分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的评估方法

摘要

本发明公开了一种分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的评估方法，基于规则库实现，规则库中包含若干条顺序执行的规则步骤，这些一般性的语义规则适用于任意的配网系统和分布式电源接入情况，且每条规则通过描述性语言指导操作者该如何构造短路场景，并选择哪些保护的I、II或者III段进行校验。这样，操作者无须根据所研究的系统来分析确定校核步骤，只要顺序执行规则库中的规则步骤便能高效准确地判断分布式电源接入方案对保护的影响：当规则库中的所有规则逐条校验通过时，可以判断分布式电源接入方案不会影响保护的正确动作；反之，保护则可能拒动或误动。如此可避免由于操作者分析水平受限而导致的不准确校验结论。

说明书

技术领域

本发明属于分布式电源对配电网影响的评估技术领域，尤其涉及一种分布式电源接入对 配网三段式电流保护影响的评估方法。

背景技术

目前我国的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统， 大电网中任何一点故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，局部事故极易扩大为大 面积电网事故，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果。此外，由于 集中式大电网不能跟踪电力负荷的变化，为了短暂的峰荷建造发电厂的花费是巨大的，经济 效益也非常低。因此国内外专家学者提出了分布式发电的概念。

以太阳能发电、风力发电、小型燃气轮机、燃料电池等为代表的分布式电源已得到了越 来越多的应用。但是，分布式电源接入配网系统后，改变了原有配电网的单电源、放射状结 构以及系统的潮流方向，使之变为多端电源供电系统，线路故障时系统电源和分布式电源同 时向故障点提供短路电流，改变了配电网的节点短路水平。由于分布式电源接入对短路电流 的助增或者汲流作用，流过保护装置的短路电流可能增大或者减小，当接入超过一定容量时， 电流保护将会发生拒动或者误动。因此，随着分布式电源的大规模接入，迫切需要准确高效 地评估其对配电网的影响，以保证配电网的可靠经济运行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种准确高效的分布式电源接入对配网三段式 电流保护影响的评估方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的评估方法，其特点是：

获取实际配电网系统结构及各馈线上分布式电源分布情况，假设馈线a母线上接入n个 分布式电源，从系统电源端向馈线下游依次记为针对各馈线 分别评估馈线上分布的分布式电源对馈线上分布的保护的影响，包括评估分布式电源对保护 I段的影响，具体为：

由馈线下游向系统电源端方向分析，令规则i对应下游距离最近的母线发 生短路故障的短路场景，在规则i对应的短路场景下计算流过下游距离最近的 保护的短路电流若所有规则的短路场景下判定条件均成立，则分布式电源接入对 保护的I段无影响；否则，对保护的I段有影响；其中，为下游距离最近的 保护的I段保护整定值，i＝1,2,...n。

上述分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的评估方法还包括评估分布式电源对保 护II段的影响：

由系统电源端向馈线下游方向分析，令规则(n+i)对应上游距离最近的母线 发生短路故障的短路场景，在规则(n+i)对应的短路场景下计算流过上游距离最 近的保护的短路电流若所有规则的短路场景下判定条件均成立，则分布式电源接 入对保护的II段无影响；否则，对保护的II段有影响；其中，为上游距离最近 的保护的II段保护整定值，i＝1,2,...n。

上述分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的评估方法还包括评估分布式电源对保 护III段的影响：

由系统电源端向馈线下游方向分析，令规则(2n+i)对应下游距离最近的母线 发生短路故障的短路场景，在规则(2n+i)对应的短路场景下计算流过上游距离最 近的保护的短路电流；当流过上游距离最近的保护的短路电流恰好等于该保护的III 段动作值时，此时的接入容量即的临界容量S_imax；若所有规则的短路场景下判定条 件S_imax＞S_DGi均成立，i＝1,2,...n，则分布式电源接入对保护的III段无影响；否则，对保护的 III段有影响；其中，S_DGi为的实际接入容量。

