分布式光伏電站接入系統后的繼電保護配置

熊 飛，董蓓蓓，劉艷麗，翟 劍

（國網西安供電公司，西安 710032）

0 引言

新能源因其環保、可持續的優勢為未來人類社會可持續發展提供了新的路徑。據國家能源發展規劃，今后將重點推進新能源技術的開發與應用，提高能源的轉化和利用效率，推動能源開發、消費方式轉變。我國太陽能資源豐富，年日照時數大于2000 h的地區占總面積2/3以上[1]。發展光伏發電有利于優化能源結構、保護環境。

近年來，城市地區分布式光伏發電發展迅速。西安地區目前共有并網分布式光伏電站17座，裝機容量達119.958 MW，占西安地區裝機總容量的26.16%。分布式光伏電站的并網發電不僅在調度運行方面積累了大量經驗[2-3]，而且為電網規劃、繼電保護配置、電能質量分析等方面提供了重要的數據資源。本文在分析分布式光伏接入對配電網繼電保護影響的基礎上，結合西安地區分布式光伏接入設計要求及運行經驗，提出典型配置方案，為后期分布式光伏接入設計提供借鑒。

1 光伏發電系統構成

根據光伏電站裝機規模、接入電壓等級，國家電網公司將其分為小規模、中規模、大規模3 類。3種規模下的光伏發電系統的結構基本一致，均包含光伏組件、逆變器、變壓器及附屬設備、配電柜、計量表計、環境監控儀、數據采集與監控系統等，如圖1所示。

圖1 光伏發電系統結構示意圖

2 分布式光伏電站對繼電保護的影響

目前，西安地區10 kV 饋線保護均采用三段式電流保護。當分布式光伏電站接入配電網后，輻射狀配電網絡將變為多電源結構。單個小容量分布式光伏電站對短路電流影響較小，但是在配電網接入容量較大或數量較多的光伏電站時，故障狀態下故障電流大小、方向會發生改變[4]。因此，分布式光伏電站的接入會對系統的安全性和可靠性造成一定影響。

（1）若分布式光伏電站接在保護R 上游（見圖2），故障發生在保護的下游，由于光伏電站的出力，故障點電流增大，流過保護R的故障電流也增大，導致保護范圍擴大，對于電流速斷保護而言，保護范圍將延伸至相鄰下一級線路，從而失去選擇性。若故障發生在保護的上游，則光伏電站的接入對故障電流沒有影響。

（2）當分布式光伏電站接在保護下游，在接入分布式光伏電站后發生故障的情況如圖3所示。故障發生在保護的下游，將產生逆流現象，若光伏電站提供的短路電流使得保護動作，保護將失去選擇性；故障發生在兩者之間，分布式電源對保護沒有影響；故障發生在光伏電站下游，光伏電站的分流作用，使得流過保護R的故障電流減小，當分流足夠大時，將導致保護的靈敏度和范圍減小。

（3）重合閘可顯著提高供電可靠性。配電網的80%～90%故障是瞬時性的，在輻射式配電網結構下，重合閘動作不會對系統造成沖擊或破壞。當分布式光伏電站接入配電線路后，如果線路因故障跳閘，分布式光伏電站可能形成孤島運行且不脫網，這將造成非同期重合閘或重合閘失敗、故障點電弧重燃重合器及分斷器、熔斷器配合不協調[5]。

3 分布式光伏電站接入系統后的繼電保護配置

不同的接入系統方式對保護配置的要求有所不同。本文針對西安地區常見的3 種典型10 kV 接入系統方式，提出相應的繼電保護配置方案。

3.1 分布式光伏電站經專線接入配電網

光伏電站以一路專線接入變電站10 kV 母線，一次系統接線示意圖如圖4所示。

圖4 光伏電站專線接入一次系統示意圖

3.1.1 線路保護

為快速切除線路故障，光伏電站送出線路兩側配置光差保護作為主保護，階段式過流保護為后備保護，過流保護均指向線路。如果送出線路為電纜線路，則線路重合閘退出運行；若線路為架空線路，則需在線路兩側裝設電壓互感器，以滿足線路重合閘的需要。

3.1.2 防孤島保護

孤島是指電網因故中斷供電時，分布式光伏電站與負荷形成的一個自供給電力系統。并網光伏逆變器形成持續孤島運行的條件有2 個：逆變器系統與電網脫離；逆變器輸出功率與本地負載匹配。

