（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）dg條件下基于移動agent的配電網(wǎng)保護控制策略研究.pdf

東南大學碩士學位論文 a b s t r a c t w o r l d - w i d ee n e r g ys h o r t a g eh a sl e dt ot h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sf o r m so fn 學e n e r g ys o u r c e , w h i c h p r o v i d e sap r o s p e m n sf u t u r ef o rd i s t n b u t e dg e n e r a t i o no x d , a n db e c o 撇san 嘲ri m p o r t a n tr e s e a r c h i n t e r e s t t h ep r i m a r ye n e r g yf o rd g ng e tf r o maw i d cr a n g eo fr e s o 峨a n di ti sc l e a na n de n e r g y s a v i n g m e a n w h i l e ，d gi s 疊g o o ds u p p l e m e n tf o rp o w e r 倒e s p e c i a n yi ne n h a n c i n gp o w e r 倒s e c u r i t y , s t a b i l i t y , a n dp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y w i t ht h ec o n n e c t i o no f i m p a c to nt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a y s t r a t e g yh 勰b e 玨塢ab i gp r o b l e m s oi ti su r g e n t l yn e e d e dt od e v e l o pa na p p r o p r i a t ep r o t e c t i o na n d c o n t r o ls c h e m ef o rt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hd q n ct o p o l o g yo ft r a d i t i o n a ln e t w o r kh a sc h a n g e df r o ms i n g l ep o w e rs o u r c et om u l t i - s o u r c e , u n c e r t a i n t yo fp o w e rf l o ws i n c ed ga r ec o n n e c t e dt ot h e 鰣d ，t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v er e l a ys t r a t e g y d o c s n tf u n c t i o nn o r m a l l y b a s e do nt h ep o s t - f a u l tc u r r e n ti n f o r m a t i o n , t h i st h e s i sp r o p o s e ss oc a l l e d c o m p l e xc u r r e n ta m p l i t u d ec o m p a r i s o nm e t h o dt of i r s tl o c a t et h ef a u l tf e e d e r a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a t d gc 蛆p r o v i d ef a u l tc u r r e n t , 吐i i st h e s i sr i s e sc u r r e n ta m p l i t u d et od e t e r m i n et h ef a u l td i r e c t i o n , t h e n i n t r o d u c e st h ef a u l td e c i s i o nm a t r i xt oc o n f j a - l nt h ef a u l tz o n ew h i c hc o n t a i n sf a u l ts e c t i o n o nf e e d e r b e c a u s e p r o t e c t i o ns c h e m ed o e s n tg e tv o l t a g ei n f o r m a t i o na n dg p ss y n c h r o n i z a t i o n , i t sd i f f i c u l tt ol o c a t e t h ep r e c i s ef a u l ts e c t i o no n l yu p0 1 1t h ec u r r e n ta m p l i t u d e ，t l l i st h e s i sp r o p o s e sl o a dc u r r e n ta m p l i t u d e c o m p a r i s o ns c h e m e ，m a k et h ep r e c i s ef a u l tl o c a t i o nc o m et r i m p r o p o s e dn e wp r o t e c t i o ns c h e m ec a nn o tb es e p a r a t e df r o mt h es u p p o r to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , i e c 6 1 8 5 0i sp r i m a r i l yu s e di ns u b s t a t i o na u t o m a t i o n ，w h i c ha i m sa