作为优选方案，首先，评估分布式电源对保护I段的影响；其次，评估分布式电源对保护 II段的影响；最后，评估分布式电源对保护III段的影响。

本发明基于规则库实现，规则库中包含若干条顺序执行的规则步骤，这些一般性的语义 规则适用于任意的配网系统和分布式电源接入情况，且每条规则通过描述性语言指导操作者 该如何构造短路场景，并选择哪些保护的I、II或者III段进行校验。这样，操作者无须根据 所研究的系统来分析确定校核步骤，只要顺序执行规则库中的规则步骤便能高效准确地判断 分布式电源接入方案对保护的影响：当规则库中的所有规则逐条校验通过时，可以判断分布 式电源接入方案不会影响保护的正确动作；反之，保护则可能拒动或误动。如此可避免由于 操作者分析水平受限而导致的不准确校验结论。

附图说明

图1为单分布式电源接入配电网的系统结构图；

图2～3均为多分布式电源接入配电网的系统结构图；

图4为本发明的具体工作流程图；

图5为分布式电源临界容量计算示意图。

具体实施方式

下面将对本发明方法及其具体实施方式进行详细说明。

本发明基于实际配电网系统，通过详细推导分布式电源(DG)对馈线上保护I段、II段 和III段的影响，泛化得到一般的配电网系统中分析DG接入对传统三段式电流保护影响的实 用化语义规则库。

推导过程如下：

图1是单分布式电源接入某10kV配电网示意图，该配电网由两条馈线(馈线1和馈线2) 组成，母线4和母线10分别位于馈线1和馈线2的末端，直接与负荷相连，断路器上方的保 护1、保护2、…、保护9依次编号为R₁、R₂、…、R₉，均为三段式电流保护，且按传统方 式进行整定，不考虑DG的接入。本发明将根据短路故障相对于DG的位置来归类影响分析 过程，并首先从单DG接入配电网母线7开始，进而推广到多DG的一般化情况。

(1)短路故障发生在DG下游

当线路8-9上发生短路故障，本应由R₈动作切除故障，但DG接入后和系统电源一起向 短路点提供故障电流，可能导致R₇的I段保护范围延伸到下一段线路(本发明只讨论保护范 围延伸到下一段相邻线路的情况)，从而失去选择性。同时，在线路8-9上各点，距离DG最 近的点(即母线8处)在系统大方式下发生三相短路(f3)时流过R₇的短路电流I₇最大。因 此，保证DG不会引起R₇误动作要求此流过R₇的短路电流小于R₇的I段整定值：即

DG对下游故障点短路电流的助增作用导致下游各保护的保护范围都相应增大。除上段 分析以外，直觉上还可能存在R₈的I段保护范围超过线路8-9全长、R₇的II段保护范围超过 R₈的I段保护范围等导致保护误动作的情况。因此，有必要展开如下分析推导过程：假设R₇和R₈所在线路的末端线路上分别发生三相短路故障，流过保护R₇和R₈的短路电流以及R₇和R₈的I段整定值分别为：

$I_7=\frac{E_{\mathrm{sd}}}{X_{\mathrm{sd}}+X_{78}}---\left(1\right)$

$I_{R7}^I=\frac{{\mathrm{KE}}_s}{X_s+X_{15}+X_{56}+X_{67}+X_{78}}---\left(2\right)$

$I_8=\frac{E_{\mathrm{sd}}}{X_{\mathrm{sd}}+X_{78}+X_{89}}---\left(3\right)$

$I_{R8}^I=\frac{{\mathrm{KE}}_s}{X_s+X_{15}+X_{56}+X_{67}+X_{78}+X_{89}}---\left(4\right)$

