智能配電網(wǎng)建設(shè)與10 k V分布式光伏電源并網(wǎng)運行保護配合初探

朱利宏

（云南石林供電有限公司，云南石林652200）

1 概 述

石林地區(qū)是昆明市太陽輻射資源較好的地區(qū)之一，年平均日照小時數(shù)為2 193.1 h，年平均輻射量約5 355.44 MJ／m2。2010年5月25日，設(shè)計裝機容量位列亞洲第一的昆明石林太陽能光伏并網(wǎng)實驗示范電站一期20兆瓦項目正式并網(wǎng)發(fā)電。石林太陽能光伏并網(wǎng)實驗示范電站總裝機容量為166兆瓦，日前二期90兆瓦項目土建及安裝工程也已完成招標(biāo)，啟動工程建設(shè)。

電站運行多年來，環(huán)保等方面的社會效益顯著，并獲得了大量的建設(shè)和運行經(jīng)驗，也充分顯示出光伏電站的各項特點和優(yōu)勢。隨著國家明確將可再生能源的開發(fā)利用列為能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，各項扶持措施不斷強化，地處高海拔、低緯度、具有豐富太陽能資源的云南，將面臨前所未有的發(fā)展機遇，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

另一方面，城市建筑高層化，太陽能作為熱源的應(yīng)用受到限制，將使得太陽能的電源應(yīng)用，從最初在邊遠地區(qū)和缺電地區(qū)的使用逐漸轉(zhuǎn)移到城市的使用，從簡單的安裝太陽電池板，到把太陽能電池板和建筑進行較好結(jié)合，使光伏發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間。云南省昆明國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)屋頂太陽能光伏發(fā)電項目工程（石林部分），已經(jīng)通過方案審批，計劃通過10 k V電壓并網(wǎng)接入110 k V路南變電站10 k V小滑坡線7.8號電纜分支箱，并網(wǎng)變壓器容量達1 000 k VA（SCB10-1000-10.5／0.27 k V），分布式屋頂太陽能發(fā)電并網(wǎng)項目正逐步走向?qū)嵱没?/p>

光伏發(fā)電與建筑物集成化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）的概念于1981年正式提出，近年來光伏建筑一體化及并網(wǎng)發(fā)電得到了快速發(fā)展。光伏建筑一體化是太陽能光伏與建筑的完美結(jié)合，屬于分布式發(fā)電的一種，能夠減少電網(wǎng)用電，減輕公共電網(wǎng)的壓力，是解決電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的理想突破。

2 光伏發(fā)電上網(wǎng)對配電網(wǎng)保護配置的影響

光伏分布式發(fā)電應(yīng)用前景廣闊，尤其是光伏大廈、光伏廠房等，就其發(fā)電容量、分布位置、負荷需求而言，更適合在10 k V配電網(wǎng)并網(wǎng)運行。但是，其并網(wǎng)對配電網(wǎng)的運行存在諸多不良影響，如：輸出功率不穩(wěn)定、潮流分布復(fù)雜化、電壓和頻率波動、諧波污染、孤島效應(yīng)及對電網(wǎng)沖擊、電能計量模式等。

當(dāng)分布式光伏電站（Distributed Generation，DG）大規(guī)模上網(wǎng)時，對配電網(wǎng)的負荷特性、配網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、調(diào)度自動化將產(chǎn)生影響，尤其對配電網(wǎng)保護配置的影響較大。

2.1 中低壓配電網(wǎng)保護

目前，我國的10 k V中低壓配電網(wǎng)主要包括不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)、“手拉手”方式也是分段運行。因此，其一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護，即：瞬時電流速斷保護、定時限過電流保護和Ⅲ段過電流保護。且繼電保護裝置一般裝設(shè)在供電變電站10 k V出線斷路器處，保護整條線路。主饋線上裝設(shè)自動重合閘裝置，支路上裝設(shè)熔斷器或產(chǎn)權(quán)分界點斷路器。

傳統(tǒng)的三段式電流保護不僅保護原理簡單易懂而且可靠性較高，一般的故障都能快速、可靠地切除。因此，在配電系統(tǒng)的繼電保護中，傳統(tǒng)的三段式電流保護應(yīng)用非常廣泛。但是傳統(tǒng)的三段式電流保護存在受系統(tǒng)運行方式和線路接線方式影響的缺陷。

