分布式電源容量對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析

李　晶，李　鑫，馬　越，薛秀梅

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng)　110136；2.河南省電力公司商丘供電公司，商丘　476000；3.沈陽(yáng)鐵路局沈陽(yáng)電務(wù)段，沈陽(yáng)　110032）

分布式電源容量對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析

李晶1，李鑫2，馬越3，薛秀梅2

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136；2.河南省電力公司商丘供電公司，商丘476000；3.沈陽(yáng)鐵路局沈陽(yáng)電務(wù)段，沈陽(yáng)110032）

配電網(wǎng)中短路電流大小流向及分布發(fā)生的變化，使得含分布式電源的配電網(wǎng)中的各種保護(hù)發(fā)生了劇烈的改變，可能造成漏電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。本文通過仿真分析分布式電源對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響，驗(yàn)證了分布式電源的接入將影響繼電保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作。

分布式電源；配電網(wǎng)；繼電保護(hù)；誤動(dòng)

分布式電源作為一種新興電力電源技術(shù)[1-2]，因其具有規(guī)模小、高效靈活和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)成為電力工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。隨著大量分布式電源并入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)原有潮流分布[5-6]，對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的配置和動(dòng)作整定帶來(lái)一定難度[7-8]，可能造成繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)等，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的供電可靠性[9-12]。為保證含分布式電源的配電網(wǎng)在故障消除后能及時(shí)智能地恢復(fù)供電，含分布式電源的配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)和控制提出了新的要求。

針對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)問題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些解決方案[13-15]。但這些方案執(zhí)行時(shí)均存在一些弊端。

本文首先論述了分布式電源接入對(duì)傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)的影響，并利用Matlab建立分布式電源和配電網(wǎng)模型，根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)分析了分布式電源的容量和接入位置對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響。

1　DG對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

1.1保護(hù)誤動(dòng)

如圖1所示，保護(hù)B2所在線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，由于DG的接入，保護(hù)B2檢測(cè)到的電流IB2將增大；且DG的容量越大，IB2越大，IB2有可能大于電流保護(hù)I段整定值，造成保護(hù)誤動(dòng)。

圖1　DG對(duì)本線路下游保護(hù)的影響Fig.1　DG impact of the downstream of line protection

保護(hù)B1和B2的無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)整定值為

式中:Zdg為分布式電源和變壓器阻抗；SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量；Sdg為分布式電源容量。

由圖2可見，BC線路末端發(fā)生三相短路故障，當(dāng)DG容量大于6 MVA時(shí)，保護(hù)B2檢測(cè)到的故障電流將大于其速斷保護(hù)整定值，引起保護(hù)誤動(dòng)。

圖2　BC末端短路時(shí)B2檢測(cè)到的故障電流隨DG容量的變化Fig.2　B2 detects the fault current changes with DG capacity in the BC terminal short-circuit

保護(hù)的誤動(dòng)還有另外一種情況。如圖3所示，當(dāng)相鄰線路發(fā)生三相短路故障時(shí)，保護(hù)B1將檢測(cè)到DG提供的反向電流，此時(shí)保護(hù)B1可能誤動(dòng)，切除DG所在線路。

圖3　相鄰線路故障時(shí)，DG對(duì)本線路上游保護(hù)的影響Fig.3　DG impact of the upstream of line protection in the nearby line fault

式中，λ為分支系數(shù)。

取前面參數(shù)值，Z4為AD段線路阻抗，取值1.2。

由式（6）可知，Sdg已知情況下，λ越小，IB1越大?？紤]Sdg影響，故障點(diǎn)離母線越近，短路電流越大，保護(hù)越有可能發(fā)生誤動(dòng)，取λ=0.001。

由圖4可知，相鄰線路離母線較近的位置發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于DG的作用，本線路保護(hù)可

圖4　相鄰線路短路時(shí)B1檢測(cè)到的故障電流隨DG容量的變化Fig.4　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the nearby line short-circuit

1.2保護(hù)的靈敏度降低

圖1中線路BC發(fā)生短路故障，與原配電網(wǎng)相比，在接入DG的情況下，保護(hù)B1檢測(cè)到的故障電流 IB1減小，靈敏度將變低?？紤]兩相短路，

