多分布式电源网络中频率继电器误操作问题及其影响分析

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）75多分布式电源网络中频率继电器的有效性上午哈桑a，塔瑞克A.坎德尔湾a埃及电力局电力保护和测试部b埃及爱资哈尔大学电气工程系2015年4月20日在线发布摘要分布式发电（DG）在配电系统中占有重要地位。因此，正确检测分布式发电机组的孤岛运行是非常重要的。频率继电器是最常用的电源丢失检测方法之一。然而，配电设施可能面临与这些频率继电器的误操作有关的问题市售频率继电器报告考虑标准紧密设置。本文研究了与继电器内部算法相关的一些因素，这些因素导致继电器不同的操作响应。将研究的因素是频率测量技术，测量窗口，时间延迟和欠压联锁功能。随着分布式电源在电网中的渗透率越来越高，在同一网络位置连接多个分布式电源单元变得越来越普遍两台发电机连接在同一地点，并采用频率继电器具有相同的设置，但不同的特性进行了模拟。分析了在相同的网络扰动下，两个保护之间可能产生的干扰©2015 作 者 。 ElsevierB.V. 制 作 和 托 管 这 是 CCBY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：分布式发电;孤岛检测;多机组;频率继电器1. 介绍如今，分布式发电最近获得了与其与配电网的连接相关的大量关注（Xu等人， 2004年）。 虽然分布式发电机组具有许多优点，如稳定性和经济性，它遭受一些关键的问题，可能会影响这些好处。这些问题之一是“孤岛现象”（Jenkins等人，2000年）。当配电系统的一部分变得与电力系统的其余部分电隔离，但继续由分布式发电机供电时，孤岛发生（Beddoes等人， 2005年）。 未能使孤岛发电机跳闸可能会给公用事业人员带来安全风险，降低孤岛中的供电质量，并对分布式发电机和负载造成损坏。为了尽量减少这种风险，每个分布式发电机应配备孤岛检测装置，以便在孤岛发生后250-350 ms内断开*通讯作者。联系电话：+20 1156199911。电子邮件地址：yahoo.com（上午10点）Hassan）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0072314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。76上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）75图1.一、带频率继电器的分布式发电机与电网并联运行的等效电路（贝多斯等人，2005年）。频率继电器是目前公认的最灵敏、最经济的孤岛检测装置之一。但是，应仔细选择这些继电器的设置为了避免错误跳闸（Freitas等人，2005年）。为了避免这个问题，需要在灵敏度和可靠性之间进行平衡。商用频率继电器的性能变化导致难以选择这些继电器的正确设置，尽管受到相同的网络干扰。在本文中，不同的操作响应的频率继电器正在调查的结果，在使用的内部算法，即改变。频率测量技术、测量窗口、时间延迟和欠压联锁功能。本文还重点介绍了这些算法的解释及其对继电器灵敏度的影响此外，随着分布式发电向网络中的渗透的增加，具有连接到同一网络位置的多个分布式发电单元变得普遍将两台发电机接入同一馈线，并采用频率保护进行了仿真。分析了继电器在相同和不同整定值下的动作行为本文还分析了频率继电器的性能时，受到相同的网络干扰，以避免多个频率继电器之间的干扰给出了模拟方案的结果本文的组织如下：频率继电器的操作在第2节中介绍。然后，在第3节中报告了模拟方案的结果。在第4节中，给出了具有多个DG的模拟。最后，在第五部分，对主要结论进行了分析。2. PSCAD软件PSCAD（电力系统CAD）是世界著名的EMTDC解决方案引擎的强大而灵活的图形用户界面。PSCAD使用户能够在一个完全集成的图形化环境中构建电路示意图、运行仿真、分析结果并管理数据还包括在线绘图功能、控件和PSCAD提供完整的预编程和测试模型库，从简单的无源元件和控制功能到更复杂的模型，如电机、FACTS设备、传输线和电缆。如果某个特定的模型不存在，PSCAD提供了构建自定义模型的灵活性，可以使用现有模型以图形方式组装它们，也可以使用直观设计的设计编辑器。PSCAD及其仿真引擎EMTDC已经经历了近30年的发展，其灵感来自于不断壮大的全球用户群的想法和建议。这种开发理念帮助PSCAD成为最强大和最直观的CAD软件包之一。3. 频率继电器具有与配电设施并联操作的频率继电器的分布式发电机的等效电路如图1所示。分布式发电机（DG）被插入以馈送负载。配电设施可以提供或消耗电力，这取决于由分布式发电机供应的电力因此，系统频率保持恒定。如果断路器（CB）由于故障等原因断开，则由分布式发电机和负载组成的系统将成为孤岛。