淺析分布式電源對配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)的影響

陳健斌

（佛山市南海景旺電力電器安裝有限公司，廣東 佛山528200）

1 分布式電源的概念及其應(yīng)用優(yōu)勢

分布式電源（DG）是指為了用戶的特殊需要或配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，發(fā)電設(shè)備以分散的形式布置在用戶附近，發(fā)電功率為數(shù)千瓦到數(shù)十兆瓦不等的小型模塊式、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。

在實(shí)際的應(yīng)用中，DG相對于常規(guī)供電電源主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性高；（2）可以有效地提高配電網(wǎng)的可靠性；（3）可以減少能量轉(zhuǎn)化對環(huán)境的污染，提高能源的利用率；（4）可以最大限度地降低用戶的成本。

2 DG對配電網(wǎng)的影響

（1）對配電網(wǎng)潮流的影響：傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是輻射形式的網(wǎng)絡(luò)，線路的潮流一般由電源側(cè)指向用戶端，當(dāng)配電網(wǎng)中含有DG時(shí)，線路潮流的大小和方向?qū)⑹艿紻G接入位置和容量等因素的影響。

（2）對配電網(wǎng)電壓和電能質(zhì)量的影響：傳統(tǒng)配電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下運(yùn)行，其電壓沿著饋線潮流方向逐漸降低。DG接入配電網(wǎng)后，首先，由于用戶端出現(xiàn)了電源，會(huì)改變穩(wěn)態(tài)電壓的這種分布規(guī)律；其次，DG裝置包含電力電子元件并以逆變的方式接入配電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問題。

（3）對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響：當(dāng)傳統(tǒng)配電網(wǎng)中線路故障時(shí)，短路電流是從電源端指向故障點(diǎn)的單一流向電流，因此主饋出線路上所配置的保護(hù)是無方向三段式過流保護(hù)、反時(shí)限保護(hù)或距離保護(hù)，另外還有重合閘裝置。DG接入后短路電流的方向及水平將因受到DG的類型、接入位置及容量的影響而發(fā)生變化，可能導(dǎo)致原保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生不正確動(dòng)作。目前還未能很好地解決這一問題，這就需要在DG接入配電網(wǎng)后，重新考慮各方面的因素，進(jìn)行繼電保護(hù)的整定計(jì)算，盡力使系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)樵Ｗo(hù)系統(tǒng)的不正確動(dòng)作而頻繁陷入故障。

（4）對配電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行控制的影響：我國大力發(fā)展分布式電源首先就要面臨新能源特別是風(fēng)電大量接入配電網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來的系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)適應(yīng)性／安全穩(wěn)定性、電壓控制等問題。另外，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)。需要對配電網(wǎng)進(jìn)行良好的統(tǒng)一調(diào)度和管理才能應(yīng)對大量分布式電源和傳統(tǒng)電源并存的情況，保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3 DG對配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)的影響

在配電網(wǎng)中，對設(shè)備來說，繼電保護(hù)是一道非常重要的保護(hù)，直接關(guān)系到配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。在配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)中，傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)應(yīng)用非常廣泛，可以說無處不在。但是傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)也存在受系統(tǒng)運(yùn)行方式和線路接線方式影響較大的缺陷。分布式電源并入配電系統(tǒng)后，配電網(wǎng)由單電源變成雙電源或者多電源系統(tǒng)，因此其潮流分布發(fā)生變化，致使當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障的電流大小和方向也會(huì)發(fā)生改變。下面從理論角度分析DG以不同位置和不同容量接入配電網(wǎng)后對傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)的影響。

3．1 在配電網(wǎng)線路末端位置并入DG

由圖1可知，饋線1變?yōu)殡p側(cè)電源供電線路，饋線2仍然可視為單側(cè)電源供電線路。假設(shè)參數(shù)：系統(tǒng)等值電動(dòng)勢為Es，輸電線路的阻抗為Zi（i＝1，2，3，4），電源的阻抗為Zs，電子元器件中的變壓器等效阻抗為ZT。AB、BC、CD和AE線路阻抗依次表示為Z1、Z2、Z3、Z4，當(dāng)線路 AE、BC、AB和 CD 出現(xiàn)短路時(shí)，假設(shè)它們與母線的距離占這段輸電線路的比例與線路阻抗等相關(guān)參數(shù)的比值相一致，則等效電路如圖2所示。

圖1 在配電網(wǎng)線路末端位置并入DG

圖2 在配電網(wǎng)線路末端位置并入DG等效電路圖

3．1．1 f1點(diǎn)處短路

f1點(diǎn)處發(fā)生短路時(shí)，在DG并入前后，流過節(jié)點(diǎn)1、2、3的故障電流全部來自本系統(tǒng)，電流數(shù)值不發(fā)生什么變化，所以DG對節(jié)點(diǎn)1處的電流保護(hù)不會(huì)產(chǎn)生任何影響，可以準(zhǔn)確無誤地切除故障線路從而保護(hù)輸電線路。與此同時(shí)，節(jié)點(diǎn)2處電流保護(hù)受到DG的影響，電路的短路電流由節(jié)點(diǎn)3處線路提供。節(jié)點(diǎn)2處電流保護(hù)極有可能受到電流短路的影響，如果節(jié)點(diǎn)2處電流保護(hù)沒有做好，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)3處線路電流保護(hù)受到孤立，成為孤島。所以需要想到DG承受電負(fù)荷能力以及系統(tǒng)的重合閘問題。這個(gè)時(shí)候流過節(jié)點(diǎn)1、2、3的短路電流可以由下面的公式表示：

