分布式電源容量對配電網保護的影響分析

李　晶，李　鑫，馬　越，薛秀梅

（1.沈陽工程學院，沈陽　110136；2.河南省電力公司商丘供電公司，商丘　476000；3.沈陽鐵路局沈陽電務段，沈陽　110032）

分布式電源容量對配電網保護的影響分析

李晶1，李鑫2，馬越3，薛秀梅2

（1.沈陽工程學院，沈陽110136；2.河南省電力公司商丘供電公司，商丘476000；3.沈陽鐵路局沈陽電務段，沈陽110032）

配電網中短路電流大小流向及分布發生的變化，使得含分布式電源的配電網中的各種保護發生了劇烈的改變，可能造成漏電保護及自動裝置誤動或拒動。本文通過仿真分析分布式電源對配電網電流保護的影響，驗證了分布式電源的接入將影響繼電保護的準確動作。

分布式電源；配電網；繼電保護；誤動

分布式電源作為一種新興電力電源技術[1-2]，因其具有規模小、高效靈活和經濟環保等特點成為電力工業的發展趨勢[3-4]。隨著大量分布式電源并入配電網后，改變了配電網原有潮流分布[5-6]，對電力系統繼電保護及安全自動裝置的配置和動作整定帶來一定難度[7-8]，可能造成繼電保護及安全自動裝置誤動或拒動等，嚴重影響配電網的供電可靠性[9-12]。為保證含分布式電源的配電網在故障消除后能及時智能地恢復供電，含分布式電源的配電網對繼電保護和控制提出了新的要求。

針對含分布式電源配電網保護問題，近年來國內外學者提出了一些解決方案[13-15]。但這些方案執行時均存在一些弊端。

本文首先論述了分布式電源接入對傳統的配電網保護的影響，并利用Matlab建立分布式電源和配電網模型，根據仿真結構分析了分布式電源的容量和接入位置對配電網保護的影響。

1　DG對配電網電流保護的影響

1.1保護誤動

如圖1所示，保護B2所在線路末端發生短路故障時，由于DG的接入，保護B2檢測到的電流IB2將增大；且DG的容量越大，IB2越大，IB2有可能大于電流保護I段整定值，造成保護誤動。

圖1　DG對本線路下游保護的影響Fig.1　DG impact of the downstream of line protection

保護B1和B2的無時限電流速斷保護整定值為

式中:Zdg為分布式電源和變壓器阻抗；SB為系統基準容量；Sdg為分布式電源容量。

由圖2可見，BC線路末端發生三相短路故障，當DG容量大于6 MVA時，保護B2檢測到的故障電流將大于其速斷保護整定值，引起保護誤動。

圖2　BC末端短路時B2檢測到的故障電流隨DG容量的變化Fig.2　B2 detects the fault current changes with DG capacity in the BC terminal short-circuit

保護的誤動還有另外一種情況。如圖3所示，當相鄰線路發生三相短路故障時，保護B1將檢測到DG提供的反向電流，此時保護B1可能誤動，切除DG所在線路。

圖3　相鄰線路故障時，DG對本線路上游保護的影響Fig.3　DG impact of the upstream of line protection in the nearby line fault

式中，λ為分支系數。

取前面參數值，Z4為AD段線路阻抗，取值1.2。

由式（6）可知，Sdg已知情況下，λ越小，IB1越大。考慮Sdg影響，故障點離母線越近，短路電流越大，保護越有可能發生誤動，取λ=0.001。

由圖4可知，相鄰線路離母線較近的位置發生三相短路故障時，由于DG的作用，本線路保護可

圖4　相鄰線路短路時B1檢測到的故障電流隨DG容量的變化Fig.4　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the nearby line short-circuit

1.2保護的靈敏度降低

圖1中線路BC發生短路故障，與原配電網相比，在接入DG的情況下，保護B1檢測到的故障電流 IB1減小，靈敏度將變低。考慮兩相短路，

考慮DG對保護B1靈敏度的影響，λ越大，靈敏度越低，因此取λ=1。由圖5知，隨著DG容量的增大，B1檢測到的故障電流迅速減小，過電流保護靈敏度將明顯降低。當DG容量超過55 MW時，B1處故障電流小于其過電流保護整定值，此時如果B2速斷保護故障，B1將拒動，故障無法隔離。

圖5　BC末端兩相短路時B1檢測到的故障電流隨DG容量的變化Fig.5　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the two-phase short circuit of BC terminal

2　DG對配電網繼電保護影響仿真分析

2.1仿真模型參數

1）系統電源參數

系統側電壓選取10 kV配電網的額定電壓為10.5 kV，系統最大運行方式和最小運行方式的系統阻抗 值 分別為 ：Xs,min=0.091 Ω ；Ls,min= 0.000 29 Ω；Xs,max=0.126 Ω；Ls,max=0.000 4 Ω。

2）線路參數

包括架空線路和電纜線路。一般電纜線路故障多為永久性故障，故全電纜線路上不裝設重合閘裝置，只裝電流保護裝置。對于架空線路，一般裝設三段式電流保護和前加速自動重合閘裝置。

選取架空線路參數為：R=0.27 Ω/km；X=0.347 Ω/km。

選取電纜線路參數為：R=0.259 Ω/km；X=0.093 Ω/km。

如圖6所示，模型為含分布式電源的配網圖，饋線末端為負荷。AB、BC段各為2 km的架空線路，CD、DE段分別為7 km、14 km的電纜線路。分布式電源從母線C接入電網。饋線2由兩段線路組成，AF為4 km的架空線路，FG為6 km的電纜線路。結合單位線路參數，可以得出各段線路的參數如表1所示。

