新能源電源規模化分散接入的配電網保護與自動重合閘技術

金巍昊

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261441）

1 新能源電源接入對配電網保護和自動重合閘帶來的影響

1.1 配電網保護

按照分布式電源接入技術規范，可以采取專線、T接以及開關站等方式來接入配電網。以新能源電源通過專線接入配電網結構（圖1）為例，分析新能源電源專線接入對本線和相鄰線保護帶來的影響。

圖1 專線接入配電網結構示意

在相鄰線路存在短路故障時，例如F4部位存在故障，新能源電源經過所在饋線向鄰近饋線流出短路電流，電源接入點上游會發生保護，K1、K2位置發生保護而產生反向短路電流，此電流值大于保護整定值時會引起保護誤動作。若電源容量比較大，則會使K4位置短路電流變大，Ⅰ段存在保護誤動作。

如果本線路出現短路故障，例如F2位置存在故障，接入點上游K1位置保護的Ⅰ段不會受到影響，Ⅱ段保護和下級線路共同配合保護，當接入雙饋型電源并采取撬棒保護動作時，接入電源類似于異點電動機負荷而形成外汲電流，易引發Ⅱ段保護失配而產生誤動作。由于存在電源饋出短路電流，Ⅲ段保護會因遠后備靈敏度不夠而拒動[1-4]。

新能源電源接入配電網會產生諸多影響，影響程度、影響范圍均與接入位置和電源容量具有直接關系，要采取有效的應對措施來進行準確保護。對于反向短路引起的保護誤動作，可以采取增設方向元件的方式來確保動作的正確性。對于電源接入形成的助增電流或外汲電流，可以通過優化整定計算來解決。新能源電源故障具有復雜性，會使Ⅰ段電流保護范圍變小，保護整定變得愈發困難，無法達到足夠的靈敏度且保護動作時間變長，這是因為電流保護采取就地測量方式，可利用的配網故障信息較少，無法進一步提升保護性能[5,6]。

1.2 自動重合閘

采取重合閘前加速保護方式，如果相鄰線路存在故障，例如F2或F3位置，本線保護不會出現跳閘現象和重合閘，而相鄰線路為單電源輻射結構，不會對重合閘產生影響。如果本饋線出現故障，例如F4位置，饋線出口K1部位斷路器會瞬時跳閘保護，雙饋電源或逆變電源會向故障部位流出短路電流，不能將故障點電弧消除，重合閘會失敗。在該種重合閘方式下，饋線中電源要確保同時跳開且退出，可以有效消除故障部位電弧，但需要合理延長重合閘時間，在配電網出現瞬時故障時可靠恢復。

采取重合閘后加速保護方式，如果相鄰線路存在故障，電源接入點不會對重合閘產生任何影響。在本線出現故障時，如果故障點發生在電源接入位置下游，就不會對重合閘產生影響。在電源接入點上游出現故障時，F4位置饋線出口K1部位存在斷路器跳閘，電源在勵磁調節情況下向故障點輸出短路電流，故障點電弧無法消除，無法成功實現重合閘。在采用該種重合閘的方式下，每個位置點出現保護并跳閘，需要將下游電源接入切除，才能保證重合閘準確動作。

2 區域信息網絡化保護模式與原理

2.1 網絡化保護系統構建與功能

中心決策單元以通信方式接收就地單元上傳的實時數據信息，根據拓撲結構、電源接入位置以及故障信息矩陣發送主備、后備保護控制指令，用于實現電流保護和重合閘功能。結合故障位置對自動重合閘造成的影響，制定科學、合理的重合閘控制方案，根據計算和決策結果向就地單元發送控制指令。就地單元應用于變壓器等部位，對交流量和開關量進行采集，對數據進行處理后上傳至中心決策單元，獲取決策單元的下發指令。通過過流、方向和啟動元件來識別出配電網故障，向中心決策單元提供數據支持，在電壓恢復不理想或異常孤島運行時可以在出口部位準確動作來切除電源。通信系統是中心決策單元與就地單元信息交互的樞紐，可通過以太網按照IEC61850規約與就地單元進行通信。

2.2 保護原理

配電網供電范圍廣、就地單元數量較多，因此多采取集中式差動保護，每個節點將采集到的信息都上傳至中心決策單元，通信系統網絡負荷會變大，對保護信息實時性帶來影響，同時采樣數據同步誤差還會影響差動保護。為降低通信系統負擔和擺脫對同步技術的依賴，采取新能源電源接入保護，結構如圖2所示。

圖2 新能源電源接入保護結構

就地單元采集故障電流大小、方向等數據信息，中心決策單元對故障信息進行綜合分析處理，確定相應的配電線路和區段，對故障點進行準確切除，可實現主備與后備保護，不再要求不同就地單元的同步采樣。

