淺析分布式電源對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)影響

吳義純，李鐵柱，徐結(jié)紅，房雪雷，秦曉佳，田彥

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院；3.國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，安徽 合肥 230022）

分布式電源(Distributed Generation,DG)一般是利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色清潔能源發(fā)電，因低碳環(huán)保得到政策支持，其容量和投資小，發(fā)展快。分布式電源一般就近在用戶端進(jìn)行布置，具有不少優(yōu)勢(shì)：能降低線損，能源可利用效率高；為電網(wǎng)末端提供電壓支持，提高電能質(zhì)量；電網(wǎng)故障時(shí)，部分配電網(wǎng)利用微網(wǎng)運(yùn)行來(lái)給重要負(fù)荷供電，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。但是，常規(guī)配電網(wǎng)是單電源的放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)的潮流和故障電流方向單一，分布式電源接入后，配網(wǎng)的潮流可能會(huì)雙向流動(dòng)，短路時(shí)短路電流分布將發(fā)生變化，另外，可再生能源具有不確定性，這些都會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)繼電保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)等問(wèn)題，甚至?xí)绊懙脚潆娋W(wǎng)的安全運(yùn)行。隨著分布式電源接入規(guī)模的擴(kuò)大，有必要分析其對(duì)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)及自動(dòng)化裝置的影響，確保配電系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定地向用戶供電。

1 分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

1.1 常見接入方式及影響

我國(guó)主要采用輻射狀配電網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)然，有些城區(qū)為了保證供電可靠性，配電網(wǎng)采用環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運(yùn)行。如圖1 所示，分布式電源常見接入方式有多種：容量較小的DG 往往通過(guò)T 接接入配電線路，如圖1 中DG2，或者進(jìn)入開閉所，如圖1 中DG1 和DG4；對(duì)于容量較大的DG，通過(guò)專線接入變電站35kV 或10kV 母線，如圖1 中DG3。

圖1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

分布式電源的接入將改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與潮流方向，同時(shí)，當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)，故障電流的大小和分布也發(fā)生了改變。配網(wǎng)中應(yīng)用比較廣泛的保護(hù)是瞬時(shí)電流速斷、定時(shí)限電流速斷、過(guò)電流保護(hù)這三段式電流保護(hù)等，分布式電源接入將對(duì)繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，配電網(wǎng)中架空線路還配有重合閘裝置，以提高配網(wǎng)的供電可靠性，但是分布式電源接入系統(tǒng)后，配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，一定程度上影響了配電網(wǎng)的自動(dòng)重合閘。

1.2 對(duì)本饋線的影響

當(dāng)前很多的保護(hù)配置都是三段式電流保護(hù)，分布式電源接入因其對(duì)故障電流的分流或者助增作用，從而對(duì)保護(hù)的范圍和靈敏度都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，也可能導(dǎo)致保護(hù)裝置的拒動(dòng)或者誤動(dòng)，給繼電保護(hù)裝置之間的配合帶來(lái)影響。

（1）對(duì)繼電保護(hù)的影響。以DG2 為例分析分布式電源對(duì)繼電保護(hù)的影響。DG2 從線路BC 接入，位于保護(hù)2 的下游，如圖1 所示。當(dāng)k3 點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，從選擇性來(lái)看，由保護(hù)3動(dòng)作切除故障。由于保護(hù)3 接收的故障電流是由系統(tǒng)側(cè)電源和DG2 疊加產(chǎn)生，大于DG2 接入前的故障電流，提高了保護(hù)3 的靈敏性。但隨著短路電流的增大，電流速斷保護(hù)范圍隨之增大，甚至可能使其延伸至下一段，導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)；

以DG2 為例，分析k2 點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)2 的情況。DG2 接入后配網(wǎng)的等值圖如圖2，DG2 從J 點(diǎn)接入。ZS和ZK分別為系統(tǒng)到J、J 到故障點(diǎn)k 的阻抗，ZDG為DG 到故障點(diǎn)的阻抗。

圖2 分布式電源接入配網(wǎng)的等值圖

DG2 接入前，系統(tǒng)與故障點(diǎn)k 之間的轉(zhuǎn)移阻抗為ZS和ZK之和，接入DG2 后，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)星角變換，系統(tǒng)至故障點(diǎn)k 的轉(zhuǎn)移阻抗ZSK′如下式所示：

DG2 接入后系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移阻抗變大了，因此流過(guò)保護(hù)2 的電流變小了，DG2 的接入起到了分流作用，從而降低了保護(hù)2 的靈敏度。當(dāng)分流作用足夠大時(shí)，特別是在線路末端故障時(shí)，故障電流可能會(huì)偏小到保護(hù)拒動(dòng)的程度，這樣就導(dǎo)致時(shí)限電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍可能覆蓋不到全線。

