分布式電源接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響分析

王紅燕 張麗珍

（山西電力職業(yè)技術(shù)學院電力工程系）

0 引言

分布式電源 （DistributedGeneration，簡稱 DG）作為一種新興的發(fā)電形式［1］，是指小型化、模塊化、容量較小的發(fā)電裝置。從地理位置上距離負荷較近，一般分布在負荷附近。分布式電源具有清潔、環(huán)保的特點，比如光伏、風電和小水電?？紤]到分布式電源的特點以及整合電源的成本，目前分布式電源應(yīng)用主要以分散形式接入配電網(wǎng)絡(luò)為主。

配電網(wǎng)絡(luò)是主網(wǎng)與負荷之間的連接通道，起到分配電能的作用，傳統(tǒng)配電網(wǎng)都是潮流流向固定的單電源網(wǎng)絡(luò)。分布式電源接入配電網(wǎng)后，抵消一部分負荷后勢必改變配網(wǎng)潮流的分布。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，DG還會向故障點注入短路電流，改變了配電網(wǎng)的節(jié)點短路水平，故而影響配電網(wǎng)繼電保護［2］裝置的可靠動作。DG的類型、安裝位置和容量等因素都將對繼電保護整定值造成影響。

本文介紹了目前配網(wǎng)中應(yīng)用范圍較廣的三段式電流保護［3］和距離保護［4］，通過故障時分布式電源向故障點注入短路電流的流通路徑來分析DG接入后對繼電保護拒動、誤動、保護整定以及重合閘［5］的影響，并給出了幾條完善接入DG的配電網(wǎng)的保護方案的措施和建議，為更多地利用分布式能源奠定了基礎(chǔ)。

1 配電網(wǎng)保護配置

我國的配電網(wǎng)都是閉環(huán)設(shè)計，為了限制短路電流實際中多數(shù)為開環(huán)運行。配電網(wǎng)的潮流是一種自上而下的流通形式，不存在潮流的雙向流動，如圖1所示等效的單電源供電配電網(wǎng)絡(luò)。再考慮到配電網(wǎng)電壓比較低，所以比較于主網(wǎng)，配網(wǎng)配置的繼電保護相對比較簡單。我國配電網(wǎng)應(yīng)用比較廣泛的繼電保護有三段式電流保護和距離保護等。

1.1 三段式電流保護

配電網(wǎng)中最常用的保護就是電流保護，當發(fā)生故障時故障電流超過保護整定值，電流保護可靠動作，一般設(shè)置一二三段：電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時過電流保護。三段電流保護整定值不同，保護范圍不同，動作時限也不同，三者相互配合共同保護配網(wǎng)系統(tǒng)。

1.1.1 電流速斷保護

故障電流超過保護整定值零延時動作。為了保證四性中的選擇性，速斷保護的整定值比較高，通常按照躲過相鄰線路出口處短路保護不動作來設(shè)定，保護范圍較小，一般保護線路全長的85%～90%。如圖1所示，當發(fā)生f1故障時，故障電流超過了電流速度保護的整定值，電流速斷保護跳開關(guān)S1。當發(fā)生故障f2和f3的時候，故障電流達不到開關(guān)S1處安裝的電流速斷保護的整定值，所以該處保護不動作。

圖1 輻射型配電網(wǎng)

1.1.2 限時電流速斷保護

為了彌補電流速斷保護不能保護線路全長的不足，增加了限時電流速斷保護，同時也作為速斷保護的后備保護。該保護的整定值比速斷保護低，保護范圍為線路全長以及相鄰線路的一部分。如圖1中的f2故障，f2并不在開關(guān)S1和S2的速斷保護范圍內(nèi)，二者均不動作，此時由開關(guān)S1的限時電流速斷保護動作跳開開關(guān)S1。

1.1.3 定時限過電流保護

定時限過電流保護是按照躲過線路最大負荷電流整定的，其整定值相對較低，動作延時較長，保護范圍也最長。定時限過電流保護能夠保護本線路以及相鄰線路全長，可作為本線路保護的近后備保護，也可以作為相鄰線路的遠后備保護。如圖1中故障f3，故障f3會啟動開關(guān)S2的三段保護，同時也會啟動開關(guān)S1的定時限過電流保護。當開關(guān)S2跳不開時定時限過電流保護會跳開關(guān)S1。在實際配網(wǎng)運行中，通常是將三段式電流保護結(jié)合起來。遇到故障時各開關(guān)保護啟動情況如表1所示。

表1 故障時各保護啟動情況

1.2 距離保護

隨著用電負荷的快速增長以及重要負荷數(shù)量的增加，配電網(wǎng)的安全可靠性也越來越重要?？紤]到目前我國配電網(wǎng)存在網(wǎng)架薄弱的問題，所以電流保護在某些重要的復雜配電網(wǎng)絡(luò)中靈敏度越來越不能滿足要求，而且電流保護受系統(tǒng)運行方式影響比較大。為了解決上述問題，在35kV及以上重要的配電網(wǎng)中，一般把距離保護作為線路的主保護。

