分布式電源接入對配網過電流保護的影響

衛才猛，陳錦鵬，何奕楓，郭琳，徐穎華，卓定明

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東惠州516000）

0前言

隨著分布式發電(Distributed Generation,DG)技術的發展，分布式發電在配網的滲透率逐漸增加，在改善配網供電靈活性方面具有很大的潛力。但是分布式電源接入中低壓配網后，傳統配網成為有源網[1]。傳統配網保護方案是依照輻射狀結構設計的，高滲透率DG接入后，配網故障特征發生變化，主要體現在以下兩個方面：

1)潮流雙向；

2)DG 離/并網條件下短路電流差異較大[2]。這些變化對傳統的反映故障電流特征的保護和安全自動裝置的正確動作帶來了巨大的挑戰。

當DG 的滲透率較低時，通過合理的配網規劃，傳統保護不需要進行大的調整即可滿足電網安全要求。但是當分布式電源滲透率達到一定水平后，其貢獻的短路電流足以改變配網的短路水平，就會擾亂已經建立的保護方案直接影響到配電網的安全性和可靠性。目前，幾乎所有的技術標準都要求DG 并網不應改變原有電力系統保護的自動重合閘等的協調性，必須滿足反孤島保護的需要[3]。對于高滲透率分布式電源接入配網帶來的繼電保護問題，國內外開展了大量的理論分析和仿真，給出了不同的解決方案。本文首先分析了DG 接入后對傳統配電網繼電保護的影響，介紹了國內外主要的研究現狀和相關標準，然后利用ETAP軟件建立IEEE14節點放射狀配網仿真模型，分析以雙饋風機為代表的DG接入配電網后對潮流和短路電流的影響，并在相關線路上配置國外常用的反時限保護和瞬時過電流保護，簡單分析了保護的動作情況。

1有源配網繼電保護問題

DG接入中低壓配網后，從網側來看，配網不再是傳統的純負荷無源網絡，而是含有電源的有源網。隨著DG 進一步向中低壓配網滲透，許多學者提出要建設有源智能配電網，作為智能有源配電網重要保障的繼電保護問題逐漸凸顯出來[4]。分布式發電在中低壓電網的接入不僅影響了電網的運行，實際上，還影響到其他方面，例如較大地改變了電壓分布、傳輸功率、穩態電流和短路電流。

1.1分布式電源對故障電流的影響

傳統配網保護一般基于故障電流構建。DG接入后，故障電流的特征變化直接影響到對原有保護有效性的評估和新型保護方案的構建。因此，本節首先分析分布式電源對故障電流的影響。

首先，故障電流與分布式電源的類型有關。不同類型的DG在故障發生時對短路電流的貢獻是不同的。DG 的類型大體上可以分為兩類：一類是旋轉電機型，其故障特征與傳統發電機基本類似；另一類是具有電力電子接口的DG，其短路電流受控制策略影響。文獻[5]給出了不同類型DG貢獻短路電流的情況，如表1所示。目前，大部分DG 均具有電力電子柔性接口，受開關器件的限制，一般設計有軟件和硬件限流，發生短路故障時，其貢獻的短路電流一般小于2 倍額定電流。

表1不同類型DG提供短路電流情況

然后，分布式發電機相對于供電變電站以及故障點的位置，從根本上影響了短路電流的分布，尤其是短路電流中由供電變電站供給的比重[6-8]。實際上，根據供電變電站、分布式電源和故障之間的相對位置，供電變電站的電流比重變化很大。因此，很難保證基于短路電流的保護整定的有效性。

1.2分布式電源對保護運行的影響

DG 接入可能會改變正常工況下的電流，并且可能因此對保護整定造成影響。下面分析中將分布式發電機模型簡化為一個電壓源和一個短路阻抗(戴維南電路)。該模型僅對旋轉電動機有效。以圖1為例說明DG接入后保護的誤動和拒動問題。

當相鄰線路AB段發生短路故障時，DG會提供短路電流分量，如果這一電流達到了CB2的動作值，由于沒有方向判別元件，保護CB2就可能跳閘，線路AD的供電，擴大了故障的范圍。

當CD線路上k2點發生短路故障時，由于DG的助增作用，流過保護CB3的電流有可能超過其Ⅰ段整定值，也可能誤動作，同時保護2的靈敏度降低，可能拒動，需要重新計算保護CB2的分支系數。

圖1含有分布式電源的典型放射狀配網示意圖

需要指出的是以上分析對DG進行了集中等效和簡化處理，實際上對逆變型DG，其貢獻的短路電流很小，且在現有的規程要求下，故障時DG 無條件退出。因此，現有的保護不需要進行較大的變動，基本可以滿足要求，但是從長遠來看，繼電保護對DG 向配網高滲透的限制會越來明顯。

