适应高比例分布式电源接入的配电网保护关键技术研究进展

背景01 02问题的提出 目录TABLE OF CONTENTS 03阶段性研究进展 04小结 背景 随着“双碳”目标的提出，能源转型不断推进，高比例新能源接入电力系统已成必然趋势。 2030年 2060年 ·新能源成为第一大电源 碳达峰阶段（2021-2030年） 口非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，终端能源消费电气化水平将增长到39%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿干瓦以上。 碳中和阶段（2031-2060年） 口非化石能源占一次能源消费比重达到80%以上，终端能源消费电气化水平将增长到70%左右，实现能源消费电气化。 新型电力系统 以确保能源电力安全为基本前提 以满足经济社会发展电力需求为首要目标 以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务 以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台 技术创新和体制机制创新为基础保障 背景 配电网形态特征发展趋势及保护自愈要求（1/3） 在双碳目标及新型电力系统建设驱动下，分布式新能源迅猛发展，储能系统、多元化负荷、综合能源站等新要素不断丰富。配电网由无源网络向有源网络、潮流由单向向双向转变，负荷结构及特性发生变化、源荷边界模糊化，平衡模式、功能形态、结构形态、设备形态、控制形态将发生改变。 背景 配电网形态特征发展趋势及保护自煎要求（2/3） 不同比例分布式电源接入后，配电网的保护各侧将面临适应性问题，需统筹考虑构建一体化方案 分布式电源接入后将改变传统配电网故障时的电气量特征，线路侧：接入位置的不同会对短路电流产生助增与助减作用，传统保护整定需评估影响后进行调整，防止误动与拒动；DER侧：在系统扰动时可提供主动支撑，在线路故障或非计划孤岛时，被有选择性的快速可靠切除 背景 配电网形态特征发展趋势及保护自愈要求（3/3） 未来双向互动的用电形态下，大量分布式资源可为配电网提供保安生命线 总体看，随着新型电力系统的推进，用电形态将向双向互动转变。随着分布式电源、储能、电动汽车、智能家居、微电网等新型多元用电设备广泛接入，用户从“无源”变为“有源”、用电形态从单向辐射的、可预测的单一用电，逐步演进为双向互动的、难预测的多元用电。 大量分布式资源可为配电网提供保安生命线。多元分布式资源具备柔性调节、生产与消费兼具的特性，并具备与电网互动的灵活性，进入大规模接入阶段后，不仅可为配电网提供可观的负荷平抑与时空互济能力，更可为应对系统扰动与故障后的供电恢复过程提供主动支撑，提升新型电力系统韧性 背景01 02问题的提出 目录TABLEOF CONTENTS 03阶段性研究进展 04小结 问题1对线路侧保护的影响 分布式电源接入后，对于配网保护影响的实质，是其出口短路电流对不同测点的助增或助减作用，按照分布式电源提供的短路电流和系统提供短路电流的占比，其影响显著不同。 问题2对重合闸与馈线自动化的影响 对重合闸的影响 在传统配电网中，如果故障是瞬时性，当变电站的断路器动作跳闸后，没有电源继续对故障点供电，在等待一段时间后，故障电弧熄灭，断路器重合闸恢复对线路的供电 而在有源配电网中，断路器跳闸后，分布式电源可能继续给故障点供电，将影响故障电弧的熄灭，降低重合闸的成功率，如果合闸时，分布式电源仍然没有脱离，将可能因不同期合闸产生冲击电流，给其带来危害。 问题2对重合匣与馈线自动化的影响 对就地型馈线自动化的影响 分闸逻辑：需要同时满足开关电源侧和负荷侧失压以及无电流通过的条件，如果故障点下游有分布式电源未脱网，则会导致残压影响失压分闸逻辑，开关无法正常跳闸合闽逻辑：需要满足一侧有压、另一侧无压以及无电流等条件，未脱网的分布式电源将导致开关分位有流，延时合闸逻辑无法满足。 问题2对重合闸与馈线自动化的影响 对集中型馈线自动化的影响 当有源配电网发生故障时，分布式电源若未及时脱网，将向故障点注入短路电流改变了传统配电网故障分布特征，引起主站对故障范围误判 问题3分布式电源侧保护问题 防孤岛保护问题概述 防孤岛保护的作用是在出现非计划孤岛运行状态时切除DER，以避免电压/频率损坏设备，并防止配电线路与设备继续带电，威胁运维人员安全。