在这种情况下，由于公用事业的主功率损失，发电和消费之间存在有功功率不匹配这种功率失配导致孤岛系统中的瞬变，并且系统频率开始动态变化根据电源和负载之间的有功功率不匹配或不平衡，可以很容易地检测到孤岛状态因此，频率继电器在这种情况下可以是孤岛检测的有效方法（Hashemi等人， 2012年）。上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）7577图二.通用频率继电器计算模型。通用频率继电器计算模型如图2所示。使用PSCAD软件对所用继电器模型进行了仿真。输入信号和频率计算模块取决于继电器测量频率所采用的不同算法通常，频率继电器在几个周期内考虑测量窗口来计算系统频率，并通过滤波器处理所得信号该过程通过使用一阶传递函数（1/（1+sTf））来实现，该传递函数被设计为消除高频瞬态，其中时间常数Tf表示滤波器的时间常数和所采用的测量窗口。然后将得到的信号fr与继电器设置进行比较（即，如果大于（小于）过频（欠频）设定值β1（β2），频率继电器向发电机断路器发送跳闸信号。然而，网络暂态事件可能会引起系统频率的变化在具有多个分布式发电的系统中，分布式发电机的错误操作可能直接干扰系统的可靠性（Freitas等人，2005;Hashemi等人，2012年）。此外，来自不同制造商的市售频率继电器对事件的响应相当不同，即使当它们配置有相同的设置时（Mffonso等人，2005年）。这是由于影响继电器操作的不同因素造成的，这些因素可能是以下因素之一I- 频率测量技术：DG母线处的频率可以使用发电机电速度、傅立叶变换和锁相环来测量，其中这些方法被认为最常用于频率确定（Vieira等人，2005; Bracewell和Bracewell，1986; Duhamel和Vetterli，1990;Kwok和Jones，2000;EconnectLtd，2001 a;Kaura和Blaska，1997;EconnectLtd，2001 b）。II- 时间延迟：通过延迟继电器动作时间，可以提高频率继电器的灵敏度;另外，在某些继电器中，可以提高系统的可靠性（Jenkins等人， 2000年）。III- 测量窗口：定义为计算频率变化的工频测量周期数。大多数继电器中采用的典型测量窗口在40 ms（50Hz时2个周期）至2 s（50 Hz时100个周期）的范围内（Jenkins等人，2000年）。增大继电器的测量窗口有助于提高继电器IV- 欠压联锁：如果分布式发电机端电压降到预定水平Vmin以下，此功能将阻止频率继电器跳闸信号。在非孤岛情况下，如发电机启动和短路，频率继电器的动作受到限制（Xu等人，2004;Karim等人， 2004年）。值得注意的是，即使采用上述方法，也不能完全防止频率继电器的误操作，无论是否发生非孤岛事件。仍然需要在设置中进行折衷，以提供稳定性和可靠性之间的协调。4. 模拟研究图 3显示了本研究中使用的网络的单线图。它包括一个132 kV、50 Hz、短路水平为1500 MVA的子输电系统，由Thêvenin等效（Sub）表示，通过两个并联的132 kV/33 kV、kV/Yg变压器向33 kV配电系统在该系统中，有一个60 MW同步78上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）75图三.模拟配电网单线图。见图4。用同步发电机的电转速确定频率。发电机（SG），配备有连接在母线5处的自动电压调节器控制，母线5通过一个33 kV/13.8 kV、kV/Yg、Transformer连接到在所有呈现的情况下，通过在t= 0.25 s时断开安装在母线2处的断路器CB 1来模拟孤岛情况，断路器CB 1保持断开直到模拟时间结束因此，孤岛系统中的初始有功功率不平衡等于孤岛时刻变电站提供的有功功率总模拟时间为0.85 s。因此，如果安装在母线（5）上的频率继电器（FR）的设置此外，与FR响应相比，调速器机械时间响应非常慢，因此，假设调速器在模拟时间内不工作。4.1. 不同内部算法在这一节中，研究了频率继电器的不同设计方法这些方法包括：I- 频率测定技术。II- 测量窗口持续时间。III- 时间延迟持续时间。IV- 带和不带欠压联锁。网络模型如图所示。 3是用来评估这些算法如何影响频率继电器在孤岛检测的适用性。4.1.1. 频率测定技术在商用频率继电器中通常使用多种频率确定技术4.1.1.1. 同步速度基础技术。该技术使用同步发电机的电速度（每单位）计算频率，该同步发电机是根据图1的继电器的输入信号（ωe）。 二、在这种情况下，频率计算块要简单得多，因为它只包含一个进行单位转换的块。在这项工作中，这种块将以pu为单位测量的发电机速度转换为以（Hz）为单位测量的电频率“f“（Mffonso等人， 2005年）。