含分布式電源配電網(wǎng)距離保護(hù)理論分析

范鵬鵬 孫守文 張春明

1.山東理工大學(xué) 山東 淄博 255049 2.棗莊供電公司 山東 棗莊 277100 3.安丘市供電公司 山東 安丘 262100

0 引言

隨著電力需求的增加和發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，以燃料電池、風(fēng)力、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能等功率大小不超過50MW為代表的分布式發(fā)電 （Distributed Generation，DG）技術(shù)越來越引人注目，具有方便、高效、清潔的特點(diǎn)逐漸成為一種新的發(fā)電模式。

當(dāng)前，我國(guó)35kV及其以下電壓等級(jí)的配電網(wǎng)主要采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的單電源輻射式供電模式，通常以電流保護(hù)作為其主保護(hù)進(jìn)行整定配置。DG的接入使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)單向潮流變?yōu)殡p向甚至多向潮流分布。故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG同時(shí)向短路點(diǎn)注入短路電流，會(huì)改變故障電流的大小、方向及其持續(xù)時(shí)間，影響系統(tǒng)保護(hù)的正常運(yùn)行和正確動(dòng)作。

因此DG的接入將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生深刻的影響，主要包括以下幾個(gè)方面：

a） 相鄰下級(jí)線路故障時(shí)，保護(hù)誤動(dòng)作；

b） 保護(hù)靈敏度降低，甚至拒動(dòng)；

c） 影響保護(hù)的配合整定；

d） 可能導(dǎo)致非同期自動(dòng)重合閘；

e） 可能導(dǎo)致非計(jì)劃性孤島現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的安全和供電質(zhì)量。

1 配電網(wǎng)的特點(diǎn)

相對(duì)輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)具有自己的一些特性：

（1）不同分段的配電線路的截面積是不相同的，所以測(cè)量阻抗與故障點(diǎn)的距離不成正比線性關(guān)系；

（2）由于配電線路距離比較短，饋線分支較多，線損比較大，使得短路角比較小，負(fù)荷角和短路角的差別也就比較?。?/p>

（3）配電網(wǎng)的饋線分支較多，且各個(gè)分支負(fù)載也是不同的，使得整個(gè)配電線路的負(fù)荷呈不均勻分布狀態(tài)；

（4）配電網(wǎng)的多種供電結(jié)構(gòu)，可能使得不同位置故障時(shí)的測(cè)量阻抗相同；

配電線路的一些特點(diǎn)使得距離保護(hù)應(yīng)用于配電網(wǎng)比距離保護(hù)應(yīng)用于輸電線路更加復(fù)雜、困難。需要考慮沿配電網(wǎng)饋線分布的負(fù)荷分接頭和分布式電源對(duì)距離保護(hù)的影響。

2 距離保護(hù)在含分布式電源配電網(wǎng)應(yīng)用

2.1 含分布式電源保護(hù)方案

分布式電源的容量大小、并網(wǎng)類型、接入地點(diǎn)等因素均會(huì)對(duì)系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。配電網(wǎng)運(yùn)行方式的復(fù)雜多變，給配電網(wǎng)原有的電流保護(hù)的整定帶來困難，有時(shí)根本無法按照要求正確整定，不能起到電流保護(hù)應(yīng)有的作用。 針對(duì)上述問題，目前已提出兩種配電網(wǎng)保護(hù)方案：一是改進(jìn)配電網(wǎng)中采用的傳統(tǒng)電流保護(hù)方案，以達(dá)到減少故障切除時(shí)間、增加保護(hù)靈敏性和可靠性、提高饋線電能質(zhì)量的目的，在一定程度上滿足DG接入配電網(wǎng)的保護(hù)要求；二是將距離保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)等輸電線路中成熟的保護(hù)原理、方案應(yīng)用到配電網(wǎng)中，滿足DG接入配電網(wǎng)的要求［3-4］。

相對(duì)于電流保護(hù)，距離保護(hù)性能更加完善，可以滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)快速、有選擇性地切除故障元件的要求。此外，距離保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響比較小，且其保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段的測(cè)量元件都具有方向性，因此適合采用距離保護(hù)應(yīng)用到含分布式電源的配電網(wǎng)中。

2.2 距離保護(hù)概念

距離保護(hù)是利用短路時(shí)電壓、電流同時(shí)變化的這一特征，通過測(cè)量電壓、電流的比值，反應(yīng)故障點(diǎn)到保護(hù)裝置安裝處的距離而動(dòng)作的保護(hù)。當(dāng)故障點(diǎn)距離保護(hù)安裝處越近，保護(hù)感受到的距離越小，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限越短；反之，當(dāng)故障點(diǎn)距離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)時(shí)，保護(hù)感受到的距離越大，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限越長(zhǎng)，保證了選擇性。