考慮DG對(duì)保護(hù)B1靈敏度的影響，λ越大，靈敏度越低，因此取λ=1。由圖5知，隨著DG容量的增大，B1檢測(cè)到的故障電流迅速減小，過電流保護(hù)靈敏度將明顯降低。當(dāng)DG容量超過55 MW時(shí)，B1處故障電流小于其過電流保護(hù)整定值，此時(shí)如果B2速斷保護(hù)故障，B1將拒動(dòng)，故障無(wú)法隔離。

圖5　BC末端兩相短路時(shí)B1檢測(cè)到的故障電流隨DG容量的變化Fig.5　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the two-phase short circuit of BC terminal

2　DG對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響仿真分析

2.1仿真模型參數(shù)

1）系統(tǒng)電源參數(shù)

系統(tǒng)側(cè)電壓選取10 kV配電網(wǎng)的額定電壓為10.5 kV，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式的系統(tǒng)阻抗 值 分別為 ：Xs,min=0.091 Ω ；Ls,min= 0.000 29 Ω；Xs,max=0.126 Ω；Ls,max=0.000 4 Ω。

2）線路參數(shù)

包括架空線路和電纜線路。一般電纜線路故障多為永久性故障，故全電纜線路上不裝設(shè)重合閘裝置，只裝電流保護(hù)裝置。對(duì)于架空線路，一般裝設(shè)三段式電流保護(hù)和前加速自動(dòng)重合閘裝置。

選取架空線路參數(shù)為：R=0.27 Ω/km；X=0.347 Ω/km。

選取電纜線路參數(shù)為：R=0.259 Ω/km；X=0.093 Ω/km。

如圖6所示，模型為含分布式電源的配網(wǎng)圖，饋線末端為負(fù)荷。AB、BC段各為2 km的架空線路，CD、DE段分別為7 km、14 km的電纜線路。分布式電源從母線C接入電網(wǎng)。饋線2由兩段線路組成，AF為4 km的架空線路，F(xiàn)G為6 km的電纜線路。結(jié)合單位線路參數(shù)，可以得出各段線路的參數(shù)如表1所示。

圖6　含分布式電源的配電網(wǎng)模型Fig.6　Model for distribution network with distributed generation

表1　模型參數(shù)阻抗Tab.1　Impedance of model parameters

3）負(fù)荷參數(shù)

配電網(wǎng)中負(fù)荷參數(shù)選取的依據(jù)為限制每條饋線上電流有效值不超過200 A。本文采用恒阻抗模型代替負(fù)荷：ZLD=30+j15.7 Ω，相當(dāng)于單條饋線上所帶負(fù)荷約為4 MVA。

2.2DG模型的建立

分布式電源采用受控電流源等效，如圖7所示，對(duì)Irefa、Irefb、Irefc加以PQ控制，即可滿足分布式電源特性的要求。將分布式電源機(jī)組用一個(gè)模塊封裝起來(lái)，其中CTRL為將分布式電源控制中所需的Ea、Eb、Ec采集作為輸入信號(hào)輸入到模塊中，Eout為該模塊的輸出信號(hào)。

分布式電源PQ控制如圖8所示，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出的相位與外部電網(wǎng)一致，采用鎖相環(huán)電路。

圖7　分布式電源仿真模型Fig.7　Simulation module of distributed power

圖8　分布式電源PQ控制仿真電路Fig.8　Simulation circuit of PQ control with distributed power

3　DG接入對(duì)繼電保護(hù)影響仿真結(jié)果分析

首先考慮無(wú)分布式電源的情況。對(duì)于三相短路故障，可完全用正序參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時(shí)的故障電流，如表2所示。

表2　系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時(shí)的故障電流Tab.2　Fault current occuring three-phase short-circuit fault at the end of each line in the maximum system operation mode

根據(jù)表2得出的故障電流按照電流保護(hù)整定公式進(jìn)行各保護(hù)的電流速斷保護(hù)整定（可靠系數(shù)KK=1.2）。由于電流保護(hù)的保護(hù)范圍隨系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而變化，按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下兩相短路來(lái)校驗(yàn)保護(hù)范圍，可得出各處保護(hù)電流速斷保護(hù)整定值及保護(hù)范圍，如表3所示。

限時(shí)電流速斷保護(hù)用來(lái)切除本線路上電流速斷保護(hù)范圍以外的故障，并與下一段電流速斷保護(hù)相配合。另外，為能夠保護(hù)線路的全長(zhǎng)，限時(shí)電流速斷保護(hù)必須在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)具有足夠的反應(yīng)能力靈敏度。本節(jié)所用系統(tǒng)模型各處保護(hù)限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值（可靠系數(shù)KK=1.1）及靈敏度如表4所示。

