含分布式電源的城市電網故障分析方法研究

崔文祥，令狐冰波

（1.中國鐵塔股份有限公司西安市分公司，陜西 西安 710075；2.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310051）

1 分布式電源的基本定義與優勢

1.1 定 義

當前，在電力行業的現代化發展過程中，分布式電源在很多領域得到了廣泛應用。國際分布式能源聯盟將分布式電源的定義為：安裝于用戶端的高效冷/熱電連供系統，能夠在消費地點或者其輻射區域內實現發電的循環系統。在該系統內，發電過程中產生的熱和電能夠得到有效利用。現場端包含可再生能源系統，實現了廢氣、廢熱與多余壓差的合理利用，實現了這些廢能向電能資源的有效轉化。在國內外發展中，分布式電源的發展與應用水平有所差異，我國分布式電源尚處于發展的初期階段。

從分布式電源的應用來看，主要包含以下兩種。一種是將冷/熱電系統以小規模、小容量、模塊化與分散式的方式直接安裝在用戶端，能夠有效實現冷、熱、電能的獨立輸出控制，適用于太陽能、風能等多種能源。另一種是安裝于用戶端的能源系統，一次能源主要為氣體燃料與可再生能源，而二次能源主要是冷、熱、電聯產，其他能源供應系統發揮著輔助作用。這種能源形式有效實現了電力、熱力與制冷、蓄熱技術等的結合，滿足了用戶的多種電能使用需求，能源能夠實現梯級利用[1]。

以中國鐵塔公司為例，其分布式電源的應用水平相對較高，利用鋰電池與FSU監控等產品滿足了用戶的全天候、不間斷供電需求，形成了“備電+監控”的電力服務結構，為金融網點、ATM機、交通信號以及醫療服務機構等提供了良好的電力服務。

1.2 優 勢

分布式電源在城市電網中的應用具有能效合理、電力損失小、污染少、運行靈活、系統經濟等優勢。首先，分布式電源主要分布安裝在需求側，能夠在系統運行中實現能源的梯級利用，提高資源的綜合利用率。由于用戶對電能資源需求量、要求等有著不同的要求，能夠在分布式電源的應用中使得溫度與供應電源直接對接，進而將能源輸送中的損耗量降至最小[2]。其次，分布式電源下，資源與環境效益最優。在電網系統的構建過程中，能夠以終端的電源利用為基礎來確定其規模。再次，分布式電源結構下，能源轉換技術是重點技術。此技術的應用能夠有效降低污染物的排放量，使得排放趨于分散化，能夠被周邊植物吸收。由于分布式電源下的排放量相對較少且排放密度較小，能夠利用相應的技術實現排放物的資源利用，如排放產生的氣體能夠被作為肥料加以使用。最后，信息化技術是分布式電源的核心技術，各種信息化技術的應用使得電網系統能夠實現智能化管理與控制。

2 分布式電源對城市電網保護的影響

2.1 對重合閘的影響

現階段，在城市電網中自動重合閘已經得到了廣泛應用。城市電網中原有的含有DG的配電網在運行出現故障時，常常會表現出以下特征：配電網處于孤島運行狀態，其中的部分負荷會直接由DG進行供電，如果在此種狀態下實施自動重合閘控制，可能造成重合閘的失效；DG在饋線斷路器跳閘后依舊維持持續的供電狀態，這種情況下故障點的電弧無法及時熄滅，同樣會造成自動重合閘的失敗。如果在城市電網運行過程中出現了瞬時性故障，自動重合閘的存在能夠使得在此類故障發生的過程中依舊維持快速恢復供電的狀態。但是，在DG接入配網后，配電線路會發生明顯改變，呈現出雙側電源供電的狀態，這時重合閘動作需以兩次保護時間、兩側電源的同步等相協調。

2.2 潮流方向

在城市電網中如果接入分布式電源，可能會使得整個電網系統內出現逆向潮流現象。一旦DG裝機容量較大，超出本地消耗的電能限制，整個配網的潮流方向將會發生明顯變化。傳統的城市配網中，主要采用單端輻射狀網絡結構。在此結構體系下，潮流方向具有固定性，一旦出現了短路故障，相關人員也能夠及時發現故障電流的方向。而DG接入城市電網后，配電網無法保持原先的拓撲結構，而拓撲結構的變化同樣引發了配網潮流方向、運行方式等的變化，使得潮流方向具有不確定性。

2.3 對短路電流的影響

在城市電網中，如果采用DG并網運行模式，即使潮流方向能夠維持原狀，在短路故障發生時，短路電流值也會隨之受到一定影響，導致流經保護的短路電流值會出現明顯變化，而這種變化趨勢存在較大的不確定性，難以實現精準預測。在城市電網的運行過程中，由于故障位置、DG運行方式等都存在區別，流經保護處的故障電流值可能會增大也可能會減小。城市電網故障電流值的變化趨勢會根據配網中接入的DG種類、數量等有所區別。

