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(wǎng)應具有閉環(huán)運行能力, 并在整體上具有微網(wǎng)運行能力。這些對配電網(wǎng)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(wǎng), 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(wǎng); 其次是智能配電網(wǎng)具有的靈活可變的拓撲結(jié)構(gòu), 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(wǎng)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(wǎng)并不現(xiàn)實。
本文旨在針對未來智能配電網(wǎng)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(wǎng)的不同拓撲結(jié)構(gòu)(環(huán)網(wǎng)和輻射型網(wǎng)絡)、不同運行模式(并網(wǎng)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(shù)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(shè)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(shè)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(wǎng)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(wǎng)方向;
配電變電站斷路器的參考方向為指向主電網(wǎng)方向;
輻射型饋線斷路器的參考方向為指向主電網(wǎng)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(wǎng)保護中的應用
本文將IEC 61850標準應用于智能配電網(wǎng)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(wǎng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)中, 可以根據(jù)不同需要, 選擇光纖、電力線甚至無線網(wǎng)絡等多種介質(zhì)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(wǎng)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(jié)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(wǎng)結(jié)構(gòu)都具有適應性。能適應含多微網(wǎng)的智能配電網(wǎng), 支持開環(huán)和閉環(huán)多種運行方式, 允許配電網(wǎng)工作于孤島、并網(wǎng)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(wǎng)中多種元件提供快速保護。對于配電網(wǎng)饋線和母線故障、微網(wǎng)內(nèi)部母線故障、變電站低壓母線以及配電網(wǎng)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(shù)交換方向閉鎖信號, 所需通信帶寬較低, 適合配電網(wǎng)的需要, 且易于實現(xiàn)保護之間的互操作, 符合配電網(wǎng)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(guān)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(wǎng)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。