距離保護反映的是故障點到保護安裝處的距離，用測量阻抗來表征。各母線處的母線相電壓和流經(jīng)該線路的電流之比為該處保護的測量阻抗如式 （1）所示。當系統(tǒng)處于正常運行時，保護測量的阻抗值較大。當發(fā)生短路故障時，由于電壓降低電流增大，所以測量阻抗值會變小。故障點距離保護安裝處越近，測量阻抗越小。

配網(wǎng)中安裝的距離保護也是分為三段。同樣地為了保證選擇性，距離Ⅰ段的保護范圍在本線路內(nèi)，其阻抗整定值應(yīng)小于線路全長的阻抗值，一般保護范圍為線路全長的80%-85%。距離Ⅱ段的保護范圍超過本線路全長，并不超過相鄰線路距離Ⅰ段的保護范圍。距離三段是按照躲過最小負荷阻抗值整定。保護范圍最大。三段式距離保護及其時限特性如圖2所示。

圖2 三段式距離保護及時限特性

2 分布式電源接入對保護的影響

2.1 對電流保護的影響

三段式電流保護是檢測線路電流是否突然增大來判斷是否發(fā)生故障，并以故障電流大小和時限配合有選擇性地切除故障，從而達到保護系統(tǒng)的目的。分布式電源接入后，改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時也影響了系統(tǒng)潮流的分布，含DG等效的兩饋線配電網(wǎng)如圖3所示。根據(jù)分布式電源的安裝位置與故障發(fā)生點的相對位置，分為三種情況來討論：DG電源側(cè)故障，DG負荷側(cè)故障和相鄰饋線故障，如圖3所示的故障f1、f2和f3。

圖3 含分布式電源的兩饋線配電網(wǎng)

2.1.1 DG電源側(cè)故障

當分布式電源上游發(fā)生故障，如圖3中故障f1，系統(tǒng)電源和分布式電源都會向故障點f1注入短路電流。從而故障電流會比沒有DG的配網(wǎng)系統(tǒng)要大，再考慮到接地點接地電阻的存在，所以電流增大會抬高f1點的電壓，系統(tǒng)電源向故障點注入的短路電流會有所降低。如果降低得比較大，流過開關(guān)S1的故障電流達不到整定值，開關(guān)S1可能會拒動。開關(guān)S2上會流過DG向故障點注入的短路電流，所以開關(guān)S2可能會誤動，其他開關(guān)受到的影響不大。

2.1.2 DG負荷側(cè)故障

當分布式電源下游發(fā)生故障，如圖3中故障f2，系統(tǒng)電源和分布式電源都會經(jīng)過饋線A向故障點f2注入短路電流。同樣的由于故障點電壓抬高，系統(tǒng)經(jīng)過開關(guān)S1和開關(guān)S2注入的短路電流會降低。但是對于故障f2，開關(guān)S1和開關(guān)S2本就不應(yīng)該動作，但是故障電流減小會降低這兩處后備保護的靈敏度。開關(guān)S3上流過的故障電流會增大，保證S3可靠跳開，提高了開關(guān)S3的靈敏度，其他開關(guān)不受影響。

2.1.3 DG相鄰饋線故障

當分布式電源所在饋線的相鄰饋線發(fā)生故障，如圖3中故障f3，系統(tǒng)電流會經(jīng)過饋線B向故障點注入短路電流，DG會經(jīng)過所在的饋線A再經(jīng)開關(guān)S5和S6向故障點注入短路電流。如果分布式電源容量足夠大，開關(guān)S1和開關(guān)S2上流過DG提供的故障電流可能導致開關(guān)S1和開關(guān)S2誤動作。流過開關(guān)S5上的故障電流會比無DG系統(tǒng)有所增大，導致S5也存在誤動作的可能性。開關(guān)S6流過的故障電流增大，靈敏度提高，保護可靠動作。其他開關(guān)不受影響。

三種情形下開關(guān)受影響的情況如表2，綜合以上三種情況可以看出，分布式電源接入后對DG所在位置的下游故障保護的影響比較小，對上游開關(guān)以及相鄰饋線開關(guān)影響比較大。這單單只是考慮了單個DG接入的情形，當DG接入數(shù)量較多時，受影響的開關(guān)數(shù)量會更多，情形會更加復雜。

表2 DG接入對開關(guān)的影響

2.2 對距離保護的影響

分布式電源向故障點注入的短路電流與其自身容量的大小有關(guān)，容量越大注入的短路電流越大，容量越小注入的短路電流越小。另外還與DG至故障點的阻抗與DG至系統(tǒng)電源的等效阻抗有關(guān)。本節(jié)分成DG正向助增和反向助增兩種情況來分析對距離保護的影響。

