分布式電源對配電網電流保護的影響

王訓哲，曹昂，盛逸標

（1.武漢大學 電氣工程學院，武漢430072；2.新南威爾士大學電氣工程與通信學院，悉尼2032）

0 引 言

能源是當代人類物質文明發展的根基。過去的幾個世紀中，以煤炭、石油、天然氣等化石燃料為核心的能源結構對人類文明的發展做出了十分突出的貢獻。隨著化石能源日益的枯竭，如何更多的利用可再生的清潔能源進行發電，減少化石燃料的消耗，改善能源結構單一的現狀，已經成為世界范圍內電力領域研究的熱點問題。

目前我國的供電系統都是以大機組、大電網、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統，而大電網由于自身固有的缺陷，已經無法滿足當今時代發展對電力行業越來越高的需求。隨著當前負荷種類的增加，負荷的變化將變得更加迅速，大的電網難以追蹤這種變化，當負荷的峰值與谷值之間的差距越來越大時，電網中的相關設施的利用率會下降，減少經濟效益。發達國家的相關經驗可以證實：以超高壓和特高壓為構架的大型電網系統，輔之以風能、太陽能等為主的分布式發電系統，能有效增加能源利用效率，提高電力系統安全性以及靈活，也將是未來電力行業的發展趨勢［1-3］。

分布式發電系統通常是指容量在幾千瓦至數十兆瓦之間的、以分散方式布置在用戶附近的、為環境兼容并且較為節能的發電裝置。DG主要用以提高供電可靠性，可在電網崩潰和意外災害情況下維持重要用戶的可靠供電。此外DG還具有提高能源利用率、調峰、減少溫室效應、節省輸電走廊等效益。DG接入到已經存在的配電網中，將改變系統的固有結構，原有的單輻射供電網絡因分布式電源的接入會改變為雙端或者多端的網絡，可能會引起原有的繼電保護誤動或者拒動，降低了供電可靠性［4-6］。

1 分布式電源的建模

目前，國內外學者針對逆變型分布式電源的研究，關注的重點是逆變型電源輸出響應速度上的差異［7-9］。在分布式電源的外部發生故障時，變流裝置會對外部的故障迅速做出反應，分布式電源在故障后輸出的有功及無功在極短時間內能夠很快的恢復到正常值。在次暫態過程中，由于有沖擊電流的存在，分布式電源輸出的有功和無功與故障前相比都會有所增加。但是次暫態過程存在的時間較短，在暫態和穩態過程中，可以將逆變型分布式電源假定為恒功率模型。在系統正常運行的情況下，電網的潮流確定其電壓、電流值；發生故障時，保持故障前后的輸出功率不變，由于故障原因，IIDG接入點的電壓將下降，而電流將與電壓成反比例的關系。因此，本文將使用一個可控電流源來對逆變型的分布式電源進行等效處理［10-11］。

在PSCAD仿真軟件中，具體的模型如圖1所示。

圖1 分布式電源的恒功率等效模型Fig.1 Constant power equivalent model of DG

逆變型的分布式電源在發生短路故障前后，對外輸出的功率可以看作是恒定的，因此本文所采納的模型是三相受控電流源，用三個獨立的正弦信號發生器構成該受控電流源的三相，如圖2所示。

圖2 可控電流源的模型圖Fig.2 Controlled current source model diagram

對于ABC三相而言，初始相角定義為可調的。ph I為初始相角，phA為 90°，phB為 210°，phC為-30°，彼此相差 120°，如圖3所示。

圖3 可控電流源的相位控制Fig.3 Phase control of controlled current source

在圖4中，首先通過實時電壓測量器Epv得到分布式電源接入點的電壓值。仿真中分布式電源的容量設定為10 MVA，利用除法器得到該受控電流源輸出的電流值。由于正弦發生器輸入的電流值Ipvm是電流的幅值，而Epv所測量的結果是三相受控電流源的線電壓，因此由除法器S/Edg所得到的結果乘以得到受控電流源的幅值Ipvm。

圖4 可控電流源的幅值控制Fig.4 Amplitude control of controlled current source

2 DG對三段式電流保護影響的理論分析

分布式電源位于不同的位置，會給繼電保護帶來不同的影響。本文對以下三種情況進行了理論分析，分別是：分布式電源位于故障點的上游，分布式電源位于故障的下游和分布式電源位于故障的相鄰饋線。

2.1 DG位于故障的上游

如圖5所示，當在母線f2處發生短路現象時，分布式電源會和大電網同時向短路點流過短路電流，這樣會導致流過保護R2的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當DG容量較大或DG與保護越近時，有可能會造成保護R2的瞬時電流速斷保護誤動。保護R1檢測到的電流值將減小，當保護R2不能動作而由保護R1動作切除故障時，由于檢測到電流值的減小，可能會造成保護的拒動。

圖5 DG位于故障的上游Fig.5 DG is upstream of the fault

2.2 DG位于故障的下游

如圖6所示，當在母線f2處發生短路現象時，分布式電源會和大電網同時向短路點流過短路電流，這樣會導致流過保護R2的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當DG容量較大或DG與保護越近時，有可能會造成保護R2的瞬時電流速斷保護誤動。保護R1檢測到的電流值將減小，當保護R2不能動作而由保護R1動作切除故障時，由于檢測到電流值的減小，可能會造成保護的拒動。

圖6 DG位于故障的下游Fig.6 DG is downstream of the fault

2.3 DG位于故障的相鄰饋線

如圖7所示，當保護R5出口附近的fl母線發生短路現象時，分布式電源和大電網同時向短路點流過短路電流，這樣會導致流過保護R4的短路電流值較之無分布式電源時有所增加。當分布式電源的容量很大時，有可能會使其大于電流保護的動作值，從而造成保護的誤動。