对于IIDER，目前还缺少外部故障时的保护手段，主要依靠防孤岛保护中的电压与频率特征动作于跳闸，因此防孤岛保护还起到DER外部故障保护的作用。 口发电与用电功率不平衡时，电压与频率将发生变化，电能质量不合格，危害用电设备。口DER倒送电危害检修人员安全。2022年4月9日，西藏墨脱线路抢修人员因用户侧DER倒送电触电死亡主网恢复送电时会出现非同期重合闸 问题3分布式电源侧保护问题 快速防孤岛保护与故障穿越的矛盾问题 中国防孤岛保护主要采用电压/频率保护。参照《GB/T33593-2017分布式电源并网技术标准》国际上最新版IEEE1547要求DER应在电压/频率异常时具有穿越能力，电压保护动作时限最长达到了20s以上，导致故障后重合闸的等待时间延长。事实上防孤岛保护的定值设置的过于灵敏虽然能快速切除DER，但将导致DER不具备穿越能力，在大电网故障与系统扰动时可能造成DER大量脱网，影响系统安全稳定运行，因此快速防孤岛保护与故障穿越是个矛盾问题 中国防孤岛保护标准 国际防孤岛保护标准 口IEEE1547.2018（最新)电压保护 GB/T33593-2017电压保护 口IEEE1547.2003（早期标准）电压保护 动作时限与与电压穿越特性配合，最长超过20s。根据系统稳定运行的要求，将动作特性分为三类。频率保护与频率穿越特性配合 动作时间小于2 s.频率保护通过380V电压等级并网或10（6）kV电压等级接入用户侧的DER，当频率超出49.5Hz-50.2 Hz范围时，应在0.2s内脱网。 动作时间小于2 s频率保护频率范围57-59.8Hz之间动作时间可达300s 问题3分布式电源侧保护问题 防孤岛保护的影响口 早期的电压/频率防孤岛保护整定的比较灵敏，动作时限小于2S，在线路故障时能够快速切除DER，但在大电网故障与系统扰动时可能造成DER大量脱网 英国8.9大停电事故： 如2019年8月9日的英国伦敦停电事故，就是因为输电线路故障期间电压相位突变防孤岛保护动作切除了150MW的DER，故障切除后随着频率的大幅下降又切除了大量的DER进而加剧了频率下降，触发了低频减负荷保护，自动切除了5%的负荷。英国伦敦北部输电线路遭遇雷击，后续接连发生电源出力损失共约190万「干瓦，其中霍恩风电场因抗扰能力不足而脱网，导致出力损失约74万干瓦，故障冲击超出系统调节能力，引起频率持续跌落，触发低周减载动作，造成包括伦敦在内的大规模停电事故。事故发生时，风电出力占比超过30%。 背景01 02问题的提出 目录TABLE OF CONTENTS 03阶段性研究进展 04小结 整体解决思路 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 线路侧保护第一阶段标：线路侧保护可靠动作切除故障 关键技术1：适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法 口针对多类型DG多点并网的配电网络配置多级方向电流保护 出口配置三段式方向电流保护分段断路器处两段式方向电流保护分支断路器外两段式方向电流保护分界断路器处两段式方向电流保护 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 关键技术1：适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法 考虑DG接入影响的继电保护具体配置与整定原则 口分段保护 口出口保护 配置二次重合闸。第一次重合闸确保瞬时性故障快速切除后尽快恢复供电；第二次重合闸纠正段保护区内分支线路永久性故障时出口开关越级跳闸。重合闸时间需躲过断路器跳闸后其下游DG孤岛保护动作时间 分段保护电流工段根据出口保护电流工段按40%的比例调整，电流保护Ⅲ段无需调整工段按躲过线路5倍的最大负荷电流和下级配电变压器二次侧短路最大短路电流整定，适当降低整定值，延长保护范围。 工段：按躲过线路5倍的最大负荷电流和下级配电变压器二次侧短路最大短路电流整定，适当降低整定值，避免受DG影响拒动，延长保护范围。 