一种DG接入配网最佳容量的计算方法

摘要

本发明涉及配电网线路的继电保护领域，特别是涉及一种DG接入配网最佳容量的计算方法，其中，为研究DG的最佳并网容量，将配网中短路情况分为3种情况，即DG下游发生短路、DG上游发生短路、相邻馈线发生短路，然后分别分析DG接入对配网原有保护的影响以及配网原有保护对DG容量的约束，分别计算出3种情况下DG容量的临界值，其中最小的即为DG的最佳接入容量。本发明的目的在于解决DG接入配网引起故障时线路保护误动作的问题，从不改变配网原有电流保护整定值的角度出发，考虑故障时DG容量对各故障点短路电流的注入情况，确定出一种不影响保护动作的最佳接入容量，从而提高配网运行的稳定性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及配电网线路的继电保护领域，特别是涉及一种DG接入配网最佳容量的计算方法。

背景技术

由于大量化石类能源的使用，使得环境污染严重，全球能源危机日益凸显。一种直接布置在配电网或分布在负荷附近功率为数千瓦或几十兆瓦小型模块式的、与环境兼容的新型发电模式——分布式电源得到了各方的高度重视。分布式电源接入电网后，改变了原有配网“集中发电、远距离输电和大电网互联”的特点，它对于调峰、为边远用户或者商业区和居民区供电、节省输变电投资、提高供电可靠性有着重要作用。但是DG的接入改变了原有配网的拓扑结构，对原配网继电保护、电网潮流、电能质量等都产生了一系列影响，可能使得原有保护拒动、误动，甚至重合闸由于重合到永久性故障而对电网造成较大的冲击，破坏电力系统的稳定性。针对上述问题，有必要对DG接入配网对继电保护产生的影响进行更为深入的研究，以便制定出针对DG渗透率高的配电网的新型继电保护方案，提高供电可靠性，满足用户供电要求。

针对DG接入配网对继电保护造成的影响，有学者从不同方面入手提出了相应的解决方案，归纳起来大致有两种：1.基于通信网络实现配电网保护间的信息交换，这种保护方案在较大程度上依赖于通信网络，就我国目前配网通信建设而言，还需进一步完善与发展；2.故障判别或是在原配网保护配置的基础上，基于现有网络拓扑结构，对保护重新进行整定。这一方案具有较好的实用性，其包括的自适应保护原理也是未来继电保护发展的方向之一。

发明内容

本发明的目的在于解决DG接入配网引起故障时线路保护误动作的问题，从不改变配网原有电流保护整定值的角度出发，考虑故障时DG容量对各故障点短路电流的注入情况，确定出一种不影响保护动作的最佳接入容量，从而提高配网运行的稳定性和安全性。

本发明的技术方案是：一种DG接入配网最佳容量的计算方法,其特征在于，为研究DG的最佳并网容量，将配网中短路情况分为3种情况，即DG下游发生短路、DG上游发生短路、相邻馈线发生短路，然后分别分析DG接入对配网原有保护的影响以及配网原有保护对DG容量的约束，分别计算出3种情况下DG容量的临界值，其中最小的即为DG的最佳接入容量，该方法包括以下步骤：

S1：对以光伏为代表的逆变型分布式电源的故障模型进行分析；

S2：对短路电流进行分析；

S3：分析3种短路在约束条件下的DG容量的临界值；

S4：比较3种短路情况下的DG容量的临界值，取最小的DG容量临界值作为最佳接入容量。

进一步，步骤S1中的分析过程为；

对以光伏电源为代表的逆变型分布式电源的短路故障模型进行研究，在正常运行情况下，DG的出力为最大有功功率输出，其无功功率输出为0，当配网发生故障时，并网点电压骤降，根据国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定(GB19964-2012)》，为提高光伏逆变器在电网三相不平衡时的故障穿越能力，光伏电站需能够根据并网点电压的跌落程度输出无功，以支撑并网点电压，因而，无功电流指令I_{q_ref1}与并网点电压U_pcc1的关系为：

进而得到有功电流指令I_{d_ref1}为:

其中，I_dref0为故障前有功电流指令，I_max为逆变器允许的最大电流，考虑到逆变器短路容量的限制，逆变器允许输出的最大短路电流为逆变器额定电流的1.2倍，即I_max＝1.2，综上，DG输出的总电流为：

因此，DG输出的有功功率和无功功率为：

当系统发生不对称故障时，系统电压存在负序分量，若采用常规的控制策略，分布式光伏输出的电流中不仅包含负序分量，还包含大量的谐波电流，因此为改善光伏输出特性，通常采用基于电压正序分量的控制策略，即再配电网发生不对称故障时，控制系统只采用并网点电压正序分量作为参考，以保证光伏分布式电源输出电流中只含正序分量。

