分布式電源接入對配電網保護影響及策略研究

國網浙江省電力有限公司寧波供電公司 阮浩潔 錢 程 林一馳

現階段大多采用傳統發電模式來提供電力系統的電源，雖能夠維持電力系統的正常運轉，但會消耗大量的能源，對環境產生較大的影響。隨著研究的不斷深入，部分智能電網系統已經采用分布式電源的接入來替代傳統的發電模式，其具有節省電力系統總投資、重復利用資源等特點，在電網運行中具有提高供電可行性、調峰等優點。但其也有不少弊端：原有的電流保護方法已無法適應，特別是電源保護方法的整定值與傳統的發電模式有較大的變化，需要重新調整電源保護方式；當輸配電線路故障時，會造成上游保護裝置中的短路電流減少，導致保護裝置的靈敏度降低。特別是短路故障發生在線路的邊上時，由于電源容量不足，容易觸發保護裝置誤操作。

1 分布式電源及微電網相關技術分析

1.1 分布式電源的概念

分布式電源(Distributed Generation，DG)是指一種功率在10kW到30MW的小型獨立電源模塊，能夠滿足用戶需求，如調峰、為邊緣用戶提供電力能源等。分布式電源具有能量利用率高、環境污染小、投資不大等特點，將其應用在配電網中可有效增加配電裕度，提高供電系統的可靠性和穩定性。

當前分布式電源并沒有明確的國家標準，但從現有文獻中可看出分布式電源具有幾個關鍵指標：容量小。發電單元體積不大，即插即用，性價比高；直接接入配電網；分布式電源本身難以控制，接入分布式電源后反而會增加機組的負荷；分布式電源可重復利用再生資源，環境污染小，資源利用率高；分布式電源對過電壓、閃邊等會產生較大的影響；隨著電力電子技術的不斷發展，分布式電源的利用范圍將會越來越廣泛。

1.2 分布式電源的運行方式

并網運行。根據電源容量大小又可分為兩種情況：大容量分布式電源通過配網母線接入配電網，小容量分布式電源以就近原則接入配電網。采用并網運行的主要優點是可以節約并網成本；獨立運行。是指配電網系統和分布式電源相互獨立運行，互不干擾。采用獨立運行的主要原因是系統不穩定會帶來故障，從而引起孤島運行。除此以外還有一些政策、經濟等因素的影響。

2 分析分布式電源接入對配電網的影響

分布式電源接入配電網能夠提高供電可靠性，減少電力系統的損耗。但同時也會改變配電網的拓撲結構，以及故障電流的大小和方向，造成保護裝置誤操作。為避免保護裝置誤操作，確保配電網的安全，本章構建分布式電源接入配電網的仿真模型，分析不同故障模式下分布式電源接入對保護結構誤操作帶來的影響。

2.1 研究對象與方法

傳統的配電網保護是利用配電網的輻射性，通過配電網保護裝置之間的相互配合，確保繼電保護的可靠性和靈敏性。分布式電源接入配電網后，配電網將會呈現雙向潮流特性，對繼電保護的可靠性和靈敏性將會產生較大的影響。

2.2 分布式電源接入對配電網保護的影響分析

2.2.1 接入無饋線自動化配網的保護影響分析

無饋線自動化配網一般采用電流保護、距離保護兩種方式，但常見的配電網保護模式為距離保護，下面將分析分配式接入電源對距離保護模式的影響。

當前，距離保護方式能夠靈活應對系統運行方式的變化，保護范圍相對穩定，已廣泛應用于35～220kV的復雜網絡[1]。圖1為分布式電源接入距離保護配網，采用段式保護模式，將A處、C處的阻抗記為ZA，ZC，IS，Igl，Ig2均為相量。相對于電流保護來說，距離保護擺脫了對電流絕緣值的依賴，并且有電壓輔助保護，因而更加容易實現配電網保護裝置之間的配合[2]。但是，距離保護仍然存在保護范圍縮小、保護裝置之間配合默契度不高等問題，降低繼電保護裝置的靈敏度及可靠性，導致保護配合失敗。

圖1 分布式電源接入距離保護配網

2.2.2 接入重合器模式饋線自動化配網的保護影響分析

饋線的自動化是指配電網發生故障時，將會自動定位故障發生的位置，隔離故障點和非故障點，為高效解決配電網故障提供較高的可靠性和安全性[2]。 常見的饋線自動化一般采用本地自動化和遠方自動化兩種模式，實際運用中采用本地自動化模式較為廣泛，該模式主要運用重合器、分段其和重合分段器三類電氣設備。

