適應分布式電源接入的鉆石型配電網保護應用研究

徐冰雁，孫 儉，石方迪，葉 影，翟萬利，沈杰士，郭 磊

(1.國網上海市電力公司金山供電公司，上海 200540；2.國網上海市電力公司，上海 200120)

上海是風能和太陽能資源都較豐富的地區，50 m高度的年平均風功率密度在300 W/m2以上，沿海灘涂面積寬闊，風能開發潛力優越。上海地區歷史年均太陽能總輻射量為4 565 MJ/m2，總輻射年際變化呈波動特征。根據上海分布式能源的發展現狀，“十四五”初期上海市預計超過了1 500 MW的風電規模開發潛力、1 000 MW的光伏裝機總規模潛力。

目前上海中壓主干電纜網已形成了開關站單環網為主的網架結構，滿足了經濟和社會的快速發展。但隨著上海城市發展對供電安全性和可靠性要求的不斷提升，對配電網提出了更高的要求[1]。

為改善故障情況下站間負荷的轉移能力、緩解上海高壓配電網面臨的局部重過載壓力、提高變電站10 kV間隔和出線的利用率、更加充分地體現配電網的投資效益，基于上海以開關站單環網為主的電纜網現狀，統籌考慮投資效益，鉆石型配電網的發展思路可用于指導上海配電網的升級改造實踐。

在上海配電網開展鉆石型配電網升級改造的背景下，一方面為適應分布式電源廣泛接入的發展需求，另一方面如果鉆石型配電網大面積推廣建設，會使得分布式電源的接入面對新的情況。為充分發揮鉆石型配電網分布式電源的接納能力，提前應對新的挑戰，有必要進行分布式電源及鉆石型配電網繼電保護和安全自動裝置的應用研究，分析分布式電源接入鉆石型配電網的保護及安全自動裝置的動作行為，從而為鉆石型配電網轉型改造提供理論基礎和實踐依據。

1 鉆石型配電網簡介

鉆石型配電網為分層結構，分為10 kV主干網絡和10 kV次級網絡。

在主干網一層形成以帶分段斷路器的開關站為節點的雙環網，在次干網一層形成以配電站為節點的單環網或雙環網。鉆石型配電網具有多側電源的結構，其運行方式靈活，能夠有效提高配電網可靠性，提高變配電設備利用率[2]，如圖1所示。

圖1 鉆石型配電網示意圖

1.1 鉆石型配電網的組成

1.1.1 10 kV主干網

10 kV主干電纜網以開關站為核心節點，形成雙環網的網絡結構。每組雙環網接線包含4～6座開關站。開關站的開關設備均為斷路器，采用單母線分段接線。雙環網線路所供負荷能夠滿足高峰負荷正常運行方式“N-1”和春秋季負荷檢修方式“N-1”。

第一級開關站2路電源來自同一變電站不同母線或不同變電站；其他開關站兩路電源來自相鄰開關站不同母線，并且兩座開關站之間設兩回聯絡專線(如圖2所示，4座開關站形成雙側電源鏈式接線)開環運行。

圖2 主干網示意圖

優點：線路輸送容量足夠時可以滿足正常方式下“N-2”供電要求，供電可靠性高，負荷轉供能力較強，并且轉供方式較靈活，通過合理調整運行方式可以更合理地均勻負荷，提高供電設備的利用率。

缺點：對變電站布點數量要求較高；聯絡線占用間隔和廊道資源，需增加投資。

1.1.2 10 kV次干網

10 kV次干電纜網以環網站為節點，由同一座開關站不同母線或不同開關站供出，形成單環網或雙環網網絡結構，如圖3所示。環網站采用單段或兩段不聯系的單母線接線形式。單環網線路節點數不大于6個，雙環網線路節點數不大于12個。地塊內開關站數量大于2座時，地塊內環網站宜采用雙環網接線。

