分布式電源電站繼電保護配置的應用與分析

【摘要】分布式電源作為一種高效、可靠、經濟的發電方式，近年來得到了國內外的廣泛關注。分布式電源的配電網其結構為單電源、放射狀，配電網的繼電保護是以此結構為基礎設計運行的。本文以分布式電源經逆變并網為研究對象，介紹對分布式電源的接入使配電網的結構發生的變化以及對配電網繼電保護裝置的應用進行分析。

【關鍵詞】分布式電源 并網保護 逆變器并網 保護邏輯

【中圖分類號】TM77 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0228-03

分布式電源接入電網可能對原有的電網繼電保護產生影響。各個分布式電源的進線斷路器連接并網保護起著關鍵的作用。同時需要考慮到各個變電站的運行方式可靠性和安全性。多數的分布式電源的配電網其結構較為簡單，配電網的繼電保護是以此結構為基礎設計運行的。需要特別著重研究針對故障情況下分布式電源進線的保護配置，包括負荷側使用過程中的故障及上級配電網可能發生的失電情況等。對分布式電源的接入使配電網的結構變化情況下保證電網運行的安全性。本文針對配電網原有保護的不足，研究了分布式電源的并網保護問題，分析了其并網保護的一些應用性問題，包括孤島檢測與孤島運行，并給出了并網保護的功能要求及配置。

1.分布式電源

分布式電源（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的發電設施，經濟、高效、可靠地發電。分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內燃機（Internal Combustion Engines）、微型燃氣輪機（Micro-turbines）、燃料電池（Fuel Cell）、可再生能源如太陽能發電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風力發電、生物發電等。

作為一種高效、環保、便捷的新型發電技術，分布式電源在世界范圍內得到了迅速發展。近年來，受石油價格上漲和全球氣候變化的影響，可再生能源開發利用日益受到國際社會的重視，許多國家紛紛出臺政策和法規促進可再生能源技術的發展。

2.DG并網保護功能配置

2.1并網系統的保護配置要求

并網功能首先是保證主電網免受DG 的故障影響；其次是保證DG設備免受市電電網故障后的影響。為了保證并網系統的安全性、可靠性，并網保護需要有以下的要求：

1）DG側斷路器裝置應裝設過/低電壓保護、高/低頻率保護，且保證在電網側故障情況下跳閘，使DG能夠被可靠地快速切除。

2）DG和相關斷路器裝置不允許形成意外運行情況下的孤島狀態。

3）在故障恢復后，電網的電壓和頻率須在滿足穩定要求時才允許DG重新并網。

4）并網聯接的斷路器和其它開關裝置必須能夠開斷最大故障電流。

2.2 并網保護功能實現

1）檢測DG孤島運行狀態

孤島的發生首先可能引起運行電壓的瞬間降低。瞬時低電壓保護繼電器可以反應電壓的這一變化并將DG快速切除。一般為了快速地隔離故障，需要將繼電器的靈敏度設置得很高，不過這樣可能造成繼電器易受到干擾，使保護誤動的概率增加。因此，低電壓保護啟動需要設定延時啟動，時延設置不可過長，否則可能在惡意孤島發生時由于不能及時切除DG導致系統穩定性破壞，使電氣設備受損。另外，當電網輕載時，會引起的過電壓情況，同樣需配置過電壓保護繼電器，延時啟動。

當檢測到DG的孤島運行狀態后，應保證快速地切除DG，使電網故障及時地隔離。DG的切除時間，應該根據電網的實際情況而定。通常使用低頻率保護時，要求DG的切除要早于故障后斷路器的再重合，避免非同期合閘。該配置的缺點是如果系統發生振蕩，DG可能會無法繼續向電網供電。但是隨著DG 的快速發展，DG 在電網中所占的容量比例逐漸增大，這是這種保護配置就會對電網的供電可靠性有較大影響。這樣可以對DG的切除設置一定的延時啟動時間，以保證供電可靠性，同時對重合閘配備非同期檢查，防止非同期合閘。

