分布式電源對配電網(wǎng)三段式電流保護的影響

朱雪凌，王振亞，辛自立，方 珊，黎 霞

(華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

一般認為，分布式電源(Distributed Generation，DG)是指在靠近用戶現(xiàn)場配置的功率為數(shù)千瓦到50 MW 的小型、能夠獨立輸出電能、與環(huán)境兼容的發(fā)電系統(tǒng)［1－2］.相比于集中式大電網(wǎng)，分布式電源可以有效配置在負荷區(qū)，具有增強供電可靠性、提高能源利用率、改善電網(wǎng)峰谷性能、投資少、污染小等優(yōu)點，是對大規(guī)模電力系統(tǒng)的有力補充和有效支撐［3－4］.雖然，將大電網(wǎng)和分布式電源相結(jié)合的供電系統(tǒng)是未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展方向［5］，但是，分布式電源的并網(wǎng)使原來的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p端或多端有源網(wǎng)絡(luò)，對配電網(wǎng)短路電流產(chǎn)生助增、外汲和反向短路電流等方面的影響，進而影響到配電網(wǎng)電流保護的選擇性、可靠性與靈敏性.

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護配置現(xiàn)狀

目前，我國的中低壓配電網(wǎng)通常采用三段式電流保護［6］.其中，瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護相互配合，共同構(gòu)成線路的主保護，定時限過電流保護同時作為線路故障的近后備保護和相鄰線路故障的遠后備保護. 除此之外，對非全電纜線路，配置三相一次重合閘. 對于不存在與相鄰線路配合問題的終端線路，則采用瞬時電流速斷保護加過電流保護組成的二段式保護，再配以三相一次重合閘(前加速)的保護方式，其中瞬時電流速斷保護按照線路末端故障有靈敏度的方法整定，能夠保護線路全長［7－8］.

2 分布式電源對配電網(wǎng)三段式電流保護的影響

含DG 的10 kV 配電網(wǎng)的接線及等值電路如圖1所示. 系統(tǒng)電源的電勢為ES，等效電抗為XS. DG的電勢為Eg，等效電抗為Xg.線路L1，L2，L3，L4，L5的等效電抗分別為X1，X2，X3，X4，X5. DG 在距離線路L3首端x(占線路L3的百分比)處接入配電網(wǎng).

2.1 DG 接入位置和容量對保護P3 的影響

1)使保護P3 靈敏度降低，保護拒動.如圖1所示，若線路L3末端k3 點短路，在DG 并網(wǎng)前，流過保護P3 的短路電流為

在DG 并網(wǎng)后，流過保護P3 的短路電流為

圖1 含DG 的10 kV 配電網(wǎng)接線及等值電路圖

顯然，當k3 點發(fā)生短路故障時，DG 對流過保護P3 短路電流的外汲作用，使P3 感受到的短路電流減小，從而縮小了P3 的保護范圍，保護靈敏度降低.當故障發(fā)生在P3 的保護范圍內(nèi)時，如果DG 容量足夠大且接入位置適當，就可能使流過P3 的短路電流小于P3 電流保護整定值，保護P3 拒動.

2)使流過保護P3 的故障電流反向，保護誤動.如圖1所示，若線路L1首端k1 點短路，在DG 并網(wǎng)前，流過保護P3 電流為0，P3 不會動作.在DG 并網(wǎng)后，流過保護P3 的短路電流為

對基于三段式電流保護無方向元件的保護P3，短路電流將由D 流向A，流至短路點.如果DG 容量足夠大且DG 接入位置靠近短路點，就可能使流過保護P3 的短路電流大于P3 瞬時電流速斷保護的整定值，保護P3 失去選擇性，發(fā)生誤動.

2.2 DG 接入位置對保護P4 的影響

如圖1所示，若線路L4末端k4 點短路. 在DG并網(wǎng)前，流過保護P4 的短路電流為

在DG 并網(wǎng)后，流過保護P4 的短路電流為

顯然，當k4 點發(fā)生短路故障時，DG 對流過保護P4 短路電流的助增作用，使P4 感受到的短路電流增大，從而擴大了P4 的保護范圍，保護靈敏度升高.如果DG 容量足夠大且接入位置靠近短路點，就可能使P4 瞬時電流速斷保護的范圍延伸至L5段，與L5段的瞬時電流速斷保護沖突，使保護P4 失去選擇性而發(fā)生誤動.

2.3 DG 接入對保護P1 的影響

如圖1所示，DG 并網(wǎng)后，若線路L2上k2 點發(fā)生短路，由于DG 對流過保護P1 短路電流的助增作用，使P1 感受到的短路電流增大，從而擴大了P1 的保護范圍.如果DG 容量足夠大且接入位置靠近短路點，就可能使P1 瞬時電流速斷保護的范圍延伸至L2段，與P2 的瞬時電流速斷保護沖突，保護P1 失去選擇性，發(fā)生誤動.