除此之外，傳統配網是依靠保護定值和動作時限的選取來保證選擇性，實現保護和安全自動裝置之間的配合。對有源配電網，傳統保護建立起來的配合關系可能被打破，尤其是重合器、分段器、熔斷器之間的配合。保護動作切除故障后，如果DG 沒有及時退出運行，電力孤島和配電網這兩個有源網在重合閘時，會出現非同期重合或重合閘失敗[9]。

此外，在故障的情況下，若分布式電源對故障點提供足夠大的故障電流，將導致重合器誤動，分段器計數不正確就無法隔離故障點；分布式電源引入后，若重合器感受到的故障電流減小，熔斷器感受到的故障電流增大，熔斷器將在重合器未分閘之前熔斷，重合器與熔斷器失去配合。

為了解決分布式發電接入中低壓配電網帶來的繼電保護問題，國內外制定了相應的標準和技術指南。國外主要標準有IEEE-1547《分布式電源并網技術標準》和德國的《中壓網并網技術導則》以及其他一些電力協會和電力公司制定的規程[10]。

研究發現，為了盡可能減小分布式發電接入對傳統配網的影響，幾乎所有的現行標準都規定DG在故障時要盡快退出運行。典型的如IEEE1547規定逆變器在孤島下0.17秒要停止供電；英國G59標準規定，并網運作的私人發電機必須滿足反孤島保護的要求。同時，標準也要求DG應在重合閘前停止供電，防止非同期重合閘。

我國現行國家電網公司企業標準《分布式電源接入電網技術規定》(Q/GDW 480-2010)中給出了分布式電源接入配網的原則：

1)并網點的確定原則為電源并入電網后能有效輸送電力并且能確保電網的安全穩定運行；

2)分布式電源總容量原則上不宜超過上一級變壓器供電區域內最大負荷的25%；

3)分布式電源并網點的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10。

另外，我國規程要求通過10 kV（6 kV）～35 kV電壓等級并網的分布式電源，宜采用專線方式接入電網并配置光纖電流差動保護。在滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求時，線路也可采用“T”接方式，保護采用電流電壓保護。

從上述標準不難發現，DG 接入配網后，從系統安全穩定運行的角度分析，要防止非計劃孤島的產生，避免孤島運行帶來的非同期重合閘問題。另外，從我國技術規程的要求也能看出，傳統配網中的過電流保護已經不能滿足分布式電源接入的要求，推薦采用差動保護或者電壓電流聯鎖保護。

為了提高分布式發電在配網的滲透率，完善DG 接入后配網的繼電保護，國內外學者開展了大量的研究。概括起來主要有兩大類解決方法：一類是嚴格限制DG 接入位置和容量，在傳統保護基礎上進行改進，盡可能減小DG對傳統保護的影響；另一類是借助微網和通信技術，引入差動保護或者研究新的保護原理。

具體來講，主要有以下幾種方案：

1)在DG 的并網線上串聯電抗器來減小DG的助增電流，保證原有電流階段式保護正常工作；

2)以原有保護不作較大改動，并有較好的靈敏度和配合裕度為限制條件，計算饋線允許接入DG 的數量、容量和位置；

3)利用距離保護受系統運行方式影響較小，其I，II段的測量元件具有明確的方向性的特點，將距離保護應用于含DG的配電網中；

4)運用通信手段實現縱聯保護或研究基于多點信息的集成式保護的原理和方法，是當前研究的熱點。探討智能電子裝置、分布式人工智能(DAI)技術、多Agent 系統(MAS)以及通信技術在保護、控制新原理和方案中的應用[11-13]。

2有源配網繼電保護動作仿真

2.1仿真模型建立

如上所述，分布式電源有多種類型，本節以雙饋風機（DFIG）為主要DG，借助美國商業軟件ETAP進行仿真分析。以圖2所示的配電網絡為基礎，分析DG 接入后潮流、短路電流和繼電保護的動作情況。

圖2 IEEE14節點配網示意圖

圖2原本具有16條支路，但是因為配網一般開環運行，因此去掉了14、15、16三條支路，由此構成14節點13條支路典型放射狀配網結構。該系統基準容量為100 MVA，基準電壓為23 kV，整個網絡負荷為28.7+j7.75MVA，線路和負荷參數按照標準測試模型設定。

圖3 ETAP單線圖模型

在ETAP環境下建立系統的單線圖，如圖3所示，其中母線1為饋電母線，連接三條放射狀線路，負荷均采用綜合負荷模型。為了簡化分析，選取圖3最右側的線路3為研究對象進行分析。DFIG 采用ETAP自帶的雙饋異步風機模塊和逆變器模塊，輸出直接連接母線。

2.2潮流和短路電流變化情況

通過改變DG的容量，首先分析鄰近線路的潮流和短路電流變化情況，然后通過ETAP的繼保分析模塊，在相關線路上配置和整定保護裝置，仿真研究保護的動作情況。

選取母線4作為DG 的接入點，接入了4×1.5 MW 的雙饋風機，運行潮流分析模塊得到的潮流情況和短路電流情況如表2所示。由表3可知，DG 從配網接入后帶來的最大變化就是潮流方向的變化。由于母線4上接入了四臺1.5 MW 的風機，當線路負荷較輕時，風力機組通過饋線向鄰近線路輸送部分有功功率，支路3潮流反向。

