分布式發電對配電網繼電保護的影響

霍蘭茹

(延安職業技術學院，陜西 延安 716000)

1 引言

分布式發電(DG)又稱為分散式發電或分布式供能，一般是指將相對小型的發電裝置分散布置在用戶(負荷)現場或用戶附近的發電(供能)方式。主要包括:以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、風力發電、生物質能發電等多種形式。

由于分布式電源的引入，使得配電系統從傳統的單電源輻射式網絡變為雙端或多端有源網絡，改變了配電網中短路電流的大小、流向及分布。同時，DG的不可控性如光伏發電受日照和時間等條件影響都給繼電保護的配置和整定帶來了難度。

2 DG對配電網電流保護的影響

繼電保護的配置與網絡狀況直接相關。DG通常接入10～110kV公共配電網絡，配電網通常為單側電源、輻射狀網絡，在線路上發生故障時，只有系統側的電源向故障點提供故障電流，因此保護裝置裝設在線路系統側。一般配置三段式電流保護，即瞬時電流速斷保護、定時限電流速斷保護和過電流保護。瞬時電流速斷保護按照躲過線路末端故障產生的最大三相短路電流的方法整定，不能保護線路全長;定時限電流速斷保護按照線路末端故障有靈敏度并與相鄰線路的瞬時電流速斷保護配合的方法整定，能夠保護本線路全長;過電流保護按照躲過線路最大負荷電流并與相鄰線路的過電流保護配合的方法整定，作為相鄰線路保護的遠后備，能夠保護相鄰線路的全長。除此之外，對非全電纜線路，配置三相一次重合閘，保證在線路發生瞬時性故障時快速恢復供電。對于不需與相鄰線路配合的終端線路，為簡化保護配置，一般采用瞬時電流速斷保護加過電流保護組成的二段式保護，再配以三相一次重合閘的保護方式，其中，電流速斷保護是按照本線路末端短路有足夠靈敏度的原則整定，能保護線路全長。

配電網中并入DG后，系統的潮流將重新分布，發生短路故障時，故障電流的大小和流向也會發生變化，給繼電保護正確可靠動作造成一定的影響。圖1為某典型10kv配電網示意圖，由兩條饋線組成，B1～B5為保護裝置，以DG從D母線處接入配電網為例分析DG接入對配電網電流保護的影響。

圖1 并入DG后配電網系統

2.1 保護的誤動

(1)本線路下游保護影響:如DE線路末端k4點發生故障，DG引入前，故障點短路電流僅由系統提供，DG引入后，DG和系統都對k4點提供短路電流，因此，流過保護4的短路電流將增大，如果該數值大過保護4的第Ⅰ段動作電流值，則保護4的第Ⅰ段會誤動作。如果保護4的下一級線路發生故障，如k5點，則流過保護4的短路電流也會增加，保護4的Ⅱ段、甚至Ⅰ段可能發生誤動;

(2)相鄰線路上游保護影響:如相鄰饋線1始端k1點發生故障，DG將通過線路AD向故障點提供反向短路電流，可能會引起保護3的誤動作。

當饋線1上發生故障時，流過保護1的短路電流增加，由于DG的助增電流作用，使饋線1上的電流保護失去選擇性，如k2點故障時，保護1的Ⅰ段可能會誤動，如BC線路末端k2'點故障時，保護1的Ⅰ段、Ⅱ段可能誤動。

2.2 保護的靈敏性降低

當k3點發生故障時，DG及下游線路將形成孤島，失去與系統側聯系，系統要向故障點供給短路電流，DG不僅向負荷供給電流，還要向短路點供給短路電流。流過保護3的短路電流比并入DG前k3點發生短路時流過保護3的故障電流要小，從而使得保護3的靈敏性降低，嚴重時保護3甚至會拒動。當k4點發生故障時，流過保護3的短路電流雖僅由系統提供，但此故障電流比并入DG前k4點發生短路時流過保護3的故障電流要小，因此，保護3的靈敏性將降低。

2.3 保護可能無法識別故障

圖1中的AD線路發生故障，如果僅在A側裝有斷路器，此時在短路點右側DG將持續供給短路電流，故障無法被隔離。對于DG接入配電網末端的情況，如圖2所示，短路發生在距離DG較遠的位置時，如k1點發生故障，短路電流可能小于最大負荷電流，故障無法被切除。