ta c h i e v i n gt h es e a m l e s sd o c k i n g b e t w e e nd i f f e r e n td a t aa n dm u t u a lo p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n td e v i c e s i nt h i sp a p e r , i e c 6 1 8 5 0t e c h n o l o g y i su s e dt os o l v ei s o m e r o u sp r o b l e mo fs y s t e m s y s t e m so v e r a l ls t r u c t u r e ：i 墨d e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t h m c 6 1 8 5 0s p e c i f i c a t i o n , a n dc o n s t i t u t e so fi e d sa n dp r o t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e nd i 鯽竭d ，g s em o d e l h a sb e e na p p l i e d 盟t h ei n f o r m a t i o nm o d e l ，s a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t sf o r 托l(wèi) 毫ya n ds y s t e m sd a t a w a n s m i s s i o n d a t at r a n s m i s s i o no fp r o t e c t i o ns y s t e mi sa c h i e v e dt h r o u g he t h e m e t b e , c a u s cp r o t e c t i o ns y s t e mh a s r e a lt i m er e q u i r e m e n t so rd a t at r a n s m i s s i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h et i m ed e l a yp r o b l e mo nd a t a t r a n s m i s s i o n , a n dp r e s e n t ss o l u t i o n st oi m p r o v et h et i m ed e l a yp r o b l e m k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；c o m p l e xc u r r e n t ：i e d ；f a u l tl o c a t i o n ：m o b i l e a g e n t ：i e c 6 1 8 5 0 ：e t h e m e t i l 東南大學碩士學位論文 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果 盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫 過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝 意。 研究生簽名： 盛監(jiān)日霸：掣、1 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的復印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙 質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包 括刊登) 論文的全部或部分內容論文的公布( 包括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。 研究生簽名：鯉墅蘭導師簽名： i v 期： 第一章緒論 1 1 課題研究背景 第一章緒論弟一早珀下匕 人類社會的能源利用經(jīng)歷了從薪柴時代到煤炭時代，再到油氣時代的演變，在能源利用總量不 斷增長的同時，能源結構也在不斷變化。每一次能源時代的變遷，都伴隨這生產(chǎn)力的巨大飛躍，極 大地推動了人類經(jīng)濟社會的發(fā)展。然而進入2 l 世紀，隨著人類使用能源特別是化石能源的數(shù)量越來 越多，而化石能源又屬于非可再生資源，能源對人類經(jīng)濟社會發(fā)展的制約越來越明顯 琴 墨 筮 爨 姆 翳 翟 圖1 1 世界能源結構變化 團1 2 世界能源消費變化 由圖1 1 和圖1 2 可以看出，世界能源結構從十九世紀到新千年發(fā)生了巨大變化，對煤炭、石油 等化石燃料的消耗達到了有史以來的巔峰i 。 在中國，改革開放以來，能源供給能力不斷增強，促進了經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展但在經(jīng)濟快速發(fā) 展過程中，能源供給不足的矛盾十分突出。往往只要固定資產(chǎn)投資規(guī)模擴大、經(jīng)濟發(fā)展加速，煤電 油運就會緊張，成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。到2 0 世紀9 0 年代末，隨著能源市場化改革不斷推 進、能源工業(yè)進一步對外開放和能源投入增多，煤炭、電力產(chǎn)能大幅度提高，油氣進口增多，能源 對經(jīng)濟社會發(fā)展的制約得到緩解進入新世紀，隨著中國新一輪經(jīng)濟發(fā)展，能源供求形式又發(fā)生了 新的變化，工業(yè)化和城市化步伐加快，一些高能耗行業(yè)發(fā)展過快，能源對經(jīng)濟社會發(fā)展的制約又開 始加大。 東南大學碩士學位論文 2 0 0 12 0 ( 1 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 圖1 3 。十五以來中國能源消費增長情況 能源資源的開發(fā)利用在促進世界發(fā)展的同時，也帶來了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題?