2.2.1 網絡拓撲關聯矩陣

在條件允許的情況下，新能源電源可以有計劃地采取孤島方式運行，有效提升供電可靠性，縮小停電范圍。如果故障位置在電源接入位置下游，如圖3中的F3位置，饋線故障線配置的K6可以對故障進行切除，不會引起孤島運行。如果故障出現在電源節點上游，如F4位置，K9、K10斷開以后，DG2與L3線路用戶為孤島運行狀態，新能源電源也可向接入點用戶供電，需要結合網絡拓撲能源和電源接入位置形成正序與反向2種關聯矩陣。

將配電保護區間的每個斷路器視作單元節點并進行編號，電源側斷路器的編號生成矩陣為DgL，電源出口斷路器的編號生成矩陣為Dg，中心決策單元形成電源接入位置的正向關聯矩陣T1和反向關聯矩陣T2，存在n個節點單元的配電保護區域，正向和反向矩陣都為n×n形式的矩陣。采用正向關聯矩陣可以同時滿足主備和后備保護。當配電網存在故障時，故障點下游電源可能存在孤島運行情況，而反向關聯矩陣可以為后續故障點的下游保護提供依據。斷路器以單電源輻射進行配置，也就是在系統側線路端來配置斷路器，用于構造反向關聯矩陣時，后備保護由距離主保護斷路器最近的斷路器來實現。如果配電網不允行孤島運行，則需要切除電源，避免對配電網可靠性帶來影響，通過建立防孤島反向關聯矩陣進行保護。

2.2.2 故障信息矩陣

中心決策單元獲取就地單元故障信息來進行決策并確定故障線路，控制相關斷路器來進行故障隔離。為降低信息傳送量，就地單元對故障進行識別，將邏輯信息上傳至中心決策單元。

就地單元故障上傳公式為

其中，正方向為電流從系統側流向饋線末端或電源。中心決策單元結合就地單元上傳的故障信息，形成正向故障信息矩陣F1和反向故障信息矩陣F2。F2中電流側就地單元信息為-1，電源側信息也改為-1。如果配電網不可以孤島運行，則構建防孤島反向故障信息矩陣F3。饋線存在就地單元故障信息-1的上游節點，此節點下游所有電源側就地單元信息改為-1，其他節點為0。相鄰饋線故障時，饋出故障電流會使就地單元出現過流和反向信息，易引發誤動作，要結合每個饋線出口就地單元故障信息形成修正矩陣H。修正處理后的正向故障信息矩陣、反向故障信息矩陣以及防孤島反向故障矩陣為

2.2.3 故障跳閘方案

當P1=0時，斷路器線路無故障；當P1=1時，斷路器線路存在故障，斷路器主保護跳閘；當P1=2時，斷路器相鄰線路故障，后備保護斷路器動作。

當P2=0時，斷路器相連的上級配電線路無故障；當P2=1時，斷路器上級相鄰線路故障，后備保護斷路器動作。

當P3=0時，斷路器不動作；當P3=1時，電源接入點上游故障，在配電網禁止孤島運行條件下斷開電源出口斷路器。

3 基于區域信息的自動重合閘

根據正向故障跳閘矩陣P1和反向故障跳閘矩陣P2，構建后加速重合閘矩陣為

式中：k為斷路器編號。如果Rk=1，控制中心延遲t1set對斷路器k發送采用檢無壓方式形成的重合閘命令，時間可設置為0.3～0.5 s；如果Rk=2，控制中心延時t1set后對斷路器發送采用檢同期方式形成的并網控制命令。如果配電網故障是瞬時性故障，上游斷路器會合閘成功，下游孤島采用過檢同期方式來進行平滑并網，配電網恢復正常供電。如果配電網出現永久性故障，上游保護采取檢無壓方式完成重合閘。重合故障發生后，就地單元重啟，正向跳閘矩陣發送跳閘命令，用于切除故障。下游斷路器如果允許配電網孤島運行，采用檢同期方式來完成并網，斷路器不能重合，故障下游配網會以孤島方式運行。如果配網禁止孤島運行，則用防孤島反向故障跳閘矩陣P3取代矩陣P2。

4 結 論

新能源電源大規模分散接入配電網會給就地保護和自動重合閘帶來新的挑戰，影響程度、范圍與電源接入點位置、容量有著直接關系。基于區域信息網絡保護，充分利用就地單元故障電流的過流和方向信息，通過集中決策來確定故障線路，可以用于主后備保護，也可以兼顧電源孤島。自動重合閘結合網絡化保護創建正向故障跳閘矩陣、反向故障跳閘矩陣、孤島反向故障跳閘矩陣，形成重合閘矩陣用于斷路器合閘控制，可以防止電源不必要退出，避免非同期重合閘帶來的沖擊。