重合器。主要用于檢測電流故障，按照故障實現保護和控制功能，也可以按照預設的分合次數實現配電網保護。當線路發生故障時，重合器瞬間檢測到故障自動斷開，避免過電故障。如果是瞬間故障，重合器斷開后將會自動重合，設備復位；如果是永久故障，重合器閉合后又會自動跳閘，當跳閘次數達到了預期設定的次數以后，將會形成閉鎖，直到人為排除所有故障后才能夠讓重合器再次閉合。

分段器。單獨的分段器能夠斷開正常負荷電流，并記錄故障電流發生次數。當故障發生次數超過設定次數時，無論電路是否有故障分段器都將會自動分閘閉鎖。

重合分段器。在沒有超過預設的故障次數范圍內，需要分段器和重合器相互配合才能夠斷開短路電流。圖2為重合分段器的示意圖，圖中有2個分段器S1、S2，1個重合器R。當F點發生故障時，重合器R快速跳閘，分段器S1、S2計數1；重合器R閉合，分段器S1、S2計數2；重合器R快速跳閘，分段器S1、S2的故障次數達到預設的整定值，R自動分閘并閉鎖，故障隔離。

圖2 分段器與重合器配合實現饋線自動化

2.2.3 接入FTU模式饋線自動化配網的保護影響分析

FTU模式饋線自動化利用遠程通信技術，根據主站提供的設備參數和運行情況，實現故障的遙控和故障檢測，能夠準確定位故障點，并隔離故障點和非故障點。常見的饋線自動化分為集中處理模式和饋線差動模式[3]。本文著重介紹接入分布式電源對集中處理模式饋線自動化配網的影響。

集中處理模式是通過主站通信實現設備參數和運行情況的上傳下達，運用拓撲圖實現故障定位、實現故障點和非故障點隔離[4]。圖3為集中處理模式的環形配電網絡，該配電網絡采用環柜網來實現，將開環點設置在S8，環柜網上均加裝FTU并通過遠程通信與主機后臺連接。當F點發生故障時，QF1會快速跳閘，FTU1、FTU2會檢測到故障發生點，并將相關信息傳輸給主站。主站根據FTU1、FTU2回傳的信息判斷故障電應當在S2與S3之間，并立即發出故障處理指令，重合器自動執行。

圖3 集中處理模式的環形配電網絡

FTU模式饋線自動化配網接入分布式電源有3種方式（圖3）：接入分布式電源1、接入分布式電源2、接入分布式電源1和2三種情況。下面將分析這三種接入方式對配電網保護的影響。

只接入分布式電源1：當S2、S3之間線路故障時，QF1快速跳閘，并將故障信息傳輸到主站。主站發出指令分閘S2、S3，合閘QF1，合閘S8，以保證再次供電；當S1、S2之間線路發生短路故障時，QF1、S1流過短路電流，QF1將故障信息傳輸給主站。主站發出指令分閘S1、S2，重合QF1，合閘S8，隔離分布式電源1。但當QF1、S1之間發生短路故障時，流經QF1的電流為正向短路電流，流經S1的電流為反向故障電流。但FTU沒有方向元件，因而主站也無法判斷故障所在位置，要想準確獲取故障位置需要重新制定故障策略。

只接入分布式電源2：當S2、S3之間線路故障時，QF1、S1、S2流過短路電流，S3流過反向電流。FTU1、FTU2將相關故障信息傳輸給主站，主站根據信息將會判定故障點發生在S3、S4之間，造成主站誤判；按照同樣的判定方式，當QF1、S1間發生故障時，系統主站也會判定故障電在S3、S4之間。

分布式電源1、2同時接入：當S2、S3之間線路故障時，重合分段器會自動判斷QF1、S1發生短路故障，FTU1、FTU2將相關故障信息傳輸給主站。主站根據FTU1、FTU2傳輸的信息判斷故障點在S3、S4之間，造成了故障誤判，影響了電網運行安全。

3 分布式電源接入配電網的保護策略

最大化使用傳統配電網保護。要想實現最大化傳統配電網保護，應從兩方面入手：一是配電網出現故障時，分布式電源立即退出運行，這樣故障識別、處理以及配電網的保護等將不會受到分布式電源的影響，現有的傳統配電網保護也無需做出任何調整；二是限制分布式電源的接入容量、短路電流與接入位置。運用傳統的配電網保護不會產生短路電流超限、故障電流越限、非同期重合等情況。

運用先進的配電網保護方法。運用更為完善的配電網保護方法來應對分布式電源接入帶來的影響。隨著分布式電源接入的實踐應用越來越多，采用傳統的配電保護也可能帶來一定的安全隱患。引入通信技術、差動技術、方向元件等方式來實現配電網的保護，不僅可以促進分布式電源的廣泛應用，還將有助于擴大故障隔離范圍，形成故障隔離，提高配電網保護的效率和質量。