圖2 DG接入配電網末端

由以上定性分析可知，單DG接入配電網，其對配電網電流保護的影響如下:DG可能導致其上游保護靈敏度降低，DG可能使其下游保護誤動，DG所在線路的上游分支線路短路時，DG向其上游保護提供的反向電流可能導致其誤動。

在DG對于繼電保護產生的影響中，有兩個因素顯得尤為重要:(1)DG容量。如DG容量很小，由于繼電保護本身及整定都考慮到了一定的裕度，則DG并不會對繼電保護產生太大影響;當DG容量大到某種程度，則必將對負荷電流與故障電流產生影響，從而對繼電保護的性能產生影響。(2)DG接入位置。DG接入位置不同，所帶來的影響不同。接入點為配電網末端節點，DG的影響主要是其上游分支線路短路時可能導致的保護誤動，而對配電網中間節點，DG的影響還包括其對下游保護可能產生的誤動。因此，相對于配電網末端節點，DG接入點位于中間位置時，DG容量對保護的影響更明顯。

3 DG容量與短路電流的關系

中小容量的分布式電源接入配電網中，在故障發生時將對故障點提供故障電流。從研究繼電保護的角度而言，分布式電源可用一個電源串聯電抗的模型來表示。對不同類型的分布式電源，其模型的電抗值也不同，如表1所示，它代表著該電源的故障電流注入能力。

表1 不同類型DG的故障電流注入能力

分布式電源屬于小電源，故障電流衰減較慢且與配電網保護的電氣距離很近，因此，分布式電源的等效阻抗在配電網故障時取次暫態電抗。以圖1為例，做系統的等值電路如圖3所示，ZS為系統電源的等值阻抗，Z1～Z5為各線路等值阻抗，DG一般通過變壓器接入配電網，變壓器容量與所接分布式電源的容量匹配，Zdg為分布式電源和變壓器等效阻抗，以同步電機作為分析依據，取DG的次暫態電抗為0.25，則Zdg=0.25×SB/Sdg，其中 SB為系統容量，Sdg為 DG 容量，Zdg的變化會直接影響到短路電流的大小和方向。DG容量通過影響Zdg的形式對短路電流產生影響。同樣，DG接入位置的不同也是通過影響電網拓撲和阻抗的形式對短路電流產生影響。

圖3 并入DG后配電網系統等值電路

4 DG對配電網自動重合閘的影響

配電網的故障80%～90%的部分是瞬時性的。自動重合閘能顯著提高系統供電可靠性、減少線路停電次數，特別是對單側電源供電的單回線路效果尤為顯著，因而自動重合閘在配電網中獲得了廣泛應用。前加速重合閘主要用于35 kV以下由發電廠或重要變電所引出的支配線路上，配電網電壓等級較低，故主要裝設前加速重合閘。如圖4所示，假設兩條饋線始端均裝設前加速自動重合閘。

圖4 DG對自動重合閘的影響

當饋線2上任意一條線路(如k3、k4、k5點)發生故障，保護3都應無延時的動作切除故障，之后重合閘裝置起動，保護3重合。在并入DG前，自動重合閘在重合于發生瞬時性故障線路的斷路器時，不會對系統造成太大的沖擊，故障線路一般能恢復正常供電，可以很好地保證電網的可靠性。但當配電網中并入DG后，線路發生瞬時性故障時，DG很有可能在故障后并沒有脫離線路，而是繼續向故障點提供故障電流，當重合閘進行重合時，由于電網電源的作用，可能引起故障電流躍變，引起故障點電弧重燃，導致絕緣擊穿，使瞬時故障發展成永久故障。

DG的接入還有可能造成非同期合閘。含DG的配電網發生故障后，DG與其附近的負荷可能形成電力孤島，如k3點發生故障，保護3動作后變為分布式電源的孤島供電，孤島頻率與電網頻率出現偏差，電力孤島很難與電網保持完全同步。在電網電源跳開后至重合閘動作時的這段時間內，兩者之間的相角差可能出現在0～360°之間的任何一個位置。非同期合閘會帶來很大的沖擊電流和暫態過電壓，對DG機組和電網設備都有很大的損傷。所以應在DG側裝設低周、低壓自動解列裝置，重合閘動作前，將DG從故障線路中切除，同時為避免故障點持續電弧的影響，重合閘的動作時限應適當延長，一般設定在故障后1s以上。

