分布式發(fā)電對配電網(wǎng)繼電保護的影響分析

趙 鑫 付振虎 郎 泳 許 丹

山東理工大學電氣與電子工程學院學院 山東淄博255049

0 引言

在20世紀的后半葉，電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為大容量集中發(fā)電、遠距離、超（特）高壓輸電的大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨著用電負荷的不斷增加，電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展相對滯后，使得遠距離輸電線路的輸送容量不斷增大，受端電網(wǎng)對外來電力的依賴程度不斷提高，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性呈不斷下降的趨勢。近年來的各種大規(guī)模停電事故，尤其是2003年的“8·14”美加大停電，更暴露出目前電力系統(tǒng)的這個嚴重缺陷。因此，需要在受端電網(wǎng)和負荷中心建設(shè)一定容量的發(fā)電廠，以減少大功率輸送和轉(zhuǎn)移，減少輸配電損耗，支撐本地電網(wǎng)，增強系統(tǒng)穩(wěn)定。在多方面因素的推動下，全球能源技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的研究熱點轉(zhuǎn)向分布于用戶附近的以新能源、熱電冷能聯(lián)供等形式的分布式能源系統(tǒng)。因此，一種綜合、高效、經(jīng)濟的新型電力技術(shù)——分布式發(fā)電技術(shù)DG應(yīng)運而生，其利用多種一次能源，通過在配電網(wǎng)建立單獨的發(fā)電單元和儲能設(shè)備對重要負荷進行供電。分布式電源包括很多種類，根據(jù)DG通常所使用的技術(shù)來分可分為：水力發(fā)電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃氣輪機和燃料電池等[1]。

研究表明，分布式電源以微網(wǎng)形式接人大電網(wǎng)中并網(wǎng)運行，是發(fā)揮其效能的最有效方式。微網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、負荷組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)。面對越來越多的分布多樣性的小電能生產(chǎn)者要求就進入網(wǎng)（一般為低壓和中壓配電網(wǎng)）的壓力，又為減少小電能生產(chǎn)者并網(wǎng)后對系統(tǒng)的沖擊，IEEE Draft Standard 1547對分布式電源的單獨并網(wǎng)標準作了規(guī)定：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式電源必須馬上推出運行。這就大大限制了分布式能源的充分發(fā)揮，也間接限制了對新能源的利用。因此，如何清除分布式能源和可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的故障，充分發(fā)揮分布式發(fā)電優(yōu)勢和潛能，成為各國學者關(guān)注和研究的重點。

1 目前含分布式電源配電網(wǎng)存在的問題

DG并網(wǎng)給系統(tǒng)的沖擊：

1）有功、無功（電壓）調(diào)節(jié)問題：

（1）DG起停對系統(tǒng)電壓的沖擊影響，既影響電能質(zhì)量（PQ），又影響系統(tǒng)穩(wěn)定；

（2）DG，如風電、太陽能電力，由于受風速變化、天氣陰晴等影響，發(fā)電很不穩(wěn)定，供電間歇性的影響增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度。

2）繼電保護問題：

（1）由于DG的出現(xiàn)，原配電網(wǎng)電力向用戶流動的方向?qū)⒆兂呻p向，導致保護復雜性增加，更可能引起保護誤動或拒動；

（2）因為DG系統(tǒng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)殘壓引起電壓檢測的不準確性，影響設(shè)備自動投入，非同期并網(wǎng)時沖擊電流也易危害機組安全；

（3）孤島運行時失去接地中性點，易引起過電壓危及DG系統(tǒng)安全運行，為此要重新布置DG系統(tǒng)的保護。

3）穩(wěn)定問題：主網(wǎng)事故發(fā)生穩(wěn)定性事故時，易造成DG系統(tǒng)機組解列，運行惡化。

4）對電網(wǎng)運行管理的影響：

（1）DG間歇性發(fā)電易造成發(fā)供的不平衡；

企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新是一個復雜過程，影響企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的因素很多，主要是人的因素，包括技術(shù)團隊、高管團隊等。技術(shù)創(chuàng)新是一個團隊任務(wù)，必須通過科學有效的團隊建設(shè)，發(fā)揮團隊每個成員的能力。要重視每個微觀元素的影響，才能提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的能力。在企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新過程中，高管薪酬激勵是一種方式。值得注意的是，采用科學合理的方法進行激勵，能對團隊產(chǎn)生正向激勵的效果，否則可能對團隊產(chǎn)生負面影響[5]。

（2）調(diào)度運行、潮流控制困難；

（3）配電系統(tǒng)設(shè)備檢修安排困難。

5）對電網(wǎng)經(jīng)濟效益的影響：

（1）如何分攤電網(wǎng)成本；

（2）DG造成主網(wǎng)少發(fā)電，如何分攤電網(wǎng)建設(shè)成本。

2 DG對配電網(wǎng)電流保護影響的分析

目前我國的中、低壓配電網(wǎng)主要是單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，DG接人配網(wǎng)后，改變了網(wǎng)絡(luò)中短路電流的大小和流向，而且由于配網(wǎng)運行方式復雜多變，使得原有的階段式電流保護的整定配合十分困難，甚至根本無法按照規(guī)程要求進行整定，無法起到應(yīng)有的保護作用[2]，更可能引起保護誤動或拒動。配電網(wǎng)的根本性變化使得電網(wǎng)中電流保護定值和機理發(fā)生了深刻變化[3]。

