域保护装置,并分别对区域保护装置结构、硬件电路、保护判据进行了设计。实验仿真结果表明,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,并对发生在馈线分支的故障实施有效的隔离。
中图分类号: TN06;TM774
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190770
中文引用格式: 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,2020,46(3):71-75.
英文引用格式: Dai Yuntao. Design and simulation of area protection device for middle and low voltage feeder line[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(3):71-75.
Design and simulation of area protection device for middle and low voltage feeder line
Dai Yuntao
Zunyi Power Supply Bureau,Guizhou Power Grid Co.,LTD.,Zunyi 563000,China
Abstract: In view of the problem that numerous branch lines in medium and low voltage feeder lines limit the application of multiterminal line current differential protection, a new area protection device for middle and low voltage feeder line is proposed. And the structure, hardware circuit and protection criterion of the regional protection device are designed. Experimental simulation results show that the proposed regional protection device with adaptive ability can effectively identify the phase faults in the protection area and effectively isolate the faults in feeder branches.
Key words : distribution network;feeder;regional protection;fault isolation

0 引言

    智能电网发展战略下,随着主动配电网技术推广应用,传统配电网向着多源、网状、并网方式发展,其系统由单向固定向着双向不确定转变;但是,导致当配电网内部发生故障时,短路电流能量的流动方向出现多种不确定因素[1-2]

    为解决上述问题,国内外研究人员提出了多种保护与控制方案。文献[3-4]从电流的相位角度出发,提出了基于故障电流相位变化方式的方向电流检测法,并考虑了光照、风力以及负荷变化等不确定因素,设计了一套完整的电流相位保护方案。文献[5-6]利用本地信息,仍沿用传统保护判据进行改进,在配电线路两端设置电流方向检测元件,实现了故障的识别与切除。文献[7-8]利用多信息融合进行综合判别,通过获取含新能源电源的电网拓扑的实时信息,计算不同支路故障时的特征与参数,对保护配置与定值做出针对性的修改。

    但是,多端差动保护原理在我国35 kV及以下中低压馈电线路中的应用中仍受到较大限制,因此为缩短故障切除时间,提高保护动作可靠性,缩小故障切除区域,提高配电网继电保护运行水平,本文提出了一种中低压馈电线路区域保护装置,并进行了硬件电路与保护判据设计。仿真实验结果证明,本文设计装置能够满足现阶段配电网对于故障判别、隔离与定位的要求,在速度和精度上相比于传统的配电网保护有了质的提升。

1 中低压馈电线路区域保护结构设计

    当前配电网区域保护系统结构主要分为集中控制式和分布决策式两种形式[9],综合分析配电网对继电保护的要求,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,如图1所示。

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    集中式的决策中心直接控制线路上的节点IED,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。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,实现信息共享。在多点数据的基础上,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,利用多点信息实现故障元件的识别与隔离。

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,中低压馈电线路区域保护装置主要包括模拟量采集模块、开入量采集模块、主控电路模块、动作输出模块和显示面板5部分[10],其中装置结构及各模块间的关系示意图如图2所示。

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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

    基于相电流突变量的保护起动主要利用故障后电流发生突变的特点[11-12]。由于该保护是作为主保护对速动性要求较高,因此起动部分采用单相电流突变量起动,提高保护灵敏性,降低动作延时。其中单相电流突变量的计算方式如下:

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式中,Iset1为预设的浮动阈值,可根据线路上负荷的变化而即时调整,通常不小于0.3倍的最小负荷电流,不大于0.5倍的最大负荷电流。

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,在配电网两条母线间存在带有负荷Load的不可测分支。因此,考虑不可测分支后的区域电流差动保护判据如下:

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    ck2-gs3.gif

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式中,k%为最大转移电流占额定电流的百分比,通常取10%;Km为可靠系数;IN为该段线路额定电流。

    式(4)为制动电流判据,Kres为制动系数,考虑TA饱和误差,存在电机类DG等特点,其值取0.3~0.45。

3.2 配电网故障隔离方法

    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,如图4所示。

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    不同类型的区域存在不同的定位判据。对于多出口、多IED设备的区域,如定位区1、2、4、6,采用基于多端电流差动的定位判据。其判据如下:

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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,具体如图5所示。

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    图5中电源使用三相接地电源模块,电压设置为10.5 kV,容量为500 MVA;频率设置为50 Hz;DG1与DG2均为逆变型DG,不同时工作,容量为5 MVA,逆变器输出电压0.38 kV,频率50 Hz,经配变0.4 kV/10 kV升压并网,短路输出电流为1.3 p.u.。f1、f2为两个馈线分支三相短路故障点,不同时故障。输电线路使用三相Π型等值电路,具体参数如表1所示。

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4.2 自适应电流差动保护方法分析

    基于图5,故障点f1处发生三相短路故障,令系统电源至A母线及AC母线间的线路长度均为10 km,故障点距离C母线5 km。故障发生于0.4 s,故障发生时DG1退出,DG2先投入并在0.7 s后退出,对保护1、2、5以及保护2、3采用自适应电流差动保护方案的结果进行仿真。差动电流波形如图6所示。

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    由图6(a)可见,当故障发生在该保护区外时,其最大差动电流小于0.2 A,不满足式(1)、式(2)、式(3)保护起动及动作条件。由图6(b)可见,当故障发生在该保护区内时,0.4 s故障发生的瞬时,差动电流就已超过500 A,即使分布式电源退出,短路电流400 A,满足自适应电流差动保护所设定的起动及动作条件,保护将立即动作,跳开4、5所对应的断路器,故障切除。

    由于保护2、3的区域内存在未检测馈线分支,无法获取其瞬时电流量信息,因此采取式(4)负荷预测的方式,取平均负荷电流为50 A,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,自适应电流差动保护方法显然更加可靠和灵活。

4.3 新型故障隔离方法仿真分析

    搭建一个环网仿真模型,如图7所示,具体参数与4.1节相同。图7中存在11个分段开关,1、5、6、10为断路器,2、3、4、7、8、9、12为负荷开关。将11个分段开关划分为7个关注的隔离区域,当区内故障时,将通过这7个负荷开关进行深度隔离。隔离区域与分段开关的关系如表2所示。

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4.3.1 故障发生于f1

    当故障发生在f1处时,7个隔离区计算所得的电流信息如表3所示。由于馈线分支2为未检测分支,故根据其最大负荷0.5 MW估算其最大单相电流为28.86 A,并设置该区域差动阈值为40 A(下同)。

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    隔离区7所在的负荷开关11捕捉到了故障电流,其波形如图8所示。

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4.3.2 故障发生于f2

    当故障发生在f2处时,7个隔离区计算所得的电流信息如表4所示。

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    隔离区6所在的负荷开关8、9通过不完全差动算法捕捉到了故障电流,其波形如图9所示。

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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,提出了自适应的多端电流差动保护以及故障隔离方法。该设计装置以传统差动电流保护为基础,结合含DG配电网故障电流的特点,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,缩小了配电网的故障隔离区域,能在较短的时间内完成非故障区域的停电恢复,体现了设计装置的快速性、高效性、可靠性。

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代运滔

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