；剂系氖褂?是c 0 2 等溫室氣體增加的主要來源。科學觀測表明，地球大氣中c 0 2 的濃度已從工業(yè)革命前的 2 8 0 p p m v 上升到了目前的3 7 9 p p m v ：全球平均氣溫也在近百年內升高了o 7 4 ，特別是近3 0 年來 升溫明顯。全球變暖對地球自然生態(tài)系統(tǒng)和人類賴以生存環(huán)境的影響總體上是負面的。從中國國情 來看，能源結構長期以煤炭為主，煤炭生產(chǎn)使用中產(chǎn)生的s 0 2 、粉塵、c 0 2 等是大氣污染和溫室氣 體的主要來源。特別是近幾年來，一些高能耗高污染的企業(yè)大批上馬，粗放式的發(fā)展對資源的利用 和環(huán)境的破壞是巨大的。從2 0 0 0 年開始，中國進入了“電荒”時代，全國各地紛紛拉閘限電大規(guī) 模的拉閘限電對經(jīng)濟的影響也是巨大的據(jù)測算，從2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，5 年來。電荒”給國民經(jīng) 濟的直接和間接損失已超過1 萬億人民幣1 1 2 分布式發(fā)電 1 2 1 分布式發(fā)電介紹 分布式發(fā)電( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) ，是利用可再生能源進行電力生產(chǎn)，清潔的可持續(xù)發(fā) 展的發(fā)電方式。相對于傳統(tǒng)發(fā)電方式，減少了粉塵、s 0 2 、n m 、廢水、廢渣等的捧放同時利用的 是可再生能源，在一次能源的獲取上不需擔心能源的耗盡中國地域廣闊，各種可再生能源十分豐 富如中國陸地1 0 米高度層的風能可開發(fā)儲量為2 5 3 億千瓦，近海風場的可開發(fā)風能資源是陸上的3 倍，據(jù)此，中國可開發(fā)的風能資源約為1 0 億千瓦但預期到2 0 1 0 年風電裝機容量僅為5 萬千瓦：農 業(yè)生產(chǎn)每年產(chǎn)生過剩秸稈約l 億噸，相當于4 0 0 0 萬噸標準煤。因此分布式發(fā)電的發(fā)展對于我國有著特 別的經(jīng)濟及環(huán)保意義。 分布式發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，有其特殊的優(yōu)點： 1 節(jié)省輸變電投資。分布式供能系統(tǒng)的供能裝置直接安置于用戶近旁，輸電距離短，無需架設 輸電線、建設配電站，可有效降低輸配電成本。 一 2 彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足和提高供電的可靠性。直接安置在用戶近旁的分布式供 能裝置相互獨立，用戶可自行控制，與大電網(wǎng)配合，可有效降低電力負荷波動對大電網(wǎng)的影響，減 少發(fā)生嚴重事故的可能；電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，分布式能源系統(tǒng)可以保證用戶的電力供應不受影響， 避免一些災難性后果的發(fā)生。尤其是在電網(wǎng)崩潰和意外災害( 例如地震、暴風雪、人為破壞、戰(zhàn)爭) 情況下，可維持重要用戶的供電及供電的可靠性2 0 0 8 年1 月下旬至2 月上旬，我國南方地區(qū)遭到 百年一遇的大雪災害，導致南方某些電網(wǎng)主網(wǎng)架紛紛倒塌，從而導致部分地區(qū)停電停水，對居民的 生活造成了巨大的影響，尤其湖南郴州地區(qū)停電幾乎長達1 2 天郴州地區(qū)的某些重要醫(yī)院由于有自 備發(fā)電設備，因此幸免遇難，仍能繼續(xù)承擔救死扶傷的責任 2 如 筋 加 搭 m 5 o 3工牮、嘲躅瓤滔蹲箍 第一章緒論 3 滿足特殊場合的需求。對不適宜大規(guī)模鋪設電網(wǎng)的西部等邊遠地區(qū)或散布的用戶，對供電安 全穩(wěn)定性要求較高的醫(yī)院、銀行等特殊用戶，能源需求較為多樣化的用戶，這種能源系統(tǒng)的優(yōu)點是 可進行遙控和監(jiān)測區(qū)域電力質量和性能，輸電損失顯著減少，運行安全可靠，并可按需要方便、靈 活地利用排氣熱量實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)或熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。 4 具有良好的環(huán)保性能。分布式供能系統(tǒng)一般采用清潔燃料作能源，如天然氣、沼氣、生物質 能等( 傳統(tǒng)發(fā)電以煤為主) ，并且應用了現(xiàn)代污染物控制技術，減少了粉塵、s 0 2 、n o x 、廢水、廢 渣等的排放。此外，分布式供能系統(tǒng)由于減少了輸變電線路和設備，電磁污染和噪聲污染極低，因 而具有良好的環(huán)保性能。 5 為可再生能源的利用開辟新的方向。相對于化石能源而言，可再生能源能流密度較低、分散 性強，而且目前的可再生能源利用系統(tǒng)規(guī)模小、能源利用率較低，作為集中供能手段是不現(xiàn)實的 而分布式供能方式為可再生能源利用的發(fā)展創(chuàng)造了條件。我國可再生能源資源豐富，發(fā)展可再生能源 是減少環(huán)境污染及替代化石能源的有效措施因此，為充分利用資源豐富的可再生能源發(fā)電，方便 安全地向偏僻、缺能地區(qū)供電，建設可再生能源分布式供能系統(tǒng)應受到高度重視 目前，國際上對于分布式發(fā)電并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范化定義，但是基本的概念是一致的。分布 式發(fā)電可以稱為嵌入式發(fā)電( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ，e g ) 它形象地描述了將分布式電源“嵌入一 到配電系統(tǒng)之中；同時也可稱為分散發(fā)電( d i s p e r s e dg e n e r a t i o n ) ，它強調的是與“集中發(fā)電”相區(qū) 別的發(fā)電形式；國際大型電力系統(tǒng)委員會( c i g r e ) 將分布式發(fā)電定義為“非經(jīng)規(guī)劃的或中央調度 型的電力生產(chǎn)方式，通常與配電網(wǎng)連接，一般發(fā)電規(guī)模在5 0 m o m w z 間” 分布式發(fā)電與傳統(tǒng)集中式發(fā)電的主要區(qū)別是其規(guī)模較小且靠近用戶，一般可以直接向其附近的 負荷供電或根據(jù)需要向電網(wǎng)輸出電能。