含分布式電源的配電網(wǎng)保護配置研究

方永毅，趙擁華，王 娜，李 信

(1.國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

含分布式電源的配電網(wǎng)保護配置研究

方永毅1，趙擁華2，王 娜2，李 信1

(1.國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

介紹傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護配置情況，針對分布式電源接入配電網(wǎng)后保護配置存在的問題，分析分布式電源接入對三段式電流保護及自動重合閘的影響，提出適用于含分布式電源配電網(wǎng)的保護配置方案，并說明該方案的應(yīng)用情況。

分布式電源；配電網(wǎng)；保護配置

近年來，分布式電源(Distributed Generation, DG)技術(shù)以其獨有的環(huán)保性和經(jīng)濟性越來越受到人們的廣泛應(yīng)用和關(guān)注。DG是指區(qū)別于集中發(fā)電、距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)發(fā)電形式，其功率在數(shù)十千瓦到幾十兆瓦范圍內(nèi)，分布在負荷附近的一種清潔能源發(fā)電方式。分布式電源的應(yīng)用對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，因此，越來越多的學(xué)者開始對分布式電源進行分析、研究。按照其并網(wǎng)技術(shù)類型可以分為直接與系統(tǒng)相連和通過逆變器與系統(tǒng)相聯(lián)兩大類。由于DG的接入位置不同、容量不同，也會對電網(wǎng)產(chǎn)生不同的影響，如電壓穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量，有功功率和無功功率控制，繼電保護等[1]。以下分析DG接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響，并找到解決方案，保證保護能夠可靠靈敏的動作。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護配置

配電網(wǎng)分為高壓配電網(wǎng)(35～110 kV)、中壓配電網(wǎng)(6～10 kV)和低壓配電網(wǎng)(220 V/380 V)。通常所說的配電網(wǎng)是指35 kV及以下電壓等級的電網(wǎng)，作用是給城市里各個配電站各類用電負荷供給電源，配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行，其結(jié)構(gòu)成輻射狀。基于配電網(wǎng)的以上特點，目前我國配電網(wǎng)主要采用2種保護配置方案：三段式電流保護和反時限過流保護。

1.1 三段式電流保護

三段式電流保護，即采用瞬時電流速斷保護、定時限電流速斷保護和過電流保護。其中，電流速斷保護按照躲過該線路末端短路時流過保護的最大短路電流整定，瞬時動作切除故障，但不能保護線路全長；定時限電流速斷保護按照該線路末端故障時有足夠靈敏度并與相鄰線路的瞬時電流保護配合的原則整定，能保護該線路全長；過電流保護按照躲過該線路最大負荷電流并與相鄰線路過電流保護配合的原則整定，能保護該線路及相鄰線路的全長。此外，對于不需要與相鄰線路配合的終端線路，電流速斷保護按照該線路末端短路有足夠靈敏度的原則整定，能保護線路全長。

1.2 反時限過流保護

反時限過電流保護是保護動作時限與被保護線路中短路電流大小相關(guān)的一種保護。目前，國內(nèi)外常用的反時限保護的通用數(shù)學(xué)模型的基本形式為：

式中：I為故障電流；Ip為保護啟動電流；r為常數(shù)，取值通常為0～2；k為常數(shù)[2]。

反時限過流保護在原理上和很多負載的故障特性相接近，因此保護特性更為優(yōu)越。短路電流越大，保護的動作時限越短，即近處故障時保護動作時限短，稍遠處故障時保護動作時限較短，而遠處故障時動作時限較長，該保護可以同時滿足速動性和選擇性的要求，在配電網(wǎng)繼電保護中應(yīng)用較廣泛。

2 DG接入對配電網(wǎng)保護的影響

由于DG的接入，在電源與DG之間的線路變成了雙端供電網(wǎng)絡(luò)，使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及潮流分布產(chǎn)生了很大的變化，進而對配電網(wǎng)的保護產(chǎn)生了很大的影響。下面分別討論DG接入對三段式電流保護及自動重合閘的影響。

2.1 DG接入對三段式電流保護的影響

如圖1所示，線路中間位置接入DG，系統(tǒng)與DG之間的線路為雙端供電線路，其他線路仍然為單端供電線路。顯然，故障點不同，DG對配電網(wǎng)保護的影響也將不同。下面針對不同位置的故障進一步分析DG接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響。

