某市分布式太陽能光伏發(fā)電接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析

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摘 要：配電網(wǎng)是指電力系統(tǒng)中以高、中壓變壓器的高壓側(cè)為分界點(diǎn)（高壓側(cè)的斷路器和隔離開關(guān)不屬于配電網(wǎng)）的中、低壓電網(wǎng)以及深入其中的高壓電網(wǎng)，與電力用戶連接。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；電網(wǎng)保護(hù)

1 某市配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及故障特點(diǎn)

配電網(wǎng)的主要功能是分配電能，配電網(wǎng)能否安全可靠運(yùn)行直接影響到電力用戶能否安全可靠用電。其常見特點(diǎn)是：（1）配電網(wǎng)的故障率高，且絕大多數(shù)為瞬時性故障。（2）單相接地短路的故障比例高，且短路電流小。（3）故障電弧不穩(wěn)定。

2 配電網(wǎng)的傳統(tǒng)保護(hù)配置

配電網(wǎng)的單端電源輻射型供電方式使得短路時的電流和功率是同一方向，這樣配電網(wǎng)的保護(hù)比較簡單，不像主網(wǎng)那樣需要判別故障方向，配網(wǎng)中配置三段式的電流保護(hù)，即無時限的電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，再配置三相一次重合閘裝置已能滿足需求。

2.1 無時限的電流速斷保護(hù)

反應(yīng)短路電流幅值突然增大而瞬時動作的電流保護(hù)，稱為無時限電流速斷保護(hù)。無時限電流速斷保護(hù)按躲開下一條線路出口處的最大三相短路電流整定，一般只能保護(hù)線路的一部分。

2.2 限時電流速斷保護(hù)

由于無時限的電流速斷保護(hù)不能保護(hù)本線路的全長，因此需要增加一段帶時限動作的保護(hù)，用來切除線路上電流速斷保護(hù)范圍以外的故障，同時作為無時限電流速斷保護(hù)的近后備保護(hù)，這就是限時電流速斷保護(hù)。限時電流速斷保護(hù)要求能夠保護(hù)本線路的全長，這樣它的保護(hù)范圍肯定會延伸到下一條線路，為了滿足在下一條線路發(fā)生故障時，下一條線路的無時限電流速斷保護(hù)優(yōu)先切除故障，所以限時電流速斷保護(hù)必須和下一條線路旳無時限電流速斷保護(hù)配合整定。

2.3 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)的保護(hù)范圍延伸到下一條線路的全長，主要作為后備保護(hù)。它是按最大負(fù)荷電流整定，與發(fā)生故障的短路電流大小無關(guān)，其動作時限從負(fù)荷到電源端必須滿足階梯狀的動作時限，所以越靠近電源側(cè)，雖然短路電流越大，但是過電流保護(hù)的動作時限越長，這是過電流保護(hù)的一個主要缺點(diǎn)。

3 DG接入配電網(wǎng)后對保護(hù)的影響分析

分布式電源（distributed generation， DG）的定義一般是指利用各種規(guī)模不大的可再生或非可再生能源進(jìn)行發(fā)電構(gòu)成的獨(dú)立的小型發(fā)電系統(tǒng)（發(fā)電容量一般在50～100MW之間）。DG按發(fā)電技術(shù)原理分類，有光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電，生物質(zhì)能發(fā)電，微型燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電和燃料電池等。

DG與大電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行，供電靈活，能夠提高電網(wǎng)的安全可靠性，還具有削峰填谷、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、提高現(xiàn)有設(shè)備利用率和解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電問題等經(jīng)濟(jì)效。但是，DG大量接入配電網(wǎng)改變了配電網(wǎng)原來單一電源、轄射型的結(jié)構(gòu)，原有的配電網(wǎng)饋線電流保護(hù)的選擇性、靈敏性、可靠性和保護(hù)范圍都將受到影響，其后果是造成保護(hù)裝置誤動、拒動，直接威脅到配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決上述問題，本章提出了一種含DG的配電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護(hù)的新方案。該方案先根據(jù)配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用替代原理對保護(hù)背側(cè)的DG網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值變換，得到其戴維南等值模型。然后在發(fā)生短路故障時，當(dāng)保護(hù)檢測到的短路電流大于整定值時先啟動保護(hù)裝置的啟動元件，再立即向故障側(cè)的相鄰保護(hù)發(fā)出短路功率方向信號，同時接收對側(cè)的短路功率方向信號，通過比較本保護(hù)和相鄰保護(hù)的短路功率方向信號相同與否決定是否動作。該保護(hù)方案的電流速斷保護(hù)能夠保護(hù)本線路的全長。