由于我们在50 Hz频率系统中工作，因此增益块的值为（50）。输入继电器信号和频率计算块如图所示。 四、4.1.1.2. 基于傅立叶变换的技术。 电力系统频率可以使用傅立叶变换来估计（Vieira等人， 2005年）。 该技术通过对电压波形进行连续傅立叶变换来导出系统频率（Vieira等人，2005; Bracewell和Bracewell，1986;Duhamel和Vetterli，1990; Kwok和Jones，2000;Karim等人， 2004年）。上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）7579图五.用ωe、FFT和PLL技术得到的曲线之间的比较。4.1.1.3. 基于锁相环（PLL）的技术。该技术被认为是频率跟踪的主要技术之一。三相锁相环（PLL）为平衡三相系统提供快速和鲁棒的频率估计，并且已经广泛用于频率估计（EconnectLtd，2001 a;Kaura和Blaska，1997;EconnectLtd，2001 b;Karimi-Ghartemani等人， 2004年）。如图3所示，通过在总线2处打开CB 1来模拟孤岛情况。在t= 0.25 s时，其在模拟的其余部分在形成的岛的有功功率不平衡是从0到1 pu，指DG对于每种情况，确定继电器检测时间，并在图5中总结所获得的结果。对于该模拟，频率继电器设置为0.8 Hz。据观察，频率继电器利用锁相环（PLL）通常检测孤岛速度比快速傅立叶变换和同步速度为基础的方法。然而，根据G59标准，这些获得的结果不会对继电器的可靠性造成巨大影响，G59标准推荐的时间范围在0.6 s内。4.1.2. 测量窗口用于频率计算的测量窗口的持续时间直接影响频率继电器的动作测量窗口的持续时间对频率继电器操作的影响可以通过进行以下仿真来明显地展示图3中的一个并联132 kV/33 kV变压器被切断。分析了5个病例i) 测量窗口为0.05 s的频率继电器ii) 测量窗口为0.1 s的频率继电器iii) 测量窗口为0.15 s的频率继电器iv) 测量窗口为0.20 s的频率继电器v) 测量窗口为0.25 s的频率继电器图6显示了在0.8 Hz频率继电器设置下获得的结果。从该图可以看出，测量窗口越短，频率变化越大，因此继电器越灵敏。相反，计算中采用的测量窗口越长，继电器的灵敏度越低。但主要见图6。频率继电器不同测量窗口持续时间的比较。80上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）75见图7。采用不同延时时间的跳闸时间比较。(A)（B）图8.第八条。相邻馈线故障时产生的电压，（A）电压波形-（B）RMS值。长窗口的优点是增加了继电器对网络干扰的抗扰性，并减少了错误跳闸的次数。4.1.3. 延误时间延时功能还可以提高频率继电器的安全性，减少误跳闸。时间延迟对频率继电器操作的影响如图7所示。必须指出的是，在这些测试中，干扰被引入图1所示的网络。 频率继电器预计不会对这些事件中的任何一个作出响应。即使继电器被激活，它们被激活所需的时间越长被认为是更可取的。从结果中，它是注意到，时间延迟越长，越多的继电器电阻是网络干扰。4.1.4. 欠压联锁功能如图3所示，通过在馈线（6-7）上施加持续0.25 s的三相故障（F），研究了频率继电器算法中包括欠压联锁功能的效果。频率继电器不会因非孤岛事件而运行扰动期间DG端子处的电压波形如图1和图2所示。第8和第9条。该电压的降低取决于故障的位置和馈线的长度。结果表明，欠压联锁对继电保护安全性的影响是可以接受的。观察到继电器在模拟时间内不触发。在减小馈线长度的情况下（忽略馈线部分2 -3和2-6），端子电压的降低增加，如图9所示。可以看出，在欠压联锁功能下，虽然没有阻止三重决策，但延迟了很长时间。5. 具有多个分布式发电机的频率继电器性能图10示出了用于分析具有多个分布式发电机的情况的配电网络。该系统包括132 kV，50 Hz电网，短路水平为1500 MVA，通过两个并联的8.06.04.02.00.0-2.0-4.0-6.0-8.0Vra1Main：voltage@ DGVrb1Vrc 10.200 0.250 0.3000.350 0.400 0.450 0.500 0.5507.06.05.04.03.02.01.00.00.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60Vrms1RMS电压（kV）（kV）上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）7581（A）（B）见图9。外部故障对有和无欠压联锁的频率继电器动作的影响。见图10。多台分布式发电机的单线图。132/33 kV变压器。