光伏分散接入中壓配網(wǎng)保護與故障隔離研究

張廣斌，董俊，束洪春

（昆明理工大學(xué)，昆明 650504）

0 前言

可再生能源規(guī)模化利用與常規(guī)能源的清潔低碳化將是能源發(fā)展的大趨勢，加快發(fā)展可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型的主流方向[1]。大量光伏發(fā)電分散接入中低壓配電網(wǎng)、高度滲透必將成為常態(tài)[2,3]。作為電力系統(tǒng)與用戶聯(lián)系最直接的環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)擔(dān)負(fù)著分配電能、服務(wù)用戶的任務(wù)，其覆蓋廣、運行環(huán)境復(fù)雜、饋線分支多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化。傳統(tǒng)配電網(wǎng)通常采用“閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行”。配電網(wǎng)在網(wǎng)架強度、技術(shù)裝備和管理水平上都明顯落后于輸電網(wǎng)[5]。中壓配網(wǎng)的保護和故障隔離均遠(yuǎn)比低壓配網(wǎng)復(fù)雜、重要，需解決的問題也更多[4-6]。

光伏作為傳統(tǒng)集中電源的補充和完善，接入配網(wǎng)能夠改善配網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟型、抗災(zāi)性和智能化水平。但光伏的分散接入也改變了配電網(wǎng)傳統(tǒng)的潮流結(jié)構(gòu)、運行方式和故障特性[7]?，F(xiàn)有中壓配電網(wǎng)的保護和故障隔離普遍是在沒有考慮分布式電源接入情況下設(shè)計的，分布式電源接入后，可能使保護誤動，以及故障隔離、自動重合閘、負(fù)荷轉(zhuǎn)供等操作產(chǎn)生影響[8-9]。盡管可通過嚴(yán)格限制接入容量的方式，采取“即接即忘”原則將分布式電源看做“負(fù)功率”負(fù)荷對待，從而不改變保護控制手段，忽略其影響。然而，這顯然無法滿足日益增長的大量分布式電源并網(wǎng)的需要，也有悖于鼓勵盡可能消納新能源的初衷[6]。此外，高可靠性的通信難以全線保障，電壓測點稀缺，加之線路不斷延伸、T接，網(wǎng)架不斷生長，使得主網(wǎng)成熟應(yīng)用的保護原理對有源配電網(wǎng)只能起借鑒作用。本文對光伏分散接入的配網(wǎng)保護與故障隔離的相關(guān)研究進行綜述。

1 逆變型DG的配網(wǎng)保護與故障隔離

光伏屬于逆變器并網(wǎng)型分布式電源（以下簡稱逆變型DG），現(xiàn)從繼電保護的視角，對含逆變型DG的配網(wǎng)保護與故障隔離的相關(guān)研究進展梳理為以下4個方面：

1）逆變型DG的建模與故障特性分析。逆變型DG提供的短路電流取決于控制策略，工作于并網(wǎng)方式下的逆變器主要使用電流型控制。通?；诠收掀陂g恒功率的原理，用戴維南定理進行等效[11-13]。以逆變型DG在故障期間輸出功率不變前提，推導(dǎo)了短路電流的解析；[14]考慮逆變器輸出電流極限限制。[15]基于換流器故障期間輸出功率特性給出了電路電流與功率的關(guān)系；[16]考慮了DG在故障期間提供無功支撐的能力，建立短路電流解析模型；[17]分析不對稱故障下DG的瞬時功率特性，提出基于DG短路電流解析的多DG電網(wǎng)短路計算模型和計及不脫網(wǎng)運行時序和控制的多DG短路電流算法。

