分布式發(fā)電對10 kV電網(wǎng)繼電保護的影響

章忠+鄭健睿+王曜飛+康子森

摘 要：介紹了DG對繼電保護生成影響的原因，且對其三個方面影響進行了簡要描述：孤島及對自動重合閘產(chǎn)生的影響、對故障電流產(chǎn)生的影響、對線路保護產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電 配電網(wǎng) 繼電保護

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0103-02

分布式發(fā)電（Distributed Generation）作為新興一種發(fā)電技術(shù)，它具有環(huán)保、高效的特點。尤其是在近幾年中，電力市場對降低室溫氣體的排放、節(jié)能減排與開放上都做了嚴格要求，分布式發(fā)電，特別是以新型生電方式為代表的發(fā)電方式獲得了快速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。DG在減少環(huán)境污染，降低終端用戶費用等方面具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，與此同時又有靈活性、高效性、能源來源多樣化等的優(yōu)點。

DG是指一種新型發(fā)電形式，對于一些比較特殊的客戶需求，根據(jù)原有的配電網(wǎng)在經(jīng)濟運行上進行專門的設(shè)計安裝，并且在用戶處或者其他的附近小型發(fā)電機組、使得符合供電可靠性和電能質(zhì)量均得到明顯增強配置在用戶附近的發(fā)電形式。DG按照所用到的技術(shù)不同，可分為：水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電和燃氣輪機發(fā)電等。DG引入配電網(wǎng)以后，將深刻影響到配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，且改變配電網(wǎng)短路電流的分布，從而對配電網(wǎng)繼電保護帶來一定難度。近些年來，DG在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越加頻繁廣泛，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整保護系統(tǒng)是有必要的，這樣就可以討論分析其對配電網(wǎng)保護裝置的影響。

1 DG對繼電保護產(chǎn)生影響的原因

DG引入配電網(wǎng)以后，傳統(tǒng)的放射式的無源網(wǎng)絡(luò)，即單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成一個電源混合分布的，且中小型的有源電網(wǎng)，這樣就使得潮流不會在從變電站母線上流向各個負荷。配電網(wǎng)作為一個電量傳輸?shù)那溃遣粶势渲泻须娫聪蜇摵晒╇姷摹Ｅ潆娋W(wǎng)潮流具有的不確定性，也會導(dǎo)致電力系統(tǒng)繼電保護的設(shè)置和動作值的整定增加一定的難度。相對于配電網(wǎng)來說，大量的DG具有不可控和不確定性，如光伏發(fā)電在日照和時間不同的條件下，生成的電能質(zhì)量大小也會有所不同、生物質(zhì)發(fā)電受原材料的影響，不同的材料發(fā)電程度質(zhì)量會有所不同。在傳統(tǒng)的保護系統(tǒng)中，假設(shè)配電系統(tǒng)處于放射狀態(tài)條件下，進行設(shè)計，且與配電網(wǎng)中的DG相互的滲透，而保護系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)也同向發(fā)生變化，這樣就使配電網(wǎng)中的各個機理與保護定制發(fā)生變化。

同時，因為配電網(wǎng)在自我保護方面較弱，在配電網(wǎng)保護裝設(shè)時通常不考慮引入DG安裝的，給定的分配網(wǎng)絡(luò)的電壓水平通常較低，通常，電流保護的具有成本效益的優(yōu)勢，一般均以電流保護為主，并沒有配備定向元件。薄弱保護配置很難承受DG引入帶來的挑戰(zhàn)。

2 DG對配電網(wǎng)繼電保護產(chǎn)生的影響

為了充分展現(xiàn)DG引入對繼電保護生成的影響，保護配置和整定均按照DG投入前的情況。一般的情況為例，典型的網(wǎng)絡(luò)及保護配置如圖1（圖1中L1，L2，L3為10 kV線路）。

在變電站內(nèi)，線路保護裝置一般安裝在靠近母線線路斷路器那里。一般情況下，都是選擇三段式電流保護來進行配置的（即L1、L2），也就是過電流、定時限電流速斷及瞬時電流速斷這三種保護。其中，瞬時電流保護依照逃脫路線來說，故障端部所產(chǎn)生的最大調(diào)諧三相短路電流的方法，且它不能保護到全長的線路。定時限電流速斷保護按照故障線路的端部具有靈敏度和速度的瞬時電流斷路器保護與鄰近的調(diào)諧方法，保護線路的全長。過電流保護電路，根據(jù)躲過最大負載電流和過電流保護方法與相鄰線路調(diào)整，盡量保留相鄰線路的后備，以保護相鄰線路的長度。此外，非全電纜線路，依托三相一次重合閘配置，以確保當(dāng)時間線的瞬態(tài)故障時，也能夠迅速地恢復(fù)供電。一般與相鄰線路配合的終端線路（如L3）不存在問題，為了簡化保護配置，通常以三相一次重合閘的保護方式與瞬時電流速斷保護加過電流保護組成的二段式保護，電流速斷保護按照線路末端故障有靈敏度的方法整定，能夠保護全線。