针对出口保护Ⅲ段可能拒动的问题，一是按躲过2.5倍最大负荷电流整定；二是增加过负荷保护，整定值大于1.2倍的最大负荷电流，统一选为600A，动作时限整定为15~20s，确保故障不会长期存在。 口分支和分界保护 分支和分界保护的电流保护工段整定值只需根据上级保护按90%和80%的比例调整，电流保护Ⅲ段无需调整。 杨帆，韩刚，陈鹤冲，等，分布式电源多点接入的配电网多级方向电流保护方案JJ已投稿一种适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法[P1.CN202311041978.8 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 关键技术1：适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法 各级保护处配置基于正序阻抗角差异的方向闭锁元件 口方向电流保护：在电流保护的基础上增加方向元件构成方向电流保护。满足电流保护动作条件同时判别为正方向故障时，保护可靠动作：当检测到反方向故障或短路电流小于整定值时保护不动作 口方法优势： 动作区域对称，整定简单，无需根据配电网运行方式的变化进行判据调整，现场应用简单方便适用于不同类型DG多点并网，计及IDG低电压穿越要求，保护可在允许时限内就近切除故障，不受DG出力随机性和复杂性的影响，100%渗透率下均能快速可靠动作 杨帆，韩刚，陈鹤冲，等，分布式电源多点接入的配电网多级方向电流保护方案J已投稿，各类工况下正序阻抗角区间法IP1CN202311041978.8 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 关键技术1：适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法 案例仿真分析 口选取10kV典型配电网络搭建仿真模型，对配电网原保护方案进行适当改进，各处增加基于正序阻抗角的方向元件，部分整定值进行调整 调整后的保护配置和整定方案 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 关键技术1：适用于多类型DG多点并网的配电网多级方向电流保护方法 并网DG均为IIDG 口假设所有并网DG均为IIDG，仿真分析DG渗透率分别为30%、70%和100%，线路发生三相短路和两相相间短路时，各位置短路电流、正序电压电流相位差、方向判别结果和保护动作情况，验证所提方向判据和保护均能保证保护正确动作 原保护拒动，改进后的保护正常动作两相相间短路时电气测量值及保护动作情况 三相短路时电气测量值及保护动作情况 （第一阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 关键技术1：适用于多类型DG多点井网的配电网多级方向电流保护方法 多类型DG井网 口假设DG1、DG3和DG5为同步发电机，DG2和DG4为IIDG，仿真分析DG总渗透率分别为30%70%和100%，线路发生两相相间短路和三相短路时，各位置短路电流，正序电压电流相位差、方 三相短路时电气测量值及保护动作情况 两相相间短路时电气测量值及保护动作情况 （第二阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 线路侧保护第二阶段标：故障精准定位隔离，仅故障区段分布式电源脱网 关键技术2：基于对等通信手段的故障精准定位隔离技术 口当前技术难点：当前保护方法难以最小化定位故障区段，易造成非故障区段的分布式电源大面积脱网。 口技术优势：基于对等通信技术手段（例如5G、光纤差动）1能准确识别出故障区段，实现故障快速精准的定位与隔离。故障区段内的分布式电源快速启动防孤岛保护脱网，区段外的具备主动支撑能力的分布式电源不脱网，并在供电恢复过程中充分发挥分布式电源的主动支撑作用 13434 （第二阶段）线路侧保护问题的阶段性研究进展 分布式故障定位与隔离 口线路出现故障时，各STU通过对等通信，互相查询相邻STU的电流信息，利用电流差动保护原理判定故障区段。识别为故障区段内时，STU控制对应断路器断开，隔离故障。同时