表2 DG接入后系統的潮流情況

為進一步分析DG 接入后短路電流的變化情況，以DG 接入點下游母線14發生三相短路為例，進行簡單分析。圖4所示為DG 接入前后，母線14發生總故障電流的瞬時值，可見，隨著DG的接入，下游線路短路時，短路沖擊電流增加。

圖4 DG接入前后母線14的總故障電流瞬時值

為了模擬不同滲透率情況下短路電流的變化情況，改變風機的接入容量，分別以4×1.5 MW 和8×1.5 MW 接入進行仿真，結果如表3所示。表3給出了母線14發生三相短路故障時，流過相關線路的短路電流穩態值，其中支路3在DG 接入點上游，支路12和13在接入點下游。

表3 DG接入前后短路電流變化表

DG 接入后流過支路3保護的電流減小，并且隨著DG 滲透率的提高，電流減小越明顯，這會降低上游瞬時過電流保護的靈敏度，甚至造成保護拒動；但是，對于接入點下游的線路支路12和13，由于DG的助增作用，流過支路上保護裝置的電流增大，隨著DG容量的增大，增大的程度越顯著，這樣會增加下游線路保護的靈敏度，有可能誤動。

2.3保護配置和動作情況仿真

為了分析DG接入后對配電網繼電保護的影響，本節利用ETAP的繼保分析模塊進行保護整定和分析。仿真中主要針對母線1、4、12、13連接支路，如圖5所示，分析DG接入后對上游和下游保護的影響。

圖5繼電保護分析示意圖

DG 接入前，對于配電線路，保護配置相對簡單，這里主要考慮采用瞬時速斷保護和反時限保護，瞬時速斷保護按照保護末端母線故障時保護不動作進行整定，如式（1）所示，其中可靠系數Krel取1.2；反時限保護使用非常反時限特性，如式(2)所示，其中tp為時間常數整定值。對于末端負荷線路，只需安裝定時限過電流保護即可，按照式（3）整定，其中可靠系數取1.25，返回系數取0.85，負荷自啟動系數取2[14-16]。

過流繼電器采用ALSTOM公司的P139，斷路器采用ABB公司的25HKSA 1000型。按照一定的時限配合關系進行整定，得到的繼電保護曲線如圖6所示。圖6(a)為保護17和保護29配合的TCC(Time-Current Curve)曲線，圖6(b)為保護17、22和24配合的TCC曲線。

在現有的保護配置情況下，接入DG，考察相關保護的動作情況。由于反時限保護的特性，DG的助增作用會引起流過下游線路保護的電流增加，而提高保護的靈敏度，下游保護可以正確動作，表4所示的事件動作序列總結報告表也說明了這一點。此時，主要存在的問題是相鄰線路上發生故障時，流過接入點上游保護的反向潮流引起無方向性的保護17誤動作。

圖6線路保護的時間電流(TCC)曲線

仿真中在相鄰線路母線8上設置三相短路故障，通過ETAP提供的動作序列閱讀器可以得到表4所示的結果?？梢?，由于DG接入，提供反向故障電流，引起保護17誤動作，故障切除后，DG 所在母線及其下游線路成為電力孤島?，F有分布式發電并網技術規程一般禁止發生非計劃孤島。

表4事件動作序列總結報告表

通過以上分析可以發現，有源配網中，潮流反向的現象將是一種常態，DG離網和并網情況下電流變化情況也十分復雜，傳統反時限保護較難滿足要求。為了保障有源配網的安全運行，有必要增加方向元件，利用通信手段獲取多源信息，構建更智能的保護系統。

3結束語

高滲透率分布式電源接入中低壓配網，使傳統配網成為有源配電網，這一變化對傳統保護的配置方案和裝置的正確動作帶來了巨大的影響。本文重點分析了DG 接入配網后帶來的故障電流特征變化、對繼電保護和安全自動裝置運行的影響，并參照現有的標準，給出了主要的解決方案。此外，本文還分析了配網中廣泛應用的反時限保護在DFIG 接入配網后的表現情況，仿真結果表明，由于DG的助增作用，接入點下游的保護靈敏度增加，限制DG 的容量，仍可正常工作；接入點上游的保護則會因為相鄰線路發生短路故障時，DG 貢獻的反向短路電流引起保護誤動作，需要加裝方向元件。

參照現行的相關標準，各國對DG 接入配網的限制較大，不利于提高DG配網滲透率，究其原因，有源配網保護配置應在保護主電網安全穩定運行的前提下，具有簡單經濟的特點，不過分依賴通信技術手段。但是，從分布式發電的長遠發展來看，利用微網技術，構建更為完善的保護原理和保護體系十分迫切。