如圖1所示，按照繼電保護(hù)選擇性要求，僅在線路MN內(nèi)部故障時(shí)，安裝在線路兩端的距離保護(hù)裝置才應(yīng)該立即動(dòng)作，將相應(yīng)的斷路器跳開，而在相應(yīng)保護(hù)區(qū)反方向或本線路之外正方向短路時(shí)候，距離保護(hù)裝置不應(yīng)該動(dòng)作。

圖1 距離保護(hù)基本原理示意圖

在距離保護(hù)中，測(cè)量阻抗Zm定義為保護(hù)安裝處測(cè)量電壓與的比值，即

根據(jù)測(cè)量阻抗Zm不同情況下相位和幅值的差異，區(qū)分系統(tǒng)發(fā)生故障情況及區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。比較測(cè)量阻抗Zm和整定阻抗Zset的大小，當(dāng)Zm＜Zset時(shí)，是區(qū)內(nèi)故障，當(dāng)Zm＜Zset時(shí)，判斷為區(qū)外故障。

2.3 距離保護(hù)的整定計(jì)算

同三段式電流保護(hù)類似，為了滿足速動(dòng)性、選擇性和靈敏性要求，距離保護(hù)采用具有時(shí)限特性的三段式距離保護(hù)，即距離保護(hù)的Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。當(dāng)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)拒動(dòng)。

1）距離保護(hù)Ⅰ段作為速動(dòng)保護(hù)段，距離保護(hù)Ⅰ段測(cè)量元件的整定阻抗應(yīng)該躲過本線路末端短路時(shí)的測(cè)量阻抗，整定阻抗為：

式中：Zl為線路的正序阻抗；為可靠系數(shù)，一般取

由于距離保護(hù)Ⅰ段只能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng)的80%～85%，為了必須采用距離保護(hù)Ⅱ段才能切除本線路末端15%～20%范圍內(nèi)的故障。

2）距離保護(hù)Ⅱ段的整定應(yīng)當(dāng)按照以下兩個(gè)原則整定：

a）與相鄰下一級(jí)線路的距離Ⅰ段保護(hù)相配合，保證下一級(jí)線路發(fā)生故障時(shí)，上一級(jí)線路保護(hù)的Ⅱ段不至于越級(jí)跳閘，Ⅱ段的整定阻抗為：

b）與相鄰下一級(jí)線路始端的變壓器快速保護(hù)相配合，保證動(dòng)作范圍不超過變壓器的保護(hù)范圍，設(shè)變壓器的的阻抗為ZT，Ⅱ段的整定阻抗為：

3）距離保護(hù)Ⅲ段的整定應(yīng)當(dāng)按照以下兩個(gè)原則整定：

a)按照與相鄰下級(jí)線路距離保護(hù)Ⅱ段或Ⅲ段配合整定，其Ⅲ段的整定阻抗為：

如果和相鄰下一級(jí)線路的保護(hù)Ⅱ段不符合靈敏度要求，那么應(yīng)和下一級(jí)線路的Ⅲ段保護(hù)配合。

b)按照躲過正常運(yùn)行時(shí)的最小負(fù)荷阻抗來整定，其整定值為：

3 分布式電源對(duì)距離保護(hù)的影響

相對(duì)于電流保護(hù)，具有明確的方向性距離保護(hù)性能更加完善，適合應(yīng)用到含分布式電源的配電網(wǎng)絡(luò)中。

我國(guó)大多數(shù)配電網(wǎng)仍采用以放射式結(jié)構(gòu)供電模式，圖2為距離保護(hù)應(yīng)用于含DG的放射式結(jié)構(gòu)的配電系統(tǒng)。

圖2 含DG的放射狀配電網(wǎng)

當(dāng)DG接入保護(hù)的距離Ⅰ段范圍內(nèi)，分析DG對(duì)距離保護(hù)Ⅰ段的影響；然后分析DG接入保護(hù)的距離Ⅱ段范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的影響。