3．1．2 f2點(diǎn)處短路

在f2點(diǎn)處發(fā)生短路時(shí)，情況與f1點(diǎn)處發(fā)生短路時(shí)類似，這里就不作具體分析了。

3．1．3 f3點(diǎn)處短路

在f3點(diǎn)處出現(xiàn)短路現(xiàn)象時(shí)，需要在電路靠近的母線D側(cè)CD線路上安裝保護(hù)電路的裝置和電子元件，組成保護(hù)電流方向性的設(shè)置，這個(gè)時(shí)候流過節(jié)點(diǎn)1、2、3處保護(hù)裝置的短路電流為：

3．1．4 f4點(diǎn)處短路

在f4點(diǎn)處發(fā)生短路時(shí)，DG向短路點(diǎn)提供反向故障電流，流過節(jié)點(diǎn)1、2、3的短路電流有可能造成這3個(gè)保護(hù)誤動(dòng)作，失去選擇性，使故障范圍擴(kuò)大。而且DG所加載的短路電流對經(jīng)過節(jié)點(diǎn)4的短路電流會(huì)產(chǎn)生助增的作用，導(dǎo)致保護(hù)4的安全范圍拓展到下一個(gè)級段的線路，使選擇性難以保證。這時(shí)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)1、2、3和4的短路電流可通過圖3表示，其中I1表示了經(jīng)過節(jié)點(diǎn)1與2以及3的短路電流和流過系統(tǒng)側(cè)邊的短路電流，I2表示流過節(jié)點(diǎn)4的短路電流。

圖3 計(jì)算等值圖

解得，流過節(jié)點(diǎn)1、2、3和4的短路電流為：

3．2 在配電網(wǎng)線路中間位置并入DG

如圖4所示，在配電網(wǎng)線路中間位置并入DG。

3．2．1 f1點(diǎn)處短路

在f1點(diǎn)處發(fā)生短路時(shí)，節(jié)點(diǎn)1處的保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障，但由于DG的存在，該動(dòng)作會(huì)引起DG右側(cè)的系統(tǒng)以孤島方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)樵诠收宵c(diǎn)f1和母線B側(cè)這段區(qū)域內(nèi)無保護(hù)系統(tǒng)，所以故障點(diǎn)一直接收著來自分布式電源不斷輸送的電流，從而無法熄滅故障點(diǎn)區(qū)域的電弧，同時(shí)線路中的重合閘無法及時(shí)斷開，進(jìn)而無法及時(shí)避免停電范圍擴(kuò)大。

圖4 在配電網(wǎng)線路中間位置并入DG

3．2．2 f2點(diǎn)處短路

若短路發(fā)生在f2點(diǎn)，從DG處流進(jìn)短路區(qū)的電流在通過短路保護(hù)器時(shí)使保護(hù)電流增加，從而使其逐步流入CD處各線路間，使節(jié)點(diǎn)2和3之間的協(xié)調(diào)失衡，進(jìn)而使得繼電保護(hù)裝置失去選擇性。下面分析DG接入對節(jié)點(diǎn)1處保護(hù)裝置的影響。按照式（4）的分析方法，可以得到如下公式：

因?yàn)槎搪冯娏髟诹鲃?dòng)時(shí)具有很強(qiáng)的汲流效應(yīng)，從而當(dāng)DG中的短路電流流過節(jié)點(diǎn)1時(shí)，使流過節(jié)點(diǎn)3處的電流不斷增強(qiáng)。當(dāng)短路電流通過DG進(jìn)入時(shí)，縮小了其保護(hù)區(qū)范圍，同時(shí)使保護(hù)裝置的靈敏度降低，拒動(dòng)能力也得到了保護(hù)。而在狀況不好時(shí)，其電流限時(shí)速斷保護(hù)對節(jié)點(diǎn)1不再具后備保護(hù)的能力。在流過節(jié)點(diǎn)2處的電流增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)2處的限時(shí)電流保護(hù)的速斷區(qū)保護(hù)范圍增大，可能與節(jié)點(diǎn)3處的Ⅰ段保護(hù)失去配合，無法保證繼電保護(hù)裝置的選擇性。

3．2．3 f3點(diǎn)處短路

與3．1．4的情況類似，在此就不作詳細(xì)說明。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得出配電網(wǎng)中并入DG對傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)的影響主要有以下幾點(diǎn)：（1）可能會(huì)導(dǎo)致非故障線路的其他線路保護(hù)的誤動(dòng)，從而使保護(hù)失去選擇性以及事故影響范圍擴(kuò)大；（2）可能會(huì)導(dǎo)致本線路保護(hù)的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)保護(hù)可能會(huì)拒動(dòng)。另外可以看出：分布式電源接入配電網(wǎng)的位置及它的容量都對傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)有影響，并入系統(tǒng)的分布式電源容量不應(yīng)該太大。

［1］謝石驍，王喬來．混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用．華東電力，2011，37（8）

［2］Jenkins N，Allan R，Crossley P，et al．Embedded Generation．The Institution of Electrical Engineers，2000