2.1 含DG的配電網(wǎng)系統(tǒng)

DG對電流保護產(chǎn)生的影響與DG的容量和故障位置有很大關(guān)系。本文以圖1所示的配網(wǎng)模型作為研究對象，推導出不同情況下流過保護裝置的短路電流計算公式，并對DG對配電網(wǎng)電流保護的影響進行了分析。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

圖2 含分布式電源的配電網(wǎng)等效電路圖

圖2為圖1的等效阻抗圖。當線路1、2、3和5末端分別發(fā)生短路故障時，分析DG對其保護產(chǎn)生的影響。

2.2 分布式電源對配電網(wǎng)過電流保護的影響分析

設(shè)SG電勢為Es，等效阻抗為Xs，DG電壓為Ed，等效阻抗為Xd， 變壓器電抗為XT、α、β、γ和δ分別表示f1、f2、f3、f4短路點距各自母線的距離占該段輸電線路的百分比，以上參數(shù)均為標幺值。 下面將分別討論當故障發(fā)生在f1點、f2點、f3點及f4點時，DG的接入對電流保護將產(chǎn)生的影響：

1）f1點發(fā)生短路時：

圖3 f1點短路時，DG對保護2的影響

在f1點發(fā)生短路時，保護1檢測到的電流完全來自系統(tǒng)電源，因此保護1應(yīng)準確動作切除保護范圍內(nèi)的故障。同時，DG通過保護2向故障點提供短路電流，如圖3模擬分析知，當f1靠近B母線超過一定限定時，該短路電流可能引起保護2動作而使DG右側(cè)的系統(tǒng)形成孤島，這時要考慮DG的帶負荷能力和系統(tǒng)重合閘時的同期問題[4，5]。此時流過保護1和2故障電流為：

2）f2點發(fā)生短路時：

f2點短路時，保護1和2檢測到的電流全部由系統(tǒng)電源提供，保護能夠正常動作于故障。但是保護1和2動作后，DG仍向故障點提供短路電流，延長了故障點電弧熄滅時間，如果按照原先參數(shù)重合閘失敗，延長瞬時性故障的停電時間。為此可以在BC線路的C端裝設(shè)過電流保護，并動作切除故障，使DG不再向故障點提供短路電流，但此時仍要考慮DG孤島運行能力。此時流過保護1和2的短路電流分別為：

3）f3點發(fā)生短路時：

若f3點發(fā)生故障時，故障點的短路電流由系統(tǒng)電源和分布式電源共同提供，流過保護1和2的短路電流由于DG的外汲作用而減小，流過保護3的短路電流由于DG的助增作用而增加。此時流過保護1、2和3的短路電流為：

如圖4所示，由于DG對流過保護1和2的短路電流的外汲作用使得保護1和2的保護范圍減小，降低其靈敏性，可能使保護拒動。 DG對流過保護3的短路電流有助增作用，從而使而流過保護3的短路電流增加，增大其保護范圍，在最壞情況下可能使電流速段保護延伸到下一段，引起保護的誤動。

圖4 f3點短路，DG對保護1、2、3的影響

4）當f4點發(fā)生短路時：

當故障發(fā)生在相鄰饋線f4點時，流經(jīng)保護1和2檢測到DG反向向故障點提供的短路電流。如圖2-5模擬仿真可知，當f4點靠近A母線時，保護1和2因反相短路電流而誤動作，使非故障線路保護動作，擴大故障范圍。由于DG的注入短路電流對流過保護5的短路電流產(chǎn)生助增作用，延長其保護范圍，可能使保護失去選擇性。

由于DG注入此時流過保護1、2和5的短路電流分別為：

其中：

圖5 f4點短路時，DG對保護2、5的影響

經(jīng)過模擬仿真分析可以得出，分布式電源注入的短路電流對電流保護的影響主要包括三個方面：①當電流保護在DG上游，短路故障發(fā)生在DG的下游時，流過保護的短路電流由于DG的外汲作用而導致靈敏度降低，使保護范圍縮小而拒動；②當短路故障發(fā)生在分布式電源和電流保護的下游時，DG注入故障點的電流表現(xiàn)為助增效應(yīng)，使保護范圍增大，可能使電流速段保護延伸到下一段，從而引起保護裝置誤動；③當短路故障發(fā)生于電流保護和分布式電源的上游時，分布式電源會從反方向向保護注入電流，使其失去方向性而誤動作。

3 結(jié)論

分布式發(fā)電（DG）是電力系統(tǒng)發(fā)展的一個主要方向，然而大量分布式發(fā)電的并網(wǎng)運行，將深刻影響配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及配電網(wǎng)中短路電流的大小和流向，給配電網(wǎng)的繼電保護帶來諸多不利影響。本文詳細分析了DG并網(wǎng)后對個區(qū)段繼電保護及其動作造成的影響，對分布式發(fā)電的推廣和應(yīng)用具有一定的意義。

[1] 丁明，王敏.分布式發(fā)電技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2004，24（7）：31-37.

[2] 王希舟，陳鑫等.分布式發(fā)電與配電網(wǎng)保護協(xié)調(diào)性研究閉[J].繼電器，2006，34（3）.

[3] 張超，計建仁，夏翔.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)饋線保護的影響[J].繼電器， 2006， 34（13）： 9-12.

[4] 孫鳴，余娟，鄧博.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)線路保影響的分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：104-107.

[5] 陳海炎，陳金富，段獻忠等.含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，30（1）：35-39.