分布式電源接入對江門配電網保護的影響研究

姚軍艷

(江門明浩電力工程監理有限公司，廣東 江門 529000)

0 引言

隨著國民經濟結構的調整和電力行業的飛速發展，當今社會對能源和電力供應的質量以及安全可靠性要求日益提高，而目前電力工業在向“大電網、大機組”模式發展的過程中，不可避免的存在著系統不穩定的弊端，不能靈活跟蹤負荷變化，對于偏遠地區的負荷不能進行理想供電，局部事故極易擴大為大面積的電網事故，嚴重影響著重要用戶供電;同時，大量地消耗以煤為主的化石能源所帶來的日益嚴重的污染，以及對生態環境的破壞，使得研究利用清潔能源和可再生能源發電成為迫在眉睫的課題。在此背景下引發了社會各界對分布式發電的關注。

1 分布式電源的概念

分布式發電(Distributed Generation，簡稱DG)是指區別于集中發電、遠距離傳輸、大互聯網絡的傳統發電形式，其功率在幾十千瓦到幾十兆瓦范圍內，分布在負荷附近的清潔環保的，經濟、高效、可靠的發電方式。它可以起到節約能源、削峰填谷、緩建輸配電設備、減少線損、提高供電可靠性等經濟效益。由于DG容量小，電壓低，一般直接通過變壓器在配網接入電力系統，因此對配網系統的運行影響最大，而配網又是和電力用戶聯系最為緊密的環節，因此研究分布式電源對繼電保護關鍵問題的影響，對實際配電網的運行與控制有著很現實的意義。

2 配網結構及保護簡介

圖1 線路模型

配電網的拓撲結構類型較多，主要包括放射式接線、樹干式接線和環網式接線方式，其形式主要取決于對供電可靠性的要求。中國城鄉大多數的配電系統仍然以放射狀鏈式結構為主。這種結構的網絡有許多優點，比如接線可靠、保護整定容易、擴容簡單等。

目前江門中、低壓配電網主要是單側電源輻射型供電網絡，其電流、功率的方向是恒定的，因此繼電保護的配置也是基于單端電源系統設計的。配電網饋線保護一般配置為傳統的三段式電流保護，即電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護。電流速斷、限時電流速斷和過電流保護都是反應于電流升高而動作的保護方式。它們之間的主要區別在于按照不同的整定原則來選擇起動電流，所謂起動電流是指使保護裝置起動的最小電流值，它所代表的意義是：當在被保護線路的一次側電流達到這個數值時，安裝在該處的這套保護裝置就能夠起動。電流速斷保護按照躲開線路末端故障產生的最大三相短路電流的方法整定，不能保護線路的全長；限時電流速斷保護按照躲開相鄰元件電流速斷保護的動作電流整定，能夠保護線路的全長；定時限過電流保護按照躲開線路最大負荷電流來整定，作為相鄰線路保護的遠后備保護，能夠保護相鄰線路的全長。

3 分布式電源接入江門配網對保護的影響

3.1 分布式電源接入對保護影響分析

分布式電源對配電網主要的影響是在發生故障時將對故障點提供故障電流。不同類型的分布式電源提供的短路電流不同。從研究繼電保護的角度而言，分布式電源模型可以用一個電源串聯電抗的模型來表示，因此需要考慮的是，在故障發生時分布式電源能夠提供多大的故障電流。不同類型的分布式電源其電抗值是有差別的，它表征了該電源的故障電流注入能力。此外，在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的改變，發生短路故障時，配電網中的短路電流有著較大的改變。與不接分布式電源相比，在同一點發生故障，流過分布式電源下游保護的短路電流增大，在不改變保護定值的情況下，這將使下游保護的保護范圍增大；隨著容量的增加，分布式電源的助增能力越大，伸入下一段保護的范圍越大，繼電保護的選擇性將得不到滿足。

3.2 分布式電源的不同接入點對江門配電網保護的影響

分布式電源相對于保護的位置不同，會有不同的影響效果。

川島110千伏線路情況：2010年7月8日，總投資5.3億元的110千伏川島聯網供電工程正式竣工投運。川島聯網供電工程包括新建110千伏上川、下川變電站兩座，擴建大陸側110千伏海宴變電站，其110千伏輸電線路采用架空線路及海底電纜相結合的方式建設，總長66.3千米 （其中兩段海底電纜共12.182千米），4臺有載調壓主變壓器容量總計10.3萬千伏安。

目前，中廣核臺山川島風電公司在江門電網運行的風電場有上川島風電場和下川島風電場，總裝機容量12.775萬千瓦，其中上川島風電場總裝機容量8.5萬千瓦，以110千伏接入上川站，于2010年8月投運，后續將增加10千伏接入；下川島風電場總裝機容量4.275萬千瓦，以10千伏接入下川站。

圖2 臺山電網局部接線圖

為分析方便，首先我們對實際情況進行建模，對物理模型進行分析，來比較分布式電源接入點不同位置對江門電網的影響。

以江門臺山電網為例進行建模，在下圖中，電源S表示銅鼓電廠的等值效果，電源S到LD3之間等值為海上線（海宴站至上川站），其中P2等值為下川站，電源S到LD1之間等值為海宴站外網情況，以下按DG（風電場）接入江門臺山電網系統位置的不同，分兩種情況進行討論分析。

3.2.1 在線路末端并入DG

圖3 線路末端并入DG

如圖3所示，在線路的末端并入DG（上川風電）。

此時系統S和DG之間的區段由原來的單電源輻射供電變成雙電源供電，其他區段仍為單電源供電。系統短路點位置不同，DG的并入對各保護動作行為的影響也不同，具體分析如下：