圖3 次干網示意圖

優點：線路輸送容量足夠時滿足正常方式下“N-1”供電要求，當環網電源來自主干網中不同的環網時，供電可靠性很高。次干網環網中的開關設備除電源開關站出線外無斷路器，無需配置繼電保護。

缺點：故障定位和故障恢復時間稍長，但處于可接受范圍。

1.2 鉆石型配電網的運行方式

1.2.1 10 kV主干網

正常運行方式：所有開關站10 kV分段開關熱備用，來自變電站的每回電源線路分別供一段10 kV母線(如圖2所示)。在環網兩側的電源變電站負載不均衡時，可以通過選擇不同的開環點，靈活調整運行方式，合理調整電源變電站負載率，提高供電設備利用率。

正常運行方式下“N-1”故障時，開關站任一進線電源故障失電，失電母線可通過站內分段開關閉合恢復供電，也可通過F2或F4開關閉合恢復供電，轉供方式較靈活。

正常運行方式下“N-2”故障時，E站兩回進線同時失電，閉合F站F2開關和F4開關完成負荷轉供，G站通過聯絡線帶E站和F站；也可合上一個聯絡開關(F2或F4)，并合上E站和F站的分段開關完成負荷轉供(這種方式需確保G站及其電源線路不過載)，轉供方式較靈活。

檢修方式：開關站任一進線電源檢修，可通過合上該站分段開關進行供電，也可通過閉合F2或F4開關進行供電，轉供方式較靈活。

檢修方式下“N-1”故障分析：假設E站某一段母線進線電源檢修時，安排E站分段合上。此時，發生E站運行進線故障，可以閉合F站F2或F4開關完成負荷轉供，G站通過聯絡線帶E站和F站。

1.2.2 10 kV次干網

正常運行方式：環網正常運行方式通常為，來自電源開關站的每回電源線向環網供電(如圖3所示)。

通過選擇合理的環網開環點，如圖3中QS6，合理調整電源開關站負載率，提高供電設備利用率。

正常運行方式下“N-1”故障分析：配電站任一進線電源故障失電，可以通過配電自動化系統或人工檢查后定位故障點，完成故障隔離后，可通過QS6開關閉合對非故障區域恢復供電。

檢修方式：配電站任一進線電源檢修，可通過閉合QS6開關進行供電。

檢修方式下“N-1”故障分析：此時由于開環點無法在檢修結束前閉合，故障點至開環點之間將會失點，但是失電范圍局限在次干網的局部區域。對于雙環網形式的次干網，配電站還可以通過低壓臨時聯絡的方式應急供電。

2 鉆石型配電網分布式電源的接入分析

2.1 接入方式分析

(1)主干網接入。分布式電源接入10 kV主干網開關站母線的具體接線模式如圖4所示。

圖4 分布式電源接入主干網開關站母線示意圖

(2)次干網接入。分布式電源接入10 kV次干網環網站母線的具體接線模式如圖5所示。

圖5 分布式電源接入次干網環網站示意圖

2.2 接入容量分析

鉆石型配電網中，10 kV主干網環網線路雙側首段電纜可采用雙拼3×400 mm2電纜，中間段可采用雙拼3×400 mm2或3×400 mm2電纜。10 kV次干網環網線路可采用3×240 mm2或3×120 mm2電纜，兩回進線最高負載率平均值不高于50%。

根據《上海電網規劃設計技術原則》、《上海電網若干技術原則的規定》中的電纜載流量計算，主干網首段單回線路的最大傳輸容量約為24 MW，非首段約為12 MW，次干網進線線路允許的最大傳輸容量約為8 MW。單座開關站允許帶載約為6 MW。

當電源存在多處接入時，首先計算接入配電站上級為同一座開關站的電源容量之和，校核其是否超過該開關站進線允許的傳輸容量上限，取其與進線容量的較小值；再計算主干網上各開關站及其下游所供配電站的接入電源容量之和，取其與首段線路的傳輸容量上限24 MW之間的較小值為允許接入容量。

