分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

劉泊辰

（山東省淄博供電公司，山東 淄博 255000）

分布式電源（DG）以其經(jīng)濟(jì)環(huán)保、規(guī)模小和靈活高效等特點(diǎn)受到了世界各國廣泛的關(guān)注，但當(dāng)DG大量并網(wǎng)接入配電網(wǎng)后，必然會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流分布，配電線路的保護(hù)裝置不可避免地會(huì)受到影響，可能出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)等問題，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)供電的可靠性[1]。

目前，許多文獻(xiàn)都針對(duì)DG并網(wǎng)提出了新的保護(hù)方法。文獻(xiàn)[5]提出了限制DG 注入容量的方法,但是隨著DG 應(yīng)用的日益廣泛，其注入的容量也越來越大，這種方法顯然無法滿足未來DG 發(fā)展的要求。文獻(xiàn)[3]提出通過加裝限流器來限制DG并網(wǎng)提供的短路電流，該方案雖可有效抑制DG并網(wǎng)對(duì)原有保護(hù)的影響，但根據(jù)DG并網(wǎng)的不同情況選擇合適的短路電流限流器比較困難。文獻(xiàn)[6]提出采用加裝方向元件的方法，但是對(duì)于像風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電,其出力隨自然條件變化隨機(jī)波動(dòng)，有可能會(huì)出現(xiàn)故障時(shí)流過方向元件的短路電流太小使其不能動(dòng)作，從而導(dǎo)致保護(hù)的不正確動(dòng)作。文獻(xiàn)[4]提出了一種自適應(yīng)電流速斷保護(hù)方法，該方法可以根據(jù)DG變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)保護(hù)，但在實(shí)際應(yīng)用中由于DG運(yùn)行方式較難確定，因此如何確定自適應(yīng)整定值成為難題。

本文提出了一種自適應(yīng)電流保護(hù)的整定原則，在基礎(chǔ)上對(duì)分布式電源接入系統(tǒng)的容量、位置以及故障位置的變化等因素對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行了定性分析，同時(shí)采用仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 自適應(yīng)電流保護(hù)的整定原則

傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)是僅反應(yīng)于電流增大而瞬時(shí)動(dòng)作的保護(hù)，其按照躲開下一條線路出口處短路的條件整定，為保證動(dòng)作的選擇性，一般不能保護(hù)線路的全長，其保護(hù)范圍受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。在分布式電源接入后可能失去選擇性。

為克服這些缺點(diǎn)，提出一種自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的整定值，該方法能隨風(fēng)電場的運(yùn)行方式和短路類型的實(shí)際情況而改變,自適應(yīng)電流保護(hù)整定值可表示為

式中，Kk為可靠系數(shù)，一般取1.2～1.3；Kd故障類型系數(shù)；Es為系統(tǒng)等效電勢；ZS為分布式電源等效阻抗；Zl為保護(hù)范圍內(nèi)線路阻抗。

與傳統(tǒng)速斷相比，自適應(yīng)速斷有以下特點(diǎn)：整定值不是常數(shù)，它由當(dāng)前的系統(tǒng)運(yùn)行方式、風(fēng)電接入容量、故障類型決定；為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)風(fēng)電場投入與退出的變化，在求系統(tǒng)綜合阻抗時(shí)，引入了電壓量，在線實(shí)時(shí)計(jì)算整定值。

2 DG 接入配網(wǎng)對(duì)其電流保護(hù)影響的分析

分布式電源接入配電網(wǎng)中，會(huì)改變其附近節(jié)點(diǎn)的短路容量，分布式電源的接入容量和相對(duì)于保護(hù)的位置的不同，以及故障的發(fā)生位置變化對(duì)系統(tǒng)潮流分布和故障時(shí)短路電流產(chǎn)生的影響效果也會(huì)不同。對(duì)10kV 配網(wǎng)系統(tǒng)，取基準(zhǔn)容量SB為100MVA，基準(zhǔn)電壓UB為10.5kV，則其他變量均以標(biāo)幺值表示。