配電網(wǎng)中引入少量分布式發(fā)電單元（如DG）時對整個電網(wǎng)不會構(gòu)成太大的影響，但高比例DG的引入使得配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成雙端甚至多端網(wǎng)絡(luò)，從而改變故障電流的大小、持續(xù)時間及其方向，結(jié)果可能會導(dǎo)致斷路器保護誤動、拒動及失去選擇性。DG自身的故障也會對系統(tǒng)的運行和保護產(chǎn)生影響。另外，當(dāng)DG系統(tǒng)抗孤島保護功能時間不能與自動重合閘等裝置協(xié)調(diào)配合時，就會引起非同期合閘。

2.2 DG對線路三段式電流保護的影響

圖1為三段式電流保護范圍示意圖

圖1 三段式電流保護范圍示意圖

2.2.1 DG上游故障

DG上游K1點發(fā)生短路故障時，保護R3在另一條饋線上，因此保護R3的保護動作和DG的存在與否無關(guān)。

但由于K1短路故障，系統(tǒng)S和DG相當(dāng)于并聯(lián)運行，DG存在著分流作用，因此造成了保護R1的靈敏降低，嚴重情況下保護R1還有可能拒動，也無法有效地配合DG形成孤島，難以隔離故障區(qū)。

2.2.2 DG下游故障

DG下游K2點發(fā)生短路故障時，保護R3在另一條饋線上，因此保護R3的保護動作和DG的存在與否無關(guān)。

系統(tǒng)S和DG一起提供保護R2的短路電流，因此，R2電流較無DG時大，R2裝置能迅速且可靠地動作以切除故障。

2.2.3 其他饋線故障

同一母線的其他饋線K3點發(fā)生短路故障時，因為保護R2所在的位置是同一母線不同饋線上的，因此保護R2的保護動作和DG的存在與否無關(guān)。

系統(tǒng)S和DG提供的短路電流都流過保護R3，電流比無DG時增大，所以保護R3能可靠動作切除短路故障。而R1的故障電流僅由DG提供，隨著DG容量的增大，保護R1可能會誤動而切除本線路。

2.2.4 保護的方向性

配電網(wǎng)是單端電源供電，因此配電網(wǎng)的繼電保護沒有方向元件。在接入DG之后，配電網(wǎng)某些部分將變?yōu)殡p端電源供電。在DG節(jié)點上游線路發(fā)生故障時，由DG提供的故障電流是從負荷側(cè)流向系統(tǒng)側(cè)，這意味著在保護裝置下游接有分布式電源時，在保護的下游和上游發(fā)生故障，都有故障電流流過保護。由于沒有方向元件，一旦故障電流超過整定值，保護將動作而失去選擇性。因此，需要在配電網(wǎng)的繼電保護裝置上安裝方向元件，以保證繼電保護能夠正常工作

2.3 DG對線路其它保護的影響

2.3.1 對距離保護的影響

DG和系統(tǒng)都會對故障點提供故障電流，這將使測量阻抗發(fā)生變化，致使距離保護的動作范圍變化，保護靈敏度也發(fā)生變化。

2.3.2 對縱聯(lián)差動保護的影響

若線路發(fā)生故障，則該段線路上的所有DG都將向故障點提供短路電流，導(dǎo)致故障點處的短路電流值極大。然而由于兩端保護只能監(jiān)測到系統(tǒng)側(cè)提供的故障電流，因此檢測到的故障電流值要小于故障點實際值，當(dāng)檢測值過小時，保護可能會無法啟動。

2.4 DG對線路重合閘的影響

由于配電網(wǎng)中70%以上的故障是瞬時性的，重合閘對提高供電可靠性相當(dāng)重要，然而DG接入配電網(wǎng)后，若線路發(fā)生故障并跳閘，有可能產(chǎn)生不同期的結(jié)果。

（1）DG可能繼續(xù)向故障點提供短路電流，使瞬時故障發(fā)展成永久故障，造成重合閘失敗。

（2）形成由DG單獨供電的孤島時，重合閘可能造成非同期合閘。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)饋線重合閘一般沒有檢同期和檢無壓功能，因此在主電源跳開到自動重合閘動作前這段時間內(nèi)，DG與電網(wǎng)不能保持同步，導(dǎo)致非同期合閘。

2.5 案例小結(jié)

