分布式電源對配電網繼電保護的影響研究

王聞杰，張藝明

（國網陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

0 引 言

在當前的能源轉型背景下，分布式電源正日益成為全球電力系統的重要組成部分[1-4]。分布式電源，如太陽能、風能和小型水電，由于其可再生性、靈活性和對環境的低影響，正在逐漸改變傳統電網的運行方式。然而，這種變革給配電網的繼電保護系統帶來了前所未有的挑戰。繼電保護作為電力系統安全和穩定的關鍵組成部分，其適應性和可靠性在分布式電源日益增多的環境中受到考驗[5-8]。因此，深入研究分布式電源對配電網繼電保護的影響，不僅對于保障電網的穩定運行至關重要，還是推進能源轉型和實現可持續發展目標的關鍵[9-10]。本文旨在探討分布式電源接入對配電網繼電保護系統的具體影響，以提高電網在面對這些新挑戰時的性能和可靠性。

1 分布式電源概述

分布式電源指的是接近用電點的小型發電設施，通常包括太陽能光伏、風能、小型水力發電、燃氣輪機以及燃料電池等多種形式，能夠有效減少能源傳輸過程中的損耗，提升電網的能效和可靠性。不同于傳統的集中式大型發電站，分布式電源通常以小規模、分散布局的形式存在于電網各處，直接在消費地點或其附近發電。這種布局使得電網能夠更加靈活地響應負載變化，同時減少對中心電站和長距離傳輸線路的依賴。除此之外，分布式電源的發展也受到環境保護和可再生能源政策的推動，成為全球能源轉型的重要力量。然而，分布式電源的廣泛接入也給電網的管理和保護帶來了新挑戰，特別是在繼電保護系統的設計和運行方面。為了保證電力系統的穩定性和安全性，理解分布式電源的特點及其對配電網的影響至關重要。

2 配電網繼電保護技術概述

配電網繼電保護技術主要依靠繼電保護裝置來監測電力系統的運行狀態，一旦檢測到異常情況（如短路故障、過載、電壓不平衡等），即刻，切斷故障部分，保護電網設備和用戶的安全。配電網繼電保護技術包括過電流保護、短路保護、接地保護等多種形式，每種保護方式都有其特定的應用場景和保護原則。

3 具體影響

分布式電源的接入，雖然在一定程度上提高了電網對故障點的定位能力，但同時也給配電網的繼電保護系統帶來了顯著的負面影響。首先，分布式電源的不確定性和間歇性特點要求繼電保護系統必須具備更高的靈活性和適應性。這意味著保護系統需要進行更頻繁的檢測和維護，以確保其在動態變化的電網環境中仍能可靠運行。其次，分布式電源的分散接入改變了電流的流向和幅度，可能會干擾傳統保護系統的工作，如誤判故障或延遲故障響應。例如，當電源從多個點注入電網時，傳統的基于電流方向或大小的保護策略可能不再有效。最后，分布式電源的接入還可能影響電路的原有結構和配置，需要對現有的保護裝置進行調整或升級。這不僅增加了電網運維的復雜性，也提高了運營成本。

3.1 影響電流保護機制

在傳統的配電網絡中，電流保護是確保系統安全的基本機制。這一機制通過監測流經繼電器的電流是否超過設定閾值來工作。一旦電流超過繼電器的額定電流，繼電器便會執行斷路操作，從而完成對配電網的電流保護。因為電流的流向和大小相對穩定，所以這種保護策略在沒有分布式電源干擾的情況下通常表現良好。然而，隨著分布式電源的廣泛接入，這一傳統的電流保護機制面臨著前所未有的挑戰。分布式電源的接入改變了電網的負載分布和電流的流向，可能導致繼電器對電流的敏感程度降低等。由于分布式發電可能在不同的時間和地點以不同的功率注入電網，使得繼電器難以準確判斷電流是否超過安全閾值。因此，傳統的電流保護策略可能無法有效地應對由分布式電源引起的電流波動，從而影響整個配電網的安全性和可靠性。

3.1.1 減小繼電器對電流變化的敏感性

分布式電源的接入對配電網繼電保護系統帶來的一個重要影響是減小繼電器對異常電流變化的敏感性，進而可能導致保護拒動現象。在傳統的配電網中，繼電器的設計旨在對超過預設閾值的電流做出快速反應，以此來保護電網免受過載或故障的影響。然而，在分布式電源廣泛接入的情況下，電網的電流模式發生了顯著變化。分布式電源，如太陽能和風能，產生的電流不僅波動性強，而且往往與傳統電源的電流特性不同，使得繼電器更難以區分正常的電流波動和真正的故障信號。這種情況下，繼電器可能會出現保護拒動，即在實際發生故障時未能及時斷開故障電路，導致故障電流持續流動，增加了系統損壞和安全事故的風險。當分布式電源在故障發生時仍向電網注入電流，繼電器可能無法識別這種異常，從而未能激活斷路器。這不僅影響了電網的可靠性，還可能對設備造成長期損害。

從圖1 可以看出，故障發生時會對分布式電源產生影響，導致經由這些電源的電流迅速增加。這種變化反映在共同耦合點處的電壓異常上，從而影響整個系統對電流變化的感應能力。隨著電流的急劇增大，原有繼電保護系統的有效作用范圍顯著縮小，對電網的保護能力因此受到限制，具體可以表示為

