分布式電源接入配電網的繼電保護研究

宋 健 ，許 喆 ，翟 爽 ，徐永健 ，王 丹

（1.國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257091；2.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590；3.東營方大電力設計規劃有限公司，山東 東營 257091）

0 引言

分布式電源（Distributed Generation，DG）的大量并網，對電力系統可靠性與穩定性產生了一定沖擊，尤其對繼電保護的影響不容忽視。DG的接入使得電力系統的運行環境變得更加復雜，傳統單側電源供電變為雙側甚至多側電源供電，潮流的流向也隨之發生了變化［1］。這些重要的變化使得原有保護策略中的保護定值、動作時限等環節受到了影響［2］。

針對復雜多變的網絡結構和運行方式，國內外學者對接入分布式電源的配電系統的保護研究已經高度重視，目前提出的保護策略主要包含改進的傳統電流保護［3-4］、縱聯保護［5］、距離保護［6］、采用通信技術的集成式保護［7］和采用基于故障暫態信息的保護方案［8］等。這些不同的保護策略根據其自身特點適用于不同的場合。

結合東營河口區風電和市轄區光伏接入東營配電網的現狀，從短路電流、三段式電流保護2個方面分析DG接入對東營配電網繼電保護方面產生的影響，并針對其中存在的問題提出相應的解決措施。

1 DG接入對傳統配網保護的影響

1.1 短路電流

當分布式電源接入配電網后，系統側即故障點上游提供的短路電流要明顯小于分布式電源側即故障點下游提供的短路電流。它的作用機理是除了系統電源之外，分布式電源同樣會對故障點注入短路電流，使得分布式電源側的短路電流增大，而且分布式電源對于接入點電壓具有助增作用。

由于分布式電源類型、并網容量的不同，對系統產生短路電流的影響也會有所差別。以光伏電源為例，它對系統所注入的短路電流遠小于并網后提供的短路電流。設分布式電源并網前其節點阻抗矩陣為Z，由于其并網后網絡中的元素會發生改變，采用支路追加法和迭代法對并網后的節點阻抗矩陣進行修改：

式中：Zij、Zik、Zkj為相應節點之間的互阻抗；Zkk為節點k的自阻抗；xkG為節點k的等效電源并聯電抗；m為DG編號；b（m）為編號為m的DG對應的安裝母線；xb（m）G為含 DG 的母線 m 處的等效電抗。

當母線n發生三相短路時的短路電流計算公式為

式中：Z′nn為節點阻抗陣Z′中節點 n 的自阻抗；Un（0）為故障母線n正常時的電壓。考慮到規劃問題的精度，在實用計算中也可以取為1.0。而以并網容量為例，將其參數值隨容量變化的公式簡化為

式中：xmax、xmin分別為分布式電源的次暫態電抗的上下限；SG為系統的容量；SS為額定容量；SB為經過標幺值換算后系統的基準容量。

此外，并網位置的不同也會對短路電流產生一定的影響。當分布式電源處于線路首端與末端時，它所帶來電壓的提升效果也是不同的。一般而言，當分布式電源處于線路首端時對于短路電流產生的影響最小，而位于線路中段時對于短路電流的影響最大。

1.2 三段式電流保護

首先以系統側相鄰饋線K1點處發生故障為例，分析DG接入對電流保護的影響。如圖1所示，DG將通過母線向K1提供反向短路電流。若斷路器QF1、QF2配置的保護未裝設功率方向元件，當DG的容量足夠大時，有可能引起QF1、QF2的保護誤動作［9］。

圖1 DG倒送電流

以圖2所示的情況為例，當接入變電站附近的DG1下游K1點發生短路故障時，由于DG的存在，QF1處保護檢測到的故障電流會降低，從而導致DG1處裝設的保護的動作靈敏度降低，有可能會發生拒動。

圖2 DG降低線路保護的靈敏度

若K2點發生故障時，DG1所產生的故障電流會使QF2處檢測到的故障電流增大，從而增加了QF2處保護的可靠性；同理當K3點短路時，由于DG1對故障電流的助增作用，QF2與QF3檢測到的故障電流會隨之增大。雖然保護安裝處的可靠性增加，但是當QF2檢測到的故障電流增大到動作電流值時，保護 2就會發生誤動，喪失選擇性［10］。

2 算例分析

2.1 算例1

以東營市建造開發的第1個風電場、總裝機容量為48 MW的河口仙河華能風電場為例，將其接入東營河口區電網的等效模型進行簡化處理，如圖3所示。

圖3 部分風電接入東營電網等效模型

河口區的風電場多數在配網饋線末端接入，將變電站及其上游線路部分等效為無窮大電源。假設線路AD段發生短路故障，且由DG提供的短路電流足夠大，會造成短路點處的電壓升高，由于DG也會產生故障短路電流，所以系統側提供的短路電流會減小，這會降低保護3的靈敏度，嚴重時會引起保護3誤動。

結合東營地區實際情況，河口區風電站采用三段式電流保護與距離保護相配合，并配有低電壓穿越功能的保護策略，雖然在一定程度上相對于電流保護性能更加完善，但是距離保護也會受到分布式電源提供的故障電流的影響，同時短路點過渡電阻也會對距離保護產生較大影響。

