某市分布式太陽能光伏發電接入對配電網保護的影響分析

張添明

摘 要：配電網是指電力系統中以高、中壓變壓器的高壓側為分界點（高壓側的斷路器和隔離開關不屬于配電網）的中、低壓電網以及深入其中的高壓電網，與電力用戶連接。

關鍵詞：太陽能；光伏發電；電網保護

1 某市配電網的結構及故障特點

配電網的主要功能是分配電能，配電網能否安全可靠運行直接影響到電力用戶能否安全可靠用電。其常見特點是：（1）配電網的故障率高，且絕大多數為瞬時性故障。（2）單相接地短路的故障比例高，且短路電流小。（3）故障電弧不穩定。

2 配電網的傳統保護配置

配電網的單端電源輻射型供電方式使得短路時的電流和功率是同一方向，這樣配電網的保護比較簡單，不像主網那樣需要判別故障方向，配網中配置三段式的電流保護，即無時限的電流速斷保護、限時電流速斷保護和過電流保護，再配置三相一次重合閘裝置已能滿足需求。

2.1 無時限的電流速斷保護

反應短路電流幅值突然增大而瞬時動作的電流保護，稱為無時限電流速斷保護。無時限電流速斷保護按躲開下一條線路出口處的最大三相短路電流整定，一般只能保護線路的一部分。

2.2 限時電流速斷保護

由于無時限的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此需要增加一段帶時限動作的保護，用來切除線路上電流速斷保護范圍以外的故障，同時作為無時限電流速斷保護的近后備保護，這就是限時電流速斷保護。限時電流速斷保護要求能夠保護本線路的全長，這樣它的保護范圍肯定會延伸到下一條線路，為了滿足在下一條線路發生故障時，下一條線路的無時限電流速斷保護優先切除故障，所以限時電流速斷保護必須和下一條線路旳無時限電流速斷保護配合整定。

2.3 過電流保護

過電流保護的保護范圍延伸到下一條線路的全長，主要作為后備保護。它是按最大負荷電流整定，與發生故障的短路電流大小無關，其動作時限從負荷到電源端必須滿足階梯狀的動作時限，所以越靠近電源側，雖然短路電流越大，但是過電流保護的動作時限越長，這是過電流保護的一個主要缺點。

3 DG接入配電網后對保護的影響分析

分布式電源（distributed generation， DG）的定義一般是指利用各種規模不大的可再生或非可再生能源進行發電構成的獨立的小型發電系統（發電容量一般在50～100MW之間）。DG按發電技術原理分類，有光伏發電，風力發電，太陽能發電，生物質能發電，微型燃氣輪機組發電和燃料電池等。

DG與大電網聯合運行，供電靈活，能夠提高電網的安全可靠性，還具有削峰填谷、降低網絡損耗、提高現有設備利用率和解決邊遠地區供電問題等經濟效。但是，DG大量接入配電網改變了配電網原來單一電源、轄射型的結構，原有的配電網饋線電流保護的選擇性、靈敏性、可靠性和保護范圍都將受到影響，其后果是造成保護裝置誤動、拒動，直接威脅到配電網安全穩定運行。為了解決上述問題，本章提出了一種含DG的配電網自適應電流保護的新方案。該方案先根據配電網系統的運行方式和拓撲結構，利用替代原理對保護背側的DG網絡進行等值變換，得到其戴維南等值模型。然后在發生短路故障時，當保護檢測到的短路電流大于整定值時先啟動保護裝置的啟動元件，再立即向故障側的相鄰保護發出短路功率方向信號，同時接收對側的短路功率方向信號，通過比較本保護和相鄰保護的短路功率方向信號相同與否決定是否動作。該保護方案的電流速斷保護能夠保護本線路的全長。

4 含DG的配電網保護的仿真研究

根據《某市分布式太陽能光伏發電應用示范項目報告》提供的數據，該工程平鋪組建裝機容量約為50MWp，光伏電站建成后，全年理論發電量約等于：7334.42萬kWh。光伏發電系統總效率為：74.183%，全年理論上網電量約等于：7334.42萬kWh×74.183%=5440.89萬kWh。年發電等效利用小時數為：54408900kWh÷51768.7kW=1051h。

4.1 主要發電設備

某市分布式太陽能光伏發電應用示范項目由以下幾個主要部分構成：

（1）光伏組件陣列：其作用是利用光生伏特效應將太陽輻射的能量轉換為直流電，系統向電網輸送的所有電能均由其提供。

（2）并網光伏逆變器：其作用是將光伏組件陣列輸出的直流電通過電力電子轉換裝置轉換成50Hz，0.4kV的交流電。

（3）升壓變壓器：將并網光伏逆變器產生的交流電能直接升壓為10kV電壓，并通過10kV匯流柜送入高壓電網。

（4）10kV配電及計量：并網光伏發電系統中配有直流匯流箱及直流配電柜、交流配電柜、發電/市電計量柜、監控系統等設備。

（5）公共電網：其作用是吸收并網光伏逆變器產生的電能，通常可以將其看作一個無限大的交流儲能裝置。

4.2 現狀繼電保護配置情況

（1）110kV#1站、#2站監控系統，采用深圳南瑞繼保設備，由站控層和間隔層兩部分組成，并用分層、分布、開放式網絡系統實現連接，站控層與間隔層均采用雙以太網。

（2）110kV#1站側10kV IM#1線、#2線、#3線、#4線、10kV IIM#5線、#6線共6回線路均配置10kV線路保護測控裝置，采用深圳南瑞繼保設備：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站側10kV IM#7線、#8線、#9線，配置10kV線路保護測控裝置，采用深圳南瑞繼保設備：ISA-351F型。9套裝置均具備過流速斷保護、零序過流保護、過流加速保護和零序加速保護、過負荷保護（報警或者跳閘）、具備低周減載功能和三相一次重合閘功能。