2）含逆變型DG的配網(wǎng)保護。饋線發(fā)生故障時，逆變型DG往往屬于弱饋側(cè)，很難先于主電源側(cè)保護動作，加之一般要求DG在故障期間一段時間內(nèi)保證不脫網(wǎng)并參與無功調(diào)節(jié)，因此，DG在故障期間也提供短路電流，原先單電源輻射下的基于電流幅值的速斷和過流保護整定困難，可能發(fā)生誤動、拒動。針對此問題，出現(xiàn)了以下幾種解決思路：

a限制分布式電源的接入位置和接入容量[18-20]。此類方法僅適用于滲透率不高的場景，且與鼓勵分布式電源分散接入相沖突。

b調(diào)整電流保護定值，加裝方向元件，基于方向或拓?fù)錉顟B(tài)自適應(yīng)定值[21-23]。此類方法基于本地信息，不依賴通信，動作快，但無法感知整體運行狀況，整定仍較為困難。

c通過增加通信，改用基于主站的集中式保護、縱聯(lián)保護、級聯(lián)閉鎖保護等[24-32]。此類方法對通信高度依賴，實時性和可靠性難保證。

3）含逆變型DG的饋線故障檢測與隔離。原有饋線自動化系統(tǒng)對單電源輻射狀配網(wǎng)饋線發(fā)生短路故障的檢測、區(qū)段定位和隔離起著良好的作用。DG的接入改變了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和故障電氣量分布，造成原有系統(tǒng)功能失效。針對此問題，出現(xiàn)了以下三種改進思路：

a基于重合閘時DG已脫網(wǎng)的特點實現(xiàn)區(qū)段定位和隔離。只適用于配有重合閘的架空線路而不適用于電纜線路，且重合于永久性故障對斷路器造成破壞，對瞬時性故障也喪失了定位能力[33]。

b提高故障電流閾值[34]。保證只對主電源流經(jīng)的短路電流有感知能力，實際仍是以限制DG接入容量和犧牲弱故障時的靈敏度為代價，對于分布式光伏持續(xù)分散接入需頻繁修改定值，難適用于多DG靈活并網(wǎng)、脫網(wǎng)。

c根據(jù)故障電流方向進行區(qū)段定位[35]。需監(jiān)測各開關(guān)處的電流、電壓信息，饋線上的開關(guān)一般不具備電壓測點，需加裝互感器，工程代價過高。

4）孤島檢測[36-38]。分布式電源接入使得故障所致保護跳閘后的饋線仍可能帶電，此時電能質(zhì)量無法保障，影響故障熄弧，影響重合閘，對故障檢修人員構(gòu)成嚴(yán)重安全威脅，因而需要進行孤島檢測來確保非計劃孤島時DG全部脫網(wǎng)。當(dāng)前研究出的孤島檢測方法主要包括基于廣域信息的檢測方法和基于本地信息的檢測方法兩大類。前者通過無線、有線、載波等方式傳輸斷路器的狀態(tài)信息，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿嗦菲鞯姆趾蠣顟B(tài)判斷是否出現(xiàn)孤島，嚴(yán)重依賴通信。后者基于本地檢測量實現(xiàn)，并可進一步細(xì)分為被動式和主動式兩類。被動式檢測利用孤島時分布式電源與公共連接點（PCC）的電壓、相位、頻率、諧波畸變等檢測孤島，無需外加硬件，對負(fù)荷無沖擊，但存在較大盲區(qū)，當(dāng)DG與負(fù)荷功率匹配度較高以及多逆變器并網(wǎng)時容易失效。主動式根據(jù)DG定時向PCC節(jié)點注入的主動擾動能否被感知來判別是否發(fā)生孤島，包括阻抗測量、頻率漂移、電壓漂移、頻率突變等多種不同實施途徑，理論上無死區(qū)，但多DG并網(wǎng)時，單個DG的擾動易被稀釋，多DG同時擾動難保持步調(diào)一致，且對電能質(zhì)量有影響。