式(1)～(4)中：

I₇和I₈分别为流过保护R₇和R₈的短路电流；

和分别为保护R₇和R₈的I段整定值；

E_sd和X_sd分别为DG和系统电源组成的双电源供电系统的等效电势和等效电抗；

K为瞬时电流速断保护的可靠系数，一般取1.2～1.3；

E_s和X_s分别为系统电源的内电势和电抗，且E_sd＝E_s；

X₁₅为线路1-5的电抗；

X₅₆为线路5-6的电抗；

X₆₇为线路6-7的电抗；

X₇₈为线路7-8的电抗；

X₈₉为线路8-9的电抗。

当保护R₇所在线路的末段线路上发生三相短路故障，R₇的I段恰好动作，即可 得：

$X_{\mathrm{sd}}=\frac{X_s+X_{15}+X_{56}+X_{67}+X_{78}}{K}-X_{78}---\left(5\right)$

将X_sd代入式(3)，可得：

$I_8=\frac{{\mathrm{KE}}_s}{X_s+X_{15}+X_{56}{+X}_{67}+X_{78}+{\mathrm{KX}}_{89}}---\left(6\right)$

由公式(4)和公式(6)可得这意味着在保护R₉的出口处发生三相短路时，保 护R₈的I段不会误动作。同理，上述推导过程同样适用于判断R₉的I段不会因为DG而误动 作。因此，可以得到如下结论：若DG的下游有两条及以上线路，只需保证距离DG最近的 保护的I段保护范围不延伸到下一段线路，下游其他保护的I段均可正确动作。此外，根据 整定原则，R₇的II段整定值一定大于R₈的I段整定值。虽然DG的接入导致R₇的II段保护 范围增大，但是在R₈下游一定不存在触发R₇的II段而不触发R₈的I段的故障区域。所以， 由于R₇的保护范围增大而出现误动作这种情况也不存在，且同样的推论适用于DG下游其他 保护的II段。综上所述，DG接入线路7后，保证DG下游保护正确动作的约束条件为

多DG同时接入配电网对保护的I段影响情况与单DG相似，见图2，DG₃为最下游DG， DG₂为下游倒数第二DG，DG₁为下游倒数第三DG：只要保证DG₃(即最下游DG)下游距 离其最近的保护R₄的I段保护范围不超过R₄所在线路全长，则DG₃下游所有保护均能正确 动作；只要保证DG₂(即下游倒数第二DG)下游距离其最近的保护R₃的I段保护范围不超 过R₃所在线路全长，则当DG₂下游发生短路故障时，故障点到该下游倒数第二DG间的所有 保护均能正确动作；保证DG₁(即下游倒数第三DG)下游距离其最近的保护R₂的I段保护 范围不超过R₂所在线路全长，则当DG₁下游发生短路故障时，故障点到该下游倒数第三DG 间的所有保护均能正确动作。当同一馈线上接入DG数不止3个时，按上述过程类推直至最 上游DG。

(2)短路故障发生在DG上游

见图1，DG上游线路发生短路故障时，DG上游的保护可能会因流过反向故障电流而误 动作。例如：线路5-6上发生短路，有可能导致保护R₆误动作。DG上游的所有保护中R₆的 II段整定值最小，同时，DG上游距离其最近的母线6短路时(f1)流过R₆的短路电流I₆最 大。因此，只要保证R₆的II段整定值大于该流过R₆的短路电流I₆，即R₆便能 正确动作，即不误动作，且DG上游的其他保护均不会误动作。

多DG接入配电网的分析推导过程与单DG相似，见图3，DG₁为最上游DG，DG₂为上 游第二DG，DG₃为上游第三DG：只要保证DG₁(即最上游DG)上游距离其最近的保护的 II段不误动，即R₃不误动，R₃不误动的判断标准是：R₃的II段整定值大于母线3发生三相 短路时流过R₃的短路电流，则DG₁上游任意位置发生短路故障时，其上游所有保护均能正确 动作；只要保证DG₂(即上游第二DG)上游距离其最近的保护的II段不误动，即R₄不误动， 则DG₂上游任意位置发生短路时，故障点到该上游第二DG间的所有保护均正确动作，即不 误动作；同样的，只有DG₃(即上游第三DG)上游距离其最近的保护R₅的II段不误动，则 DG₃上游任意位置发生短路时，故障点到该上游第三DG间的所有保护均不误动。当同一馈 线上接入DG数不止3个时，按上述过程类推直至最下游DG。