綜上，將允許接入鉆石型配電網中的電源容量計算結果匯總見表1。

表1 鉆石型配電網接入容量上限 MW

從表1可見，按線路容量邊界，因首段線路采用雙拼電纜，首段線路相連的開關站允許接入容量最大，正常運行方式下理論允許接入的電源總容量也受其限制。按短路電流計算邊界，允許接入的電源容量計算結果大于按線路容量邊界考慮的結果。

綜合結果來看，鉆石型配電網允許接入的電源總容量不宜超過24 MW，而次干網單個環網柜位置處可允許接入的電源容量不宜超過8 MW。

3 分布式電源接入鉆石型配電網的保護配置

3.1 分布式電源接入對鉆石型配電網保護的影響分析

在以負荷開關作為操作和保護電器的雙環網中，在該網絡中任意一點故障，包括雙環網中分布式電源聯絡線以外的負荷線路，因負荷開關不具有切斷故障電流的能力，都無法有選擇性的切除故障。

故障切除只有通過上級變電站出線斷路器或分布式電源出口處的斷路器完成。因此，分布式電源接入雙環網并網運行后，即使發生在分布式電源聯絡線以外的故障(甚至是其他用戶)，也將迫使電源脫網，擾動結束后進行再并列。如果分布式電源運行需要的輔機系統在脫網后失去電源，那分布式電源將被迫停機。這一過程對于和生產工藝有關聯的小電源尤其不利，例如余熱發電等。

當分布式電源接入鉆石型配電網的主干網時，如果繼電保護配置和整定運行得當，就能實現故障的有選擇性切除，也能有效避免不利情況的發生。

分布式電源接入對鉆石型配電網的保護影響如下。

(1)線路保護。在開關站有分布式電源接入的出線上，如果在出線斷路器的系統側或開關站的其他線路上發生故障，在該斷路器上會流過由分布式電源提供的短路電流。對于不經過方向元件閉鎖的過流保護此時會有誤動作的可能。

(2)母線保護。當變電站(或開關站)母線故障時，現有的主變后備(或變電站線路后備)保護均能可靠切除系統提供的短路電流；分布式電源側的繼電保護也能切除其提供的短路電流(或由變流器逆止)。接入“鉆石型”配電網的分布式電源，不承擔支撐電網穩定運行的任務，對其在故障切除后是否失穩不做要求。因此，對故障的切除時間，無系統穩定原因導致的快速切除要求。

(3)備自投。在鉆石型配電網中，分布式電源的接入比較分散，可通過主干網開關站或是次干網配電站接入。主變保護動作跳開10 kV側斷路器時僅聯跳同一母線上的并聯電容器，并不聯跳所有包含電源的線路。而在目前的備自投合閘邏輯中，將在無法有效確認母線失壓的情況下合上分段斷路器，可能導致非同期合閘，對分布式電源造成沖擊，同時也降低了備自投合閘的成功率。

3.2 分布式電源接入的鉆石型配電網保護和安全自動裝置的配置

考慮到分布式電源接入后對繼電保護的影響，鉆石型配電網系統側保護配置要考慮以下要求。

3.2.1 線路保護

(1)在有分布式電源接入的開關站出線斷路器處，通常應按照雙側電源電網的要求設置線路保護，宜配置(方向)過流保護，考慮到分布式電源的容量較小，提供的短路電流遠小于系統提供的短路電流，方向元件通?？梢圆煌度?；對于短線路或因接入配電網的分布式電源容量較大導致繼電保護不滿足“四性”要求時，可增配縱聯差動電流保護。

(2)對逆變器類型分布式電源，如果電網中任一點短路時，逆變器提供的短路電流流過任何設備時均不導致設備過載，可以按照單側電源電網的要求設置線路保護。逆變器必須具備快速檢測孤島且檢測到孤島后立即斷開與電網連接的能力。