2.4 孤島運行

通常，如果城市電網中出現故障，故障清除一般是由故障點距離最近的保護繼電器實現的。如果在城市電網運行過程中故障發生在DG接入點的上游位置，那么DG會為已經從配電網中隔離出來的部分負荷提供一定的電能。如果DG容量不足，需要為其提供額外增加的負荷。在這種情況下，DG可能會出現過載、停機等現象。如果是與主電網隔離的孤立系統，負荷用電將全部由DG來完成供電，這種情況下也就是俗稱的孤島運行。城市電網中，孤島運行的危害主要表現在兩方面：一是維護人員極易存在誤接入帶電導體觸電的情況；二是孤島系統下的電源質量相對較差。

3 含分布式電源的城市電網故障處理

在城市電網中如果存在分布式電源接入，故障發生時主要包含以下幾種處理策略。

3.1 配網故障時及時切除DG

分布式電源接入城市配網后，將會對整個電力網絡系統的繼電保護產生一定影響。為了徹底解決此類問題，當城市電網運行中出現故障后，要及時進行相應的處理，在故障發生的時間段內切除DG。當切斷DG后，原有的城市配網基本不會受到影響。這種故障處理方式雖然對城市電網的改動相對較小且成本相對較低，但是依舊存在諸多問題。比如，故障發生后，DG單元需首先進行故障檢測，檢測完成后再退出。當前出臺的一些標準中明確規定，并網DG在故障發生后、自動重合閘前，需要將DG及時從城市電網中切除。但是，在實際的電網管理中并不能夠完全做到。

3.2 限制DG容量及接入位置

在城市電網運行與使用過程中，由于不能完全保障在故障發生后及時將DG從城市電網中及時切除，因此在一些城市電網中逐步采用了限制DG容量、改變DG接入位置的方式來加以調整，盡量減小DG接入對城市電網造成的不利影響。有關研究指出，在繼電保護動作可靠的前提下，接入數量、位置、組合方式與線路參數等對準入容量產生影響。在保持城市電網原有保護配置的基礎上，DG的準入條件會受到諸多因素的影響。因此，雖然在一定程度上限制DG容量、接入位置的方式能夠實現故障處理，但同樣存在諸多問題。

3.3 改變配電網的保護配置

改變配電網保護配置的方式同樣是一種有效的故障分析與處理方式。在實際應用過程中，在原有保護的基礎上安裝相應的方向判別元件。這種情況下輸電線路中相對成熟的保護原理與方案能夠被應用于城市電網，在一些條件下還能夠實現網絡化的數字保護，最大程度降低DG對城市電網產生的不利影響。

3.4 引入故障限流器

如果在城市電網中引入分布式電源，為了減小分布式電源對城市電網造成的不利影響，可以在電網中使用故障限流器。當故障發生時立即引入FCL，能夠最大程度上減小故障電流對整個電網所造成的不利影響。在城市電網的正常運行狀態下，故障限流器的引入不會對系統的正常運行產生任何影響。比如，在城市電網的放生線路出現故障維持異常運行時，可以在此處接入限流裝置，實現短路電流的控制。這種情況下，分布式電源的影響會隨著線路阻抗的增大呈現逐步減小的趨勢。此種故障處理方式下，分布式電源難以為系統提供可靠、穩定的支持。

3.5 自適應保護

在自適應保護理念下，要求在城市電網系統中盡量使得保護能夠適應電力系統的變化情況，從而實現保護性能的優化與調整。在當前的發展過程中，在一些含有分布式電源的城市電網中逐步引入了自適應保護的方式，在自適應保護設備中能夠有效存儲相應的基準信息，采集線路中各個電氣設備的相關數據來進行相應的計算、對比與分析，進而根據分析結果來鎖定故障類型、故障范圍，結合故障特征，提出此種故障應該采取的保護方案。在這種模式下，主要進行的是點信息的采集，由于城市電網的構成相對復雜，其覆蓋范圍極廣，后期的運行維護相對困難，因此存在一定的局限性。在一些城市電網中，所采取的自適應保護方法是利用計算機系統來對電網運行情況開展全方位的監控，進而根據系統運行過程中運行狀態的變化，來對相應的保護裝置參數、定值等進行動態的調整與優化。

3.6 基于多代理系統的保護方案

在含有分布式電源的城市電網系統中構建通信網絡，并在其中引入智能終端采集線路、DG、斷路器等單元的模擬量與狀態量信息，將這些信息經由通信網絡加以整合，能夠實現對多點信息的綜合分析，進而有效保障故障定位的準確性。根據故障情況，系統能夠自動進行故障的相應處理。

4 結 論

隨著城市電網的逐步完善，分布式電源接入逐步成為一種應用相對廣泛的形式。在城市電網中的應用雖然具有一定優勢，但是由于技術發展水平有限，在城市電網的故障分析與處理方面依舊存在一定的技術局限。在未來發展中需加大研發投入，發揮分布式電源在城市電網中的重要作用。