分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)安全的影響分析

陳黎軍

(國網(wǎng)江蘇省電力公司無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)安全的影響分析

陳黎軍

(國網(wǎng)江蘇省電力公司無錫供電公司，江蘇 無錫 214061)

分析了分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行安全、檢修安全以及計(jì)量安全等方面帶來的影響，從加強(qiáng)管理手段、規(guī)范技術(shù)手段入手，提出了相應(yīng)的對(duì)策和措施，通過有針對(duì)性地加強(qiáng)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)后的安全管理，有效避免了分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)與分布式光伏發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展。

分布式光伏發(fā)電；并網(wǎng)；配電網(wǎng)

0 引言

分布式光伏發(fā)電對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前，在國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策支持下，我國分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅猛、潛力巨大，但由于這些光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模小、數(shù)量多，大量分布式光伏發(fā)電的接入將對(duì)電網(wǎng)的安全產(chǎn)生顯著影響。

分布式光伏發(fā)電大量接入配電網(wǎng)(10 kV及以下中低壓配電網(wǎng))后，將改變電力系統(tǒng)在中低壓層面的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，使得配電網(wǎng)從一種垂直的輻射式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫吹乃绞骄W(wǎng)絡(luò)。當(dāng)分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)中的數(shù)量和容量達(dá)到一定程度時(shí)，將對(duì)配電網(wǎng)原有的運(yùn)行安全(如繼電保護(hù)、自動(dòng)化系統(tǒng))、檢修安全與計(jì)量安全等方面產(chǎn)生影響。

1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)安全的影響

1.1 對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行安全的影響

目前，中低壓配電網(wǎng)主要是中性點(diǎn)不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)系統(tǒng)，采用單側(cè)電源輻射型供電網(wǎng)絡(luò)。分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)，不僅使得配電網(wǎng)從輻射型變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，而且也改變了潮流和短路電流的大小、流向以及分布特性。

1.1.1 繼電保護(hù)

在配電網(wǎng)短路情況下，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響

當(dāng)2號(hào)饋線開關(guān)B與C之間發(fā)生短路時(shí)，主電源和各個(gè)分布式光伏發(fā)電均向短路點(diǎn)注入短路電流，短路電流增大。同時(shí)，短路點(diǎn)上游開關(guān)S2和開關(guān)B流過來自主電源、本饋線上游接入的光伏發(fā)電和其他饋線上光伏發(fā)電的短路電流，其中來自分布式光伏發(fā)電的短路電流使得故障段饋線電壓上升，從而使得主電源供出的短路電流與沒有光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)相比有所降低。

因此，分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)后，在配電網(wǎng)線路發(fā)生相同短路故障時(shí)，流經(jīng)變電站出線10 kV開關(guān)的故障電流發(fā)生了變化。

1.1.2 配網(wǎng)自動(dòng)化

配網(wǎng)自動(dòng)化(DA)依靠短路電流在配電網(wǎng)上的分布來進(jìn)行故障定位。若某個(gè)區(qū)域的一個(gè)端點(diǎn)上報(bào)了短路電流信息，并且該區(qū)域的其他端點(diǎn)均未上報(bào)短路電流信息，則故障在該區(qū)域內(nèi)；若其他端點(diǎn)中至少有1個(gè)也上報(bào)了短路電流信息，則故障不在該區(qū)域內(nèi)。

但對(duì)于分布式光伏發(fā)電接入饋線的情形，當(dāng)某個(gè)區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，除了該區(qū)域的主電源側(cè)端點(diǎn)會(huì)流過主網(wǎng)電源供出的短路電流以外，該區(qū)域與分布式光伏電源連接的端點(diǎn)也會(huì)流過相應(yīng)分布式光伏電源供出的短路電流。因此，傳統(tǒng)故障定位原理在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)難以應(yīng)用。

1.2 對(duì)檢修安全的影響

分布式光伏發(fā)電大多屬于用戶側(cè)并網(wǎng)，當(dāng)出力與負(fù)荷就地平衡時(shí)，就會(huì)存在孤島效應(yīng)問題。當(dāng)電力檢修人員在維護(hù)接有分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)線路或設(shè)備時(shí)，一旦分布式光伏發(fā)電的防孤島保護(hù)功能失效，將給電力檢修人員的現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)等帶來隱患。

如圖2所示，根據(jù)Q/GDW480—2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，孤島效應(yīng)是指當(dāng)開關(guān)QF1斷開后，公共連接點(diǎn)開關(guān)QF2(或分布式光伏發(fā)電接入裝置)未能檢出孤島狀態(tài)并及時(shí)斷開，使分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)依然向系統(tǒng)送電。當(dāng)電網(wǎng)因事故或停電檢修而失電時(shí)，如果分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力與本地負(fù)荷相匹配，就可能發(fā)生孤島效應(yīng)，造成待檢修線路帶電(如圖2中虛線表示)，給系統(tǒng)設(shè)備和相關(guān)人員帶來安全隱患。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)示意