4.3 分布式電源繼電保護配置情況

根據調度要求，光伏電站及某廠區開關站側發生短路故障時，需要0S切除故障點；當電網側發生故障時，光伏發電側逆變器孤島保護及低頻低壓解列功能需0.6S內與系統解列。

4.4 110kV#1站、#2站側

（1）主變保護

110kV#1站#1、#2主變和110kV#2站#1、#2主變已配置主變保護裝置（#1站為深圳南瑞廠家設備，差動保護ISA-387GA，高后備保護ISA-388G，低后備保護ISA-388G，非電量保護ISA-361G。#2站為深圳南瑞廠家設備，差動保護ISA-387F，高后備保護ISA-388F，低后備保護ISA-388F，非電量保護ISA-361F），具有間隙保護功能，滿足本期工程新增主變間隙的保護需要，本期只需增加保護間隙功能跳閘出口端子、出口壓板及相應連接軟導線。根據規定，主變間隙保護動作，需考慮切除小電源，因此本項目當110kV#1站#1、#2主變間隙保護動作時需提供跳閘信號至某廠區側，跳開并網柜斷路器。當110kV#2站#1、#2主變間隙保護動作時需提供跳閘信號至某廠區側，跳開并網柜斷路器。

（2）10kV線路保護

110kV#1站側10kV IM#1線、#2線、#3線、#4線、10kV IIM#5線、#6線共6回線路均配置10kV線路保護測控裝置，采用深圳南瑞繼保設備：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站側10kV IM#7線、#8線、#9線共3回線路均配置10kV線路保護測控裝置，采用深圳南瑞繼保設備：ISA-351F型。9套裝置均具備過流速斷保護、零序過流保護、過流加速保護和零序加速保護、過負荷保護（報警或者跳閘）、具備低周減載功能和三相一次重合閘功能。本期工程#2站10kV#8線、10kV#9線需從1M調整至2M，#1站10kV#2線需從1M調整至2BM，因站內10kV線路保護屬同一型號產品，調整后線路保護仍滿足本項目要求，不需新增設備。

4.5 不同故障點的仿真研究

針對上述方案，我們進行數據優化，對其進行仿真分析，下面以圖1含DG的配電網模型在Matlab中進行仿真分析，仿真模型如圖2。系統電源采用10.5kV的理想電源，負荷額定功率均為1MV，DG接在母線C上，額定容量為10MVA。線路參數為r1=0.17Ω/km，x1= 0.38Ω/km，線路長度為AB = 10km ，BC = 15km ， CD = 8km， AE = 6 km。

首先通過比較DG接入前后不同位置發生三相短路故障時，保護安裝處檢測到的故障電流的變化，分析DG接入配電網對保護的影響。

（1）故障發生在DG的上游。當線路AB末端發生三相短路故障F1，流過保護2的電流波形如下：

未接入DG時，發生故障F1，流過保護2的故障電流為零，接入DG后，因為DG會給故障點提供電流，所以流過保護2的電流較大，容易使保護誤動作。

（2）故障發生的DG的下游。當線路CD末端發生三相短路故障F2時，流過保護3的電流波形如下：

對比上面兩個波形圖，可以看出，DG接入后發生故障時流過保護3的故障電流明顯增大很多，這在一定程度上能夠提高保護3的靈敏度，但是也容易使保護3的保護范圍延伸到下一級線路，失去選擇性。

（3）故障發生在DG的相鄰饋線。當線路AE末端發生三相短路故障F3時，流過保護1、2、4的電流波形如下：

從上面的波形圖可知，當DG的相鄰饋線發生故障時，和保護3的情況相同，流過保護4的電流明顯增大，一方面能提高保護4的靈敏度，另一方面會失去選擇性。而保護1因為有較大的反向電流流過容易造成誤動作。

通過仿真計算表明，該方案能解決DG接入配電網引起的保護問題，且該方案的電流速斷保護能夠保護線路全長，解決了配電網短線路多，容易致使保護失去選擇性的問題。

5 結論

由于配電網配置比較簡單，主要以電流保護為主，其整定值是按照系統的最大運行方式進行計算。雖然這種計算方法能夠保證系統在各種運行方式下保護都不誤動作，但是容易縮小保護范圍，甚至在某些嚴重情況下失去保護范圍，尤其在配電網較短的線路中和分布式電源接入的配電網中。利用現代通信技術手段和高性能數字信號處理器DSP實現快速實時的在線計算電流整定值是實現本保護方案的關鍵。分布式電源接入配電網已經成為一個勢不可擋的趨勢，所以應該更加重視和研究更多的適用于含DG的配電網保護方案。

參考文獻

[1]郭銘，艾芊.分布式發電接入對配電網繼電保護的影響分析[J]. 供用電，2010，27（1）：1-3.

[2]崔紅芬，汪春，葉季蕾，等.多接入點分布式光伏發電系統與配電網交互影響研究[J].電力系統保護與控制，2015，（10）：91-97.

（作者單位：廣東電網有限責任公司中山供電局）