引入DG后，從單電源進線雙電源線線L1，該行的其余部分仍然采用單電源供電。DG引進保護后，對原配置影響主要有以下幾點。

2.1 孤島和對自動重合閘的影響

在DG引入之前，配電網(wǎng)為輻射式結(jié)構(gòu)，瞬時性故障線路在自動重合閘恢復(fù)供電時，配電網(wǎng)系統(tǒng)不會受到任何形式的沖擊和破壞。DG引入之后，一旦系統(tǒng)與DG的連接線路（如圖1中L1）發(fā)生故障時且被跳開，DG將在電網(wǎng)中形成由其獨自供電的電力孤島。這些孤島保持了功率和電壓在額定值附近的運行。只是這些電力孤島會給自動重合閘埋下隱患。

（1）非同期重合閘。在系統(tǒng)電源跳開到自動重合閘動作的這段時間內(nèi)，DG加速或者減速運轉(zhuǎn)的可能性很大，自動重合閘動作時，電網(wǎng)和孤島不能保持同步，兩者之間會形成一個很大的相角差。當(dāng)兩者間形成的相角差達到某個值時，非同期重合閘會引起極大的沖擊電流或電壓，如圖2所示。在生成的沖擊電流作用下，線路保護方面有很大可能會誤動，使得重合閘失去了迅速恢復(fù)瞬時故障的能力。同時，沖擊環(huán)流也有很大可能對電網(wǎng)及DG單元中的設(shè)備帶來致命沖擊。

（2）故障點電弧重燃。系統(tǒng)側(cè)電壓消失后，故障點電能可能并不會消失，DG有可能繼續(xù)對其供電，重合閘發(fā)生時，DG提供的故障電流阻止了故障點電弧熄滅，引起故障點電弧重燃。此時，原本的瞬時性的故障變成了永久性的故障。長時間電弧的存在會給所有設(shè)備的維護帶來極大困難。

因此，由于DG接入，會對自動重合閘恢復(fù)瞬時性故障產(chǎn)生極大的影響。DG側(cè)應(yīng)安裝低周、低壓解列裝置。同時，配電網(wǎng)和DG設(shè)備會受到非同期重合閘的沖擊，為避免這種情況，系統(tǒng)側(cè)重合閘繼電器需要檢線路無壓，DG側(cè)檢同期。

2.2 對故障電流的影響

在故障發(fā)生時，由于DG引入配電網(wǎng)，必然會對故障點提供故障電流，故障電流的水平將會受到不同程度的影響。我們所關(guān)心的問題是故障發(fā)生時DG能夠提供多大的故障電流。不同類型的DG，電抗值不同，它代表著此電源的故障電流注入能力。Barker etal對此進行了研究，如圖3所示。endprint

2.3 對線路保護的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點D1總電流，線路BC上的線路保護只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點D1的實際電流值時，將提高D1處保護的靈敏度，線路BC保護動作的靈敏度則會被降低，嚴重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點：DG引入之前，本線路由AB上的保護R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護R2感受到，只是R2處保護不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護；DG引入之后，將會增大故障線路保護感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運行后給繼電保護帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護，加強DG保護與電網(wǎng)保護的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

參考文獻

[1] 胡成志，盧繼平.分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護影響的分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2006（8）.

[2] 黃偉，雷金勇.分布式電源對配電網(wǎng)相間短路保護的影響[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（1）：93-97.

[3] 楊文宇，楊旭英.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齊利.繼電保護缺陷微機化管理及其應(yīng)用探索[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 對線路保護的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點D1總電流，線路BC上的線路保護只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點D1的實際電流值時，將提高D1處保護的靈敏度，線路BC保護動作的靈敏度則會被降低，嚴重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點：DG引入之前，本線路由AB上的保護R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護R2感受到，只是R2處保護不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護；DG引入之后，將會增大故障線路保護感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運行后給繼電保護帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護，加強DG保護與電網(wǎng)保護的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

參考文獻

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[4] 高齊利.繼電保護缺陷微機化管理及其應(yīng)用探索[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 對線路保護的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點D1總電流，線路BC上的線路保護只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點D1的實際電流值時，將提高D1處保護的靈敏度，線路BC保護動作的靈敏度則會被降低，嚴重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點：DG引入之前，本線路由AB上的保護R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護R2感受到，只是R2處保護不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護；DG引入之后，將會增大故障線路保護感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運行后給繼電保護帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護，加強DG保護與電網(wǎng)保護的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

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