為了適應分布式電源大量接入的要求, 并提高供電可靠性、保證線路電壓水平, 未來智能配電網應具有閉環(huán)運行能力, 并在整體上具有微網運行能力。這些對配電網保護系統(tǒng)帶來了很大挑戰(zhàn)。首先是對于含有高滲透率分布式電源的智能配電網, 故障電流的單向特性已不復存在, 故障電流的幅值、諧波、序分量等特征也有別于傳統(tǒng)配電網; 其次是智能配電網具有的靈活可變的拓撲結構, 為保護的整定配合帶來了很大困難。雖然差動保護原理具有絕對的選擇性, 可以應對智能配電網的上述特點, 但由于其對同步和通信帶寬要求很高, 大量應用于配電網并不現(xiàn)實。
本文旨在針對未來智能配電網提出一種基于GOOSE的自適應級聯(lián)方向閉鎖保護方案。該方案對于配電網的不同拓撲結構(環(huán)網和輻射型網絡)、不同運行模式(并網和孤島運行)以及不同的故障元件(線路和母線等)皆具有良好的適應性。
2、技術路線
2.1基本原理
圖1為本保護原理示意圖, 圖中每套保護由方向和過流元件組成。每套保護設置了兩組、四個GOOSE虛端子。其中, 第一組虛端子IN1、OUT1負責逆參考方向閉鎖信號的接收與發(fā)送; 第二組虛端子IN2、OUT2則負責順參考方向閉鎖信號的收發(fā)。
在圖1中, 保護的參考方向設置為保護3→保護2→保護1。當F1處發(fā)生故障時, 保護1、2、3的過流元件皆起動, 保護1判別出故障方向異于參考方向, 而保護2、3的故障方向同于參考方向。為正確切除故障, 保護1需要順著參考方向發(fā)送閉鎖信號, 而保護2、3則需逆參考方向發(fā)送閉鎖信號。這樣, 保護1、2就會由于收不到閉鎖信號而選擇性切除故障, 而其余保護則被閉鎖。為了達到上述目的, 定義了如下規(guī)則:
1) 參考方向的整定規(guī)則
環(huán)網中饋線斷路器的參考方向為沿環(huán)同向, 即同沿順時針或逆時針方向;
分支線斷路器的參考方向為遠離主電網方向;
配電變電站斷路器的參考方向為指向主電網方向;
輻射型饋線斷路器的參考方向為指向主電網方向。
2) 閉鎖方向規(guī)則
若故障電流與參考方向同向, 則閉鎖方向與參考方向反向。閉鎖信號由IN1、OUT1收發(fā);
否則, 則閉鎖方向與參考方向同向。閉鎖信號由IN2、OUT2收發(fā)。
3) 保護動作條件
動作條件為本地過流保護起動, 且未收到閉鎖信號。其中, 過流保護起動定值按躲最大負荷整定。為提高靈敏性, 可以附加低電壓起動判據(jù)。
2.2IEC 61850標準在配電網保護中的應用
本文將IEC 61850標準應用于智能配電網保護系統(tǒng)。具有如下優(yōu)點。
在配置階段, 可以利用系統(tǒng)配置描述語言(SCL)完整描述配電網結構以及保護配置。通過解析SCL文件, 可以根據(jù)上述規(guī)則自動整定各保護的參考方向。
在運行階段, 利用GOOSE交換閉鎖信號, 可以大量減少控制電纜, 提高保護之間的互操作性。同時, 還可以充分利用GOOSE的通信自檢機制, 提高保護的可靠性。在智能配電網中, 可以根據(jù)不同需要, 選擇光纖、電力線甚至無線網絡等多種介質完成GOOSE的收發(fā)。
3、保護分析用例
為了驗證本方案的自適應性, 利用圖2所示的閉環(huán)配電網分析保護的動作情況。
分析了不同元件故障時保護的動作情況, 結果如表1所示。
表1 不同類型元件故障時的保護動作情況
論文還詳細分析了當發(fā)生各種異常情況時保護的動作情況, 如表2所示。
表2 各種異常情況下的保護動作情況
4、方案效果
基于GOOSE的自適應級聯(lián)方向閉鎖保護方案具有如下特點:
1) 對各種配電網結構都具有適應性。能適應含多微網的智能配電網, 支持開環(huán)和閉環(huán)多種運行方式, 允許配電網工作于孤島、并網兩種模式。
2) 克服了傳統(tǒng)縱聯(lián)方向保護不能為相鄰元件和母線提供保護的缺點, 能以統(tǒng)一原理為配電網中多種元件提供快速保護。對于配電網饋線和母線故障、微網內部母線故障、變電站低壓母線以及配電網PCC等各處故障, 均能快速切除。
3) 在PT斷線、斷路器失靈以及通信失效等異常情況下, 該保護方案仍具有很高可靠性; 當線路保護拒動時, 相鄰保護能提供后備功能。
4) 利用成熟、標準化的GOOSE通信技術交換方向閉鎖信號, 所需通信帶寬較低, 適合配電網的需要, 且易于實現(xiàn)保護之間的互操作, 符合配電網保護量大面廣的特點。通過對SCL文件的自動解析, 可以自動完成保護參考方向的整定, 易于實施。
5、進一步研究方向
方向元件在本保護方案中起到關鍵作用。能夠適應分布式電源多樣性的新型方向元件是后續(xù)的重點研究方向。此外, 基于信息物理融合的智能配電網保護系統(tǒng)將能夠進一步提高保護的自適應性、保證系統(tǒng)的可靠性, 這是作者正在研究的另一個重點方向。