对于DG上游的保护，当DG下游发生故障时，流过DG上游保护的短路电流将减小， DG容量越大，短路电流减小越多；且流过DG上游保护的短路电流可能小于保护的III段启 动值，导致该保护作为相邻线路的远后备保护时出现拒动现象。当保护III段作为相邻线路的 远后备保护时，要求至少保护到下一段相邻线路的全长。取临界情况分析，当R6的III段保 护范围恰好缩小至线路7-8末端，即母线8短路时，流过保护R6的短路电流恰好等于其III 段启动值，计算得到的DG容量为其临界容量，即DG的实际接入容量小于此临界容量时可 以保证R6的III段作为远后备保护不拒动。需要说明的是：由于保护的III段整定动作电流 一般都较小，所以按照上述方法计算的DG临界容量通常远远大于DG的实际接入容量。

(3)短路故障发生在DG相邻线路

图1中，当DG所在馈线的相邻线路发生短路故障时，理论上讲DG的接入增大了相邻 线路上保护流过的短路电流，有可能使保护误动作。例如：在线路2-3上发生短路故障，保 护R₁同时流过DG和系统电源提供的短路电流，R₁的I段保护范围有可能扩大到相邻线路。 然而，实际情况分析如下：DG和系统电源的等效电势E_sd和等效电抗X_sd分别为：

$E_{\mathrm{sd}}=\frac{(X_{\mathrm{dg}}+X_{15}+X_{56}+X_{67})E_s+X_s{E}_d}{X_{\mathrm{dg}}+X_{15}+X_{56}+X_{67}+X_s}---\left(7\right)$

$X_{\mathrm{sd}}=\frac{(X_{\mathrm{dg}}+X_{15}+X_{56}+X_{67})X_s}{X_{\mathrm{dg}}+X_{15}+X_{56}+X_{67}+X_s}---\left(8\right)$

式(7)～(8)中，X_dg为DG的等效电抗，E_d为DG的电压值。

因为X_s＜＜X_dg+X₁₅+X₅₆+X₆₇，可以得到E_sd≈1、X_sd≈X_s，表明流过相邻线路上保护 的短路电流基本不受DG的影响。其实，对于多DG接入配电网情况，上述结论依然成立， 这主要是因为DG内电势相对于相邻线路上短路点的转移阻抗要远远大于系统电源内电势到 短路点的转移阻抗，因此前者所提供的短路电流相对于后者而言可以忽略不计。

本发明方法基于上述推导实现，具体步骤如下：

步骤1，获取实际配电网系统结构和分布式电源接入情况，所述的分布式电源接入情况 包括分布式电源接入容量、接入数量和接入位置。

以配电网系统各馈线为研究对象分别进行分析，假设某馈线接入n个分布式电源，从系 统电源端向馈线下游依次排布，分别记为DG₁、DG₂、DG₃、…DG_n，对应的接入容量依次 为S_DG1、S_DG2、…S_DGn。

步骤2，评估DG对馈线上保护I段和II段的影响。

推导不同短路场景下馈线上保护正确动作的判定条件，推导过程如下：

步骤2.1，由馈线下游向系统电源端方向分析，规则1～n分别对应DG_n、DG_n-1、…DG₁下游距离距其最近的母线发生短路故障的短路场景，即规则i对应DG_i下游距离DG_i最近的 母线发生短路故障的短路场景，i＝1,2,...n。

首先，校验规则1，计算对应的短路场景下流过DG_n下游距离其最近的保护(记为F₁) 的短路电流，记为为保证DG_n下游各保护正确动作，使流过保护F1的短路电流小于保护 F₁的I段保护整定值即规则1的判定条件为若规则1不满足判定条件，校验终 止，说明DG接入使配电网电流保护误动作；若满足判定条件，则继续校验规则2。