在孤島發生時，如果DG提供的有功功率不足，孤島運行的頻率就會下降，同時有功負荷過小，過頻率的情況會發生。因此，配置高/低頻率繼電器也是實現孤島檢測的要求之一。根據用電負荷運行要求，±5%頻率變化的極限范圍，頻率繼電器需要在最短的時間內將DG從電網中隔離。

同時，電壓、頻率是電能質量的基本要求，也是孤島檢測最基本的依據，實現孤島檢測功能需要配置基本的過/低電壓繼電器、高/低頻率繼電器。

2）保護配置的故障反饋檢測

電網上游接地故障發生時，原有的保護可能無法識別并隔離故障，此時DG將持續提供短路電流，這就會危害設備并且危及到工作人員的人身安全，而且DG的容量越大，造成的情況會更加嚴重。因此，并網保護必須及時切除此類故障。

故障反饋檢測功能是檢測過電流，實現此功能的繼電器包括過電流繼電器、方向過電流繼電器、阻抗繼電器。過電流繼電器不分辨流過繼電器的故障電流方向，只要出現DG提供過電流的情況均產生保護動作。為了提高保護靈敏度，也可以考慮使用電壓控制啟動的過電流保護動作來實現故障反饋檢測功能。方向過電流繼電器主要是考慮到為了在故障發生后保持DG繼續向本地的部分負荷供電。

并網變壓器的故障反饋檢測與其聯接形式有關，并網變壓器一次繞組不接地可能會導致過電壓的問題，因此對低壓側Y 或△接法的變壓器，采用過電壓保護檢測接地故障，對低壓側Y接法中性點直接接地的變壓器，采用過電流保護實現故障反饋檢測功能。

3）三相不平衡的檢測

電網中的不平衡電流會增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的輸出功率，甚至會影響變壓器的安全運行，會造成三相電壓不平衡因而降低了供電質量，甚至可能影響電能表的精度而造成計量錯誤。針對可能存在的不平衡狀態，需配置負序過電流保護繼電器和負序過電壓保護繼電器。

4）反向功率檢測

部分并網要求中嚴格限制DG 向市電電網負荷供電。孤島形成后，DG 將向孤島內的負荷供電，包括本地負荷和部分電網負荷。當DG 向電網負荷提供的反向功率越界時，功率方向繼電器動作，使該部分負荷從孤島中切除。功率方向保護可以實現檢測反向功率的功能。

5）故障排除后并網

故障排除后恢復供電時，DG應能夠重新并網。配電網的故障中永久性故障不到10%，因此廣泛應用自動重合閘提高供電可靠性。但在孤島發生后，重合閘重合期間，孤島與主電網可能已經不再是同步運行，此時非同期合閘將給電網和DG造成很大的沖擊和破壞，因此需要設置同期檢查繼電器，用于DG并網的同期檢查。同期檢查因素包括相角差（ Δθ ）、滑差（ Δ？覣 ）、電壓幅值差（ ΔV）。

總結以上分析，并網保護需要考慮表1中的保護配置。在實際的并網保護中還需要考慮到DG 的容量、位置和DG 的類型對并網保護配置的影響。

分析了并網變壓器的聯接形式對并網保護的影響，介紹了DG 并網的孤島問題及孤島檢測方法，通過對并網保護功能的分析給出了DG 并網保護的功能配置。

3.光伏逆變器并網運行

市電電網可視為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網系統和電網實際上就是兩個交流電壓源的并聯運行，即通過光伏電池匯集電能至逆變器，然后經過升壓變壓器并網，通過調整并網逆變器輸出電壓的幅值與相位來保證與市電電網的同步。這種情況下要保證光伏并網發電系統穩定運行。

3.1逆變并網的國際通用標準

孤島檢測的最直接的方式是針對電網的檢測。通常在電網的配電斷路器分閘時，若光伏逆變并網發電系統的供電容量和電網負荷的需求量不匹配，那么電網的電壓和頻率會發生較大的波動，此時可以利用電網電壓的過/欠電壓保護和過/欠頻率保護來檢測電網是否斷電，以此防止孤島現象的發生。但是當光伏逆變并網發電系統的供電容量和電網負荷所需求量匹配或差距非常小的時候，電網的配電斷路器分閘后，光伏并網發電系統附近電網的電壓和頻率的變動將不能夠被保護電路檢測到，而發生孤島現象。