在这个系统中，有两个相同的同步发电机，都与10兆瓦连接在总线3 - 5。每台发电机配有频率继电器和断路器。该仿真的目的是研究各种频率继电器之间的干扰的可能性，在可靠性和安全性方面5.1. 孤岛事件期间不同继电器设置的影响通过在0.25 s时打开母线（2）处的CB 1，模拟孤岛状态，功率不平衡为0.5 pu。分析了三种不同的情况。在每种情况下，FR2阈值设置发生变化，而FR1的设置保持不变。对于第一种情况，FR2设置为1.4Hz。然后，对于第二种情况，将设置降低到0.7 Hz，然后在最后一种情况下进一步降低到0.3 Hz对于这三种情况，获得了不同设置的FR 1的检测时间结果如图11所示。观察到当FR 2具有等于或高于FR 1的设置时，FR 2的存在对FR 1没有影响。另一方面，如果FR2的设置低于FR1，则FR1将由于FR2的存在而表现得更敏感。这是因为FR2比FR1更快地检测孤岛。在成功检测到FR 2之后，其DG跳闸，因此所形成的岛中的功率不平衡增加。因此，FR18.06.04.02.00.0-2.0-4.0-6.0-8.01.000.500.00-0.507.006.756.506.256.005.755.505.255.004.75Vrms11.000.500.00-0.500.800.600.400.200.000.1000.1500.200 0.2500.3000.3500.4000.450跳闸信号1主：无欠压联锁跳闸RMS电压0.800.600.400.200.00电话：+86-0510 - 8888888传真：+86-0510 - 8888888跳闸信号1Vrc 1Vrb1Vra1主：带欠压联锁跳闸Main：voltage@DG（kV）（kV）82上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）75见图11。多个DG对FR1性能的影响。比FR2不工作的情况更早地工作从仿真结果可以看出，具有更灵敏设置的继电器将导致其他继电器表现得更灵敏。5.2. 不同内算法的频率继电器在网络扰动下的性能如第3节所示，频率继电器的行为取决于其操作算法。因此，已经进行了以下仿真研究，以调查具有相同设置但不同内部算法的两个继电器对稳定性的影响。与内部算法相关的导致性能差异的主要因素包括：A. 测量窗口的持续时间。B. 时间延迟的持续时间。C. 欠压联锁功能。5.2.1. 测量窗口通过切断图中的一个并联132/33 kV变压器来研究这种情况的影响。 10个。这里分析了三个案例：案例1（：）。FR2测量窗口的持续时间小于FR1。案例2（：）。FR2测量窗口的持续时间与FR1相同。案例3（：）。FR2测量窗口的持续时间大于FR1。从图中所示的结果。 12，观察到阈值设置为0.3 Hz、0.4 Hz时，FR 1不受干扰影响;与FR 2的测量窗口无关。然而，当设置降低到0.1 Hz、0.2 Hz时，FR1响应扰动并启动跳闸，但FR2测量窗口的变化对FR1稳定性没有影响。因此，具有不同测量窗口的继电器之间不存在干扰。5.2.2. 时间延迟通过在DG 1终端接通5 MW/相负荷模拟该场景。分析了以下三个病例案例1（：）。 FR2比FR1具有更短的时间延迟。案例2（：）。 FR2具有与FR1相同的时间延迟。上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）7583见图12。测量窗口情况（1-3）对FR 1稳定性的影响注：该图中缺失的条表示在0.7 s的事件后模拟时间内未发生跳闸图十三.延时情况（1-3）对FR 1操作的影响注：该图中缺失的条表示在0.7 s的事件后模拟时间内未发生跳闸案例3（：）。 FR2比FR1具有更长的时间延迟。如图 13，发现FR2操作的时间延迟的变化对FR1的稳定性没有影响。此外，在FR2操作期间，无论时间延迟如何，FR1对0.3和0.4 Hz设置的非孤岛事件都不敏感FR 1在0.1、0.2 Hz设置下的误操作是由于设置较低，继电器对内部算法的灵敏度较高。5.2.3. 欠压联锁为了模拟这种情况，将三相故障应用于图1中（f）所示的相邻馈线（馈线6-7）。 10个。施加故障的持续时间为0.25 s。分析了以下四个病例案例1（：）。 FR1和FR2均无欠压联锁功能。案例2（：）。 FR1和FR2均具有欠压联锁功能。案例3（：）。 FR1带欠压联锁功能，FR2不带欠压联锁功能。案例4（：）。 FR1不带欠压联锁功能，FR2带欠压联锁功能。表1显示了模拟结果。值得注意的是，FR1及其误动作的性能不受FR2（有或无欠压联锁功能）的影响。无论DG 2在DG 1之前或之后跳闸，用于启动跳闸决策的参数都没有变化，如图13所示。研究发现，FR1的误动作是由于故障事件引起的相移（图1）。 14）。