為了防止孤島效應，減少對用戶供電質量的影響，光伏電站接入時必須考慮防孤島保護。一般情況下，光伏電站配置的逆變器本身需配置防孤島保護，并要求在2 s內切除孤島，發出警告信息。

為防止逆變器防孤島保護失靈，采用以下措施增強保護：一是在專線兩側各配置一套故障解列裝置；二是增加聯跳功能，實現110 kV 線路保護聯跳光伏進線開關。

3.1.3 主變壓器保護

110 kV變電站主變壓器一般為半絕緣設計，在主變壓器低壓側增加光伏電源后，為保證主變壓器絕緣水平，需完善主變壓器中性點保護，以避免在發生單相接地時，主變壓器中性點絕緣擊穿，損壞變壓器。若主變壓器中性點已裝設成套保護，則無需新增保護。

3.1.4 備自投裝置

光伏電站接入變電站后，備自投裝置動作時間須避開光伏電站防孤島檢測動作時間。

3.2 分布式光伏電站T形接入配電網

分布式光伏電站通過一回線路T形接入公共電網10 kV 線路。分布式光伏電站T形接入一次系統示意圖如圖5所示。

圖5 分布式光伏電站T形接入一次系統示意圖

在變電站10 kV饋線斷路器處應配置三段式過流保護，同時在光伏電站側也配置三段式過流保護，作為T形線路及光伏電站高壓母線的后備保護。

對于架空線路，變電站側應裝設線路電壓互感器，采用檢無壓方式重合。線路重合閘時間應避開光伏電站防孤島檢測動作時間。

光伏電站的逆變器應同時具備主動和被動防孤島保護。為防止逆變器防孤島保護失靈，在光伏電站側加裝故障解列裝置。主變壓器保護、備自投同專線接入方案。

3.3 分布式光伏電站接入配電室

分布式光伏電站以一回線路接入10 kV 配電室，其一次接入系統示意圖見圖6[6]，若圖中2DL 為熔絲類設備，應更換為斷路器。

圖6 分布式光伏電站接入配電室接入示意圖

為快速切除線路故障，開關站與變電站聯絡線（1DL 與6DL 之間）、光伏送出線路（2DL 與3DL 之間）兩側配置光差保護作為主保護，階段式過流保護為后備保護，過流保護均指向線路。光伏送出線路應采用檢無壓重合方式，線路重合閘時間應避開光伏電站防孤島檢測動作時間及故障解列裝置動作時間[7-11]。

光伏電站的逆變器應具備主動和被動防孤島保護。為防止逆變器防孤島保護失靈，開關站與變電站聯絡線光差動作時聯跳2DL。同時可在2DL處增加故障解列裝置。

主變壓器保護配置同專線接入方案。

4 案例分析

西安地區某9.8 MW 分布式光伏發電項目在約12 萬平方米的廠房建筑屋頂安裝光伏組件。該項目擬采用265 W 多晶電池組件，裝機容量共計9.841 04 MW，采用1000 kVA、1250 kVA兩種變壓器升壓至10 kV 后送出。送出線路采用400 mm2電纜接入110 kV農場變電站，線路長1.5 km。

4.1 保護配置

該項目屬于光伏電站經專線接入配電網，其保護配置如圖7所示。

圖7 保護配置圖

4.2 保護定值

光伏線路選配ISA353G 型線路保護裝置，經系統計算，保護定值整定如表1所示。

該工程中光差保護為主保護，兩段過流保護作為后備保護，可以滿足保護靈敏度需要；光伏電站側光伏逆變器防孤島保護時限定值為0.5 s；農場變電站側10 kV備自投裝置自投動作時限為4.5 s。由于110 kV線路聯切及逆變器防孤島保護，備自投裝置可以避開系統防孤島動作時間。

5 結語

隨著分布式光伏發電技術的發展，國家政策的積極扶持，西安地區光伏電站接入數量和容量將會逐步增大，對電網運維的影響將越來越深遠。分析分布式光伏接入對系統繼電保護的影響，研究繼電保護典型配置，不僅有益于積累光伏并網運維管理方面的經驗，而且對提高電網企業新能源消納能力具有十分重要的意義。