4 含DG的配電網(wǎng)保護(hù)的仿真研究

根據(jù)《某市分布式太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用示范項(xiàng)目報告》提供的數(shù)據(jù)，該工程平鋪組建裝機(jī)容量約為50MWp，光伏電站建成后，全年理論發(fā)電量約等于：7334.42萬kWh。光伏發(fā)電系統(tǒng)總效率為：74.183%，全年理論上網(wǎng)電量約等于：7334.42萬kWh×74.183%=5440.89萬kWh。年發(fā)電等效利用小時數(shù)為：54408900kWh÷51768.7kW=1051h。

4.1 主要發(fā)電設(shè)備

某市分布式太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用示范項(xiàng)目由以下幾個主要部分構(gòu)成：

（1）光伏組件陣列：其作用是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射的能量轉(zhuǎn)換為直流電，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的所有電能均由其提供。

（2）并網(wǎng)光伏逆變器：其作用是將光伏組件陣列輸出的直流電通過電力電子轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成50Hz，0.4kV的交流電。

（3）升壓變壓器：將并網(wǎng)光伏逆變器產(chǎn)生的交流電能直接升壓為10kV電壓，并通過10kV匯流柜送入高壓電網(wǎng)。

（4）10kV配電及計量：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中配有直流匯流箱及直流配電柜、交流配電柜、發(fā)電/市電計量柜、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備。

（5）公共電網(wǎng)：其作用是吸收并網(wǎng)光伏逆變器產(chǎn)生的電能，通常可以將其看作一個無限大的交流儲能裝置。

4.2 現(xiàn)狀繼電保護(hù)配置情況

（1）110kV#1站、#2站監(jiān)控系統(tǒng)，采用深圳南瑞繼保設(shè)備，由站控層和間隔層兩部分組成，并用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，站控層與間隔層均采用雙以太網(wǎng)。

（2）110kV#1站側(cè)10kV IM#1線、#2線、#3線、#4線、10kV IIM#5線、#6線共6回線路均配置10kV線路保護(hù)測控裝置，采用深圳南瑞繼保設(shè)備：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站側(cè)10kV IM#7線、#8線、#9線，配置10kV線路保護(hù)測控裝置，采用深圳南瑞繼保設(shè)備：ISA-351F型。9套裝置均具備過流速斷保護(hù)、零序過流保護(hù)、過流加速保護(hù)和零序加速保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)（報警或者跳閘）、具備低周減載功能和三相一次重合閘功能。

4.3 分布式電源繼電保護(hù)配置情況

根據(jù)調(diào)度要求，光伏電站及某廠區(qū)開關(guān)站側(cè)發(fā)生短路故障時，需要0S切除故障點(diǎn)；當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，光伏發(fā)電側(cè)逆變器孤島保護(hù)及低頻低壓解列功能需0.6S內(nèi)與系統(tǒng)解列。

4.4 110kV#1站、#2站側(cè)

（1）主變保護(hù)

110kV#1站#1、#2主變和110kV#2站#1、#2主變已配置主變保護(hù)裝置（#1站為深圳南瑞廠家設(shè)備，差動保護(hù)ISA-387GA，高后備保護(hù)ISA-388G，低后備保護(hù)ISA-388G，非電量保護(hù)ISA-361G。#2站為深圳南瑞廠家設(shè)備，差動保護(hù)ISA-387F，高后備保護(hù)ISA-388F，低后備保護(hù)ISA-388F，非電量保護(hù)ISA-361F），具有間隙保護(hù)功能，滿足本期工程新增主變間隙的保護(hù)需要，本期只需增加保護(hù)間隙功能跳閘出口端子、出口壓板及相應(yīng)連接軟導(dǎo)線。根據(jù)規(guī)定，主變間隙保護(hù)動作，需考慮切除小電源，因此本項(xiàng)目當(dāng)110kV#1站#1、#2主變間隙保護(hù)動作時需提供跳閘信號至某廠區(qū)側(cè)，跳開并網(wǎng)柜斷路器。當(dāng)110kV#2站#1、#2主變間隙保護(hù)動作時需提供跳閘信號至某廠區(qū)側(cè)，跳開并網(wǎng)柜斷路器。

