配電網(wǎng)引入分布式電源對(duì)繼電保護(hù)的影響

李毅然 李 杰 李旭暉

（1.三峽大學(xué)，湖北宜昌443000；2.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東泰安271000）

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭、環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，傳統(tǒng)能源發(fā)電的負(fù)面影響也逐步顯現(xiàn)，全世界能源領(lǐng)域?qū)＜叶荚诜e極研究開(kāi)發(fā)清潔環(huán)保、可替代的一次能源作為常規(guī)電能供應(yīng)方式的有效補(bǔ)充。目前，太陽(yáng)能、天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等新能源均有不同程度地?yīng)用到電力系統(tǒng)中，參與電能供應(yīng)。這類位于用戶附近，所發(fā)電能就地利用，以10 kV及以下電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，且單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不超過(guò)6 MW的資源綜合利用發(fā)電項(xiàng)目，通稱為分布式電源（Distributed Generation，DG）。根據(jù)分布式電源容量小、隨機(jī)性大、類型多的特點(diǎn)，基于電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性的考慮，分布式電源需要并網(wǎng)運(yùn)行才能發(fā)揮其最大的作用。然而其應(yīng)用在配電網(wǎng)后，改變了原網(wǎng)絡(luò)的潮流，增加了運(yùn)行控制的難度，對(duì)電網(wǎng)的安全防御帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

分布式電源以不同的裝機(jī)容量和電壓等級(jí)形式引入配電網(wǎng)，由此對(duì)配電網(wǎng)的工作狀態(tài)造成了一定的影響。在此，以某地10 kV中壓配電網(wǎng)為例（圖1），在未接入分布式電源時(shí)，為一輻射狀網(wǎng)絡(luò)，電源經(jīng)系統(tǒng)由10 kV母線接入配電網(wǎng)，饋線直接連接末端負(fù)荷。保護(hù)配置為三段式電流保護(hù)，斷路器裝設(shè)自動(dòng)重合閘，無(wú)方向閉鎖，分布式電源經(jīng)逆變器后通過(guò)升壓變壓器與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。

圖1 10 kV中壓配電網(wǎng)

1 分布式電源對(duì)斷路器行為的影響

1.1 系統(tǒng)側(cè)饋線或母線發(fā)生故障

在未接入分布式電源時(shí)，系統(tǒng)側(cè)饋線K1處出現(xiàn)短路故障，系統(tǒng)與配電網(wǎng)連接斷路器斷開(kāi)，配電網(wǎng)側(cè)斷路器由于沒(méi)有故障電流流過(guò)，不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)接入分布式電源后，電源會(huì)通過(guò)斷路器QF2向K1提供故障電流，由于QF2沒(méi)有方向判別元件，保護(hù)不具有方向性。當(dāng)分布式電源容量足夠大時(shí)，故障電流超過(guò)QF2整定值，會(huì)引起其誤動(dòng)，失去可靠性，有可能造成分布式電源供電的正常線路斷電。

1.2 分布式電源下游發(fā)生故障

當(dāng)K2發(fā)生短路故障時(shí)，若系統(tǒng)無(wú)分布式電源，為一簡(jiǎn)單輻射狀網(wǎng)絡(luò)，故障電流由系統(tǒng)提供，經(jīng)斷路器QF2流向K2，根據(jù)故障位置，QF2的電流保護(hù)Ⅰ段或Ⅱ段跳開(kāi)斷路器，切除故障。由于分布式電源存在，會(huì)對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流。同時(shí)，若分布式電源容量足夠大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供的功率會(huì)明顯提升接入點(diǎn)電壓，使流過(guò)QF2的故障電流減小，QF2靈敏度降低，保護(hù)范圍減小甚至拒動(dòng)，故障無(wú)法正常切除。

K3發(fā)生短路故障時(shí)，正常工況下應(yīng)斷開(kāi)斷路器QF6進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)和分布式電源的故障電流均經(jīng)過(guò)QF6，對(duì)QF6工作沒(méi)有影響，但是該電流同時(shí)流經(jīng)QF4，其檢測(cè)到的故障電流會(huì)增大，QF4很有可能發(fā)生誤動(dòng)，擴(kuò)大停電范圍，使保護(hù)失去選擇性。