分布式電源DG接入配電網(wǎng)圖如圖1所示。

圖1 含有分布式電源的10kV 配電系統(tǒng)圖

2.1 DG 容量變化，短路故障位于DG 下游時(shí)對(duì)DG上游短路電流的影響

當(dāng)DG接于節(jié)點(diǎn)2時(shí)，三相短路故障F位于線路2-3末端，則對(duì)于短路點(diǎn)而言，圖1所示的系統(tǒng)可以簡化為圖2所示。

圖2 等效結(jié)構(gòu)圖一

則B2檢測到的短路電流為

其中，Zs為電源的等效阻抗，Es為系統(tǒng)電壓，Z1、Z2分別為線路1-2、2-3 的等效阻抗

Zdg為DG等效的等效阻抗，可以表示為

其中，x′dg為DG的次暫態(tài)電抗，SB為系統(tǒng)的容量基準(zhǔn)值，Sdg為分布式電源的接入容量。將式（3）代入式（2）可知

從式（4）可知，B2監(jiān)測到的短路電流除了與線路的阻抗有關(guān)外，還與分布式電源DG的接入容量Sdg有關(guān)。

2.2 DG 容量變化，短路故障位置變化對(duì)短路電流的影響

當(dāng)DG接于節(jié)點(diǎn)2時(shí)，短路故障F位于線路2-3上，且距離母線2的距離為λ時(shí)，則對(duì)于短路點(diǎn)而言，圖1所示的系統(tǒng)可以簡化為圖3所示。

圖3 等效結(jié)構(gòu)圖二

則B1檢測到的短路電流為

其中，λ為線路2-3上故障發(fā)生的位置。

從式（5）可知，B1檢測的短路電流除了與線路的阻抗有關(guān)外，與故障發(fā)生的位置密切相關(guān)。

2.3 DG 容量不變，DG 接于線路不同位置對(duì)短路電流的影響

當(dāng)DG 的容量保持不變時(shí)，其等效阻抗Zdg為定值，當(dāng)DG位于線路2-3上，且距離節(jié)點(diǎn)2為x，三相短路故障

F發(fā)生于線路2-3末端時(shí)，則對(duì)于短路點(diǎn)而言，圖1所示的系統(tǒng)可以簡化為圖4所示。

圖4 等效結(jié)構(gòu)圖三

流過B2的短路電流為

由式（6）可知，當(dāng)分布式電源接入的位置對(duì)B2檢測的短路電流由密切影響。

3 算例分析

以圖1所示的10kV配電系統(tǒng)為例來研究分布式電源的接入對(duì)短路電流的影響（見圖5），取基準(zhǔn)容量SB為00MVA，基準(zhǔn)電壓UB為10.5kV，則其他變量均以標(biāo)幺值表示,設(shè)電源的等效阻抗為0.5，分布式電源的次暫態(tài)電抗x′dg=0.2，線路1-2、2-3的等效阻抗Z1、Z2分別取為1.5和1。

圖5 仿真算例圖

在分布式電源未接入前，保護(hù)B1，B2的速斷保護(hù)整定值為

而B1的過電流保護(hù)，可近似取為其一段保護(hù)整定值的1/2。則Idz為0.3。

1）DG容量變化，短路故障位于DG下游時(shí)對(duì)DG上游短路電流影響仿真結(jié)果

當(dāng)在線路C-D的末端發(fā)生三相短路故障時(shí)，將各參數(shù)的值代入式（4）可知，B2檢測到的短路電流與分布式電源接入容量的關(guān)系為

通過仿真驗(yàn)證上述表達(dá)式，仿真結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)線路C-D末端發(fā)生三相短路故障時(shí)，如果分布式電源的接入容量大于3.3MVA時(shí)，保護(hù)裝置B2檢測到的短路電流將大于速斷電流的保護(hù)整定值，從而使保護(hù)裝置B2的速斷誤動(dòng)作。原因主要是由于在C-D線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，除了原來網(wǎng)絡(luò)向故障點(diǎn)提供短路電流外，分布式電源也為短路點(diǎn)提供電流，增加了故障點(diǎn)的短路電流，從而造成了分布式電源下游速斷保護(hù)的誤動(dòng)作，故需要控制分布式電源的接入容量。

