分析分布式電源接入對配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

李蕾帆 楊燕翔 阮文濤 宣海峰

（1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610039；2.大邑供電有限責(zé)任公司，成都 611330）

分布式電源包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿榷喾N可再生能源，容量一般為幾十kV至幾十MV。DG接入配電網(wǎng)后，會使原來的單電源輻射網(wǎng)絡(luò)變成多電源網(wǎng)絡(luò)，影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流分布。當(dāng)含有DG的配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG可能同時(shí)向短路點(diǎn)提供短路電流，從而使短路水平發(fā)生變化。這些變化會影響原來配備的繼電保護(hù)，DG的存在會使這些保護(hù)出現(xiàn)誤動、拒動，使保護(hù)失去選擇性，降低靈敏度。本論文通過在Matlab中建模仿真，從DG接入配電網(wǎng)的位置和DG容量的變化來分析DG接入配電網(wǎng)后對傳統(tǒng)電流保護(hù)的影響。

1 分析DG 接入配電網(wǎng)后對電流保護(hù)的影響

圖1為分布式電源接入配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖，從研究繼電保護(hù)而言，分布式電源模型可以用一個電源串聯(lián)電抗的模型來表示，在配網(wǎng)中所帶的負(fù)荷為綜合性負(fù)荷。由于短路后電網(wǎng)電壓下降，負(fù)荷電流較短路電流小很多，因此在本論文中按最簡單和粗略的近似方法處理綜合性負(fù)荷，即不計(jì)負(fù)荷。這種情況在短路前按空載情況決定次暫態(tài)電動勢，短路后電網(wǎng)依舊不接負(fù)荷。

圖1 含DG 的配電網(wǎng)示意圖

在圖1標(biāo)示中，以故障發(fā)生在饋線2 末端f1為例，ES為系統(tǒng)等效電勢，EDG為DG 等效電勢，ZS為系統(tǒng)等效阻抗，ZDG為DG 等效阻抗，Z1為母線A到接入DG 的阻抗值，可以反映出DG 接入點(diǎn)與系統(tǒng)的相對位置關(guān)系；Z2為母線A 到故障點(diǎn)的阻抗值，可以反映出DG 接入點(diǎn)與故障點(diǎn)的相對位置關(guān)系。在分析中，以短路最嚴(yán)重的情況三相短路為例來分析DG 接入配電網(wǎng)后對電流保護(hù)的影響，ZS為定值?，F(xiàn)在就通過DG 的容量大小ZDG、DG 的接入位置Z1和故障點(diǎn)位置Z2來分析DG 接入配電網(wǎng)后，對配電網(wǎng)電流保護(hù)產(chǎn)生的影響。

在接入DG 前，一般在10kV 輸電線路裝設(shè)三段式電流保護(hù)，對于與相鄰線路相配合的線路采用電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，過電流保護(hù)為后備保護(hù)，對于不與相鄰線路配合的終端線路采用電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)。電流速斷保護(hù)的可靠系數(shù)Krel’=1.2，限時(shí)電流速斷保護(hù)可靠系數(shù)Krel“=1.1，這里將過電流保護(hù)整定值近似為電流速斷保護(hù)整定值的0.5，在所配的保護(hù)中，電流速斷保護(hù)只能保護(hù)線路全長的80%，限時(shí)電流速斷保護(hù)線路比下一條電流速斷保護(hù)高出0.5s 的時(shí)間段。所有數(shù)據(jù)采用標(biāo)幺值，以電網(wǎng)側(cè)為基準(zhǔn)側(cè)，取

本論文從故障發(fā)生在饋線1 和饋線2 的不同的位置來分析DG 接入配電網(wǎng)后，對電流保護(hù)產(chǎn)生的影響。故障與接入點(diǎn)的相對位置以及故障在接入點(diǎn)上游或下游，都會使保護(hù)處檢測到的短路電流有所不同。