3.1 分布式電源接入距離Ⅰ段保護(hù)范圍

圖3為DG接在距離保護(hù)Ⅰ段的保護(hù)范圍的典型等效電路示意圖。其中，用表示距離保護(hù)Ⅰ段的整定阻抗，即距離Ⅰ段的保護(hù)線路范圍；分布式電源可以用電壓源和阻抗的串聯(lián)等效，ZDG為分布式電源等效阻抗，用α表示在距離Ⅰ段保護(hù)范圍內(nèi)，分布式電源接入點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，有0＜α＜1；同時(shí)用β表示在距離Ⅰ段保護(hù)范圍內(nèi)，短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，有0＜β＜1。

圖3 含DG放射狀配電網(wǎng)典型等效圖

（1）當(dāng)距離保護(hù)Ⅰ段范圍內(nèi)k2點(diǎn)短路時(shí)，短路點(diǎn)處在DG和保護(hù)的下游，k2處的故障電流為系統(tǒng)電源S和DG共同提供，即Ik2＝Is＋I(xiàn)DG，參照其等效電路圖3（a）所示，可以計(jì)算出保護(hù)1的測(cè)量電壓:

進(jìn)而得出分布式電源接入時(shí)，保護(hù)1的測(cè)量阻抗：

根據(jù)式(8)可得，DG接在距離保護(hù)Ⅰ段范圍內(nèi)，在保護(hù)和DG下游發(fā)生短路故障時(shí)，由于β>α使得距離保護(hù)Ⅰ段的測(cè)量阻抗大于分布式電源未接入系統(tǒng)時(shí)距離保護(hù)Ⅰ段的測(cè)量阻抗，造成距離Ⅰ段的保護(hù)范圍縮小。

（2）當(dāng)距離保護(hù)Ⅰ段范圍內(nèi)k1點(diǎn)短路時(shí)，短路點(diǎn)位于保護(hù)安裝處和DG接入點(diǎn)之間，k1處的故障電流僅為系統(tǒng)電源S提供，即Ik1＝Is，參照其等效電路圖3（b）所示，可得保護(hù)安裝處的測(cè)量電壓：

進(jìn)而得出分布式電源接入時(shí)，保護(hù)1的測(cè)量阻抗：

根據(jù)式（10）可得，DG接在距離保護(hù)Ⅰ段范圍內(nèi)，在保護(hù)和DG之間發(fā)生短路故障時(shí)，距離保護(hù)Ⅰ段的測(cè)量阻抗不受分布式電源接入的影響，保持不變。

3.2 分布式電源接入距離Ⅱ段保護(hù)范圍

分析分布式電源接入距離保護(hù)Ⅱ段范圍時(shí)，對(duì)距離保護(hù)的影響，和分布式電源接入距離保護(hù)Ⅰ段范圍時(shí)的距離保護(hù)影響情況類似，只需把圖3中分析距離保護(hù)Ⅰ段的整定阻抗變?yōu)楸揪€路全長(zhǎng)Zl來進(jìn)行分析；用α表示在距離Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)，分布式電源接入點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，有0＜α＜1；同時(shí)用β表示在距離Ⅱ段保護(hù)范圍內(nèi)，短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離，有0＜β＜1；其等效電路結(jié)構(gòu)不變，和圖3類似。然后根據(jù)故障點(diǎn)的位置不同，即位于保護(hù)安裝處和DG下游或位于保護(hù)安裝處和DG之間位置，得出的距離保護(hù)1的距離Ⅱ段測(cè)量阻抗來判斷DG接入對(duì)距離保護(hù)的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式電源接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)后，將會(huì)改變傳統(tǒng)配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、潮流分布以及繼電保護(hù)的正確動(dòng)作性［5］。當(dāng)DG滲透密度達(dá)到一定程度時(shí)，因此需要采用更加靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)配電網(wǎng)的單一輻射式結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的也需要采用一種滿足繼電保護(hù)要求新的保護(hù)方案替代不適應(yīng)與傳統(tǒng)配網(wǎng)電流保護(hù)。本文選擇輸電網(wǎng)應(yīng)用成熟的距離保護(hù)方案作為含分布式電源的配電網(wǎng)中新的保護(hù)方案，然后從理論上分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)距離保護(hù)的影響。實(shí)際情況中，對(duì)于DG滲透率更高、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的配電網(wǎng)中，可以采用靈活多變的保護(hù)方案。

［1］梁有偉，胡志堅(jiān).分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（12）：74-75，88.

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［3］于春光，潘貞存，陳青.包含DG的配電網(wǎng)保護(hù)研究現(xiàn)狀［C］.中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2008.

［4］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［5］Power Technologies Internation， Embedded Generation on Actively Ma-Naged Distribution Netwoeks ［R］.En-gland:ET-SUK，2001.