圖6　含分布式電源的配電網模型Fig.6　Model for distribution network with distributed generation

表1　模型參數阻抗Tab.1　Impedance of model parameters

3）負荷參數

配電網中負荷參數選取的依據為限制每條饋線上電流有效值不超過200 A。本文采用恒阻抗模型代替負荷：ZLD=30+j15.7 Ω，相當于單條饋線上所帶負荷約為4 MVA。

2.2DG模型的建立

分布式電源采用受控電流源等效，如圖7所示，對Irefa、Irefb、Irefc加以PQ控制，即可滿足分布式電源特性的要求。將分布式電源機組用一個模塊封裝起來，其中CTRL為將分布式電源控制中所需的Ea、Eb、Ec采集作為輸入信號輸入到模塊中，Eout為該模塊的輸出信號。

分布式電源PQ控制如圖8所示，為實現機組輸出的相位與外部電網一致，采用鎖相環電路。

圖7　分布式電源仿真模型Fig.7　Simulation module of distributed power

圖8　分布式電源PQ控制仿真電路Fig.8　Simulation circuit of PQ control with distributed power

3　DG接入對繼電保護影響仿真結果分析

首先考慮無分布式電源的情況。對于三相短路故障，可完全用正序參數進行計算分析。計算系統最大運行方式下各段線路末端發生三相短路故障時的故障電流，如表2所示。

表2　系統最大運行方式下各段線路末端發生三相短路故障時的故障電流Tab.2　Fault current occuring three-phase short-circuit fault at the end of each line in the maximum system operation mode

根據表2得出的故障電流按照電流保護整定公式進行各保護的電流速斷保護整定（可靠系數KK=1.2）。由于電流保護的保護范圍隨系統運行方式的變化而變化，按系統最小運行方式下兩相短路來校驗保護范圍，可得出各處保護電流速斷保護整定值及保護范圍，如表3所示。

限時電流速斷保護用來切除本線路上電流速斷保護范圍以外的故障，并與下一段電流速斷保護相配合。另外，為能夠保護線路的全長，限時電流速斷保護必須在系統最小運行方式下線路末端發生兩相短路時具有足夠的反應能力靈敏度。本節所用系統模型各處保護限時電流速斷保護整定值（可靠系數KK=1.1）及靈敏度如表4所示。

表3　配電網電流速斷保護整定值Tab.3　Setting values of current interruption protection of distribution network

表4　配電網限時電流速斷保護整定值及靈敏度Tab.4　Setting values and sensitivity of limit current quick break protection of distribution network

由以上分析看出：無分布式電源的情況下，算例模型進行的保護配置滿足了對保護選擇性和靈敏性的要求。

下面考慮分布式電源不同容量、不同接入位置的情況下對配網繼電保護影響。

1）d1（AB末端）發生三相短路

C點接入DG后，在d1發生三相短路時的電流如表5所示。在d1故障時，保護1和保護2都應該動作以分別切除系統電源和分布式電源對故障點提供的短路電流。但由表5的仿真數據可知，在Sdg<57.6 MVA時，分布式電源提供的短路電流不足以使保護動作；當Sdg≥57.6 MVA時，保護2的限時電流速斷才動作（≥2.228 kA）。因此應對保護2加裝方向元件并重新設定整定值。

表5　d1發生三相短路時的短路電流Tab.5　Short-circuit current of d1 three-phase shortcircuited

2）d3（AF末端）發生三相短路

C點接入分布式電源后，在d3發生三相短路時的電流如表6所示。根據第3.1節分析，d3發生故障時，分布式電源會對保護1和保護2提供反向電流，如果此反向電流超過保護1、2的整定值可能造成誤動。根據表4～表6的數據分析，在DG容量從0到40 MVA的變化過程中，I1（=I2）隨之逐漸增加，當分布式電源容量增到37.47 MVA以上，I2≥Iact.2，保護2的電流保護H段將會誤動作。另一方面，保護4的故障電流是減小的，這是因為分布式電源是接在線路的非末端而不是末端。當分布式電源接在末端時肯定會向保護4提供助增電流，但當接在非末端時電流的分配將受整個配網阻抗參數的影響。由表6可知，隨著分布式電源容量的增加，ES是減小的，因此I也會減小而不會造成誤動。

表6　d3發生三相短路時的短路電流Tab.6　Short-circuit current of d3 three-phase shortcircuited

4　結語

DG的位置及容量因素將影響配電網保護的準確動作。DG的接入可能導致流過其上游保護的短路電流減小，保護靈敏度降低；DG所在線路的相鄰線路發生故障時，本線路的保護可能會誤動，DG的接入增大了流過其下游保護的短路電流，下游保護可能誤動。

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Analyse on the Capacity of Distributed Generation on Distribution Network Protection

LI Jing1，LI Xin2，MA Yue3，XUE Xiumei2
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China；2.Henan Power Company of Shangqiu Power Supply Company，Shangqiu 476000，China；3.Shenyang Railway Bureau of Shenyang Electrical Section，Shenyang 110032，China）

All protection contained in distributed generation(DG)is radical changed by the alteration of short-circuit cur?rent flows,size and distribution.Then it would occur that the leakage protection and automatic device might malfunction or refuse to move because of the changes.Through the simulation,the impact on the current protection of the distribution network by DG is analyzed,and the paper has verified that the accurate action of relay protection is affected by DG access.

distributed generation（DG）；distribution network；relay protection；unwanted operation

TM773

A

1003-8930（2016）02-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.016

李晶（1964—），女，本科，副教授，研究方向為電力系統自動化。Email：494581440@qq.com

李鑫（1968—），女，本科，工程師，研究方向為調控及繼電保護。Email：1242114177@qq.com

馬越（1992—），女，本科，助理工程師，研究方向為電氣工程。Email：yma10@sina.com

2015-07-23；

2015-08-26