1.1 故障發(fā)生在接DG 的饋線2 上

1）故障點(diǎn)發(fā)生在DG 的下游

（1）故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上

如圖1所示，短路f1發(fā)生在饋線2 的AD 線路10%處，即故障發(fā)生在DG 的下游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上），接入點(diǎn)從A 向C 移動。當(dāng)有DG接入發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)1 和保護(hù)2 處檢測到的短路電流是由系統(tǒng)S 和DG 兩部分電源共同提供的為

DG 對下游保護(hù)有助增電流的作用，使保護(hù)1處檢測到的短路電流增加，斷路器能迅速斷開，影響程度較小，但相鄰線路BC 保護(hù)2 處感受到的電流也會增大，易使保護(hù)2 在一定范圍內(nèi)發(fā)生誤動作；保護(hù)3 處故障電流由系統(tǒng)S 提供，但是比未接入DG時(shí)所感受的故障電流小，而且隨著DG 容量的增加，發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)3 處感受到的故障電流越小[1]；保護(hù)4 和保護(hù)5 處感受不到故障電流，因而保護(hù)動作情況不受DG 接入的影響。在這種情況時(shí)，主要分析相鄰線路保護(hù)2 處的影響。DG 接入前，保護(hù)2處的整定值

圖2 f1處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)2 處的Ik

圖3 f1處短路，ZDG=1.5 時(shí)保護(hù)2 處的Ik

圖2為當(dāng)DG 容量（ZDG=3）不變，而DG 接入位置Z1變化時(shí)，保護(hù)2 處檢測到的短路電流變化情況（橫坐標(biāo)為DG 接入點(diǎn)變化量，縱坐標(biāo)為保護(hù)處檢測到的短路電流標(biāo)幺值變化量，與以下圖橫縱坐標(biāo)參數(shù)相同）。由圖中得出，接入點(diǎn)與故障點(diǎn)越近，保護(hù)2 處感受到的電流也增大， DG 在19.65～35 范圍內(nèi)接入，保護(hù)2 處的電流速斷保護(hù)會發(fā)生誤動作。圖3為DG 容量變化對保護(hù)2 處檢測到的短路電流變化情況，一般DG 電源等效阻抗值可以反映DG容量變化的，ZDG越小，DG 容量越大。由圖3看出，隨著DG 容量增大，保護(hù)2 處檢測到的短路電流增大，DG 在18.42～35 范圍內(nèi)接入保護(hù)2 處的電流速斷保護(hù)就會動作?？梢?，隨著DG 容量增加，相鄰線路電流速斷保護(hù)的誤動作范圍就會變大，且DG接入點(diǎn)越靠近短路點(diǎn)，短路電流就越大。

（2）故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上

如圖1，短路f2發(fā)生在饋線2 的線路BC末端，即故障發(fā)生在DG 的下游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上），接入點(diǎn)從B向C移動。當(dāng)有DG 接入時(shí)，發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)4 和保護(hù)5 感受不到故障電流，因而保護(hù)動作情況不受DG 接入的影響；保護(hù)3處的故障電流同故障發(fā)生在DG 的下游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上）情況類似，比未接入DG 的情況故障電流小，保護(hù)3 不會發(fā)生誤動作；本線路保護(hù)2 處的故障電流由系統(tǒng)電源S 和DG 共同提供為

