分布式發(fā)電對10 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

章忠+鄭健睿+王曜飛+康子森

摘 要：介紹了DG對繼電保護(hù)生成影響的原因，且對其三個方面影響進(jìn)行了簡要描述：孤島及對自動重合閘產(chǎn)生的影響、對故障電流產(chǎn)生的影響、對線路保護(hù)產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電 配電網(wǎng) 繼電保護(hù)

中圖分類號：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0103-02

分布式發(fā)電（Distributed Generation）作為新興一種發(fā)電技術(shù)，它具有環(huán)保、高效的特點(diǎn)。尤其是在近幾年中，電力市場對降低室溫氣體的排放、節(jié)能減排與開放上都做了嚴(yán)格要求，分布式發(fā)電，特別是以新型生電方式為代表的發(fā)電方式獲得了快速發(fā)展并取得了廣泛應(yīng)用。DG在減少環(huán)境污染，降低終端用戶費(fèi)用等方面具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，與此同時又有靈活性、高效性、能源來源多樣化等的優(yōu)點(diǎn)。

DG是指一種新型發(fā)電形式，對于一些比較特殊的客戶需求，根據(jù)原有的配電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行上進(jìn)行專門的設(shè)計安裝，并且在用戶處或者其他的附近小型發(fā)電機(jī)組、使得符合供電可靠性和電能質(zhì)量均得到明顯增強(qiáng)配置在用戶附近的發(fā)電形式。DG按照所用到的技術(shù)不同，可分為：水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等。DG引入配電網(wǎng)以后，將深刻影響到配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，且改變配電網(wǎng)短路電流的分布，從而對配電網(wǎng)繼電保護(hù)帶來一定難度。近些年來，DG在配電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越加頻繁廣泛，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整保護(hù)系統(tǒng)是有必要的，這樣就可以討論分析其對配電網(wǎng)保護(hù)裝置的影響。

1 DG對繼電保護(hù)產(chǎn)生影響的原因

DG引入配電網(wǎng)以后，傳統(tǒng)的放射式的無源網(wǎng)絡(luò)，即單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成一個電源混合分布的，且中小型的有源電網(wǎng)，這樣就使得潮流不會在從變電站母線上流向各個負(fù)荷。配電網(wǎng)作為一個電量傳輸?shù)那?，是不?zhǔn)其中含有電源向負(fù)荷供電的。配電網(wǎng)潮流具有的不確定性，也會導(dǎo)致電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)置和動作值的整定增加一定的難度。相對于配電網(wǎng)來說，大量的DG具有不可控和不確定性，如光伏發(fā)電在日照和時間不同的條件下，生成的電能質(zhì)量大小也會有所不同、生物質(zhì)發(fā)電受原材料的影響，不同的材料發(fā)電程度質(zhì)量會有所不同。在傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)中，假設(shè)配電系統(tǒng)處于放射狀態(tài)條件下，進(jìn)行設(shè)計，且與配電網(wǎng)中的DG相互的滲透，而保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)也同向發(fā)生變化，這樣就使配電網(wǎng)中的各個機(jī)理與保護(hù)定制發(fā)生變化。

同時，因為配電網(wǎng)在自我保護(hù)方面較弱，在配電網(wǎng)保護(hù)裝設(shè)時通常不考慮引入DG安裝的，給定的分配網(wǎng)絡(luò)的電壓水平通常較低，通常，電流保護(hù)的具有成本效益的優(yōu)勢，一般均以電流保護(hù)為主，并沒有配備定向元件。薄弱保護(hù)配置很難承受DG引入帶來的挑戰(zhàn)。

2 DG對配電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響

為了充分展現(xiàn)DG引入對繼電保護(hù)生成的影響，保護(hù)配置和整定均按照DG投入前的情況。一般的情況為例，典型的網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)配置如圖1（圖1中L1，L2，L3為10 kV線路）。