按照此方法校验至规则n均满足判定条件，即均满足，则表明 DG接入配电网不会对保护的I段保护造成影响，接下来校验保护的II段保护。

步骤2.2，由系统电源端向馈线下游方向分析，规则(n+1)～2n分别对应DG₁、DG₂、…DG_n上游距离其最近的母线发生短路故障的短路场景，即规则(n+i)对应DG_i上游距离DG_i最近 的母线发生短路故障的短路场景，i＝1,2,...n。

首先，校验规则(n+1)，计算对应的短路场景下流过DG₁上游距离DG₁最近的保护(记 为B₁)的短路电流，记为为保证DG₁上游各保护正确动作，使流过保护B₁的短路电流 小于保护B₁的II段保护整定值即规则(n+1)的判定条件为若规则(n+1)不 满足判定条件，校验终止，说明DG接入使配电网电流保护误动作；若满足判定条件，则继 续校验规则n+2。

按照此方法校验至规则2n均满足判定条件，即均满足，则 表明DG接入配电网不会对保护的II段保护造成影响，接下来按照步骤3校验保护的III段保 护；否则，表明DG接入对三段式电流保护有影响，此DG接入方案将导致保护误动作。

步骤3，评估DG对馈线上保护III段的影响。

当DG上游保护的III段作为相邻线路的远后备保护，要求至少保护到下一段相邻线路的 全长，计算的临界容量，分别记为S_1max、S_2max、…S_nmax。若DG的实 际接入容量均小于其临界容量，即S_1max＞S_DG1、S_2max＞S_DG2、…S_nmax＞S_DGn均满足，则DG接 入不会对保护的III段产生影响；反之，则表明DG接入方案将导致III段保护误动作。

DG临界容量的获取方法如下：

步骤3.1，由系统电源端向馈线下游方向分析：规则(2n+1)～3n分别对应DG₁、 DG₂、…DG_n下游距离其最近的母线上发生短路故障的短路场景。首先，校验规则2n+1，将 DG₁上游距离其最近的保护标记为B₁，计算对应的短路场景下流过保护B₁的短路电流。

步骤3.2，当流过保护B₁的短路电流恰好等于保护B₁的III段动作值时，计算此时DG₁的 接入容量S_1max，即DG₁的临界容量。

步骤3.3，为保证DG₁上游保护的III段保护正确动作，使DG₁的实际接入容量S_DG1小于 其临界容量，即规则2n+1的判定条件为S_1max＞S_DG1。若规则2n+1不满足判定条件，校验终 止，说明DG接入使配电网电流保护误动作；若规则2n+1满足判定条件，则继续校验规则 2n+2。

照此方法校验直至规则3n，则表明DG接入配电网不会对III段保护造成影响。

DG下游发生短路故障时，DG会对流过其上游保护的短路电流产生汲流作用，保护的短 路电流随DG接入容量的增大而减小，当步骤3.1中求得的流过保护的短路电流恰好等于该 保护的III段动作值时，计算得到的DG₁、DG₂、…DG_n容量为其临界容量，即DG的实际 接入容量小于此临界容量时可以保证的III段作为远后备保护不拒动。

根据电力系统分析软件BPA，可以仿真得到随着分布式电源(DG)接入容量的增加，流 过保护的短路电流随之减小的关系曲线图，当短路电流恰好等于保护的III段动作电流时，此 时DG的接入容量即DG的临界容量，见图5中两条曲线交点的横坐标。

实际经验表明，关于保护I段的判定条件最不容易满足，而关于保护III段的判定条件则 较易满足，因此，考虑到节省时间成本，本发明的优选方案为：先评估DG对保护I段的影 像，其次评估DG对保护II段的影响，最后评估DG对保护III段的影响。

通过以上规则库方法，最终完成分布式电源接入对配网三段式电流保护影响的分析。此 方法排除了所有非必要的校验步骤，操作者无须根据所研究的系统来分析确定校核步骤，只 要顺序执行规则库中的语义规则便能高效准确地判断DG接入方案对保护的影响，如此将避 免由于操作者分析水平受限而导致的不准确校验结论。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技 术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不 会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。