由上式看出，接入DG 后，存在變化因子

對f(ZS+Z1)求導(dǎo)，f是遞減函數(shù)，存在極大值此時(shí)保護(hù)2 處的感受到的短路電流最小。

圖4 f2 處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)2 處的Ik

圖5 f2 處短路，ZDG=1.5 時(shí)保護(hù)2 處的Ik

圖4為當(dāng)DG 容量（ZDG=3）時(shí)，而DG 接入位置Z1變化時(shí)，保護(hù)2 處檢測到的短路電流變化情況。圖中看出，故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上時(shí)，在電流速斷保護(hù)的范圍內(nèi)，隨著接入點(diǎn)變化，短路電流的值小于電流速斷保護(hù)的整定值，使電流速斷保護(hù)無法動作，只能通過限時(shí)電流速斷保護(hù)來切除故障。再如圖5（DG 容量變化對保護(hù)2 處檢測到的短路電流變化情況）所示，當(dāng)DG 容量增大，會使DG 大約在5.84～28.66 范圍接入配電網(wǎng)時(shí)，保護(hù)2 的限時(shí)電流速斷保護(hù)也不能動作，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)2 會產(chǎn)生拒動作。而且，隨著DG 容量的增加，保護(hù)2 檢測到的短路電流越小，保護(hù)拒動作的范圍就越大。

2）故障點(diǎn)發(fā)生在DG 的上游

（1）故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上

如圖1所示，短路f3發(fā)生在饋線2 線路AB的末端，即故障發(fā)生在DG 的上游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上），接入點(diǎn)從C向B移動。當(dāng)f3處短路時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)4 和保護(hù)5 處感受不到故障電流，保護(hù)動作情況不受DG 接入的影響；保護(hù)3處的短路電流由系統(tǒng)S 和DG 電源提供：

保護(hù)3 處的短路電流變化如圖6所示。DG 對保護(hù)3 處有助增電流的作用，當(dāng)DG 接入點(diǎn)向故障點(diǎn)靠近時(shí)，保護(hù)3 處檢測到的短路電流會增大，保護(hù)會迅速動作，切除故障，影響較小。由式（6）可得，當(dāng)DG 容量增加時(shí)，保護(hù)3 處的短路電流會增大。在DG 接入前，保護(hù)3 處的整定值為

圖6 f3處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)3 處的Ik

相鄰線路BC 保護(hù)2 處也會檢測到由DG 提供的電流

如圖7所示，隨著接入點(diǎn)越靠近短路點(diǎn)，檢測到的短路電流越大。由式（9）可得，DG 容量增加，保護(hù)2 處的短路電流增大，可見由DG 提供給非故障線路電流，會使非故障線路保護(hù)發(fā)生誤動作。

圖7 f3 處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)2 處的Ik

（2）故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上

故障發(fā)生在DG 的上游，短路點(diǎn)同時(shí)感受到系統(tǒng)S 和DG 兩部分電源提供的電流。由式（6）可知，故障線路的短路電流較未接入DG 時(shí)，保護(hù)處檢測到短路電流會增大，故障能被迅速切除。但是故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上時(shí)，當(dāng)接入點(diǎn)不變，隨著短路點(diǎn)靠近接入點(diǎn)，故障電流不是單調(diào)增加，而是先遞減后增加，這是由于DG 接入位置和總短路阻抗會存在相反趨勢影響的結(jié)果[5]。同故障發(fā)生在DG的下游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上）情況類似，存在變化因子。

如圖1所示，短路f4發(fā)生在饋線2 線路AB 之間，DG 接在AB 線路的末端，即故障發(fā)生在DG 的上游（故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上）。當(dāng)f4處短路時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)4 和保護(hù)5 處感受不到故障電流，保護(hù)動作情況不受DG 接入的影響；保護(hù)3 處的短路電流是由系統(tǒng)S 和DG 電源，其電流變化情況如圖8、圖9所示。

圖8 f4處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)3 處的Ik

圖9 f4處短路，ZDG=1.5 時(shí)保護(hù)3 處的Ik

1.2 故障發(fā)生在饋線1 上，對接DG 的饋線2 的影響

如圖1所示，短路f5發(fā)生在饋線1 的AE線路5%處，接入點(diǎn)從A向B移動，保護(hù)3 處檢測到的短路電流

故障發(fā)生在未接DG 的饋線上時(shí)，對接有DG的饋線會產(chǎn)生影響。從由圖10，圖11可以看出，會影響相鄰線路保護(hù)3 的保護(hù)誤動作，隨DG 接入點(diǎn)靠近故障點(diǎn)，保護(hù)3 處感受到的短路電流越大；從圖11得出，DG 容量越大，保護(hù)3 處的電流速斷保護(hù)誤動作的范圍也就越大。