5 含DG的配電網繼電保護對策研究

5.1 國內外的應對方案

面對DG接入配電網引起的一系列問題，國內外的專家學者提出了解決方案，目前主要有切源方案和孤島方案兩種。

(1)切源方案

指的是在任何故障發生時，先斷開所有的DG，然后采取原來的保護措施。如果故障發生在DG所在饋線，DG應當停止向配電網供電。在DG所在饋線的自動重合閘動作前，DG必須跳離配電網。由于配電網發生瞬時性故障的幾率較大，此種方案可能會導致DG頻繁的投入與退出，也會大大降低繼電保護的速動性和可靠性。

(2)孤島運行方案

當故障發生時，由DG裝置獨立地向負荷供電的運行狀態。當配電網發生故障時，在保證電力系統安全穩定運行的前提下，將配電網分成若干個孤島運行，以充分利用DG來減小停電面積和提高發電效率。但是在孤島方案下，原有的保護裝置并不能直接應用在含DG的配電網中，需對原有的保護原理和方案進行改進，或者是提出新的保護原理與方案。

5.2 含DG的配電網保護新方案

(1)引入故障限流器技術

DG助增電流使得系統故障時故障電流升高，導致保護喪失選擇性。為解決這一問題，可將故障限流器接入到DG系統，并根據系統的具體模型和參數合理設置限流器的阻抗值，有效降低分布式電源提供的故障電流，保證保護的靈敏性和選擇性。該方法的實質是通過減少DG輸出助增電流來減小DG對饋線保護的影響，關于短路限流器的故障監測和切換技術還正在研究中。

(2)改進方向電流保護

由于DG的引入，使得系統電源和DG之間的上游線路變成雙側電源線路。按傳統方法考慮，需要在上游每條線路兩端原有的電流保護基礎上均加裝方向元件，并借助兩端通信的方法來滿足選擇性。一種方案是在現有方向電流保護的基礎上，將DG上游每條饋線保護的Ⅰ段與其下一級饋線保護的Ⅰ段構成一個通信單元，依據新的整定原則及兩級保護動作結果的綜合判斷將故障快速地隔離在最小范圍內。另一種方案是利用廣域網將每條線路末端方向元件檢測到的功率方向信息和DG上游第1條出線上裝設的電流保護的區段判別結果結合起來，精確地區分故障區段，保證上游保護的選擇性和快速性。這兩種方案不需要隨DG的不斷接入頻繁更改定值，能在原電源與DG之間的所有線路上實現全線故障的快速切除。

(3)廣域保護

廣域保護系統(WAP)一般認為是以廣域測量系統為基礎的保護，它采用GPS精確定時的同步相量測量技術(PMU)來對電力系統進行實時監測與控制，對電氣量進行精確采集和分析計算。配電網引入DG后，由原來的單一電源形成了雙電源甚至多電源供電，需要對系統中各個節點電壓、電流等電氣量進行精確采集，從而在整體上精確計算同一時刻的電氣量。在WAP中，PMU可以獲得多點的電流電壓量，因此廣域保護的技術特點比較適合應用到含DG的配電網中。當前，Internet、光纖、衛星等通信方式在配電網中都得到了不同程度的應用，完全能夠滿足為區域電網提供實時快速、可靠的數據的要求。

(4)自適應保護

自適應保護指能根據電力系統運行方式和故障狀態的變化而實時改變保護自身性能、特性或定值的保護。自適應保護的實質是把采集到的電氣量信息與計算機存儲的信息進行對比，從而確定故障區域和故障點，由于保護的快速性的要求，其對通信的要求很高，這種方案還有待改進。

6 結論

本文在分析分布式發電對配電網繼電保護所產生的影響的基礎上，介紹了相關的一些保護技術和方案。隨著大量DG逐漸接入電網，協調分布式發電對配電系統繼電保護的影響，開發基于通信技術和計算機技術的具有普適性的配電網保護原理和方案，依然需要進行大量的研究。

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