2 研究展望

從繼電保護和饋線自動化的視角看，中小型光伏電站通過饋線分散接入中壓配網(wǎng)帶來的不利影響主要包括兩方面：

1）額外的故障電流。

2）饋線跳閘后不再立即失壓。故障電流方面，由于并網(wǎng)逆變器自身的控制作用，DG所提供的短路電流非常有限（不超過額定電流的1.2～1.5倍），單個DG并網(wǎng)對短路電流的貢獻十分有限，即便考慮到多個逆變型DG分散接入，其群體短路電流也能通過規(guī)劃階段的接入方式來予以限制[39]。換言之，對一個存在的光伏經(jīng)饋線多點分散接入的配電系統(tǒng)，其短路電流必然應(yīng)是合格的。饋線失壓方面，傳統(tǒng)的單電源輻射網(wǎng)或?qū)＞€接入的分布式電源，饋線故障跳閘后必然隨即失壓，重合閘、沿線的饋線智能分段開關(guān)、轉(zhuǎn)供聯(lián)絡(luò)開關(guān)等動作均需依賴線路過流后隨即失壓這一特征。而逆變型DG經(jīng)饋線分散接入后，一方面可能由于故障特征微弱而無法快速脫網(wǎng)；另一方面為了希望故障期間不給系統(tǒng)造成更大的擾動，往往需要分布式電源在故障期間提供一定電壓支撐能力而非立即脫網(wǎng)，加之逆變型DG所提供的故障電流本身就非常有限，對設(shè)備的破壞不大，因此DG側(cè)斷路器往往需滯后于主電源的保護動作，導(dǎo)致主電源跳閘后DG仍會持續(xù)向故障線路供電一段時間。這導(dǎo)致饋線上部分區(qū)段不再滿足過流后隨即失壓的特征，給重合閘、智能分段開關(guān)以及轉(zhuǎn)供聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作和配合帶來了問題，需要采取措施予以克服。

隨著分布式電源在系統(tǒng)中的占比越來越高，其在配電網(wǎng)中繼續(xù)保持被動的角色已經(jīng)不合適，特別是對于逆變型DG，應(yīng)嘗試使其在配電故障期間中發(fā)揮更主動、積極的作用。逆變型DG的分散接入相當(dāng)于增加了沿饋線的分布式測點，特別是配電線上所稀缺的電壓測點，充分利用這些測點，理應(yīng)對故障檢測和區(qū)段定位有利。此外，逆變型DG還具備通過調(diào)整換流器的觸發(fā)脈沖來主動施加擾動的能力。與主電源相比，單個DG的容量很小，正常情況下，DG對饋線電壓、電流幾乎無法施加任何擾動。但在故障期間，特別是當(dāng)主電源切除時或當(dāng)主電源位于故障點上游而DG位于故障點下游時，DG在它和故障點所構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)起主導(dǎo)作用，主動擾動的能力得以體現(xiàn)。通過反復(fù)多次來確認(rèn)或根據(jù)變化趨勢來調(diào)整擾動強度，使得其對于配網(wǎng)中特征較弱的故障探測獨具優(yōu)勢。有必要利用饋線故障后至饋線重合閘之前的這一時間窗口，嘗試發(fā)揮光伏接入所帶來的故障觀測能力提升和主動擾動能力，嘗試將饋線故障檢測與隔離功能下放，嘗試基于光伏并網(wǎng)點及其有限近鄰觀測信息完成饋線故障分布式檢測與就近隔離。研究基于主動擾動技術(shù)的故障探測、瞬時/永久性故障辨識和孤島檢測方案，輔以配網(wǎng)模態(tài)感知技術(shù)和適配機制，與現(xiàn)有饋線保護和饋線自動化系統(tǒng)實現(xiàn)主動配合，有望在盡可能少地改變既有饋線保護與配網(wǎng)自動化終端及通訊設(shè)備且不劣化現(xiàn)有保護動作性能的前提下，提升饋線故障檢測和隔離效果。

3 結(jié)束語

分布式光伏接入配網(wǎng)將是未來配電網(wǎng)的常態(tài)，這給配電網(wǎng)的運行、保護與控制帶來了更多挑戰(zhàn)。從繼電保護的視角看，光伏經(jīng)饋線多點分散接入中壓配網(wǎng)所帶來的不利影響主要是對饋線保護、饋線自動化和配網(wǎng)自動化等既有二次系統(tǒng)動作邏輯或配合上的破壞，而非其提供的短路電流對一次設(shè)備的破壞。與此同時，光伏接入還帶來了沿線故障觀測能力的提升和并網(wǎng)逆變器在故障期間具備主動擾動能力這兩方面積極影響。嘗試合理利用這些積極影響，通過光伏側(cè)的主動參與來更有效地為配網(wǎng)故障檢測和隔離提供幫助，并且更加靈活、友好地融入饋線保護和配網(wǎng)自動化等二次系統(tǒng)，將具有重要的科研價值和工程應(yīng)用前景。