（2）10kV線路保護(hù)

110kV#1站側(cè)10kV IM#1線、#2線、#3線、#4線、10kV IIM#5線、#6線共6回線路均配置10kV線路保護(hù)測控裝置，采用深圳南瑞繼保設(shè)備：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站側(cè)10kV IM#7線、#8線、#9線共3回線路均配置10kV線路保護(hù)測控裝置，采用深圳南瑞繼保設(shè)備：ISA-351F型。9套裝置均具備過流速斷保護(hù)、零序過流保護(hù)、過流加速保護(hù)和零序加速保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)（報警或者跳閘）、具備低周減載功能和三相一次重合閘功能。本期工程#2站10kV#8線、10kV#9線需從1M調(diào)整至2M，#1站10kV#2線需從1M調(diào)整至2BM，因站內(nèi)10kV線路保護(hù)屬同一型號產(chǎn)品，調(diào)整后線路保護(hù)仍滿足本項(xiàng)目要求，不需新增設(shè)備。

4.5 不同故障點(diǎn)的仿真研究

針對上述方案，我們進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，對其進(jìn)行仿真分析，下面以圖1含DG的配電網(wǎng)模型在Matlab中進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖2。系統(tǒng)電源采用10.5kV的理想電源，負(fù)荷額定功率均為1MV，DG接在母線C上，額定容量為10MVA。線路參數(shù)為r1=0.17Ω/km，x1= 0.38Ω/km，線路長度為AB = 10km ，BC = 15km ， CD = 8km， AE = 6 km。

首先通過比較DG接入前后不同位置發(fā)生三相短路故障時，保護(hù)安裝處檢測到的故障電流的變化，分析DG接入配電網(wǎng)對保護(hù)的影響。

（1）故障發(fā)生在DG的上游。當(dāng)線路AB末端發(fā)生三相短路故障F1，流過保護(hù)2的電流波形如下：

未接入DG時，發(fā)生故障F1，流過保護(hù)2的故障電流為零，接入DG后，因?yàn)镈G會給故障點(diǎn)提供電流，所以流過保護(hù)2的電流較大，容易使保護(hù)誤動作。

（2）故障發(fā)生的DG的下游。當(dāng)線路CD末端發(fā)生三相短路故障F2時，流過保護(hù)3的電流波形如下：

對比上面兩個波形圖，可以看出，DG接入后發(fā)生故障時流過保護(hù)3的故障電流明顯增大很多，這在一定程度上能夠提高保護(hù)3的靈敏度，但是也容易使保護(hù)3的保護(hù)范圍延伸到下一級線路，失去選擇性。

（3）故障發(fā)生在DG的相鄰饋線。當(dāng)線路AE末端發(fā)生三相短路故障F3時，流過保護(hù)1、2、4的電流波形如下：

從上面的波形圖可知，當(dāng)DG的相鄰饋線發(fā)生故障時，和保護(hù)3的情況相同，流過保護(hù)4的電流明顯增大，一方面能提高保護(hù)4的靈敏度，另一方面會失去選擇性。而保護(hù)1因?yàn)橛休^大的反向電流流過容易造成誤動作。

通過仿真計算表明，該方案能解決DG接入配電網(wǎng)引起的保護(hù)問題，且該方案的電流速斷保護(hù)能夠保護(hù)線路全長，解決了配電網(wǎng)短線路多，容易致使保護(hù)失去選擇性的問題。

5 結(jié)論

由于配電網(wǎng)配置比較簡單，主要以電流保護(hù)為主，其整定值是按照系統(tǒng)的最大運(yùn)行方式進(jìn)行計算。雖然這種計算方法能夠保證系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下保護(hù)都不誤動作，但是容易縮小保護(hù)范圍，甚至在某些嚴(yán)重情況下失去保護(hù)范圍，尤其在配電網(wǎng)較短的線路中和分布式電源接入的配電網(wǎng)中。利用現(xiàn)代通信技術(shù)手段和高性能數(shù)字信號處理器DSP實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時的在線計算電流整定值是實(shí)現(xiàn)本保護(hù)方案的關(guān)鍵。分布式電源接入配電網(wǎng)已經(jīng)成為一個勢不可擋的趨勢，所以應(yīng)該更加重視和研究更多的適用于含DG的配電網(wǎng)保護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局）