1.3 分布式電源上游發(fā)生故障

無(wú)分布式電源時(shí)，K4發(fā)生故障，斷路器QF2可配置前加速跳開(kāi)故障，隨后自動(dòng)重合閘瞬時(shí)性故障。當(dāng)存在分布式電源時(shí)，兩電源之間部分由單端供電變?yōu)閮啥斯╇?，需要配置后加速確保選擇性。在K4發(fā)生故障時(shí)，有選擇性跳開(kāi)斷路器QF2，斷路器QF4不應(yīng)跳開(kāi)。在重合閘之前，應(yīng)當(dāng)確保分布式電源跳開(kāi)配電網(wǎng)。若分布式電源沒(méi)有脫離網(wǎng)絡(luò)，則由故障電流流經(jīng)QF4，當(dāng)大于整定值時(shí)，QF4會(huì)誤動(dòng)，使饋線停電。

1.4 同一母線上其他饋線發(fā)生故障

另一饋線K5處發(fā)生故障，在不計(jì)分布式電源時(shí)，故障電流由系統(tǒng)提供，斷路器QF1動(dòng)作跳開(kāi)故障。當(dāng)分布式電源存在時(shí)，其故障電流流經(jīng)斷路器QF2。由于系統(tǒng)電源存在，QF2檢測(cè)到的故障電流會(huì)減小，QF2靈敏度降低，甚至電流會(huì)低于整定值而保護(hù)拒動(dòng)，而QF4的定時(shí)限電流速斷保護(hù)或過(guò)電流保護(hù)有可能誤動(dòng)。

2 分布式電源對(duì)自動(dòng)重合閘行為的影響

電力系統(tǒng)故障中，瞬時(shí)性故障的比重很高，采用自動(dòng)重合閘，可以大大提高供電的可靠性，減少負(fù)荷停電次數(shù)。然而，當(dāng)引入分布式電源后，如果不對(duì)重合閘配置進(jìn)行調(diào)整，不僅不能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，還很有可能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的沖擊，或者使瞬時(shí)性故障轉(zhuǎn)化為永久性故障。

含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)配置如圖2所示。

2.1 饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障

圖2 含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)配置

當(dāng)K1發(fā)生瞬時(shí)性故障（雷擊線路絕緣子引起沿面閃絡(luò)等），在未引入分布式電源的情況下，QF1斷開(kāi)后經(jīng)自動(dòng)重合閘消除瞬時(shí)性故障，相對(duì)于中壓配電網(wǎng)，系統(tǒng)可以視為無(wú)窮大系統(tǒng)，未發(fā)生波動(dòng)，可以可靠地繼續(xù)供電。引入分布式電源后，若QF1跳開(kāi)后，在自動(dòng)重合閘之前，分布式電源脫離配電網(wǎng)，繼續(xù)作為電源向負(fù)荷供電，則會(huì)形成單電源供電網(wǎng)絡(luò)。由于負(fù)荷大小與類型改變，分布式電源很有可能加速或減速，與原系統(tǒng)存在頻差。重合閘后，分布式電源與系統(tǒng)失去同步，有很大的相角差，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生振蕩，形成很大的沖擊電流。在此沖擊電流的作用下，電流保護(hù)可能會(huì)再次動(dòng)作，重合閘不再動(dòng)作，導(dǎo)致饋線斷電。同時(shí)，沖擊電流會(huì)對(duì)電力設(shè)備、線路絕緣等造成嚴(yán)重傷害，縮短運(yùn)行壽命。

2.2 分布式電源與配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線發(fā)生瞬時(shí)性故障

K2發(fā)生瞬時(shí)性故障，斷路器QF5跳開(kāi)。分布式電源如果沒(méi)有停運(yùn)，為維持額定功率和電壓，會(huì)持續(xù)向故障處提供電流，使電弧難以熄滅，存在持續(xù)性電弧，最終導(dǎo)致瞬時(shí)性故障發(fā)展為永久性故障，自動(dòng)重合閘失敗，持續(xù)性電弧會(huì)威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還有可能導(dǎo)致其他非電氣量事故（如電弧作用于非金屬性短路）。如果采用人工重合閘，由于DG退出系統(tǒng)，很有可能加速，重合后會(huì)出現(xiàn)沖擊電流。