3.2.2 母線保護

如無穩定要求，開關站母線可以不配置母線保護。

3.2.3 防孤島保護

旋轉電機(同步電機、感應電機)類型分布式電源，無需專門設置防孤島保護。

3.2.4 解列裝置

(1)在有分布式電源接入的開關站母線處，應按母線配置故障解列裝置。故障解列裝置測量元件通常以電網故障電氣量(故障時的過電流、低電壓、零序電壓、零序電流等)作為判據，其動作定值要保證預定的解列范圍有足夠的靈敏度。同時，應能夠躲過常見運行方式下的正常電氣量和不平衡電氣量。

(2)變電站或開關站設置的低周低壓減載裝置獨立于故障解列裝置，用于系統側的頻率和電壓穩定控制。區別于故障解列，低周低壓減載裝置應經滑差閉鎖。

(3)當系統電源由于電源側故障斷開后，將形成局部的孤立系統。該系統如果能夠自平衡，故障解列裝置未動作，則由調度機構決定是否解列。如該系統失穩，則故障解列動作，切除分布式電源聯絡線，開關站或變電站母線失壓。此時可以滿足備自投或自愈系統的無壓條件。

3.2.5 備自投/自愈裝置

當分布式電源接入鉆石型配電網后，目前的備自投合閘邏輯中，將在無法有效確認母線失壓的情況下合上分段斷路器，可能導致非同期合閘，對分布式電源造成沖擊，同時也降低了備自投合閘的成功率。

因此，為提高動作成功率，同時為防止發生非同期合閘，應采取必要的聯切分布式電源線路的措施。

(1)應對鉆石型配電網電源變電站的10 kV分段備自投，建議增加直接對母線電壓測量獲取的判據，保證設備的安全，提高動作成功率。對于其中與失壓跳閘邏輯相關的電壓定值與時間定值,應該特別注意與母線上的故障解列裝置的配合，要考慮在失去系統電源支持后，無法自平衡的孤立電網應首先通過故障解列裝置切除有關的分布式電源聯絡線。變電站備自投的合閘邏輯中，對母線無壓的確認，除了有關斷路器的分位以外，建議增加直接對母線電壓測量獲取的判據，保證設備的安全，提高動作成功率。

(2)在主干網開關站內，當存在分布式電源線路接入時，考慮故障后由于小電源支撐電壓不滿足自愈、分段備自投無壓判斷等情況，增加聯切分布式電源功能。

在自愈裝置的改進方面，由于在自愈功能中，聯切的對象是故障點和開環點之間的開關站中定義為分布式電源的線路，因此當自愈功能退出時，自愈聯切小電源功能也同時退出。

具體措施主要體現在當開關站的分段備自投跳主干網線路時，可以選擇聯切容量較大的開關站分布式電源，同時開關站也應對母線電壓通過測量元件的方式進行再確認。當開關站母線保護功能投入，母線保護動作后，應該聯切母線上的分布式電源線路。

鉆石型配電網保護及安全自動裝置配置見表2。

表2 鉆石型配電網保護及安全自動裝置配置

續表

4 分布式電源接入鉆石型配電網的保護及安全自動裝置動作行為分析

以開關站接入一個旋轉電機小電源為例，討論各個可能的故障點發生短路后，各類保護的動作次序，從而得出現有保護配置是否合理，是否需要增加保護配置，是否需要改進保護裝置的功能。鉆石型配電網可能的故障點如圖6所示。

圖6 鉆石型配電網故障點示意圖

4.1 變電站母線故障S1

(1)變電站保護動作分析：變電站變壓器后備保護動作跳開關A1，接入開關站的分布式電源通過主干網線路向變電站母線故障處提供短路電流。由于主干網保護可能不滿足動作條件(區外故障或故障電流小于整定值)，無法將分布式電源從系統中隔離。

(2)第1個開關站保護動作分析：變電站保護動作，通過自愈系統向E站自愈保護發跳開E1命令；如果能夠實現供電自平衡，故障解列功能不動作，則由調度機構決定是否解列。如果系統失穩，則故障解列功能動作，切除分布式電源聯絡線，開關站母線失壓，此時滿足自愈系統的無壓條件，合F2開關，使系統恢復供電；檢測分布式電源同期并網裝置，是否滿足并網條件，確認并網。