1.2.1 分布式并網(wǎng)光伏電源典型設(shè)計(jì)

10 kV光伏電源接入配電網(wǎng)的典型接線如圖3(a)、(b)所示。

10 kV光伏電源經(jīng)用戶內(nèi)部接入配電網(wǎng)的典型接線如圖4(a)、(b)所示。

380 V光伏電源接入配電網(wǎng)典型接線如5(a)、(b)所示。

220/380 V光伏電源經(jīng)用戶內(nèi)部接入配電網(wǎng)典型接線如圖6所示。

圖3 10 kV光伏電源接入配電網(wǎng)典型接線

圖4 10 kV光伏電源經(jīng)用戶內(nèi)部接入配電網(wǎng)典型接線

圖5 380 V光伏電源接入配電網(wǎng)典型接線

1.2.2 不同接入方式對(duì)檢修安全的影響

(1) 對(duì)于采用專線接入配電網(wǎng)的分布式并網(wǎng)光伏電源(見圖3(a)，4(a)，5(a))，在進(jìn)行維護(hù)或檢修作業(yè)時(shí)，直接斷開10 kV饋線開關(guān)(公共連接點(diǎn))或380 V的配電低壓總開關(guān)，就可以確保分布式并網(wǎng)光伏電源與配電網(wǎng)斷開，分布式光伏電源就不會(huì)形成非計(jì)劃孤島。因此，采用專線接入配電網(wǎng)的分布式并網(wǎng)光伏電源不會(huì)對(duì)維護(hù)或檢修作業(yè)等造成安全影響。

(2) 對(duì)于采用T接接入配電網(wǎng)的分布式并網(wǎng)光伏電源(如圖3(b)，4(b)，5(b)，6所示)，公共變電站母線(配變低壓總開關(guān))斷開后，存在分布式并網(wǎng)光伏電源與就地負(fù)荷平衡，形成非計(jì)劃孤島運(yùn)行的可能性，會(huì)對(duì)檢修的安全造成影響。

圖6 220/380 V光伏電源經(jīng)用戶內(nèi)部接入配電網(wǎng)典型接線

1.3 對(duì)計(jì)量安全的影響

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，在用戶側(cè)安裝有獨(dú)立的分布式光伏電能計(jì)量表，從資產(chǎn)屬性以及技術(shù)上，存在分布式光伏發(fā)電用戶竊電的可能性，會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性與安全性。

1.3.1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)后可能的竊電方式

目前主要有市電改接法、升壓法、整流法和并接電流法4種可能的竊電方式。

圖7是380 V分布式光伏發(fā)電計(jì)量正常接入原理示意，4種竊電方式的具體電路接線方式分別如圖8～11所示。

圖7 380 V分布式光伏發(fā)電計(jì)量正常接入原理

圖8 市電改接法竊電的接線方式

圖9 升壓法竊電的接線方式

圖10 整流法竊電的接線方式

圖11 并接電流法竊電的接線方式

市電改接法是用戶通過調(diào)整其內(nèi)部接線方式，當(dāng)負(fù)荷消耗功率P2大于光伏發(fā)電功率P1(即I2＞I1)時(shí)，將市電通過交流引回至關(guān)口表前，將負(fù)荷消耗的市電冒充分布式光伏電源的發(fā)電量。該電路接線方式相當(dāng)于使關(guān)口計(jì)量表的電流虛高，從而使光伏發(fā)電量虛高以騙取國家補(bǔ)貼。

升壓法是用戶利用升壓變壓器構(gòu)造出一個(gè)虛高的電網(wǎng)電壓接入到關(guān)口計(jì)量表，在關(guān)口表兩側(cè)人為增加電壓差的方式加快表計(jì)“轉(zhuǎn)速”，使關(guān)口表多計(jì)發(fā)電量以騙取國家電價(jià)補(bǔ)貼。

整流法是用戶直接利用整流裝置將市電整流成直流電，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)化成交流電上網(wǎng)，使光伏計(jì)量表多計(jì)發(fā)電量以騙取國家電價(jià)補(bǔ)貼。

并接電流法采用的調(diào)壓器相當(dāng)于一臺(tái)副邊短路的變壓器，只需在原邊加一個(gè)很小的電壓，副邊即可感應(yīng)出較大電流，從而達(dá)到只需消耗少量市電量卻可以多計(jì)大量上網(wǎng)電量的目的。