通過上述分析，配電網(wǎng)中并入DG對傳統(tǒng)的三段式電流保護的影響主要表現(xiàn)如下：（1）可能會導(dǎo)致非故障線路的其他線路速斷保護誤動，從而使保護失去選擇性以及事故影響范圍擴大；（2）可能會導(dǎo)致本線路速斷保護的靈敏度降低，嚴重時保護可能會拒動；（3）同樣地，定時限電流保護和過電流保護也會出現(xiàn)失去選擇性的問題；（4）DG上游發(fā)生故障時，難以配合DG形成孤島。

因此，DG接入配電網(wǎng)的位置及它的容量都對傳統(tǒng)的三段式電流保護有影響，并入系統(tǒng)的分布式電源容量應(yīng)有所限制。

同時，對距離保護、重合閘等也存在不同形式、不同程度的影響。

3 配電網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能保護的必要性

3.1 常規(guī)保護的改進

面對DG接入配電網(wǎng)引起的一系列問題，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出了許多解決方案。

3.1.1 運行方式

目前主要有切源方案和孤島方案兩種。

（1）切源方案

在任何故障發(fā)生時，先斷開所有的DG，然后采取原來的保護措施。IEEEStandard1547標(biāo)準(zhǔn)要求：如果故障發(fā)生在DG所在饋線，DG應(yīng)當(dāng)停止向配電網(wǎng)供電。在DG所在饋線的自動重合閘動作前，DG必須跳離配電網(wǎng)，這就要求DG并網(wǎng)斷路器動作時限與饋線主供電源側(cè)出口斷路器重合閘時限配合，饋線斷路器保護還需要具備檢無壓功能。

（2）孤島方案

當(dāng)故障發(fā)生時，由DG裝置獨立地向負荷供電。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，將配電網(wǎng)分成若干個孤島運行，以充分利用DG來減小停電面積和提高發(fā)電效率。但是在孤島方案下，原有的保護裝置并不能直接應(yīng)用在含有DG的配電網(wǎng)中，需要對原有的保護原理和保護方案進行改進，或者是提出新的保護原理與保護方案。

3.1.2 繼電保護的改進

專家對電流保護的改進方案，如：

（1）通用性強、容易計算、經(jīng)濟的繼電保護邏輯方案。

（2）在包含DG的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中使用TCM（Time Coordination Method）法，即在故障時，通過各個繼電器在時限上的配合找到故障切除時間短、供電可靠性高的保護最優(yōu)配合方案。

（3）在弱配電網(wǎng)中接入DG，雖然可能會對原有保護產(chǎn)生影響，但是可以通過改變保護的定值來消除，只要合理的設(shè)定保護定值，原有保護設(shè)備仍可發(fā)揮作用。

（4）利用對稱電流分量檢測的方法，通過對比零序電流和負序電流分量的門檻值去啟動主保護，并且結(jié)合傳統(tǒng)的過電流保護，可滿足DG接入后對保護的新要求。

（5）基于配電網(wǎng)電流正序分量相位變化的方向過流保護方案。

3.1.3 距離保護的改進

與三段電流保護相比，距離保護性能更加完善，受系統(tǒng)運行方式影響較小，理論上適合將其應(yīng)用到含有DG的配電網(wǎng)中。目前，四邊形特性的距離繼電器開始廣泛應(yīng)用在微機線路的保護中，它具有測距、方向判別和躲負荷的功能，不僅要求整定三段式電抗定值，還要求整定電阻分量。雖然這在一定程度上可以滿足DG接入配電網(wǎng)的要求，但是這方面的運行整定經(jīng)驗仍然很欠缺，需要進行更多的研究和探索。

3.2 含DG配電網(wǎng)保護的新方案

隨著計算機及通信技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，出現(xiàn)了繼電保護與這些技術(shù)進行結(jié)合的新保護方案，如自適應(yīng)保護。

自適應(yīng)保護是指能根據(jù)電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化而實時改變保護自身性能、特性或定值的保護。但現(xiàn)有自適應(yīng)保護尚未充分利用計算機的潛在智能和電力系統(tǒng)固有的分布性來構(gòu)筑保護系統(tǒng)。針對DG引入配電網(wǎng)對保護引起的問題，有專家提出了一種自適應(yīng)保護的解決方案，將配電網(wǎng)分成幾個區(qū)域，區(qū)域之間以帶有檢同期裝置的斷路器相互連接。安裝在變電站側(cè)的主保護則在對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行接收、存儲和計算分析后，確定故障類型、位置，并最終提出合適的保護命令，清除故障恢復(fù)供電。