圖6 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

2）DG容量變化，短路故障位置變化對(duì)短路電流的影響仿真結(jié)果

當(dāng)DG接于節(jié)點(diǎn)2時(shí)，三相短路故障F位于距離母線C為λ處的線路C-D上時(shí)，將各參數(shù)的值代入式（5）可知，B1檢測到的短路電流與分布式電源接入容量的關(guān)系為

當(dāng)三相短路故障發(fā)生在不同位置時(shí)，B1檢測到的故障電流隨分布式電源容量變化的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 B1檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

2-3末端發(fā)生三相短路時(shí)，隨著分布式電源容量的增加，B1檢測到的故障電流迅速減小。如果分布式電源的容量大于27.5MVA時(shí)，保護(hù)B1檢測到的短路電流將小于其過電流保護(hù)整定值，從而可能使作為后備的三段保護(hù)拒動(dòng)，使故障無法隔離路故障；當(dāng)故障發(fā)生在距離母線C70%處時(shí)，分布式容量大于44MVA時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)分布式電源下游線路發(fā)生短路故障時(shí)，分布式電源上游保護(hù)檢測到的故障電流減少，使靈敏度降低，且故障點(diǎn)越靠近分布式電源，靈敏度越低。

3）DG容量不變，DG接于線路不同位置對(duì)短路電流的影響

若分布式電源接入的容量為定值時(shí)，即假設(shè)分布式電源接入系統(tǒng)的等效電阻為定值，這里取等效電阻Zs=0.5，將參數(shù)代入式（6）可知B2檢測到的短路電流與分布式電源接入位置的關(guān)系為

仿真結(jié)果如圖8所示，由仿真結(jié)構(gòu)可知，流過B2的短路電流隨著分布式電源逐漸靠近母線D而持續(xù)增大，對(duì)于三相短路故障，在x=0.8之前檢測到的短路電流小于速斷保護(hù)整定值，導(dǎo)致無法動(dòng)作，對(duì)于上游的過電流保護(hù)，也會(huì)在x=0.7之前舉動(dòng)；而對(duì)于兩相短路故障，相應(yīng)的拒動(dòng)距離分別為x=0.85和0.75。

圖8 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

圖8給出了分別在不同的位置發(fā)生短路故障，B2檢測到的短路電流隨分布式電源接入位置的變化關(guān)系，由圖可知，當(dāng)在線路的中點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，三相短路電流值始終小于B2的速斷保護(hù)整定值，導(dǎo)致其無法動(dòng)作，對(duì)于上游的過電流保護(hù)，則也x=0.85之前出現(xiàn)拒動(dòng)。在末端發(fā)生短路的情況如圖9所示。

圖9 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

4 結(jié)論

本文主要研究了分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，通過改變DG 接入容量，接入位置以及故障位置，較為全面地對(duì)比分析了各種情況下DG 對(duì)配網(wǎng)電流保護(hù)的影響，同時(shí)采用仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。

[1] 唐昆明,王福松,羅建,張?zhí)?含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案研究[J].華東電力,2010,38(6):0876-0880.

[2] 梁振鋒,楊曉萍,張娉.分布式發(fā)電技術(shù)及其在中國的發(fā)展[J].西北水電,2006(1):51-53.

[3] 錢科軍,袁越.分布式發(fā)電技術(shù)及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].繼電器,2007,35(13):25-29.

[4] 吳罡.分布式發(fā)電采用故障限流器對(duì)繼電保護(hù)性能的影響[D].江蘇:東南大學(xué),2007.

[5] 張超,計(jì)建仁,甘德強(qiáng).分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化的影響[J].華東電力,2006,34(9):23-26.

[6] 韋鋼,吳偉力,胡丹云,李智華.分布式電源及其并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響[J].高電壓技術(shù),2007,33(Ι):36-40.

[7] 王江海等.考慮繼電保護(hù)動(dòng)作的分布式電源在配電網(wǎng)中的準(zhǔn)入容量研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(22):37-43.