在變電站內(nèi)，線路保護(hù)裝置一般安裝在靠近母線線路斷路器那里。一般情況下，都是選擇三段式電流保護(hù)來進(jìn)行配置的（即L1、L2），也就是過電流、定時限電流速斷及瞬時電流速斷這三種保護(hù)。其中，瞬時電流保護(hù)依照逃脫路線來說，故障端部所產(chǎn)生的最大調(diào)諧三相短路電流的方法，且它不能保護(hù)到全長的線路。定時限電流速斷保護(hù)按照故障線路的端部具有靈敏度和速度的瞬時電流斷路器保護(hù)與鄰近的調(diào)諧方法，保護(hù)線路的全長。過電流保護(hù)電路，根據(jù)躲過最大負(fù)載電流和過電流保護(hù)方法與相鄰線路調(diào)整，盡量保留相鄰線路的后備，以保護(hù)相鄰線路的長度。此外，非全電纜線路，依托三相一次重合閘配置，以確保當(dāng)時間線的瞬態(tài)故障時，也能夠迅速地恢復(fù)供電。一般與相鄰線路配合的終端線路（如L3）不存在問題，為了簡化保護(hù)配置，通常以三相一次重合閘的保護(hù)方式與瞬時電流速斷保護(hù)加過電流保護(hù)組成的二段式保護(hù)，電流速斷保護(hù)按照線路末端故障有靈敏度的方法整定，能夠保護(hù)全線。

引入DG后，從單電源進(jìn)線雙電源線線L1，該行的其余部分仍然采用單電源供電。DG引進(jìn)保護(hù)后，對原配置影響主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 孤島和對自動重合閘的影響

在DG引入之前，配電網(wǎng)為輻射式結(jié)構(gòu)，瞬時性故障線路在自動重合閘恢復(fù)供電時，配電網(wǎng)系統(tǒng)不會受到任何形式的沖擊和破壞。DG引入之后，一旦系統(tǒng)與DG的連接線路（如圖1中L1）發(fā)生故障時且被跳開，DG將在電網(wǎng)中形成由其獨(dú)自供電的電力孤島。這些孤島保持了功率和電壓在額定值附近的運(yùn)行。只是這些電力孤島會給自動重合閘埋下隱患。

（1）非同期重合閘。在系統(tǒng)電源跳開到自動重合閘動作的這段時間內(nèi)，DG加速或者減速運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性很大，自動重合閘動作時，電網(wǎng)和孤島不能保持同步，兩者之間會形成一個很大的相角差。當(dāng)兩者間形成的相角差達(dá)到某個值時，非同期重合閘會引起極大的沖擊電流或電壓，如圖2所示。在生成的沖擊電流作用下，線路保護(hù)方面有很大可能會誤動，使得重合閘失去了迅速恢復(fù)瞬時故障的能力。同時，沖擊環(huán)流也有很大可能對電網(wǎng)及DG單元中的設(shè)備帶來致命沖擊。

（2）故障點(diǎn)電弧重燃。系統(tǒng)側(cè)電壓消失后，故障點(diǎn)電能可能并不會消失，DG有可能繼續(xù)對其供電，重合閘發(fā)生時，DG提供的故障電流阻止了故障點(diǎn)電弧熄滅，引起故障點(diǎn)電弧重燃。此時，原本的瞬時性的故障變成了永久性的故障。長時間電弧的存在會給所有設(shè)備的維護(hù)帶來極大困難。

因此，由于DG接入，會對自動重合閘恢復(fù)瞬時性故障產(chǎn)生極大的影響。DG側(cè)應(yīng)安裝低周、低壓解列裝置。同時，配電網(wǎng)和DG設(shè)備會受到非同期重合閘的沖擊，為避免這種情況，系統(tǒng)側(cè)重合閘繼電器需要檢線路無壓，DG側(cè)檢同期。

2.2 對故障電流的影響

在故障發(fā)生時，由于DG引入配電網(wǎng)，必然會對故障點(diǎn)提供故障電流，故障電流的水平將會受到不同程度的影響。我們所關(guān)心的問題是故障發(fā)生時DG能夠提供多大的故障電流。不同類型的DG，電抗值不同，它代表著此電源的故障電流注入能力。Barker etal對此進(jìn)行了研究，如圖3所示。endprint

2.3 對線路保護(hù)的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點(diǎn)：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點(diǎn)D1總電流，線路BC上的線路保護(hù)只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點(diǎn)D1的實(shí)際電流值時，將提高D1處保護(hù)的靈敏度，線路BC保護(hù)動作的靈敏度則會被降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點(diǎn)：DG引入之前，本線路由AB上的保護(hù)R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點(diǎn)D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護(hù)R2感受到，只是R2處保護(hù)不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護(hù)誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點(diǎn)D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護(hù)；DG引入之后，將會增大故障線路保護(hù)感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護(hù)更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護(hù)感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護(hù)無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護(hù)也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護(hù)的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運(yùn)行后給繼電保護(hù)帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護(hù)的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護(hù)，加強(qiáng)DG保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡成志，盧繼平.分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2006（8）.