4 智能型配電線路保護方案初探

根據(jù)上述自適應(yīng)保護設(shè)想，本節(jié)探討一種基于IEC61850 GOOSE通信機制的網(wǎng)絡(luò)化、智能型的配電線路保護方案。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示，各線路斷路器、各DG配置網(wǎng)絡(luò)型智能保護裝置，并經(jīng)IEC61850 GOOSE光環(huán)網(wǎng)連接為一個統(tǒng)一、完整的智能保護系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能型的各項保護功能。

圖2 智能三段式保護方案

4.2 系統(tǒng)主要功能

（1）線路保護功能

線路保護功能包括：自適應(yīng)保護適配；自適應(yīng)定值調(diào)整；線路縱差保護；三段電流保護；智能網(wǎng)絡(luò)控制。

（2）DG保護功能

DG保護功能包括：逆變器基本保護；孤島效應(yīng)保護；線路縱差區(qū)間閉鎖；智能網(wǎng)絡(luò)控制。

4.3 系統(tǒng)工作原理

4.3.1 K1發(fā)生故障

若K1發(fā)生故障，R1、DG1、DG2、DG3保護跳閘，各DG切源運行。然后R1重合閘動作，若是瞬時性故障，則重合成功后對DG1、DG2、DG3送同期合閘信號，將各DG恢復(fù)上網(wǎng)。若是永久故障，則R2隔離跳閘，隔離故障區(qū)。

環(huán)網(wǎng)、“手拉手”線路則將下游負荷轉(zhuǎn)移至對側(cè)電源供電，并且對DG3送同期合閘信號，將DG3恢復(fù)上網(wǎng)。

輻射型供電線路，則對DG3送合閘信號，DG3孤島運行。

4.3.2 K2發(fā)生故障

若K2發(fā)生故障，R2、DG3保護跳閘，DG3切源運行。由于屬穿越故障，R1、DG1、DG2保護閉鎖。然后R2重合閘動作，若是瞬時性故障，則重合成功后對DG3送同期合閘信號，將DG3恢復(fù)上網(wǎng)。

4.3.2 K3發(fā)生故障

若K3發(fā)生故障，R3保護跳閘，由于不在故障區(qū)，R1、DG1、DG2、DG3保護閉鎖。然后R3重合閘動作，若是瞬時性故障，則重合成功。

4.4 方案特點

該方案智能網(wǎng)絡(luò)保護的實質(zhì)是把各保護采集到的電氣量信息經(jīng)光環(huán)網(wǎng)通信實現(xiàn)共享，從而確定故障區(qū)域和故障點。由于保護的快速性要求，該方案對通信的要求很高，因而采用GOOSE高速高可靠通信，其4 ms的通信周期能夠滿足保護的實時性要求，并且滿足配電網(wǎng)點多、面廣的實際，可以控制投資和易于維護。

該方案是以高速網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)的保護，采用GPS精確定時、光環(huán)網(wǎng)高速高可靠通信，對電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制，對電氣量進行精確采集和分析計算。配電網(wǎng)引入DG后，由原來的單一電源形成了雙電源甚至多電源供電，對保護的要求也變得十分苛刻，需要對系統(tǒng)中各個節(jié)點電壓、電流等電氣量進行精確采集，從而在整體上精確計算同一時刻的電氣量。因此該方案的技術(shù)特點比較適合應(yīng)用到含DG的配電網(wǎng)中。

5 結(jié)束語

10 k V配電網(wǎng)面臨大量分布式光伏電源并網(wǎng)運行，使得配電網(wǎng)由原來的單一電源變?yōu)槎嚯娫垂╇?，目前常用的三段式電流保護等常規(guī)保護的可靠性和選擇性難以滿足要求。因而在未來智能配電網(wǎng)的建設(shè)中，需要將繼電保護與計算機及通信的最新技術(shù)結(jié)合，研究探索新的保護方案、原理和技術(shù)，以適應(yīng)未來配電網(wǎng)運行方式的復(fù)雜性。

基于IEC61850 GOOSE光環(huán)網(wǎng)通信架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化、分布式、智能型配電網(wǎng)保護系統(tǒng)，以自適應(yīng)方式解決線路故障時各線路保護及光伏電源保護的配合，綜合切源方案和孤島方案，能有效提高配電網(wǎng)保護的可靠性和選擇性。

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