圖1 含DG的配電網(wǎng)

a. F1點發(fā)生短路故障。當(dāng)F1點短路時，保護3、5、6均不會感受到短路電流，不會受到影響，而對于保護1來說，雖然因為DG的接入使得短路點的短路電流增大，但是流過保護1的故障電流仍然是僅由系統(tǒng)提供的短路電流，因此保護1不會受到影響，可以可靠切除故障。但對于保護2將會流過由DG提供的短路電流，若DG的容量足夠大，將會使保護2動作。

b. F2點發(fā)生短路故障。當(dāng)F2點短路時，保護3、5、6均不會感受到短路電流，不會受到影響，而對于保護1、2來說，雖然因為DG的接入使得短路點的短路電流增大，但是流過保護1的故障電流仍然是僅由系統(tǒng)提供的短路電流，因此保護1不會受到影響，可以可靠切除故障。

c. F3點發(fā)生短路故障。當(dāng)F3點短路時，保護5、6不會感受到短路電流，不會受到影響。而對于保護1、2來說，由于DG的分流作用將使流過保護1、2的故障電流減小，因而會降低保護1、2的靈敏度。當(dāng)DG容量很大時還有可能會拒動。

d. 其他饋線上F4點、F5點發(fā)生短路故障。當(dāng)F5點發(fā)生短路故障時，保護3不會感受到故障電流，不受影響。由于DG的接入，會使得保護1、2流過故障電流注入短路點，因此保護5、6流過的故障電流變大。當(dāng)DG容量小時，影響較小，但當(dāng)容量大時會使得保護1、2誤動。當(dāng)F4點發(fā)生短路故障時，分析方法與F5點發(fā)生短路故障時相同。

2.2 DG接入對自動重合閘的影響

由于DG的接入使得配電網(wǎng)由單端供電變?yōu)榫植侩p端供電，必然會對重合閘裝置帶來影響。DG的接入對自動重合閘的影響主要是會造成故障點持續(xù)電弧和非同期重合閘。如圖1所示，當(dāng)F1點發(fā)生短路，保護1跳閘切除故障，但是DG仍然會向短路點提供短路電流，造成故障點持續(xù)電弧。并且在重合時還會出現(xiàn)非同期重合，因而對電網(wǎng)造成沖擊[3]。

3 含DG的配電網(wǎng)保護配置方案

3.1 配電網(wǎng)中有1個DG接入時的保護配置

由于DG的接入使得配電網(wǎng)局部出現(xiàn)了雙端供電的情況，如圖2所示，系統(tǒng)與DG之間為雙端供電，這種情況必然會對保護及其與重合閘的配合有較大的影響。該線路其他部分以及母線的其他饋線仍為單端供電，但由于DG的接入，使得流入保護的電流有不同程度的改變，因此也對保護有一定的影響。

圖2 配電網(wǎng)僅有1個DG接入時保護配置

對于系統(tǒng)與DG之間的線路，將這一區(qū)域算作是DG的上游區(qū)域，在這一部分區(qū)域的保護上裝設(shè)電流差動保護，并且配備“一端檢無壓，另一端檢同期”的重合閘，這樣既可以保證保護的可靠動作，同時也可以在保護動作后快速可靠的啟動重合閘，及時切除故障，保證供電的可靠性。如圖2所示，當(dāng)F1點發(fā)生短路故障時，保護1、2動作切除故障，并且在保護1段裝設(shè)檢無壓重合閘，在保護2側(cè)裝設(shè)檢同期重合閘，可靠動作并可靠重合，消除了DG對其的影響[4]。縱聯(lián)電流差動保護的原理為：

Ir=|I1+I6|>Iunb

Iunb=0.1KstKnpIk.max

正常情況或區(qū)外故障時I1=-I6,而在區(qū)內(nèi)故障時，|I1+I6|較大，故而電流差動保護能夠可靠動作切出故障。而當(dāng)在DG退出運行時，如光伏發(fā)電在夜間停止供電時，原來的雙端供電變?yōu)閱味斯╇姡藭r在區(qū)外故障或正常狀態(tài)時仍為I1=-I6，而在區(qū)內(nèi)故障時，I6=0 ，I1即為系統(tǒng)提供的故障電流，|I1+I6|=|I1|>Iunb，所以保護依然可以可靠動作。在這種情況下，依照“一端檢無壓，另一端檢同期”的重合閘依然能夠可靠重合。當(dāng)母線上其他饋線上的F4點短路時，對于保護5，由于DG的接入，使得在短路時流過的電流變大，保護5可以可靠動作切除故障并進行重合閘，但是當(dāng)F5點短路時，當(dāng)DG容量較大，并且線路阻抗較小時，保護4可能會誤動，此時就要提高保護4的電流Ⅰ段的定值，但是當(dāng)DG在夜間退出運行時，由于保護4的定值過大，可能會以損失此時保護4Ⅰ段的保護范圍為代價而換取在DG并網(wǎng)運行時保護4的可靠不誤動。當(dāng)DG容量較小，并且線路阻抗較大時，當(dāng)F5點短路時，DG對保護4注入的電流較小，不會使保護4誤動，此時可以不必調(diào)整保護4的定值。由于在DG上游區(qū)域裝設(shè)了電流差動保護，因此在F4點、F5點出故障時，對于保護1、2均視為區(qū)外故障而不會動作。