圖10 f5處短路，ZDG=3 時(shí)保護(hù)3 的Ik

圖11 f5處短路，ZDG=1.5 時(shí)保護(hù)3 的Ik

2 結(jié)論

本論文主要從DG 容量、DG 接入配電網(wǎng)的位置和故障位置等方面考慮分析了DG 對配電網(wǎng)的影響。從前面分析看出，對接有DG 的饋線2 相對于未接DG 的饋線1，DG 對饋線2 的影響比較復(fù)雜。在饋線2 上發(fā)生短路，對饋線1 影響比較小，基本不會使饋線1 上的保護(hù)出現(xiàn)誤動作。但是饋線1 上出現(xiàn)短路故障，會使饋線2 上的保護(hù)出現(xiàn)誤動作，因?yàn)榇藭r(shí)DG 會向饋線2 上輸送功率且隨著DG 容量的增加或DG 接入點(diǎn)逐漸向短路點(diǎn)靠近，保護(hù)處檢測到的短路電流會越大，保護(hù)誤動作的范圍就越廣。

當(dāng)故障發(fā)生在接有DG 的饋線2 上時(shí)，保護(hù)處檢測到的短路電流不僅與DG 容量變化有影響，而且與故障點(diǎn)與接入點(diǎn)是否在同一條線路上以及兩點(diǎn)前后位置有關(guān)系。

當(dāng)故障點(diǎn)與接入點(diǎn)不在同一線路上時(shí)，故障發(fā)生在DG 下游時(shí)下游故障線路和故障發(fā)生在DG 上游時(shí)上游故障線路保護(hù)處檢測到的短路電流都是由系統(tǒng)S 和DG 兩部分電源提供，DG 對短路處有助增電流的作用，使保護(hù)處檢測到的電流增大，保護(hù)能迅速動作，切除故障，影響相對較小。但是，對于相鄰的非故障線路，會感受到DG 提供的短路電流，且短路電流隨DG 容量的增加而增加，DG 的接入會影響相鄰線路保護(hù)的誤動作。當(dāng)故障發(fā)生在DG下游時(shí)，上游保護(hù)處檢測到的短路電流僅由系統(tǒng)S提供，但是故障電流相對于系統(tǒng)未接入DG 的情況要小，而且隨著DG 容量的增加，故障電流減小。

當(dāng)故障點(diǎn)與接入點(diǎn)在同一線路上時(shí)，短路電流不隨接入點(diǎn)與短路點(diǎn)靠近而單調(diào)增加。故障發(fā)生在DG 下游時(shí)，故障線路隨接入點(diǎn)靠近短路點(diǎn)，保護(hù)處檢測到的短路電流先減小后增加，短路電流的值小于保護(hù)的整定值，保護(hù)會出現(xiàn)拒動作，隨著DG容量增加，保護(hù)處檢測到的短路電流減小，保護(hù)拒動范圍增大。故障發(fā)生在DG 上游時(shí)，故障線路隨短路點(diǎn)靠近接入點(diǎn)，故障電流是先遞減后增加的，短路電流的值大于保護(hù)的整定值，隨DG 容量增加，故障電流增加，對故障線路切除故障的影響不大。

從以上分析得出，在DG 接入配電網(wǎng)后，短路電流受DG 的容量、DG 接入點(diǎn)和故障點(diǎn)等影響。若采用傳統(tǒng)的單電源輻射網(wǎng)絡(luò)所配備的保護(hù)，則會使保護(hù)誤動作、拒動作，失去選擇性，降低靈敏性，擴(kuò)大停電事故，給系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來不可忽視的影響。

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