1）DG下游F1點發生短路故障

當DG上游F1點發生短路故障時，由于保護P3、P4感受不到故障電流，因而其動作行為不受DG并入的影響。流過故障點的短路電流由系統S和DG兩者共同提供，但流過保護P1、P2的短路電流僅由系統S提供，P1、P2感受到的短路電流的大小和方向均與并入DG前相同，故保護的動作行為不受DG并入的影響，P2能可靠動作并切除故障線路。

2）DG上游F2點發生短路故障

當DG上游F2點發生短路故障時，保護P3、P4同樣感受不到故障電流，因而其動作行為也不受DG并入的影響。流過故障點的短路電流由系統S和DG兩者共同提供，但流過保護P1的故障電流僅由系統S提供，保護動作行為不受并入DG的影響，Pl能可靠動作并切除故障線路。F2點故障時，P2能感受到DG提供的短路電流，此時有兩種可能：一是DG提供的短路電流足夠大，P2能可靠動作并切除本線路，然后由DG獨立地向LD3供電，形成所謂的電力孤島；二是采取“反孤島(anti—islanding)”策略，使并入配電網的DG瞬時感應電壓驟降或主網服務的中斷而與系統自動解列。

3）同一母線的其他饋線F3點發生短路故障

當與并入DG的線路共母線的其他饋線在F3發生短路故障時，短路電流由系統S和DG共同提供，P3能可靠動作并切除故障線路；但當F3點故障時，保護Pl、P2均能感受到由DG提供的短路電流，由于P2原有整定的動作值和動作延時都比P1小，若DG容量過大，則P2會誤動并切除本線路，此時為避免電力孤島，DG應與系統自動解列。

4）同一母線的其他饋線F4點發生短路故障

當F4點發生短路故障時，分析同(3)，最理想的情況是僅由P4動作并切除故障線路，但也存在另外兩個問題，即：1.DG容量過大，使P2誤動并切除本線路，此時DG應與系統自動解列；2.DG提供的短路電流不足以使P2動作，但此時由于P3感受到的短路電流由系統S和DG共同提供，流過P3的短路電流增大，將可能導致其瞬時速斷保護躲不開F4點發生故障時的短路電流而誤動，將本線路切除，從而使保護失去選擇性。因此，在這種情況下必須限制DG的容量以保證保護的選擇性。

3.2.2 在線路中間位置并入DG（下川風電）

圖4 線路中間位置并入DG

如圖4所示，在其中一條饋線的中間位置并入DG。

此時系統與DG之間的區段為雙電源供電，其他區域仍為單電源供電。系統短路點位置不同，DG的并入對各保護的影響也不同，具體分析如下：

1）DG下游Fl點發生短路故障

當DG下游Fl點發生短路故障時，P3、P4感受不到故障電流，因而保護動作行為不會受到DG并入的影響。流過P2的故障電流將由系統S和DG共同提供，保護能可靠動作并切除故障線路。值得注意的是，此時流過保護P1的故障電流雖也僅由系統S提供，但此故障電流比并入DG前F1發生短路時流過Pl的故障電流要小(且并入的DG容量越大，Fl發生短路時P1感受到的故障電流越小)，因而P1的靈敏度將有所降低。

2）DG上游F2點發生短路故障

當DG上游F2點發生短路故障時，保護P3、P4感受不到故障電流，其動作行為不會受到DG并入的影響。同(1)中情況一樣，流過保護P1的故障電流雖只由系統s提供，但該故障電流比并入DG前要小，從而使得Pl的靈敏度降低，嚴重時Pl甚至會拒動。可見，必要時應限制并入系統的DG容量。

3）同一母線的其他饋線F3點發生短路故障

當F3點發生短路故障時，P2感受不到故障電流，其保護動作行為不會收到影響。流過P3的故障電流由系統S和DG共同提供，保護能可靠動作并切除故障線路。但當F3點發生故障時，保護P1能感受到DG提供的短路電流，若DG容量過大，則P1會誤動并切除本線路，此時DG應與系統自動解列。

4）同一母線的其他饋線F4點發生短路故障

當F4點發生短路故障時，P2感受不到故障電流，其保護動作行為不會受到影響。P4感受到的故障電流由系統S和DG共同提供，保護能可靠動作并切除故障線路。但當F4點發生故障時，保護Pl能感受到DG提供的短路電流，若DG容量過大，則P1會誤動并切除本線路，此時DG應與系統自動解列。流過保護P3的故障電流由系統S和DG共同提供，流過P3的故障電流增大，可能會導致其瞬時速斷保護躲不開F4點發生故障時的短路電流而誤動，將本線路切除，從而使保護失去選擇性。

4 結論與展望

配網系統中并入DG對電流保護的影響主要表現如下：一是，導致非故障線路保護誤動，從而使保護失去選擇性，擴大事故影響范圍；二是，導致本線路保護靈敏度降低，嚴重時保護拒動。同時也可以看出，DG對三段式過流保護的影響與DG的容量大小及接入配電系統的位置有關，并入系統的DG容量不宜過大，在DG容量一定的情況下，并入線路末端時對保護的影響較小，在DG容量較大時，可以事先校驗各極端情況下的電流保護定值及靈敏度，必要時還可以考慮為電流保護加設方向元件。總的來說，分布式電源接入會對配電網在電壓質量、保護、故障恢復等方面產生較大的影響，下一步我們將進一步作研究。

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