DG下游區(qū)域的保護配置，對于保護3，DG的接入會使在F3點短路時流過其電流變大，可以可靠動作，并且在DG退運后，就變回到了原有配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，依然可以可靠動作。

3.2 配電網(wǎng)中有多個DG接入時的保護配置

配電網(wǎng)中有多個DG接入時，其配置辦法與僅有1個DG接入時相似，只是將會劃分出更多的區(qū)域。如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)中有多個DG接入時保護配置

將DG1的上游作為一個區(qū)域，DG1的下游與DG2的上游作為一個區(qū)域，這2個區(qū)域均為雙端供電，故與圖2中DG上游區(qū)域的保護及重合閘的配置相同，因此，當(dāng)F1點故障時，保護1、6將會動作切除故障并可靠重合，同理F2故障時保護2、7將會動作并進行重合。當(dāng)F3點發(fā)生短路時，由于DG的作用將會使流過保護3的電流增大，可以可靠動作。對于另一饋線上的保護4、5與僅有1個DG接入配電網(wǎng)時的分析相同。

4 方案應(yīng)用情況

以石家莊市DG接入情況為例，目前中小型的DG項目大多接入到380 V配網(wǎng)中，例如新樂縣的金太陽項目、河北省政協(xié)太陽能利用示范項目等，這一類工程的共同點之一即是接入容量較小，當(dāng)配網(wǎng)故障時，DG提供的短路電流也較小，故而針對這一類DG接入項目的配網(wǎng)保護配置方案大多為通過保護定值的調(diào)整以及優(yōu)化系統(tǒng)側(cè)保護與DG側(cè)保護動作時限的配合來實現(xiàn)配網(wǎng)保護的可靠動作。其中，以三相接入配電網(wǎng)的DG，容量相對較大的，在并網(wǎng)點電壓暫降時，其退出對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來較大影響。因此，要求以三相接入配電網(wǎng)的DG應(yīng)具備相應(yīng)的低電壓穿越能力，以支撐配電網(wǎng)的可靠運行。

但對于DG容量較大接入電壓等級較高的DG接入工程來說，以上提出的保護配置方案應(yīng)用較為廣泛，例如趙縣趙州熱電有限公司熱電聯(lián)產(chǎn)及節(jié)能改造項目中，擬將2臺25 MW背壓機組通過110 kV電壓等級并網(wǎng)。對于這類工程，通過調(diào)整定值與動作時限已很難實現(xiàn)保護的可靠動作，該方案經(jīng)過實踐能夠很好的解決DG并網(wǎng)后對保護的影響問題，最終該工程的保護配置方案為在DG向電網(wǎng)送電的110 kV輸電線路上配置1套微機型光纖電流差動保護，帶有完整的階段式后備保護功能，保護采用專用光纖通道。

5 結(jié)論

以上提出了一種DG接入配電網(wǎng)的保護配置方案，并對該方案的可行性進行了論述，分別對僅有1個DG接入配電網(wǎng)和有多個DG接入配電網(wǎng)2種情況進行討論。通過分析得出，此種保護配置方案可以使保護正確快速的動作并能夠迅速重合，使DG對保護的影響降到最低，提高供電的可靠性。并且通過分析實際的DG并網(wǎng)項目，驗證了該方案的正確性和適用性。

[1] 吳 靖,江 昊.分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及前景[J].農(nóng)村電氣化,2003(7):19-20.

[2] 王 建,李興源,邱曉燕.含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2005,29(24)：90-97.

[3] 張 超,計建仁,夏 翔.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)饋線保護的影響[J].繼電器,2006,34(13):9-12.

[4] 孫景釕，李永麗，李盛偉，等.含分布式電源配電網(wǎng)保護方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009,33(1):81-84，89.

本文責(zé)任編輯：王麗斌

Research on Distribution Network Protection Configuration with Distributed Generation

The protection configuration of the traditional distribution network is introduced,in view of the problem of protection configuration of DG after connecting with distribution network,the influence of three-phase current protection and automatic reclosing by distribution generation is analyzed,apro-tection configuration applies to the distribution network with DG is proposed,and the application of the scheme is described.

distributed generated;distributed network;protection configuration

2013-01-14

方永毅(1980-)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護專業(yè)管理工作。

TM77

B

1001-9898(2013)04-0014-03