3 算例分析

以圖1所示的10 kV 配電系統(tǒng)為例，通過MATLAB 仿真，研究分布式電源的接入對配電網(wǎng)三段式電流保護的影響.取基準容量SB=100 MVA，基準電壓UB=10.5 kV，流過線路ADE 的最大負荷電流IL.max=250 A.其他變量均以標幺值表示，系統(tǒng)電源的等效電抗XS=1，DG 的等效電抗Xg=3，線路的等效電抗X1=X2=1.5，X3=X4=6.整定系數(shù)取

3.1 DG 接入位置和容量對保護P3 的影響

1)使保護P3 靈敏度降低，保護拒動. DG 并網(wǎng)前，保護P4 的Ⅰ段保護整定值為

保護P3 的Ⅰ段，Ⅱ段，Ⅲ段保護整定值分別為

保護P3 的Ⅰ段保護最大保護范圍為

由于DG 電勢與系統(tǒng)電源電勢幾乎相同，因此在UB=10.5 kV 的前提下，DG 電勢與系統(tǒng)電源電勢的標幺值都可近似為1，即ES=Eg=1.

若距離線路L3首端0.7L3處發(fā)生三相短路故障，則

通過MATLAB 仿真，隨著DG 接入位置的不同，短路電流I'k3的變化軌跡如圖2所示.

圖2 距離線路L3首端0.7 L3處短路DG 接入點不同時I'k3的變化曲線

從圖2可以看出，在P3 的I 段保護范圍內(nèi)距離線路L3首端0.7L3處發(fā)生三相短路故障時，不管DG從何處接入，故障電流均減小. 當DG 在x∈(0.00，0.63)范圍內(nèi)接入時，I'k3小于，P3 的I 段保護將無法動作，只能通過延時利用Ⅱ段或Ⅲ段保護切除故障.

隨著DG 容量的改變，在同一地點發(fā)生三相短路故障時，短路電流的大小也會改變.由于

式中:x″g為DG 次暫態(tài)電抗的標幺值;Sg為DG 容量，MVA.

因此，DG 的等效電抗可以間接反映它的容量，DG 的容量越大，其等效電抗值越小. DG 容量變大后短路電流I'k3的變化曲線如圖3所示.從圖3可以看出，隨著DG 容量的增大，DG 在x∈(0.07，0.44)范圍內(nèi)接入配電網(wǎng)時，I'k3將同時小于和，P3的Ⅱ段和Ⅲ段保護都不會動作，此時發(fā)生故障會使保護P3 拒動.這種情況對電網(wǎng)的危害極大.

2)使流過保護P3 的故障電流反向，保護誤動.若線路L1首端k1 點發(fā)生三相短路故障，則

通過MATLAB 仿真，隨著DG 接入位置的不同，短路電流I'k3的變化軌跡如圖4所示.

圖3 改變DG 容量(Xg =1.1)對I'k3的影響

圖4 線路L1首端k1 點短路時I'k3的變化曲線

從圖4可以看出，當DG 在x∈(0.00，0.47)范圍內(nèi)接入配電網(wǎng)時，保護P3 檢測到的I'k3將大于P3 的I段保護的整定值，此時保護P3 將發(fā)生誤動.

3.2 DG 接入位置對保護P4 的影響

若線路L4末端k4 點發(fā)生三相短路故障，則

通過MATLAB 仿真，隨著DG 接入位置的不同，短路電流I'k4的變化軌跡如圖5所示.

圖5 線路L4末端k4 點短路時I'k4的變化曲線

從圖5可以看出，DG 并網(wǎng)后P4 感受到的短路電流I'k4最小為0.078 43，無論DG 從何處接入，I'k4均大于DG 并網(wǎng)前P4 感受到的短路電流Ik4，使P4 的I段保護范圍增大，靈敏度升高.當DG 在x∈(0.47，1.00)范圍內(nèi)接入時，I'k4大于IIset.4，P4 的I 段保護范圍將延伸至L5段，與L5段的I 段保護沖突.保護P4失去選擇性，發(fā)生誤動.

3.3 DG 接入對保護P1 的影響

DG 并網(wǎng)前，保護P1 的I 段保護整定值為

DG 并網(wǎng)后，若距離線路L2首端y(占線路L2的百分比)處發(fā)生短路，保護P1 檢測到的電流為

取x=0，Xg=1，則

通過MATLAB 仿真，隨著線路L2上故障位置y的變化，短路電流I'k1的變化軌跡如圖6所示.

圖6 短路電流I'k1隨故障位置y 的變化曲線

從圖6可以看出，當故障發(fā)生在距離線路L2首端y∈(0.00，0.06)范圍內(nèi)時，保護P1 檢測到的短路電流大于P1 的I 段保護的整定值，P1 的I 段保護將會瞬時動作.而故障本身卻處于保護P2 的I 段保護范圍內(nèi)，因此保護P1 誤動，失去了選擇性.

4 結(jié) 語

從以上分析可以看出，DG 并入配電網(wǎng)，在DG下游發(fā)生短路故障時，對DG 下游的保護檢測電流有助增作用，當DG 容量足夠大且接入位置靠近短路點，就能引起下游保護誤動;對DG 上游的保護檢測電流有外汲作用，當DG 容量足夠大且接入位置適當，就能引起上游保護拒動.在相鄰線路發(fā)生短路故障時，DG 對相鄰線路上的保護檢測電流有助增作用，當DG 容量足夠大且接入位置靠近短路點，就能引起相鄰線路保護誤動;同時，DG 上游將產(chǎn)生反向短路電流，當DG 容量足夠大且接入位置靠近短路點，就能引起上游保護誤動.

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