(3)第2個開關站保護動作分析：如果E1拒動，通過自愈系統向F站自愈保護發跳開F1命令；如果能夠實現供電自平衡，故障解列功能不動作，則由調度機構決定是否解列。如果系統失穩，則故障解列功能動作，切除分布式電源聯絡線，開關站母線失壓，此時滿足自愈系統的無壓條件，合F2開關，使系統恢復供電；檢測分布式電源同期并網裝置，是否滿足并網條件，確認并網。

4.2 主干網線路故障

(1)主干網線路故障S2。主干網線路發生故障S2，線路縱差保護動作跳開關A2，E1，如果可以實現區域供電自平衡，則無需更多動作；當系統失穩時，應考慮安排故障解列動作，切除分布式電源聯絡線，此時母線無壓，開關站F的分布式配電保護自愈裝置在已充電并且母線無壓的情況下收到自愈啟動令后合開關F2，恢復供電，檢測分布式電源同期并網裝置，是否滿足并網條件，確認并網。

(2)主干網線路故障S5。主干網線路發生故障S5，線路縱差保護動作跳開E2，F1，如果可以實現區域供電自平衡，則無需更多動作；當系統失穩時，應考慮安排故障解列動作，切除分布式電源聯絡線，此時母線無壓，開關站F的分布式配電保護自愈裝置在已充電并且母線無壓的情況下收到自愈啟動令后合開關F2，恢復供電，檢測分布式電源同期并網裝置，是否滿足并網條件，確認并網。

4.3 開關站母線故障

(1)第1個開關站母線故障S3。開關站母線發生故障S3，開關站E的分布式配電保護自愈裝置母差保護動作跳開本母線上所有開關，并遠跳E1，E2的對側開關并閉鎖備自投。F站如果可以實現區域供電自平衡，則無需更多動作；當系統失穩時，應考慮安排故障解列動作，切除分布式電源聯絡線，此時母線無壓，開關站F的分布式配電保護自愈裝置在已充電并且母線無壓的情況下收到自愈啟動令后合開關F2，恢復供電，檢測分布式電源同期并網裝置，是否滿足并網條件，確認并網。

(2)第2個開關站母線故障S6。開關站母線發生故障S6，開關站F的分布式配電保護自愈裝置母差保護動作跳開本母線上所有開關，并遠跳F1及其對側開關和閉鎖備自投F3，無需自愈操作。電網及E站的分布式電源向系統供電。

4.4 開關站出線故障

若開關站出線無分布式電源接入，饋線保護動作跳出線開關；若分支線有分布式電源接入，饋線出線開關處增加聯切分布式電源功能及同期并網功能。

5 結語

(1)分布式電源接入鉆石型配電網的電源總容量不宜超過24 MW，次干網單個環網柜允許接入的電源容量不宜超過8 MW。

(2)在主干網線路中均設置了縱差保護，對主干線路故障具有絕對選擇性。差動原理的保護定值不會受到保護間配合的影響，可以采用較低的定值，對區內故障的靈敏度很高。

(3)過流或零流保護配合層級簡單，僅有變電站出線的與開關站次干網出線兩級，在動作延時上能保證足夠的時間級差，因此能夠確保上下級保護的選擇性。

(4)鉆石型配電網的自愈系統能夠適應雙環網運行中的各種方式，無需考慮開關站之間備自投的時間配合，僅考慮與變電站備自投的時間配合。在主干網故障切除后，可通過環網的自愈邏輯進行故障隔離和非故障區恢復供電。如果恢復失敗或遭遇“N-2”故障時，開關站分段備自投動作。

在鉆石型配電網環境下，通過利用差動保護簡化繼電保護配合關系，調整備自投邏輯，并考慮適應分布式電源接入的保護配置方案，能夠更好地發揮鉆石型配電網網架結構的優勢，提高供電可靠性。