文獻【2 】認為d g 指的是為了滿足一些特殊用戶的需求、支持已 有配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行而設計和安裝的在用戶處或其附近的小型發(fā)電機組，或坐落在用戶附近使得負 荷的供電可靠性及電能質量都得到增強、又或者由于就地應用熱電聯(lián)產(chǎn)使得效率得到提高的發(fā)電形 式。文獻f 3 1 也指出d g 可以包含任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施而不論這種發(fā)電形式的規(guī)模大小和一 次能源的類型。一般意義上d g ，d r 或d e r 甚至包括分布式電力( d i s p e r s e dp o w e r ，d p ) 都可以用 來指安裝在用戶附近并為其供電的小規(guī)模發(fā)電技術。本文所使用的分布式發(fā)電概念指的是位于用戶 附近的各種小型的( 容量小于1 0 m w 瑚j ) 、模塊化的電能生產(chǎn)或存儲技術，仍沿用d g 作為其名稱， 它們中的大部分可通過并網(wǎng)設備與電網(wǎng)相連 在現(xiàn)代一次能源日趨緊張的形勢下，分布式發(fā)電的出現(xiàn)都人類社會有著積極的意義 1 2 2 分布式發(fā)電分類 在不同的研究領域d g 有不同的分類方式嘲一般可以根據(jù)d g 的技術類型，所使用的一次能 源及和電力系統(tǒng)的接口技術進行分類根據(jù)d g 通常所使用的技術可分為r 卜1 2 j ：紫( 汽) 油機組發(fā) 電、水力發(fā)電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽熱發(fā)電、燃氣輪機組發(fā)電和燃料電池等。它們所使用的 能源有化石燃料、可再生能源及電能儲存元件目前，研究的熱點之一是可再生能源發(fā)電技術，其 中水力發(fā)電、生物質能發(fā)電屬于比較成熟的技術，而風力發(fā)電、光伏發(fā)電，太陽熱發(fā)電地熱及潮 汐發(fā)電等都屬于新興的發(fā)電技術。 一 若d g 與電力系統(tǒng)相連，則可以根據(jù)d g 并網(wǎng)技術的類型分類，即直接與系統(tǒng)相聯(lián)( 機電式) 和通過逆變器與系統(tǒng)相聯(lián)兩大類若d g 是旋轉式發(fā)電機直接發(fā)出工頻交流電則屬于第一類，像小 型燃氣輪機組發(fā)電、地熱發(fā)電、水力發(fā)電、太陽熱發(fā)電等；而逆變器型d g 通常指的是將直流電逆 變上網(wǎng)的d g ( 如風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池及各種電能儲存技術) 和發(fā)出高頻交流電的d g ( 微透平機組) 但在d g 的實際應用中，考慮到d g 大小對其在電力系統(tǒng)中應用有直接影響，因此按其大小分 為小型( i o o k w ) 中型( i o o k w 一1 m w ) 大型( 1 m w ) 三類 3 東南大學碩士學位論文 1 2 3 分布式發(fā)電前景 當今社會對電力供應的質量與安全可靠性要求越來越高，大電網(wǎng)由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足 這種要求大電網(wǎng)中任何一點的故障所產(chǎn)生的擾動都會對整個電網(wǎng)造成較大影響，嚴重時可能引起 大面積停電甚至是全網(wǎng)崩潰，造成災難性后果。根據(jù)已有運行經(jīng)驗表明：大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電 系統(tǒng)相結合是節(jié)省投資，降低能耗，提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方法據(jù)國際分布式能源聯(lián)盟 的數(shù)據(jù)，分布式能源在眾多歐洲國家發(fā)電總量中所占的比例已超過了3 0 * 4 ，在丹麥這一比例則超過 了5 0 由于目前很多國家采取集中式電力系統(tǒng)為主要的供電方式，導致大量能源的損失，各國電 力系統(tǒng)利用效率不及3 3 ，許多發(fā)展中國家還不到3 0 ，而目前已商業(yè)化、可大規(guī)模實現(xiàn)能源轉換 的技術中，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率高達可達6 0 一踟，熱電冷系統(tǒng)效率則可達9 0 當前中國正在進行電力體制深化改革，主推大電網(wǎng)、高電壓等級，推崇的是“美國模式一。但這 種模式出現(xiàn)了深刻的教訓：首先是“美國模式”的始發(fā)地美國加州發(fā)生大停電j 緊接著是法國、 意大利、英國、西班牙，然后是澳大利亞這次世界性的大停電反映出傳統(tǒng)大電廠o - 大電網(wǎng) 超高壓的模式是不安全的。傳統(tǒng)觀念認為的大的就是好的，認為大的可以降低成本，提高效率，價 格下降，在電力行業(yè)也正成為過時的觀念。電力大到一定程度以后，就會出現(xiàn)異化，走向事物的相 反。美國模式的弊病在這次大停電中也暴露無疑而“丹麥模式”的發(fā)源地刁導麥，改革進行了 2 0 年，國內產(chǎn)值翻了一番多，供電能力一直保持了增長，但消耗的資源量沒有增加，環(huán)境代價大幅 度降低，能源成本也增加不大丹麥全國今天已經(jīng)沒有一個火電廠不供熱，也沒有一個工業(yè)鍋爐不 發(fā)電，能源利用效率得到持續(xù)地提高 1 3 課題進展的意義及開展的工作 以上介紹了分布式發(fā)電的優(yōu)勢及前景，可見利用可再生能源的分布式發(fā)電技術必將得到廣泛應 用。