进一步，步骤S2中的分析过程为：

由于潮流计算可以通过数值仿真的方法把电力系统的详细运行状态呈现给运行和规划人员，以便研究系统在给定条件下的稳态运行特点，因此，我们利用潮流计算确定正常运行情况下系统中的潮流分布以及各节点的电压，而发生短路时，系统从一种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象，因此我们利用短路计算求出故障时并网点的电压，并根据DG低电压穿越特性求出DG输出的短路电流，那么，流过保护的短路电流可应用叠加定理分为两部分：系统电源提供的短路电流和DG提供的短路电流。

进一步，步骤S3中分析3种短路在约束条件下的DG容量的临界值过程为：

(1)DG下游发生短路；DG的接入对流过其下游保护的短路电流产生了助增作用，在DG未接入的情况下，电流I段保护不能保护线路的全长，在最大运行方式下它只能保护线路全长的80％，但助增电流的作用可能会使得I段电流保护的保护范围延伸到相邻线路中，与下游线路的保护失去配合，无法保证选择性，对II段电流保护来说，其灵敏度也会随着拓扑结构的不同而发生变化，由于III段电流保护是以本线路最大负荷电流为一句进行整定，且按选择性要求应与下一级线路的电流II段和III段以延时的方式相互配合，故电流III段的灵敏性提高，而且不存在失去选择性的问题，我们以下游线路80％处发生三相短路时，流过保护的短路电流不超过其I段电流保护整定值为约束条件，即：

其中，α＝80％，I_dg为DG在故障时向短路点提供的短路电流，为保护I段电流整定值，对于II段电流保护来说，为了使带时限电流速断保护能够保护线路全长，要求在本线路末端发生故障时，具有一定的灵敏系数K_sm；在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，线路保护的最小灵敏系数为：

式中，为被保护线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流，为保护带时限电流速断保护的动作电流，为带时限电流速断保护的最小灵敏系数；

(2)DG上游发生短路；短路电流能够通过DG上游保护反向注入故障点，不仅使得故障点电弧不能自动熄灭，瞬时性故障发展成为永久性故障，也可能会造成保护2的误动作，破坏选择性要求，我们以DG向短路点提供的反向短路电流不超过保护2的II段电流保护整定值为约束条件，对DG的最优容量进行迭代求解：

其中，为与DG相邻的上游保护的II段电流保护整定值，I_dg为DG向故障点提供的反向短路电流，若故障发生在DG上游线路末端，系统侧保护动作后，DG依然会向故障点注入短路电流，因此需要在DG上游线路末端加一个保护装置，在上游保护动作后，该保护装置也随之跳开；

(3)相邻馈线发生短路；当相邻馈线上发生故障时，不仅会对相邻馈线上的保护产生影响，也会引起本线路保护的误动，它对流过相邻保护的短路电流产生了助增作用，而本线路保护则会受到DG提供的反向短路电流。对于反向电流，我们以不超过DG上游相邻保护的电流II段保护整定值为约束条件：

关于助增电流对相邻馈线上的保护产生的影响，我们以距离系统侧电源最近的保护为例进行分析。其约束条件为在该线路80％处发生三相短路，流过保护的短路电流不超过其电流I段的整定值：

综上所述，将相关约束条件利用MATLAB迭代计算，得出DG容量的临界值。本发明的有益效果为：

1、充分考虑到目前光伏类DG的控制策略，将潮流计算与低电压穿越控制相结合，利用MATLAB迭代计算出满足保护电流限值的最佳并网容量，大大提高了计算的精确性与实际性；

2、充分考虑到在配网加装元器件带来的经济成本，在不改变原有配网保护配合与整定值的情况下，只是通过确定DG的最优接入容量来减小故障时对配网保护造成的影响，操作较为简单。

附图说明

图1是含DG的10KV配网的电路图。

图2是DG的控制模型。

图3是MATLAB程序控制流程图。

如图1所示，DG接在母线C处，保护1、2为DG上游线路保护，保护3、4为DG下游线路保护，保护5、6为相邻馈线保护。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

为研究DG的最佳并网容量，将配网中短路情况分为3种情况，即DG下游发生短路、DG上游发生短路、相邻馈线发生短路，然后分别分析DG接入对配网原有保护的影响以及配网原有保护对DG容量的约束，分别计算出3种情况下DG容量的临界值，其中最小的即为DG的最佳接入容量，该方法包括以下步骤：