1.3.2 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)計(jì)量安全的影響

(1) 以上4種竊電方法都能使分布式計(jì)費(fèi)電能表多計(jì)發(fā)電量，分布式電源客戶以此騙取國家補(bǔ)貼。

(2) 低壓光伏項(xiàng)目因電壓等級(jí)低，操作相對(duì)簡單，安全風(fēng)險(xiǎn)低，其發(fā)生此類問題的可能性應(yīng)高于高壓用戶。

(3) 在市電改接法竊電方式下，關(guān)于竊電存在2種情況：一是當(dāng)負(fù)荷消耗功率P2大于光伏發(fā)電功率P1時(shí)，負(fù)荷消耗電能越多，分布式光伏電源用戶竊取的電能就越多；二是當(dāng)負(fù)荷消耗功率P2小于光伏發(fā)電功率P1時(shí)，光伏發(fā)電功率會(huì)流向市電側(cè)，此時(shí)竊電失敗，反而會(huì)給光伏電源客戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。

(4) 在升壓法竊電方式下，升壓裝置二次側(cè)電壓越高，分布式電源用戶竊取的電能也越多。

(5) 在整流法竊電方式下，竊電運(yùn)行時(shí)間越長，分布式電源用戶竊取的電能也越多，獲得的非法收益也越高。

(6) 在并接電流法竊電方式下，并接電流越大，用戶竊取電能越多，非法獲利也越多。

2 對(duì)策措施

2.1 確保配電網(wǎng)運(yùn)行安全的對(duì)策

2.1.1 繼電保護(hù)

(1) 無論配電網(wǎng)發(fā)生三相或兩相短路，由分布式光伏電源供出的短路電流都不超過其額定電流的1.5倍。

(2) 當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)下游遠(yuǎn)處發(fā)生短路時(shí)，將會(huì)減小主電源供出的短路電流，其減小幅度與分布式光伏發(fā)電接入容量和系統(tǒng)短路容量有關(guān)，但可忽略。

因此，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并入配電網(wǎng)，對(duì)變電站內(nèi)10 kV出線開關(guān)無需增加保護(hù)設(shè)備，也無需調(diào)整現(xiàn)有保護(hù)邏輯，但在進(jìn)行分布式光伏發(fā)電接入方案設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)現(xiàn)有保護(hù)定值進(jìn)行校核。

2.1.2 自動(dòng)化

根據(jù)Q/GDW 480—2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，非計(jì)劃孤島的分布式光伏發(fā)電必須在饋線故障后2 s內(nèi)從電網(wǎng)脫離。因此，可采用分布式光伏發(fā)電脫網(wǎng)特性與重合閘配合的方法來消除短路電流中分布式光伏發(fā)電的影響。具體改進(jìn)策略如下：

(1) 變電站重合閘延時(shí)時(shí)間增加至2.5～3.5 s；

(2) 配電終端上送過的電流信號(hào)不作保持，或縮短信號(hào)保持時(shí)間至1 s以內(nèi)；

(3) 主站故障處理功能需要增加對(duì)2次過電流信號(hào)的疊加分析功能；

(4) 分布式光伏電源并網(wǎng)發(fā)電容量超過線路容量25 %時(shí)，需要重新整定配電終端上報(bào)故障信息的閾值，提高設(shè)定值。

上述應(yīng)對(duì)措施不必改變配電自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件，僅需在DA應(yīng)用軟件中略加改動(dòng)即可。

2.2 確保檢修安全的對(duì)策

2.2.1 加強(qiáng)檢修安全管理

分布式光伏電源并網(wǎng)孤島運(yùn)行是影響檢修安全的重要因素。因此，需要通過加強(qiáng)檢修管理措施的制定，及時(shí)修訂相關(guān)檢修管理規(guī)程，進(jìn)一步加強(qiáng)含分布式光伏電源并網(wǎng)配電網(wǎng)的檢修安全。

(1) 制訂包含分布式光伏電源并網(wǎng)的配電網(wǎng)檢修管理規(guī)定，強(qiáng)化光伏發(fā)電及所接配電網(wǎng)檢修安全管理，避免在配電網(wǎng)和送出線路檢修過程中分布式光伏電源向電網(wǎng)送電，危及人身安全。

(2) 嚴(yán)格執(zhí)行《安規(guī)》中關(guān)于保障安全的技術(shù)措施，先驗(yàn)電，若帶電，則提前通知相關(guān)分布式光伏電源業(yè)主，斷開進(jìn)線開關(guān)。

2.2.2 規(guī)范技術(shù)手段

(1) 加強(qiáng)入網(wǎng)檢測(cè)，以及對(duì)分布式并網(wǎng)光伏逆變器欠壓防孤島保護(hù)功能的檢測(cè)，確保在系統(tǒng)開關(guān)跳開后，并網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)自動(dòng)切除。