由于分布式發(fā)電引入配電網(wǎng)，使得配電系統(tǒng)由單電源輻射狀變?yōu)榉植加兄行⌒碗娫吹亩嚯娫淳W(wǎng) 絡，網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生了很大變化，配電系統(tǒng)的控制和管理將變得更加復雜目前，國內外現(xiàn)行的 d g 并網(wǎng)運行規(guī)程 2 , 5 1 大多數(shù)是基于d g 并網(wǎng)不影響原有配電網(wǎng)保護控制系統(tǒng)正常工作的原則提出 的。這些原則包括：要求d g 不能主動參與調壓；配電網(wǎng)發(fā)生故障時，d g 必須迅速退出配電網(wǎng)以 保證配電網(wǎng)繼電保護正確動作等【4 j 這些規(guī)程雖然保證了電力系統(tǒng)的安全性，但在一定程度上局限 甚至破壞了d g 的正常運行，損害了d g 發(fā)電商和d g 用戶的經(jīng)濟利益，對提高供電范圍及供電可 靠性也是不利的網(wǎng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時d g 對繼電保護有重大影響，影響大小與d g 數(shù)量、接入 位置及容量有關為了更好地發(fā)揮d g 的積極作用，本文對分布式發(fā)電條件下d g 對配網(wǎng)繼電保護 的影響進行了研究，并基于傳統(tǒng)電流保護原理，結合現(xiàn)有配電網(wǎng)的特點提出了針對分布式發(fā)電條 件下配網(wǎng)繼電保護的新方案，為分布式發(fā)電的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件 論文主要包括以下幾個方面的內容； 1 第一章緒論：概述了分布式發(fā)電的概念，介紹了分布式發(fā)電技術的分類、特點及其應用發(fā) 展形勢。 一 2 第二章分布式發(fā)電對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響：首先介紹了分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的積極作用， 然后從電能質量、繼電保護、短路電流、可靠性、鐵磁諧振、電網(wǎng)效益等各方面闡述了d g 的不利 影響：其次介紹了分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護的影響：分析了d g 接入對繼電保護以及保護間配 合的影響，提出d g 接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響是根本的，必須研究新型保護控制方案 3 第三章分布式發(fā)電保護控制策略：提出基于綜合電流幅值的新型保護控制策略，利用d g 提供助增電流的特點劃分故障關聯(lián)區(qū)域，并通過負荷電流比相法實現(xiàn)故障區(qū)段的精確定位結合新 興的移動a g e n t 技術實現(xiàn)了保護控制策略 4 第四章分布式發(fā)電保護控制系統(tǒng)的構成：介紹了保護系統(tǒng)的構成，將i e c 6 1 8 5 0 技術引入 4 第一章緒論 保護控制系統(tǒng)，分別對疋d 和保護設備進行功能建模，借助予成熟以太網(wǎng)技術實現(xiàn)了保護數(shù)據(jù)傳輸 的實時性，為保護系統(tǒng)的工程實際應用打下了基礎 5 第五章保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時限研究：針對保護數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)傳輸?shù)臅r延問題，在端節(jié)點a u 的利用率、端節(jié)點處流量、網(wǎng)絡負載三種情況進行了仿真，并對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延問題提出了解決方 案 6 第六章結論與展望：對論文展開的工作進行總結，并對今后工作予以展望。 5 東南大學碩士學位論文 2 1 引言 第二章分布式發(fā)電對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響 d g 的接入使配電網(wǎng)中各支路的潮流不再是單方向地流動，因此，d g 的弓i 入將會給整個電網(wǎng)帶 來深刻的影響除了各種形式的d g 技術本身還有進一步研究和完善外，從d g 與傳統(tǒng)電網(wǎng)連接的 角度，必須針對含有d g 的電網(wǎng)規(guī)劃與運行方式、繼電保護、安全及穩(wěn)定性、對控制中心的影響等 一系列問題進行深入的研究 2 2 分布式電源接入對電力系統(tǒng)的影響 對于配電系統(tǒng)，無論是輻射式還是環(huán)網(wǎng)結構，d g 的接入都將極大地影響電網(wǎng)中的潮流和電壓 如圖2 1 所示，在傳統(tǒng)的供電方式中，功率從高電壓等級傳送到低電壓等級，通過配電變壓器分配 到用戶配電系統(tǒng)的設計、運行及其保護控制都是基于這樣的供電方式 p ，q 圈2 1 傳統(tǒng)的供電方式 當大量d g 接入時，配電線路上的潮流可能反向。配電系統(tǒng)不再是簡單的電能配送工具，而是 集發(fā)電、配電功能于一身，其電壓、潮流分布不僅取決子負荷，而且取決于d g 圖2 2 分布式發(fā)電系統(tǒng) 以圖2 2 所示的分布式發(fā)電條件下的配電系統(tǒng)( 以下簡稱為分布式發(fā)電系統(tǒng)) 為例，熱點聯(lián)產(chǎn) 裝置( c l i p ) 向系統(tǒng)輸送有功功率，同時它有可能發(fā)出或吸收無功功率，這取決于裝置中勵磁調節(jié) 器的參數(shù)設置；風力發(fā)電機組發(fā)出有功，同時很可能吸收無功，這主要是由于機組中的異步感應電 6 一叫 第二章分布式發(fā)電對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響 機在運行時需要吸收一定的無功；光伏電池陣列可以看作是一個恒壓源，它還可以以某個設定的功 率因數(shù)發(fā)送有功和無功功率，但同時容易產(chǎn)生較多的諧波。所以在這個配電系統(tǒng)中的潮流分布可以 是任意方向的，這取決于負荷功率和d g 的發(fā)電功率 2 2 1d g 的積極作用 d g 對配電系統(tǒng)的影響可能是積極的也可能是消極的，這主要取決于系統(tǒng)和d g 的運行特性 總的來說積極作用主要體現(xiàn)在改善系統(tǒng)運行方式，支持系統(tǒng)高效、可靠地運行1 2 4 , 7 5 1 發(fā)展d g 的重 要意義主要包括以下幾個方面吲： 1 經(jīng)濟性。