84上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）75V（kVy（Hz表1病例（1FR设置（Hz）跳闸时间（ms）情况1壳体2壳体3壳体40.21062742651060.31282742651280.41482742651480.51652742651651.0235274265235(a)（b）第（1）款Main：DG1 RMS voltage主要：频率10.0VRMS52.0051.5051.0050.5050.0049.50F8.06.04.02.00.00.000.100.200.300.400.500.600.700.000.100.200.300.400.500.600.70(c)（d）其他事项图十四岁（a和b）FR1对相邻故障DG2的响应先于DG1跳闸（c和d）FR1对相邻故障DG1的响应先于DG2跳闸6. 结论本文研究了频率继电器在孤岛事件和网络扰动下的性能，包括其内部算法和方法进一步研究了多台分布式发电机存在时的继电保护性能。结果表明，继电器的设置可以准确地确定在不同的总线，增加了安全性和维护这些继电器的可靠性。此外，它被发现的频率继电器的性能很大程度上取决于其内部的算法，这可能会影响其响应相同的事件。重要的是要注意，即使采用不同的继电器算法，频率继电器在某些情况下也不能防止对非孤岛事件的错误操作仍然需要在设置中进行折衷，以在继电器的安全性和可靠性之间进行平衡对于多个分布式发电机的情况下，在可靠性方面，它被发现，频率继电器与不同的设置不受多个发电机在同一网络中的存在，并具有相同的能力，以检测孤岛的情况下，单个分布式发电机。具有较低设置的继电器将有助于具有较高设置的继电器更早地响应孤岛。还观察到，频率继电器与不同的内部算法可以表现得非常不同，当受到相同的干扰。当在同一网络中采用中继并将其配置为相同的设置时，具有足够高的阈值设置的中继保持其稳定性，并且不会受到其他中继的行为的影响而具有较低设置的继电器响应于非孤岛事件和错误操作，而不管其它继电器的不同内部算法的变化。最后，施加到在同一网络中实现的继电器的所有干扰不会导致这些继电器之间的干扰Main：DG1 RMS主要：频率10.08.06.04.02.00.0-2.00.00VRMs52.0051.5051.0050.5050.0049.50F0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.700.000.100.200.300.400.500.600.70V（kVy（Hz上午哈桑，助教。Kandeel/电气系统与信息技术杂志2（2015）7585因此，同一网络中的每个继电器可以单独调整，以克服误操作问题并保持其稳定性。引用Beddoes，A.，托马斯，P.，Gosden，M.，2005年 当受到网络干扰/事件时，电源保护继电器性能丧失。第18届国际配电会议（CIRED18thInternationalConferenceonElectricity Distribution）Bracewell，R.N.，Bracewell，R.N.，1986. 傅里叶变换及其应用。31999. 麦格拉·希尔，纽约。Duhamel，P.，Vetterli，M.，1990年 FastFtransforms：a tutorial revieww and a state of the art. 信号处理。 19（4），259-299.Econnect Ltd.2001年a。配电网孤岛运行的评估和保护措施，ETSU K/EL/00235/REP。 Econnect Ltd. 2001年b。配电网孤岛运行的评估与防护措施。联合王国贸易和工业部。Freitas，W.，黄志，徐伟，2005年分布式发电用矢量浪涌继电器效率评定的实用方法。IEEETrans. 电力熟食店v. 1（January），57-63.Hashemi，F.，Ghadimi，N.，Yavarian，K.，2012年。 一种减少分布式发电风力发电机孤岛检测非检测区的新技术。Int.J.Adv. 雷内·WEnergyRes.1（4），6-11.詹金斯，N.，艾伦河，Crossley，P.，Kirsehen，D.，Strbac，G.，2000. 嵌入式生成电气工程师学会，伦敦。Karim，H.，卡里米，M.，Ghartimani，M.R.I，2004年。电力系统中频率及其变化率的估计。 IEEE Trans.电力熟食店v. 19（2），472-480。Karimi-Ghartemani，M.，Karimi，H.，Reza Zurvani，M.，2004. 一种基于频率和同相/正交相位幅度估计的幅度/锁相环系统。IEEETrans. 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