圖1 配網情況1

式中：iset表示繼電器的固定設定值，它不會隨著配電網結構的變化而改變；isc表示在不接入分布式電源時，故障點的短路電流水平；iDER表示分布式電源提供的短路電流值。當分布式電源被接入后，可以觀察到繼電器對電流異常的靈敏度下降。這種現象導致保護拒動的可能性顯著增加，使得電路更易于出現故障。

3.1.2 增加系統誤動作的風險

在配電網中，由于故障線路周圍通常布置有多條相互接近的母線，分布式電源的接入增加了保護系統在這些復雜網絡中產生誤動作的風險，如圖2 所示。當發生故障時，繼電器的任務是識別并隔離故障線路，以保護電網的其余部分。然而，在多條母線緊密布置的環境中，分布式電源的接入可能導致繼電器難以準確判斷故障的具體位置。這種情況下，繼電器可能錯誤地判斷與實際故障線路相鄰的健康線路為故障狀態，從而進行錯誤的保護動作。這不僅導致非故障線路的不必要切斷，還可能引起更廣泛的電網穩定性問題，如不必要的電力中斷和負載轉移，甚至可能觸發更大范圍內的連鎖反應。

圖2 配網情況2

在進行了定性和定量的分析后，可以總結出配電網出現保護誤動的前提條件為iDER＞iset。即當分布式電源提供的短路電流超過電流保護設定的整定值時，就可能引發電流保護的誤動作。通過分析可以得出減少電流保護誤動的有效策略。其中一個關鍵方法是控制分布式電源的電容量，保持其在一個合理的范圍內，以減少對電流保護系統的干擾。此外，結合使用能夠控制電流方向的電學元件也是降低保護誤動發生概率的有效手段。通過這些調整，可以有效減少因分布式電源導致的電流保護誤動，進而提高配電網的整體穩定性和可靠性。

3.1.3 超出斷路器的斷流能力

在配電網中，斷路器的一個重要功能是在電流超過其遮斷容量時快速切斷，以防止設備損壞和電網故障的擴散。然而，分布式電源的接入可能導致電流在某些情況下超過斷路器的設計遮斷容量。這通常發生在分布式電源注入的電流與電網中其他電流源合并時，尤其是在短路或其他故障情況下。當電流超過斷路器的遮斷容量時，斷路器可能無法有效地切斷電流，導致持續的電流過載。這不僅增加了電網設備，如變壓器和線路的損壞風險，還可能引發火災或其他安全事故。在分布式電源普遍接入的現代電網中，這種情況尤為嚴重，因為傳統的斷路器可能未被設計為處理這種新型負載模式。這種故障的發生條件可以歸納為ibr＜isc+iDER。其中，ibr表示斷路器的最大開斷電流值。即故障發生時，系統和分布式電源提供的短路電流總和超過了斷路器的最大開斷電流能力。為了防止這種情況，可以采取幾種措施：一是調整分布式電源的容量，確保其產生的電流在斷路器的處理范圍內；二是提升斷路器的額定電流，增強其處理過載的能力；三是安裝故障限流器，以減少故障電流對電網的影響。這些方法有助于保護配電網免受過大電流的損害，并提高整個系統的穩定性和安全性。

3.2 對自動重合閘的影響

自動重合閘作為配電網中的關鍵保護措施，主要目的是在發生故障后迅速恢復電網正常運行，以最大限度地減少停電時間并提升電網可靠性。然而，分布式電源的接入為電網帶來新的運行挑戰，特別是其不確定性和動態變化特性。在分析分布式電源對自動重合閘影響時，需關注幾個核心因素：一是分布式電源可能引起電網瞬態和持續過電壓，直接影響自動重合閘的觸發條件和響應時間，要求對分布式電源的電壓波動特性及其與重合閘的互動進行深入研究；二是分布式電源的功率波動可能影響重合閘的靈敏度和可靠性，特別是在電網運行中可能出現的功率輸出突變，要求評估功率波動對重合閘性能的潛在影響；三是分布式電源并網對電網短路電流水平和路徑的影響，給重合閘的動作特性帶來挑戰，研究這些電流特性及其與重合閘的相互作用對優化繼電保護系統至關重要。

3.3 對保護協調性的影響

保護協調性是指在電力系統中，各級別的保護裝置能夠按照預定的先后順序動作，以確保在發生故障時，最接近故障點的保護裝置先動作，而遠離故障點的保護裝置后動作或不動作，從而實現故障的有效隔離和系統的最小影響范圍。分布式電源的接入，尤其是在配電網的中低壓層級，改變了電流的流向和分布，可能會破壞原有的保護協調性，導致過保護或欠保護的情況，影響系統的可靠性和安全性。分布式電源接入后，可能會導致原有保護設定值不再適宜，保護裝置的選擇性和動作時間延遲可能需要重新評估和調整。例如，分布式發電的并網運行可能減少了從上級電網流向故障點的故障電流，使得原本設計來響應這些故障電流的遠端保護裝置無法在預期時間內動作，或者使得近端保護裝置過于敏感，導致不必要的系統分斷。針對該問題，可以引入自適應保護技術，能夠根據電網運行狀態和分布式電源的輸出實時調整保護裝置的動作特性和設定值，有效解決保護協調性受影響的問題。

4 結 論

文章對分布式電源進行簡要概述，重點探討了分布式電源接入對配電網繼電保護系統的影響，具體著眼于分布式電源如何影響電流保護機制等關鍵方面。本研究旨在提供對分布式電源如何影響配電網繼電保護的深刻理解和詳細探究，以期為相關領域的發展和優化貢獻見解。