由于d g 可用發(fā)電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的階梯利用，從而可提 高能源的利用效率( 達7 0 - 9 0 ) ，此外還可降低初投資者費用和網(wǎng)損； 2 環(huán)保性。因其采用天然氣做燃料，或以氫氣、太陽能、風能為能源，故可減少有害物的排放 總量，減輕環(huán)保壓力；大量的就近供電減少了大容量遠距離高電壓輸電線的建設，因此不但減少了 高壓輸電線的電磁污染，也減少了高壓輸電線的征地面積和線路走廊，減少了對線路下樹木的砍伐， 有利于環(huán)保； 3 能源利用的多樣性分布式發(fā)電可利用多種能源，如潔凈能源( 天然氣) 、新能源( 氫) 和 可再生能源( 風能和太陽能等) ，并同時為用戶提供冷、熱、電等多種能源應用方式，因此是解決能 源危機和能源安全問題的一種很好的途徑： 4 調峰作用。夏季和冬季往往是負荷的高峰時期，此時如采用以天然氣為燃料的燃氣輪機等冷、 熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，不但可解決冬夏季的供熱與供冷的需要，同時也提供了一部分電力，由此可降 低電力峰荷，起到了電力調峰的作用。此外，也部分解決了天然氣的峰谷差過大問題，發(fā)揮了天然 氣與電力的互補作用； 5 安全性和可靠性。當大電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時，具有特殊設計的分布式發(fā)電系統(tǒng)仍能保 持正常運行，由此可提高供電的安全性和可靠性； 6 電力市場問題。分布式發(fā)電是一種適應電力市場發(fā)展的需要、由多家來辦電的良好方式； 7 投資風險。分布式發(fā)電的裝機容量一般較小，建設周期短，因此可避免類似大型發(fā)電站建設 周期帶來的投資風險： 8 邊遠地區(qū)的供電問題。我國許多邊遠及農村地區(qū)遠離大電網(wǎng)，因此難以從大電網(wǎng)向其供電 采用太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和生物質能發(fā)電的獨立發(fā)電系統(tǒng)( s t a n d - a l o n es y s t e m ) 不失為一種優(yōu)選 的方法 然而，這些d g 的積極作用在實際中并不能夠輕松實現(xiàn)，它要求d g 必須具有很高的運行可靠 性、可以接受調度，而且具有合適的接入位置和容量，此外還需滿足其他一些運行限制由于大多 數(shù)d g 不是電網(wǎng)公司所有，而且利用太陽能、風能等氣候性能源發(fā)電本身就具有功率不確定的特點， 所以這些條件很難保證。事實上，由于一些條件常常得不到滿足，d g 的接入反而對配電系統(tǒng)造成 諸多不利影響。 2 2 2d g 接入對配電網(wǎng)的影響 當分布式發(fā)電與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，會產(chǎn)生一些問題，主要包括以下幾個方面【捌： 1 電能質量問題【2 弘2 9 由于d g 是由用戶來控制的，因此根據(jù)其自身的需要啟動和停運d g ，這可能使配電網(wǎng)的電壓 常常發(fā)生波動。d g 的頻繁起動會使配電網(wǎng)線路上負荷潮流變大，從而加大電壓調整的難度，調節(jié) 不好會使電壓超標。 電力系統(tǒng)為保證電能質量，對配電線路的終端電壓有嚴格的要求，線路的設計、選型都是依據(jù) 了這一要求。近年來，電力系統(tǒng)趨向于更高效地利用供電網(wǎng)絡，在保證供電質量的前提下，使每條 線路的潮流接近于最大輸電能力( 3 0 3 n 7 東南大學碩士學位論文 圖2 3d g 對線路電壓的影響 圖2 3 是一個典型的輻射式配電線路的電壓曲線可以看出，d g 接入以前，線路上的電壓沿著 遠離配變的方向不斷下降。為了保證終端用戶的電壓水平，在實際運行中一般利用調壓變壓器調節(jié) 分接頭使電壓曲線提升當d g 接入線路以后，線路上的潮流發(fā)生改變，電壓曲線隨之變化。當負 荷非常小時，d g 的輸出功率有可能流回到系統(tǒng)側，在這種情況下，線路上的電壓從配變到d g 接 入點不斷上升電壓增量可以由下式近似表示： a v - ( p r + x q ) v 其中p ，q 是線路上的有功、無功功率，晨、z 是線路的電阻和電抗，y 是額定電壓 為了限制d g 對線路過電壓的威脅，許多國家和組織對d g 接入容量進行了限制，根據(jù)不同的 電壓等級和接入方式，對允許接入的d g 最大單機容量制定了詳細的要求。大型d g 的接入點應該 選擇在配變的低壓母線或者直接接入中高壓線路，小型的d g 可以直接在饋線接入各國對于d g 接入容量具有類似的要求，表2 1 是一個常見的例子 表2 1 歐盟對d g 接入容量的要求 接入位置允許接入的d g 最大單機容量 4 0 0 v 線路 5 0 k v a 4 0 0 v 母線2 2 5 0 _ i v a 1 1 k v 線路 2 3m 陬 1 1 k v 母線 8m n ，a 1 5 2 0 k v 線路和母線6 5 l om m 6 3 9 0 k v 線路1 0 4 0m v a 根據(jù)現(xiàn)行的d g 并網(wǎng)運行規(guī)程阱l ，當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，d g 必須迅速退出配電網(wǎng)以保證配電 網(wǎng)繼電保護正確動作，這可能會造成電壓在故障后的跌落。圖2 4 ( a ) 所示為包含d g 的一簡單系統(tǒng)圖， 其中r e d o s e r 是自動重合閘裝置。正常運行時的饋線電壓如圖所示 圖2 4 ( b ) 是故障切除后的系統(tǒng)圖當線路上發(fā)生瞬時性故障，自動重合閘裝置動作，同時d g 在重合閘閉合前退出運行。由于d g 的退出，線路電壓出現(xiàn)降落，其降落程度與d g 的容量大小成 正比 8 第二章分布式發(fā)電對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響 abc 囹回國亡 l r 八妄。 u 甩t k | a bc 圇囹囝回 i r r 1r u i ) 故障前的線路電壓 泐故障后的線路電壓 圖z 4 故障前后的線路電壓跌落比較 未來的d g 可能大量采用電力電子型電源，電壓的調節(jié)和控制方式與常規(guī)方式會有很大不同( 有 功和無功可分別單獨調節(jié)，用調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角的方式來調無功，且調節(jié)速度非?？? ，需要相應 的控制策略和手段與其配合。對于電壓驟降，d g 是否有用，取決于它的安裝位置、容量大小等， 一般而言，d g 對其安裝母線處的電壓驟降可能有助，對遠方的電壓驟降可能無助當d g 切換成 孤島方式運行時，如儲能元件或其能量太小，就易使用戶負荷發(fā)生電壓閃變。此外，電力電子型的 分布式電源易產(chǎn)生諧波，造成諧波污染，造成明顯的電壓畸變。文獻【2 1 中規(guī)定了對d g 引入諧波的 限制，如表2 2 所示。 表2 2 瑾e e 對d g 引入諧波的限鑭 諧波次數(shù)最大含量( 與基波的百分比) 1 1 t h 4 1 1 t ht o 1 7 t h2 1 7 t ht o 2 3 r d1 5 2 3 r dt o 3 5 t ho 6 3 5 t ho rg r e a t e ro 3 諧波總量 5 2 對繼電保護的影響 配電網(wǎng)中大量的繼電保護裝置早已存在，不可能為了新增的d g 而做大量改動，d g 必須與之 配合并適應它，文章第四章和第五章對這個問題作了詳細分析。當配電網(wǎng)的繼電保護裝置具有重合 閘功能時，則當配電網(wǎng)系統(tǒng)故障時，d g 的切除必須早于重合閘的第一次合閘。當d g 的功率注入 電網(wǎng)時，會使原來的繼電保護區(qū)域縮小，從而影響繼電保護裝置正常工作。如原配電網(wǎng)繼電器不具 備方向敏感性能( 原系統(tǒng)為放射型的，末端無電源，不會產(chǎn)生轉移電流而無須具備方向敏感性能) ， 則當其他并聯(lián)分支故障時，會引起安裝有d g 的分支上繼電器的誤動造成該無故障分支失去主電 源。這些問題將在2 3 節(jié)中詳細分析 3 短路電流問題 雖然在許多情況下d g 接入配電網(wǎng)側裝有逆功率繼電器，正常運行時不會向電網(wǎng)注入功率，但 當配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，短路瞬時會有d g 的電流注入電網(wǎng)，增加了配電網(wǎng)開關的短路電流水平， 可能使配電網(wǎng)的開關短路電流超標【3 2 1 如圖2 5 所示，當配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，多個d g 都會提供短路電流。目前配電網(wǎng)的短路電 9 東南大學碩士學位論文 流水平已經(jīng)接近了開關設備的額定電流。所以故障等級的提高要求電力系統(tǒng)增加投資成本改進開關 設備目前，一些國家規(guī)定這筆費用由接入d g 承擔，這無疑對d g 的發(fā)展是一種阻礙。因此，大 功率d g 接入電網(wǎng)時，必須事先進行電網(wǎng)分析和計算，以確定d g 對配電網(wǎng)短路電流水平的影響程 度。 4 鐵磁諧振問題 當d g 通過變壓器、電纜線路、開關等與配電網(wǎng)相連時，一旦配電網(wǎng)發(fā)生故障( 如單相對地短 路) 而系統(tǒng)側開關斷開時，d g 側開關也會斷開，假如此時d g 變壓器未接負荷，變壓器的電抗與 電纜的大電容可能發(fā)生鐵磁諧振而造成過電壓，還可能引起大的電磁力，使變壓器發(fā)出噪聲或使變 壓器損壞田j 。 如圖2 5 0 ) 所示，當配電網(wǎng)發(fā)生故障時，通過斷開d g 接入點的斷路器將d g 與配電網(wǎng)隔離，這 樣就留下了d g 、變壓器和電纜的開口串連電路由于地下電纜存在較大的對地電容，與變壓器的 勵磁電感構成串連回路( 圖2 5 ( b ) ) ，在參數(shù)滿足一定條件時，產(chǎn)生串連諧振，造成高電壓大電流沖 擊。而在實際中，為了保證配電網(wǎng)的保護系統(tǒng)正常運行，d g 可能面臨的頻繁的投退過程，因而d g 、 變壓器和電纜在不斷遭受諧振沖擊以后容易損壞 在一些國家，為了避免這種諧振的產(chǎn)生，常常要求連接變壓器能夠始終帶一定量的本地負荷以 避免諧振發(fā)生的參數(shù)條件，防止不必要的沖擊 ( | ) d g 、變壓器和電纜的開口串連電路 ( b ) 等效電路 圖2 5 鐵磁諧振示意圖 5 可靠性問題1 3 4 , 3 習 有時d g 會對可靠性產(chǎn)生不利的影響，但有時d g 會對可靠性產(chǎn)生有利的作用，要視具體情況 而定，不能一概而論 不利情況為：大系統(tǒng)停電時有些d g 的燃料會中斷，或供給d g 輔機的電源會失去，d g 會同 時停運，仍無法提高供電的可靠性d g 與配電網(wǎng)的繼電保護配合不好，可能使繼電保護誤動作， 反而使可靠性降低不適當?shù)陌惭b地點、容量和連接方式會使配電網(wǎng)可靠性變壞 有利情況：d g 可部分消除輸配電網(wǎng)的過負荷和堵塞，增加輸配電網(wǎng)的輸電裕度在適當?shù)膁 g 1 0 第二章分布式發(fā)電對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響 布置和電壓的調節(jié)性能。特殊設計的d g 可使它在大電力輸配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，i x ；仍能保持運 行這些都有利于提高系統(tǒng)的可靠性水平 6 變壓器的連接和接地問題 當d g 采用不同的變壓器連接方式與配電網(wǎng)相連時，或其接地方式與配電網(wǎng)的接地方式不配合 時，就會引起配電網(wǎng)側和d g 側的故障傳遞問題，及d g 的三次諧波傳遞到系統(tǒng)側的問題，而且， d g 側繼電保護也會檢測到系統(tǒng)側的故障而動作，由此可能引起一系列問題 7 電網(wǎng)效益問題 d g 的接入可能使配電網(wǎng)的某些設備閑置或成為備用如：當d o 運行時，與配電網(wǎng)系統(tǒng)相連 的配電變壓器或電纜線路常常因負荷小而輕載，導致配電系統(tǒng)部分設備成為相應的d g 的備用設備， 從而使配電網(wǎng)的成本增加，供電局的效益下降。另外還可能使配電系統(tǒng)負荷預測更加困難 8 配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、控制和調節(jié)問題 原先配電系統(tǒng)的實時監(jiān)視、控制和調度是由供電部門統(tǒng)一來執(zhí)行的，由于原配電網(wǎng)是一個無源 的放射型電網(wǎng)，信息的采集、開關的操作、能源的調度等相應比較簡單。d g 的接入使這些過程復 雜化，需要增加哪些信息，這些信息是作為監(jiān)視信息、還是作為控制信息，由誰來執(zhí)行等，均需要 依據(jù)d g 并網(wǎng)規(guī)程重新予以審定，并通過具體d g 的并網(wǎng)協(xié)議最終確定 9 其他問題 配電網(wǎng)電容器投切應與d g 的勵磁調節(jié)相配合，否則會出現(xiàn)掙搶調節(jié)的現(xiàn)象( 即h u n t i n g 現(xiàn)象) 當配電網(wǎng)故障時，d g 有可能采取解列運行的方式，但解列后再連接時的判同期問題成為減少對配 電網(wǎng)的沖擊所必須考慮的重要問題，應有一定的控制策略和手段來給予保證。另外，分布式發(fā)電的 市場體系、相應的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范等等體制都需要進一步的完善和發(fā)展 2 4 , 2 5 3 6 ，3 7 1 2 3 分布式電源接入對配電網(wǎng)保護的影響 分布式電源接入配電網(wǎng)后，配網(wǎng)由單電源、輻射式變?yōu)槎嚯娫唇尤氩⑴c用戶互聯(lián)的網(wǎng)絡結構， 網(wǎng)絡的拓撲結構發(fā)生了深刻變化，潮流也不再單向地從變電站母線向各負荷，傳統(tǒng)保護的故障判斷 量不再可靠。本章對分布式電源接入配電網(wǎng)后對繼電保護本身以及保護之間的配合協(xié)調的影響進行 了分析，著重從對繼電保護的選擇性、靈敏性和協(xié)調性的影響進行了研究 近年來，國內外學者針對分布式發(fā)電系統(tǒng)在實際運行中暴露出的諸多問題進行了大量的研究工 作，研究結果表明：d g 接入對配電網(wǎng)保護系統(tǒng)存在多方面的影響，其中最為典型的影響包括以下 幾個方面 1 4 - 2 2 1 ； 圖2 6 分布式配網(wǎng)結構示意圖 東南大學碩士學位論文 2 3 1 對繼電保護選擇性的影響 圖2 6 為分布式電源接入配電網(wǎng)示意圖。如圖示f 1 故障，d g l 接入之前，應由保護1 動作切除 故障f 1 d g l 接入后，提供反向注入電流，該電流若達到保護3 的動作定值，保護3 將誤動作 f 2 故障，d g l 提供助增電流，而保護3 處檢測到的電流小于保護動作定值，保護3 將拒動 2 3 2 對繼電保護靈敏度的影響 d g 接入配電網(wǎng)對繼電保護靈敏度的影響有兩種：提高保護的靈敏度和降低保護的靈敏度。保 護靈敏度的提高對故障判定及切除無不利影響，此處不再討論下面主要討論降低保護靈敏度的問 題當d g 接入配電線路時，線路保護感知到的故障電流可能會減弱，有效保護區(qū)域減小，某些情 況下引起保護拒動。 假設將某d g 接入一條饋線上，并且接入點離配電變壓器較近當饋線末端發(fā)生故障時，故障 電流來自于配電變壓器和d o 如圖2 7 所示，圖中各阻抗的意義如下： 乙：電力系統(tǒng)和配電變壓器的阻抗 乙：d g 和變壓器的等效阻抗 乃：母線至d g 接入點之間的阻抗( 表征d g 接入位置) 乙：保護末端至d g 接入點之間的阻抗 碭：線路保護范圍內的總阻抗 z _ 圈2 7d g 接入降低饋線保護靈敏度 假設z l - 理矗，z t - 0 - x ) z 硝，當無d g 接入時，饋線保護感知到的故障電流為，l ；d g 接入 的情況下，饋線保護感知到的故障電流為k ，可以通過k1 1 1 的比值反映出d g 接入對保護靈敏度 的影響程度。圖2 7 的等效電路如圖2 8 所示： 圈2 8 等效電路圖 通過電路分析，可以得到： 。麗考 ( 2 - 1 ) 第二章分布式發(fā)電對配電網(wǎng)系統(tǒng)的影響 一 i r 。瓦i 兩面忑了f 麗 g 國 q t + z j + x z _ 訌i + q 一磚z d l z t 、 j 當未接入d g 時饋線保護感知到的故障電流為： 卜者 ( 2 - 3 ) 從式p 2 ) 可以看出k 1 1 的比值小于1 ，這說明由于d g 的接入使保護所檢測到的故障電流有 所降低，降低了饋線保護的靈敏性 z - 、z f 存在于k 的表達式弘2 ) 中，其中z 表示著d g 的等效阻抗，它代表著d g 的容量，并 與d g 的容量大小成反比，z ，表示著d g 的接入位置。因此，從式( 2 1 ) 可以看出d g 的容量和接入 位置的改變都將影響i i 的大小當z 暑為常數(shù)時，式中的分母是關于x 的一元二次方程，其中 0 j 0 7 即某出線發(fā)生不對稱故障時，流過該線的綜合電流幅值大于流過其它任一條出線的綜合電流幅值。 上式即可作為綜合電流判斷法確定故障方向的依據(jù) 上述所使用的電流量均為相量，不僅包括幅值還包括相位，在采集傳輸這些值時將占用較多系 統(tǒng)資源，為此可考慮僅采用電流幅值來簡化信息傳輸量 圈3 4 幅值比較相量圖 根據(jù)電路的疊加定理，將饋線1 上所接入的d g 等效為一個d g 源，對于接入d g 的配電網(wǎng)來 說，一般d g 與系統(tǒng)的功角差很小，即或與宣、夾角很小，可以忽略不計，的相角甌主要與 線路阻抗角有關，而，z ，的相角哦主要與d g 阻抗角有關對于架空線路來說，磊一般在7 0 。8 5 1 9 東南大學碩士學位論文 。之間；對于電纜線路，色一般在4 0 。6 5 。之間嘎的角度與d g 的容量大小有關，一般在 。8 5 。之闖可見，對于電纜線路來講，z ，與毛l 的相位差一般在2 0 。左右，最大可能在4 0 左右。 各d g 出口處的故障電流向量一般很接近，他們都與系統(tǒng)有一個相對較大的相角差( 1 4 0 。 1 6 0 。) 。于是對于圖3 3 所示的故障f 1 發(fā)生時，故障電流綜合量圖如圖3 4 ， 根據(jù)三角形余弦定理， k ：f l 毛。+ 是，l 一i j 三。1 2 + i j z ，1 2 + 2 i 。0 磊