圖7 DG位于故障的相鄰饋線Fig.7 DG is on adjacent feeder of the fault

3 仿真分析

根據某10 kV配電網的實際參數，搭建了含DG的配電網模型，進行仿真驗證。DG通過C母線連入配電網，三相短路故障發生在D母線，所搭建的含DG配電網仿真模型如圖8所示。

在PSCAD中進行仿真分析，可以得到故障前后流過保護BRK1到保護BRK4的電流值。

圖8 DG位于故障上游的配電網圖Fig.8 Distribution network with DG upstream of fault

（1）無DG時和有DG時，配電網故障發生前后流過 BRK1的短路電流分別如圖9（a）和圖9（b）所示；

（2）無DG時和有DG時，配電網故障發生前后流過 BRK2的短路電流分別如圖10（a）和圖10（b）所示；

（3）無DG時和有DG時，配電網故障發生前后流過BRK3的短路電流分別如圖11（a）和圖11（b）所示；

（4）無DG時和有DG時，配電網故障發生前后流過BRK4的短路電流分別如圖12（a）和圖12（b）所示。

圖9 BRK1的短路電流Fig.9 Short circuit current of BRK1

圖10 BRK2的短路電流Fig.10 Short circuit current of BRK2

圖11 故流過BRK3的短路電流Fig.11 Short circuit current of BRK3

圖12 流過BRK4的短路電流Fig.12 Short circuit current of BRK4

當DG下游的D母線發生三相短路故障時，有DG時和無DG時流過保護1的短路電流基本相等。對于保護4，母線D發生短路故障時不會影響流過保護4的短路電流，因此重點是分析保護2和保護3在有無分布式電源時的情況。

對于保護2，由于分布式電源和大電網一起向短路點流過短路電流，大電網經保護2向短路點注入短路電流。由于DG的接入，使得保護2測量大電網提供的短路電流降低，當降低到保護2的整定值時，保護2將會拒動。對于保護3，大電網和分布式電源一起向短路點流過短路電流，此時保護3測量電流值將增大，保護的可靠性會提高，但有可能會造成保護3的誤動作。在MATLAB中計算故障時流過保護2和保護3的基波電流的幅值。

對于保護2，在無DG和有DG的情況下，計算得到的基波短路電流基幅值如圖13所示。

圖13 BRK2的短路電流基波幅值Fig.13 Short circuit amplitude current of BRK2

對于保護3，在無DG和有DG的情況下，計算得到的基波短路電流基幅值如圖14所示。

當D母線發生三相短路故障，即DG位于故障的上游，針對保護2和保護3，可以得出如下結果：

圖14 BRK3的短路電流基波幅值Fig.14 Short circuit amplitude current of BRK3

（1）對于線路BC的保護2，在無 DG時的情況下，故障電流基波幅值為1.647 kA；在有DG時的情況下，故障電流基波幅值為0.746 4 kA，有DG時的短路電流小于無DG時的短路電流。當保護2作為后備保護時，有可能造成保護的拒動；

（2）對于線路CD的保護3，在無DG時的情況下，故障電流基波幅值為1.612 kA（有效值為1.14 kA），未超過整定值，電流I段保護不會動作；在有DG時的情況下，故障電流基波幅值為3.099 kA（有效值為2.19 kA），超過I段的整定值1.36 kA。因為故障發生在線路末端，在發生三相短路故障時，保護3的電流速斷保護不會動作。但是在有DG接入配網的情況下，流過保護3的短路電流超過了整定值，因此保護3會發生誤動，與理論分析相符。

通過在含DG的10 kV配電網中進行仿真驗證，驗證了理論分析的正確性。

4 基于本地信息量的自適應電流保護方案

提出了基于本地信息量的自適應保護方案，在接入恒功率的分布式電源后，已有保護不能滿足繼電保護動作可靠性的要求。自適應保護通過實時觀測當前系統的故障狀態信息，通過計算機對保護值進行在線的整定，改變保護原有性能以適應運行狀態的變化，進一步改善保護的性能［12］。

通信技術的快速發展，使得基于通信信息的廣域保護受到廣泛研究。考慮到信息傳輸時延對系統響應的影響；其次，系統發生故障時，通信網絡會傳輸大量的故障信息，如何保證可靠、迅速地傳送關鍵的數據也是當前面臨的難點；當通信系統出現故障時，基于廣域信息的保護也將失效。因此，研究基于本地信息量的自適應電流保護具有重要且意義。例如可以通過本地變電站檢測到的故障信息，區分潮流轉移過負荷和保護區域內故障，對保護定值進行修改。基于本地信息的系統保護位于傳統保護和穩控技術的結合區域，可以有效降低對通信網絡和通信實時性的依賴程度［13-14］。

5 結束語

分布式電源作為現有大電網的有力補充，對增強原有電力系統的安全性、降低能源損失、改善環境質量和實現能源的永續利用方面，發揮著決定性的作用。當分布式電源接入到已經存在的配電網中，將改變系統的固有結構，原有的單輻射供電網絡因分布式電源的接入會改變為雙端或者多端的網絡，對配電網的繼電保護裝置帶來諸多不利影響。本文建立了分布式電源的恒功率等效模型，詳細分析了DG并入配電網不同位置時對三段式電流保護動作行為的影響，在PSCAD中通過仿真驗證了理論分析的正確性，并提出了基于本地信息量的自適應電流保護方案，為并入DG后的配電網繼電保護算法研究提供了一定的理論依據。