2.2.1 DG正向助增

如圖3中故障f2時，由于DG會向f2注入短路電路，所以DG會正向助增開關(guān)S2上的電流。開關(guān)S2處安裝的距離保護，測量到電流會比無DG時有所增大，距離Ⅰ段動作不受影響，且靈敏度提高，保護范圍也有所擴大。但對于上游的開關(guān)S2的距離保護Ⅱ段，由于DG的正向助增，開關(guān)S2處安裝的距離保護檢測電壓值會變大，測量阻抗變大，導致此處的距離Ⅱ短保護范圍減小。距離Ⅲ段因為是按照躲過最大負荷來整定的，所以受到的影響比較小。

2.2.2 DG發(fā)向助增

距離保護可以在多電源的復雜網(wǎng)絡(luò)中保證動作的選擇性，因此DG機組的反向助增電流對原有距離保護無影響。

2.3 對重合閘的影響

系統(tǒng)中很多故障都是瞬時的，斷路器跳閘后電弧熄滅，導致故障的因素也隨即消失。為了最大限度地減少停電時間，一般都會安裝線路重合閘，對斷路器發(fā)合閘指令恢復送電。配電網(wǎng)的線路重合閘能夠提高配網(wǎng)的供電可靠性，當分布式電源接入后，可能會對重合閘產(chǎn)生影響：

（1）保護動作后，系統(tǒng)電源側(cè)開關(guān)跳開。但是系統(tǒng)中的分布式電源會向故障點提供電流，導致故障處的電弧不容易熄滅。如果此時重合閘動作，開關(guān)重合于故障上，那么會造成重合閘失敗，所以DG的接入降低了重合閘成功率。

（2）保護動作后，系統(tǒng)電源側(cè)開關(guān)跳開。DG在解列之前會帶著下游負荷繼續(xù)運行，此時形成了DG的孤島。沒有了系統(tǒng)電源的支撐，再考慮到DG出力的不穩(wěn)定性，孤島的頻率、電壓以及相位等變化較大。重合閘動作，可能會對原有系統(tǒng)帶來不小的沖擊甚至引發(fā)系統(tǒng)震蕩。

3 含DG的配電網(wǎng)保護改進策略

3.1 限制DG提供的短路電流

分布式電源接入配電網(wǎng)，改變了系統(tǒng)潮流分布的同時還會向故障點注入短路電流，影響原有繼電保護的方案配置。消除分布式電源對繼電保護的影響，首先要限制DG向故障點注入的短路電流。如果通過限制DG的容量來限制DG提供的短路電流，勢必會造成電力資源的浪費，并不是一種切實可行的方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，不同類型接入方式的DG提供短路電流的能力不同，如表3所示。

表3 不同類型DG提供短路能力

由表3可以看出，逆變型DG相較于旋轉(zhuǎn)型DG注入的短路電流要小。所以對于旋轉(zhuǎn)型分布式電源，如風力發(fā)電機，如果容量較大可以考慮通過整流逆變裝置接入配電網(wǎng)，如圖4所示。系統(tǒng)正常運行時，DG的電能通過逆變裝置變成工頻電流接入配電網(wǎng)。當系統(tǒng)發(fā)生故障時串聯(lián)式逆變器［6］提供反向電壓限制DG提供的短路電流。對于小型或者微型風力發(fā)電機，考慮到成本問題，可以直接接入配電網(wǎng)。

圖4 DG通過逆變器接入配電網(wǎng)

3.2 更改保護定值

由于DG的接入改變了原有的短路電流大小，所以需要重新整定保護裝置動作電流值才能使含有DG的配電網(wǎng)保護裝置正確動作。對于三段式電流保護，主要是對DG所在饋線的相鄰饋線以及上游饋線的保護定值進行調(diào)整，對于距離保護，主要是對DG有助增作用開關(guān)處的保護值進行調(diào)整?？紤]到成本因素，可以在配網(wǎng)中一些特殊場合有選擇性地加裝方向元件，這樣對于三段式電流保護和距離保護都會有更好的保護效果。

4 結(jié)束論

含分布式電源的配電網(wǎng)線路發(fā)生故障時，分布式電源的注入電流會導致配電網(wǎng)保護的誤動或者拒動。本文介紹了電流保護和距離的基本原理，分析了DG對電流保護和距離保護以及重合閘的影響，并給出了配電網(wǎng)的保護方案完善措施和建議。主要結(jié)論如下：

（1）對裝有三段式電流保護的配電網(wǎng)，DG對相鄰饋線以及上游饋線的開關(guān)影響較大，需對其保護定值進行調(diào)整，才能保證系統(tǒng)保護的可靠動作。

（2）對裝有距離保護的配電網(wǎng)，DG對有正向助增作用開關(guān)處的保護影響較大，需對其定值進行調(diào)整或者加裝方向元件。對有反向助增作用的開關(guān)基本沒有影響。

（3）對于旋轉(zhuǎn)型分布式電源，成本允許的情況下，可以考慮通過整流逆變裝置的形式接入來限制注入系統(tǒng)的短路電流。