表3　配電網(wǎng)電流速斷保護(hù)整定值Tab.3　Setting values of current interruption protection of distribution network

表4　配電網(wǎng)限時(shí)電流速斷保護(hù)整定值及靈敏度Tab.4　Setting values and sensitivity of limit current quick break protection of distribution network

由以上分析看出：無(wú)分布式電源的情況下，算例模型進(jìn)行的保護(hù)配置滿足了對(duì)保護(hù)選擇性和靈敏性的要求。

下面考慮分布式電源不同容量、不同接入位置的情況下對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)影響。

1）d1（AB末端）發(fā)生三相短路

C點(diǎn)接入DG后，在d1發(fā)生三相短路時(shí)的電流如表5所示。在d1故障時(shí)，保護(hù)1和保護(hù)2都應(yīng)該動(dòng)作以分別切除系統(tǒng)電源和分布式電源對(duì)故障點(diǎn)提供的短路電流。但由表5的仿真數(shù)據(jù)可知，在Sdg<57.6 MVA時(shí)，分布式電源提供的短路電流不足以使保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)Sdg≥57.6 MVA時(shí)，保護(hù)2的限時(shí)電流速斷才動(dòng)作（≥2.228 kA）。因此應(yīng)對(duì)保護(hù)2加裝方向元件并重新設(shè)定整定值。

表5　d1發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流Tab.5　Short-circuit current of d1 three-phase shortcircuited

2）d3（AF末端）發(fā)生三相短路

C點(diǎn)接入分布式電源后，在d3發(fā)生三相短路時(shí)的電流如表6所示。根據(jù)第3.1節(jié)分析，d3發(fā)生故障時(shí)，分布式電源會(huì)對(duì)保護(hù)1和保護(hù)2提供反向電流，如果此反向電流超過保護(hù)1、2的整定值可能造成誤動(dòng)。根據(jù)表4～表6的數(shù)據(jù)分析，在DG容量從0到40 MVA的變化過程中，I1（=I2）隨之逐漸增加，當(dāng)分布式電源容量增到37.47 MVA以上，I2≥Iact.2，保護(hù)2的電流保護(hù)H段將會(huì)誤動(dòng)作。另一方面，保護(hù)4的故障電流是減小的，這是因?yàn)榉植际诫娫词墙釉诰€路的非末端而不是末端。當(dāng)分布式電源接在末端時(shí)肯定會(huì)向保護(hù)4提供助增電流，但當(dāng)接在非末端時(shí)電流的分配將受整個(gè)配網(wǎng)阻抗參數(shù)的影響。由表6可知，隨著分布式電源容量的增加，ES是減小的，因此I也會(huì)減小而不會(huì)造成誤動(dòng)。

表6　d3發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流Tab.6　Short-circuit current of d3 three-phase shortcircuited

4　結(jié)語(yǔ)

DG的位置及容量因素將影響配電網(wǎng)保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作。DG的接入可能導(dǎo)致流過其上游保護(hù)的短路電流減小，保護(hù)靈敏度降低；DG所在線路的相鄰線路發(fā)生故障時(shí)，本線路的保護(hù)可能會(huì)誤動(dòng)，DG的接入增大了流過其下游保護(hù)的短路電流，下游保護(hù)可能誤動(dòng)。

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Analyse on the Capacity of Distributed Generation on Distribution Network Protection

LI Jing1，LI Xin2，MA Yue3，XUE Xiumei2
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China；2.Henan Power Company of Shangqiu Power Supply Company，Shangqiu 476000，China；3.Shenyang Railway Bureau of Shenyang Electrical Section，Shenyang 110032，China）

All protection contained in distributed generation(DG)is radical changed by the alteration of short-circuit cur?rent flows,size and distribution.Then it would occur that the leakage protection and automatic device might malfunction or refuse to move because of the changes.Through the simulation,the impact on the current protection of the distribution network by DG is analyzed,and the paper has verified that the accurate action of relay protection is affected by DG access.

distributed generation（DG）；distribution network；relay protection；unwanted operation

TM773

A

1003-8930（2016）02-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.016

李晶（1964—），女，本科，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。Email：494581440@qq.com

李鑫（1968—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)檎{(diào)控及繼電保護(hù)。Email：1242114177@qq.com

馬越（1992—），女，本科，助理工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ?。Email：yma10@sina.com

2015-07-23；

2015-08-26