S1：对以光伏为代表的逆变型分布式电源的故障模型进行分析；

S2：对短路电流进行分析；

S3：分析3种短路在约束条件下的DG容量的临界值；

S4：比较3种短路情况下的DG容量的临界值，取最小的DG容量临界值作为最佳接入容量。

其中，步骤S1中的分析过程为；

对以光伏电源为代表的逆变型分布式电源的短路故障模型进行研究，在正常运行情况下，DG的出力为最大有功功率输出，其无功功率输出为0，当配网发生故障时，并网点电压骤降，根据国家标准《光伏发电站接入电力系统技术规定(GB19964-2012)》，为提高光伏逆变器在电网三相不平衡时的故障穿越能力，光伏电站需能够根据并网点电压的跌落程度输出无功，以支撑并网点电压，因而，无功电流指令I_{q_ref1}与并网点电压U_pcc1的关系为：

进而得到有功电流指令I_{d_ref1}为:

其中，I_dref0为故障前有功电流指令，I_max为逆变器允许的最大电流，考虑到逆变器短路容量的限制，逆变器允许输出的最大短路电流为逆变器额定电流的1.2倍，即I_max＝1.2，综上，DG输出的总电流为：

因此，DG输出的有功功率和无功功率为：

当系统发生不对称故障时，系统电压存在负序分量，若采用常规的控制策略，分布式光伏输出的电流中不仅包含负序分量，还包含大量的谐波电流，因此为改善光伏输出特性，通常采用基于电压正序分量的控制策略，即再配电网发生不对称故障时，控制系统只采用并网点电压正序分量作为参考，以保证光伏分布式电源输出电流中只含正序分量。

其中，步骤S2中的分析过程为：

由于潮流计算可以通过数值仿真的方法把电力系统的详细运行状态呈现给运行和规划人员，以便研究系统在给定条件下的稳态运行特点，因此，我们利用潮流计算确定正常运行情况下系统中的潮流分布以及各节点的电压，而发生短路时，系统从一种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象，因此我们利用短路计算求出故障时并网点的电压，并根据DG低电压穿越特性求出DG输出的短路电流，那么，流过保护的短路电流可应用叠加定理分为两部分：系统电源提供的短路电流和DG提供的短路电流。

其中，步骤S3中分析3种短路在约束条件下的DG容量的临界值过程为：

(1)DG下游发生短路；DG的接入对流过其下游保护的短路电流产生了助增作用，在DG未接入的情况下，电流I段保护不能保护线路的全长，在最大运行方式下它只能保护线路全长的80％，但助增电流的作用可能会使得I段电流保护的保护范围延伸到相邻线路中，与下游线路的保护失去配合，无法保证选择性，对II段电流保护来说，其灵敏度也会随着拓扑结构的不同而发生变化，由于III段电流保护是以本线路最大负荷电流为一句进行整定，且按选择性要求应与下一级线路的电流II段和III段以延时的方式相互配合，故电流III段的灵敏性提高，而且不存在失去选择性的问题，我们以下游线路80％处发生三相短路时，流过保护的短路电流不超过其I段电流保护整定值为约束条件，即：

其中，α＝80％，I_dg为DG在故障时向短路点提供的短路电流，为保护I段电流整定值，对于II段电流保护来说，为了使带时限电流速断保护能够保护线路全长，要求在本线路末端发生故障时，具有一定的灵敏系数K_sm；在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，线路保护的最小灵敏系数为：

式中，为被保护线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流，为保护带时限电流速断保护的动作电流，为带时限电流速断保护的最小灵敏系数；

(2)DG上游发生短路；短路电流能够通过DG上游保护反向注入故障点，不仅使得故障点电弧不能自动熄灭，瞬时性故障发展成为永久性故障，也可能会造成保护2的误动作，破坏选择性要求，我们以DG向短路点提供的反向短路电流不超过保护2的II段电流保护整定值为约束条件，对DG的最优容量进行迭代求解：

其中，为与DG相邻的上游保护的II段电流保护整定值，I_dg为DG向故障点提供的反向短路电流，若故障发生在DG上游线路末端，系统侧保护动作后，DG依然会向故障点注入短路电流，因此需要在DG上游线路末端加一个保护装置，在上游保护动作后，该保护装置也随之跳开；

(3)相邻馈线发生短路；当相邻馈线上发生故障时，不仅会对相邻馈线上的保护产生影响，也会引起本线路保护的误动，它对流过相邻保护的短路电流产生了助增作用，而本线路保护则会受到DG提供的反向短路电流。对于反向电流，我们以不超过DG上游相邻保护的电流II段保护整定值为约束条件：

关于助增电流对相邻馈线上的保护产生的影响，我们以距离系统侧电源最近的保护为例进行分析。其约束条件为在该线路80％处发生三相短路，流过保护的短路电流不超过其电流I段的整定值：

综上所述，将相关约束条件利用MATLAB迭代计算，得出DG容量的临界值。

其中，图3为MATLAB程序控制流程图，演示MATLAB的迭代方法。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。