針對東營河口區風電接入配網存在的問題，結合風電站電壓等級高、裝機容量大的特點，考慮采用分區縱聯保護的改進策略來解決現階段河口區繼保方面的突出矛盾。如圖4所示，以單DG接入母線的情況為例，提出分區縱聯保護方案，并分析其對繼電保護裝置的影響。

圖4 單DG情況下的保護方案

1）分區。本方案以DG接入點所在位置為界，將饋線2劃分成區域1（DG上游）、區域2（DG下游）2個區域。

2）保護策略。

在區域1相應位置加裝斷路器以及保護裝置5。考慮到當區域1發生故障時，若DG提供的輸出功率較小或者已經退出運行，可能會導致保護5處的方向元件靈敏度不足，發生拒動，所以在保護5處還應配置弱饋保護。

為保證當區域1內發生故障時能瞬時動作保護整個區域，在保護4和5處應配置方向縱聯保護并設置重合閘功能。由于保護5的重合閘功能必須在保護4判為瞬時性故障時由保護4來起動，因此保護5處的重合閘需要具備檢同期功能。

保護3和4處需要配置帶有方向元件的定時限過電流保護。

3）整定值。由上述的分析可知，DG的接入將不會對饋線2上定時限過電流保護之間的配合產生影響，所以不用進行重新整定。

2.2 算例2

選取東營某城區的一個直接接在線路上的6 MW屋頂分布式光伏發電項目為參考對象，對其線路結構簡化處理如圖5所示。

圖5 光伏項目接入配網等效處理

將光伏電源及上游線路等效為10 kV系統電源，主要研究系統發生三相短路故障時保護的動作情況，即考慮系統最大運行方式下繼電保護裝置相應的動作情況。利用PSCAD軟件搭建算例仿真模型，模型搭建后，進行仿真計算，首先測量未接入光伏電源時，CD線路末端（即K2點）發生三相短路時，相應的故障電流波形如圖6所示。

由圖6可看出，當K2點發生三相短路故障時，根據前文的理論基礎，K2點產生的短路電流將不會影響相鄰饋線的電流。在分析完未接入分布式電源情況下的故障電流情況之后，在母線C處加入相應的光伏電源，電源容量為6 MW，故障持續時間仍設定為10 s，繼續分析K2處發生三相短路故障時，故障電流波形如圖7所示。

圖6 未接入光伏時故障電流波形

當K2點發生三相短路故障時，由于光伏電源的接入，除系統電源之外，網絡又變為雙側電源供電，故障點下游的短路電流增加，從而使得線路保護2處檢測到的短路故障電流增大，在一定程度上提高了保護2的可靠性。由于保護1也位于故障點下游，按照作用機理其檢測到的短路電流也會增大，這很有可能引發保護1處產生誤動作。

圖7 發生故障時電流仿真波形

此外，通過母線光伏電源也會給饋線2、饋線3提供相應的反向短路電流，在可能會引發相鄰饋線保護的誤動的同時，由于保護3處于系統側，系統側提供的短路電流將會相應減小，從而使得保護3處檢測到的短路故障電流也將減小，嚴重時會引發保護3的拒動。通過上述兩種故障波形圖的對比也可以明顯看出，在接入光伏電源后故障點K2上游產生的短路電流相較于光伏電源未接入時有明顯增加，而K2下游產生的短路電流相較于接入之前存在下降的趨勢，從而驗證了前文理論研究的正確性。

根據實地考察，光伏并網一般采用就近原則，規劃性較差。保護策略大多采用傳統的三段式電流保護，其保護元件一般不具備方向性，當其他并聯分支線路發生故障時，會引起安裝有DG的分支上繼電器的誤動。提出一套將距離保護和電流保護相結合的配電網繼電保護配置與整定原則：

1）當DG接入后，保護安裝處的三段式電流保護仍能滿足靈敏度要求的，仍然按照傳統的電流保護整定原則進行整定。

2）當DG接入后，保護安裝處的三段式電流保護無法滿足靈敏度要求的，改為裝設距離保護。

3）分DG并網點上游的線路末端在需要時應加裝相應保護裝置，以保證全線任意位置故障都能可靠切除；同時并網點上游的保護安裝處應考慮配置方向元件，防止本線路保護反向誤動。

3 結語

以東營河口區風電與市轄區光伏為例，從短路電流、三段式電流保護2個方面分析分布式電源接入配電網對繼電保護裝置產生的影響。

針對風電站電壓等級高、容量大的特點，考慮采用分區縱聯與過電流保護相配合的保護策略，在DG上游的保護裝置應加裝功率方向元件；系統側保護裝置配置自動重合閘前加速功能，DG側重合閘裝置配置檢同期功能，在一定程度上減少了誤動、拒動現象的發生率。

針對光伏電站布局分散的情況，考慮在盡量不改變原有電流保護的基礎上，在不滿足靈敏度要求的保護安裝處配置距離保護同時加裝方向元件，從而防止本線路保護反向誤動。