3 分布式電源引起電力系統(tǒng)不正常工作狀態(tài)

除了引發(fā)或加強(qiáng)故障，分布式電源的不合理配置也有可能使配電網(wǎng)處于不正常工作狀態(tài)。

3.1 抬高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓，發(fā)生電壓偏移

分布式電源往往是就近接入中低壓配電網(wǎng)，電能傳輸距離短，在電力線路上，線路阻抗參數(shù)中，R?X，線路呈現(xiàn)電阻特性。因此，有功功率對(duì)電壓偏差的影響不能忽略，分布式電源的輸出功率會(huì)造成饋線負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓升高。

3.2 自然條件影響分布式電源工作狀態(tài)

不同的分布式電源，分別受到相關(guān)的自然條件影響，其出力、啟停都具有波動(dòng)性與隨機(jī)性，隨著分布式電源滲透率的提高，增加了系統(tǒng)控制的難度，同時(shí)也存在誘發(fā)系統(tǒng)發(fā)生不正常工作狀態(tài)的可能性。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速或高于切出風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)退出運(yùn)行。而霧霾、陰雨等則會(huì)影響光伏發(fā)電單元的出力；光伏陣列的大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間積污會(huì)損害發(fā)電單元。這些均有可能使電力系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

3.3 分布式電源的不協(xié)調(diào)運(yùn)行

接入位置、接入容量與運(yùn)行方式的不協(xié)調(diào)，會(huì)影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。傳統(tǒng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)中電壓按照潮流方向逐步降低，引入分布式電源后，潮流分布會(huì)發(fā)生改變，在部分區(qū)域有可能出現(xiàn)潮流反向，不同接入位置對(duì)電壓分布影響不同，多個(gè)分布式電源接入同一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)會(huì)明顯影響潮流，改變電壓分布。因此，不合理的接入位置、接入容量有可能會(huì)使電壓偏差超限。

3.4 分布式電源引起三相電壓不平衡

大容量的分布式電源單元往往是三相發(fā)電機(jī)，或經(jīng)逆變后的三相平衡正弦波，對(duì)系統(tǒng)三相平衡的影響不大。然而，在饋線的末端，可能會(huì)接入小容量單相發(fā)電單元，在抬升末端電壓的同時(shí)，由于其數(shù)量多、隨機(jī)性高，會(huì)造成三相電壓不平衡。

4 含分布式電源配電網(wǎng)的安全策略

為了減少分布式電源對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅，降低對(duì)繼電保護(hù)的不良影響，應(yīng)該調(diào)整繼電保護(hù)配置策略，同時(shí)對(duì)分布式電源進(jìn)行限制。

（1）在分布式電源上游出現(xiàn)永久性故障時(shí)，系統(tǒng)和分布式電源均由兩端向故障點(diǎn)提供電流，因此，需要在線路兩端設(shè)置保護(hù)裝置，并配置方向判斷元件，保證切除故障具有方向性。

（2）在分布式電源下游出現(xiàn)永久性故障時(shí)，本級(jí)上游電流保護(hù)有可能拒動(dòng)，或者下游電流保護(hù)誤動(dòng)，擴(kuò)大停電范圍。需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式重新設(shè)置整定值，保證斷路器正常動(dòng)作。

（3）同一母線上其他饋線發(fā)生永久性故障時(shí)，上游斷路器的定時(shí)限電流速斷保護(hù)或過(guò)電流保護(hù)有可能誤動(dòng)，需要配置方向判別元件。

（4）針對(duì)瞬時(shí)性故障的恢復(fù)，配電網(wǎng)側(cè)重合閘配置檢無(wú)壓裝置，分布式電源側(cè)配置檢同期裝置，在配電網(wǎng)側(cè)接入點(diǎn)確保無(wú)壓，待分布式電源與系統(tǒng)無(wú)頻差、無(wú)相角差、無(wú)電壓幅值差后投入并列。同時(shí)，分布式電源配置低壓、低頻解列裝置。

（5）規(guī)劃分布式電源接入位置、運(yùn)行方式，限制接入容量，采取無(wú)功補(bǔ)償措施，抑制電壓偏差與故障電流，保證配電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)。