(2) 加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，貫徹《分布式光伏發(fā)電的技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》，對(duì)以非常規(guī)途徑接入220/380 V配電網(wǎng)的分布式光伏電源加強(qiáng)稽查，確保分布式光伏并網(wǎng)配置失壓跳閘、檢有壓合閘開關(guān)和孤島解列功能。

(3) 采用聯(lián)動(dòng)方式，當(dāng)配電總開關(guān)跳開后，聯(lián)動(dòng)跳開下級(jí)所有電源的公共連接點(diǎn)開關(guān)。

(4) 加裝負(fù)控裝置，在檢修時(shí)，分布式光伏電源的防孤島保護(hù)裝置失效的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

(5) 加裝進(jìn)線開關(guān)PT，確保在配網(wǎng)發(fā)生失壓時(shí)，分布式光伏并網(wǎng)配置失壓跳閘、檢有壓合閘功能有效。

2.3 確保計(jì)量安全的對(duì)策

(1) 加強(qiáng)對(duì)《電力法》、《計(jì)量法》、《供電營業(yè)規(guī)則》的宣傳，讓用戶明白竊電行為觸及法律，需要承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。

(2) 建立覆蓋所有光伏發(fā)電地區(qū)的光伏發(fā)電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)日照強(qiáng)度、氣象條件、關(guān)口表電量和總表電量，對(duì)光伏發(fā)電量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，設(shè)置報(bào)警閾值實(shí)施常態(tài)監(jiān)控，對(duì)于偏離參考站點(diǎn)過多的用戶進(jìn)行重點(diǎn)稽查。

(3) 推廣智能電表的應(yīng)用，確保對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)裝表接電管理，通過規(guī)范化走線、表箱、封簽等硬件手段防范竊電行為的發(fā)生。

(4) 對(duì)未投運(yùn)的光伏項(xiàng)目，加強(qiáng)設(shè)計(jì)審查、工程驗(yàn)收工作，完成信息建檔備案工作。

(5) 對(duì)已投運(yùn)的低壓光伏項(xiàng)目，加大現(xiàn)場(chǎng)用電檢查力度，縮短用電檢查周期，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)口表前后接線。

(6) 在計(jì)量技術(shù)監(jiān)督、質(zhì)量跟蹤工作中加大對(duì)光伏用戶的抽檢比例，必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)試。

(7) 進(jìn)一步深入分析并開展技術(shù)研究，以現(xiàn)有的用電信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究開發(fā)軟件防范功能和硬件防范設(shè)備。

3 結(jié)論

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)后，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行安全、檢修安全以及計(jì)量安全等都帶來了一定的的影響。

在配電網(wǎng)運(yùn)行安全方面，由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的峰值電流時(shí)間小于保護(hù)發(fā)送跳閘命令的時(shí)間，因此其對(duì)保護(hù)的影響可以忽略；對(duì)已投運(yùn)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)無需對(duì)硬件作出改動(dòng)，通過軟件調(diào)整就能夠適應(yīng)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)接入。建議對(duì)中低壓配電網(wǎng)變電站10 kV出線開關(guān)保護(hù)的影響可以忽略；對(duì)更大容量的分布式光伏電源接入，可通過利用分布式光伏脫網(wǎng)特性與重合閘的配合來進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位。

在檢修安全方面，當(dāng)對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)或檢修作業(yè)時(shí)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的非計(jì)劃孤島運(yùn)行狀態(tài)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)備以及人員的作業(yè)安全產(chǎn)生影響。建議完善檢修管理規(guī)程，加強(qiáng)對(duì)分布式并網(wǎng)光伏電源防孤島保護(hù)、失壓跳閘、檢有壓合閘等功能的檢測(cè)，建議采用聯(lián)動(dòng)方式，加裝負(fù)控裝置和進(jìn)線開關(guān)PT。

在計(jì)量安全方面，分布式光伏發(fā)電接入從技術(shù)上存在竊電的可能性，對(duì)電力系統(tǒng)的關(guān)口計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。竊電將使分布式計(jì)費(fèi)電能表多計(jì)發(fā)電量，分布式電源客戶以此騙取國家補(bǔ)貼。建議主要通過管理和現(xiàn)有技術(shù)手段防范此類行為，包括加強(qiáng)對(duì)《電力法》、《計(jì)量法》、《供電營業(yè)規(guī)則》的宣傳，加大智能電能表推廣應(yīng)用和裝表接電管理，以及研發(fā)軟、硬件防范功能和設(shè)備。

1 張忠林，羅衛(wèi)華，高 凱，等．分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響及解決措施[J]．供用電，2013(4)．

2014-05-10。

陳黎軍(1976-)，男，政工師，主要從事安全監(jiān)督管理、電力設(shè)施安全保衛(wèi)工作，email：chenlijun_wuxi@163.com。