[2] 黃偉，雷金勇.分布式電源對配電網(wǎng)相間短路保護(hù)的影響[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（1）：93-97.

[3] 楊文宇，楊旭英.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齊利.繼電保護(hù)缺陷微機(jī)化管理及其應(yīng)用探索[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 對線路保護(hù)的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點(diǎn)：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點(diǎn)D1總電流，線路BC上的線路保護(hù)只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點(diǎn)D1的實(shí)際電流值時，將提高D1處保護(hù)的靈敏度，線路BC保護(hù)動作的靈敏度則會被降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點(diǎn)：DG引入之前，本線路由AB上的保護(hù)R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點(diǎn)D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護(hù)R2感受到，只是R2處保護(hù)不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護(hù)誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點(diǎn)D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護(hù)；DG引入之后，將會增大故障線路保護(hù)感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護(hù)更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護(hù)感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護(hù)無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護(hù)也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護(hù)的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運(yùn)行后給繼電保護(hù)帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護(hù)的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護(hù)，加強(qiáng)DG保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[3] 楊文宇，楊旭英.分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齊利.繼電保護(hù)缺陷微機(jī)化管理及其應(yīng)用探索[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 對線路保護(hù)的影響（如圖4）

（1）若線路BC中間的任意位置引入DG時，D1是A面和DG故障之間的任何一點(diǎn)：DG引入前，引入短路故障電流只是由系統(tǒng)提供；DG引入之后，由疊加定理可知，在系統(tǒng)所有方向DG將提供電流，統(tǒng)和DG共同來提供此故障點(diǎn)D1總電流，線路BC上的線路保護(hù)只能夠感受到由系統(tǒng)提供的故障電流，小于故障點(diǎn)D1的實(shí)際電流值時，將提高D1處保護(hù)的靈敏度，線路BC保護(hù)動作的靈敏度則會被降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致其拒動。

（2）D2為系統(tǒng)側(cè)AB上任一故障點(diǎn)：DG引入之前，本線路由AB上的保護(hù)R1動作于跳閘，DG引入之后，系統(tǒng)和DG共同提供故障點(diǎn)D2的總電流，此時DG提供的故障電流將被線路BC的保護(hù)R2感受到，只是R2處保護(hù)不經(jīng)方向閉鎖，電流一旦超過了整定值，將會導(dǎo)致其保護(hù)誤動。

（3）當(dāng)10 kV母線不含有DG其他線路上一點(diǎn)D3處發(fā)生故障時：在DG引入前，系統(tǒng)提供的故障電流受到故障線路保護(hù)；DG引入之后，將會增大故障線路保護(hù)感知的電流。如果故障線路是終端線，將會使得原保護(hù)更加的靈敏。如果故障線路是非終端線，則此時相鄰的故障線路下一級保護(hù)感受到的故障電流會增大，可能導(dǎo)致它的速斷保護(hù)無法躲開線路故障從而失去選擇性。

綜合以上分析，僅僅考慮引入DG對故障電流的變化不涉及電流繼電器的內(nèi)部特性，所以熔斷器和反時限電流繼電器的保護(hù)也有類似的性質(zhì)。值得注意的是，自動重合閘受到DG的影響，僅僅限于DG與系統(tǒng)連接線路上，如圖1所示的線L1，而線路保護(hù)的影響，可能與相鄰的線有所牽連，圖2中直線L2。

3 結(jié)論

本文著重講述了分布式發(fā)電并入配電網(wǎng)運(yùn)行后給繼電保護(hù)帶來的一系列問題，從文中可以看出：當(dāng)前電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置對DG接入帶來的挑戰(zhàn)很難承受，電網(wǎng)繼電保護(hù)的最主要問題問題表現(xiàn)在適應(yīng)性差，且兩者間缺乏有效配合。DG接入電網(wǎng)的數(shù)量逐漸增多，開發(fā)具有自適應(yīng)功能繼電保護(hù)，加強(qiáng)DG保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的相互配合，將是未來發(fā)展的一大趨勢，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[4] 高齊利.繼電保護(hù)缺陷微機(jī)化管理及其應(yīng)用探索[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（5）：25-27.endprint