根據專業標準IEEE Std.2000-929和ULl74的規定，所有的并網逆變器必須具有反孤島效應的功能，同時這兩個標準給出了并網逆變器在電網斷電后檢測到孤島現象并將逆變器與電網斷開的時間限制，見表2：

4.繼電保護配置

4.1分布式電源并網保護功能的要求

具體配置繼電保護裝置需要滿足相應功能，并可以實時監測相應物理量，且具備記錄或者上傳功能。現以GE F650數字間隔控制器保護配置應用為例，以滿足電源進線的保護配置。并對其具體保護功能運用進行配置。

該綜合保護裝置既可以作為配電饋線及傳輸線路的主保護，也可作為變壓器、母線、電容器組等的后備保護。

F650 裝置的主要功能包含：

1）相間、中性點、接地及靈敏接地的方向過流保護

2）欠壓及過壓保護

3）欠頻及過頻保護

4）自動重合閘

5）同期

6）測量

7）錄波記錄、故障報告、數據記錄

8）間隔控制（斷開/閉合等命令）

9）通訊（RS232 / RS485 / 光纖 / 以太網）

測量：測量相、接地及靈敏接地輸入的電流；相間及相對地電壓；有功無功及視在功率及功率因數；頻率；電路、電壓的相序分量、輸入/輸出：

1）9個模擬量輸入：5個電流輸入（3個相電流，1個接地電流，1個靈敏接地電流），4個電壓輸入（3個相電壓，1個母線或者輔助電壓）

2）數字可編程接點輸入（32個）

3）數字可編程接點輸出（16個）

4）32個鎖定的虛擬輸入，32個自復位

5）虛擬輸出（512個）

6）跳閘及合閘回路監視

根據以上內容，該數字式間隔控制器可以滿足分布式電源進線斷路器的保護功能配置。

4.2 繼電保護應用與分析

現以一戶內變電站為例，主接線形式為單母線分段，該電氣主接線方式比較簡單，且運用范圍較廣，具有一定代表性。該變電站供電運行方式為雙電源分段運行，以其中某一段母線后備電源進線為分布式電源進線（光伏逆變后升壓），根據其供電運行方式進行繼電保護配置設計；分布式電源進線的繼電保護設置其保護邏輯設置如圖1所示。

根據變電站運行操作規程，在保護功能配置的要求下增加就地操作和遠動操作的功能。

基本要求為故障狀態下禁止人員對進線斷路器進行操作，就地與遠方操作只可取其一。為保證在可能的孤島效應發生的情況下，不產生故障擴大化的情況，要求進線電纜或者母線電壓檢測滿足失壓條件進行斷路器動作，同時也兼顧雙電源的互為備用切換功能。滿足正常使用的倒閘操作要求，對斷路器進行分合閘操作。

對于不直接設置為保護動作的功率方向（32FP）、過頻率/欠頻率（81O/81U）等可以作為事件記錄保存，或者通過通訊輸出，傳至遠方操作人員或者相關工作人員掌握和記錄其設備運行狀態和情況。其控制邏輯如圖2所示。

5.結語

配電網繼電保護的工作原理和配電網的饋線自動化方案保證分布式電源接入后的安全性和可靠性。配電網主要采用速斷和過電流兩種保護方式，速斷保護保護線路的全長，過流保護作為線路的后備保護，同時還配置零序保護。分析了DG經過逆變器并網保護功能的要求及實現方法。對于今后分布式電源接入配電網的發展，各類型的繼電保護配置還需進一步綜合使用經驗。深入完善各類型分布式電源及其保護裝置運用。

參考文獻：

[1]李佑光. 電力系統繼電保護原理. 北京： 科學出版社， 2003

[2]許建安. 電力系統繼電保護（第二版）. 北京： 中國水利水電出版社， 2005

[3]楊冠城.電力系統自動裝置原理[M].中國電力出版社，2002：9

[4]IEEE P1457， IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems