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

STATEGRID 国家电网 国网湖北省电力有限公司 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 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 配网技术中心杨帆 2023年12月 01背景 02问题的提出 目录 TABLEOFCONTENTS03阶段性研究进展 04小结 2 背景 中国当前电源 装机结构随着“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 核电2.3%非水可再生能源 25.7%系统已成必然趋势。 2030年2060年 水电16.8%火电55.2%·新能源成为第一大电源·新能源成为电量主体 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。 50.0 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。 30.0 -10.0煤电净碳排放气电净碳排 生物质碳排放（CCUS减排量）总碳排放-考虑CCUS3 背景 新型电力系统 智能楼 智能电网全景图 丰 以确保能源电力安全为基本前提 智能变电站 输电 智能家居 调度 以满足经济社会发展电力需求为首要目标水电 以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务发电通信信息支撑 智能电表 风电 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光伏 配电 储能 TOT 分布式光伏 清洁低碳清洁低碳柔性灵活智慧融合 坚强网架 ·智能化技术 电动汽车充电 背景 配电网形态特征发展趋势及保护自愈要求（1/3） 配电网由电能配送网络演化为分布式资源高渗透接入、柔性负荷参与互动的“新型局域电力系统 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。 组成现有模式发展趋势 功能定位电能配置平台（电）资源配置平台（电、冷、热、气） 市场主体单一多元 构成要素配电网+常规负荷分布式电源+配电网+常规负荷+多元化负荷+储能 潮流方向单向双向 结构形态高几余低余 设备形态交流配电设备交直流设备十一二次融合设备+电力电子设备 控制形态集中式集中式+分布式 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 DER01口在系统扰动时穿越运行，提供主动支撑 02口在线路故障时，被有选择地快速切除 03口在孤岛运行时，被无死区地可靠切除 6 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 就地收集就地存储就地使用 供电网 负荷多样 模储能站 家庭小型能源系统 01背景 02问题的提出 目录 TABLEOFCONTENTS03阶段性研究进展 04小结 8 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。 B QFAIkl 100~300ms IDERI 50ms Is 同步发电机异步发电机助增作用 Ipo4 Ipu4 ZsZ.2 Ipu=1.2~1.5pu Ipu=1.2~1.5pu 50ms 双馈发电机逆变器 不同类型分布式电源出口短路电流助减作用 9 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 系统电源 LI 重合闸点（检无压、配合防孤岛）L2 防孤岛、公共连接点（PCC) 10kV升压变 分布式电源并网点 新能源(POC) 负荷 分界开关PCC防孤岛 10kV升压变 负荷PCC上游公用电网 PCC下游用户内部电网 式电源可能继续给故障点供电，将影响故障电弧 本地 负荷 构网型 构网型 的熄灭，降低重合闸的成功率，如果合闸时，分逆变电源跟网型 逆变电源 逆变电源 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。 重合闸冲击 10 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 7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。 负荷 逆变器逆变器 母10kV线 10kV专线接入 出口 过流保护，失压分闸 逆变器 10kVT接/经环网柜接入 逆变器 开关电源侧失压 无流 开关负荷侧失压[时间]跳闸 11 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 荷 负负荷负 荷 逆变器逆变器 母线 10kV 10kV专线接 逆变器 10kV_T接/经环网柜接入 逆变器 过流保护，过流保护，过流保护， 出口告警告警 11380V专线接入！ 222逆变器 免告 3 380VT接 荷 逆变器 12 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。 变电所 负荷负荷 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 分布式电源主网恢复送电时会出现非同期重合闸 非计划孤岛人身伤害 13 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》 口国际上最新版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 电压保护 口IEEE1547.2018（最新) GB/T33593-2017口IEEE1547.2003（早期标准） 电压保护电压保护动作时限与与电压穿越特性配 动作时间小于2s.动作时间小于2s合，最长超过20s。 频率保护频率保护根据系统稳定运行的要求，将 通过380V电压等级并网或10（6）kV电压频率范围57-59.8Hz之间动动作特性分为三类。 等级接入用户侧的DER，当频率超出49.5作时间可达300s频率保护 Hz-50.2Hz范围时，应在0.2s内脱网。与频率穿越特性配合 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 直流输电风力发电分布式风光 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 燃煤发串天然气发电生物质能发电敦在内的大规模停电事故。事故发生时，风电出力占 直流输电风力发电分布式风光 事故发生时发电组成情况 比超过30%。 01背景 02问题的提出 目录 TABLEOFCONTENTS03阶段性研究进展 04小结 16 整体解决思路 解决现阶段工程实际问题 实现故障时分布式电源可 分布式电源接入对线路侧保护的影 响评估分析及对策 对传统继电保护整定的影响评估 对就地型馈线自动 化的影响评估 靠脱网 线路侧保护可靠动作 1第一阶段问题解决思路对重合闸影响分析及对策 对集中型馈线自动 化的影响评估 有源配电网保护 一对防孤岛保护影响分析及对策 防孤岛保护与扰动穿越的平衡 2第二阶段问题解决思路配网侧与涉网侧保护的协同匹配 解决未来高比例分布式电 故障精准隔离技术 源接入后面临的问题故障精准隔离与供电恢复技术人故障区段内分布式电源精准脱网 》实现分布式电源兼具扰动 力 穿越与故障时快速脱网能供电恢复技术 》故障精准定位隔离 源主动参与供电恢复17 》区段外可支撑型分布式电上述问题整体分为两个阶段解决 线路侧保护问题的阶段性研究进展 （第一阶段） 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斯路器 OF一线路】 出口配置三段式方向电流保护lokv 开关QF新路得 分段断路器处两段式方向电流保护BII 分支断路器外两段式方向电流保护开关QF分界 分界断路器处两段式方向电流保护DG2 各级保护电段流 电流段电流Ⅲ段 过负荷 保护 重闸合 出口斯路器分段断路器 按躲过线路5倍的最大负荷电流和下级按躲过2.5倍QF2OF 出口保护8kA,配电变压器二次侧短路最大短路电流最大负荷电0.6kA,二次 钱路Ⅱ 0.15s 流整定，17s 15~20s 分支分支分支 整定，0.55s 分段保护无按出口电流1段的40%整定，0.55s 分支保护（分段上游） 按出口电流1段的90%整定，0.3s0.4kA,1.4s 无 0.48kA,1.4s 无一次 无 QFs断路器 Bn 并网 开关 DG4 一次QF+斯路器 分养 分支保护（分段下游）无按分段电流Ⅱ段的90%整定，0.3s0.4kA,1.1s无一次 的下游） 分界保护（分段上游分支无按出口电流Ⅱ段的80%整定，0.1s0.3kA,1.1s无一次DG 的下游） 分界保护（分段下游分支无按上级分支电流1段的90%整定，0.1s 0.3kA,0