以DG2 為例，分析k4 點(diǎn)故障時(shí)保護(hù)3 的影響。當(dāng)DG2的容量比較大時(shí)，k4 發(fā)生故障時(shí)，流過(guò)保護(hù)3 的故障電流比較大，可能導(dǎo)致保護(hù)3 發(fā)生誤動(dòng)作，相當(dāng)于擴(kuò)大了保護(hù)3 的保護(hù)范圍，不利于保護(hù)裝置之間的配合。

（2）對(duì)自動(dòng)重合閘的影響。以DG2 為例分析分布式電源對(duì)相鄰饋線自動(dòng)重合閘的影響。DG2 從J 點(diǎn)接入時(shí)，DG2和系統(tǒng)側(cè)電源向AC 段供電，形成雙端電源。當(dāng)k1 發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2 均應(yīng)動(dòng)作切除故障，也切斷系統(tǒng)電源和負(fù)荷的聯(lián)系；DG2 給線路CE 供電，進(jìn)行孤島運(yùn)行狀態(tài)。而DG2 的不確定性、隨機(jī)性比較大，因此，其出力和頻率很不穩(wěn)定，由于又無(wú)系統(tǒng)電源進(jìn)行支撐，孤島運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)電壓和相位變化較大。利用重合閘恢復(fù)供電時(shí)，可能出現(xiàn)非同期合閘問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，破壞了一次設(shè)備絕緣性能，降低了配網(wǎng)的可靠性。

以DG4 為例，分析分布式電源對(duì)自動(dòng)重合閘的影響。DG4 從線路F 接入。接入DG4 之前，當(dāng)k5 發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，保護(hù)5 會(huì)啟動(dòng)切除故障，切除故障后經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)啟動(dòng)重合閘，恢復(fù)對(duì)饋線2 的供電。若接入DG4，當(dāng)k5 發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)5 會(huì)啟動(dòng)切除故障線路，但是分布式電源DG4 仍能給故障點(diǎn)k5 提供短路電流，這會(huì)使故障點(diǎn)電弧不容易熄滅，會(huì)造成重合閘失敗，另外，有可能使瞬時(shí)性故障發(fā)展為永久性故障。

1.3 對(duì)相鄰饋線的影響

以DG1、DG2 為例分析分布式電源對(duì)相鄰饋線繼電保護(hù)的影響。DG1 從D 接入，DG2 從線路BC 接入，當(dāng)k5 發(fā)生故障時(shí)，則故障點(diǎn)的短路電流由DG1、DG2 和系統(tǒng)側(cè)的電源提供，則保護(hù)5 流過(guò)的故障電流比分布式電源接入前大，保護(hù)5 的靈敏度得以提高。當(dāng)DG1、DG2 的容量比較大時(shí)，流過(guò)保護(hù)2的反向電流比較大，由于保護(hù)2 不具備方向性，則流過(guò)保護(hù)2 的故障電流可能大于整定值，導(dǎo)致保護(hù)2 發(fā)生誤動(dòng)作。

1.4 對(duì)分布式電源接入系統(tǒng)線路的影響

容量較小的分布式電源直接接入配電線路，DG 側(cè)開關(guān)保護(hù)主要配置過(guò)電流保護(hù)、防孤島保護(hù)、頻率和電壓緊急控制等。因?yàn)榉植际诫娫慈萘枯^小，配網(wǎng)故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響不大，一般基本滿足要求。

但對(duì)于容量較大、通過(guò)專線接入變電站的分布式電源，如圖1 中DG3，常規(guī)配置的過(guò)電流保護(hù)、距離保護(hù)不可能快速本線路末端和相鄰線路始端故障，只能采用階段式的配合關(guān)系實(shí)現(xiàn)元件的選擇性切除，線路末端故障需要延時(shí)切除。顯然對(duì)于容量較大的分布式電源，過(guò)電流保護(hù)不能滿足全線快速動(dòng)作要求。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護(hù)的改進(jìn)措施

分布式電源的接入使配電網(wǎng)的潮流由單向流動(dòng)變成雙向流動(dòng)，而傳統(tǒng)的三段式保護(hù)已經(jīng)不適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展需要。為了提高配網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量，需要對(duì)傳統(tǒng)的繼電保護(hù)配置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，為實(shí)際配電網(wǎng)的繼電保護(hù)及自動(dòng)化配置提供參考。

（1）分布式電源接入配電網(wǎng)后，原來(lái)的單輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成雙電源或者多電源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)分布式電源容量相對(duì)較大，提供短路電流較大時(shí)，為了防止繼電保護(hù)裝置因反方向的電流而產(chǎn)生誤動(dòng)，可以考慮在保護(hù)裝置加裝方向元件。同時(shí)還要綜合考慮成本因素。比如，如圖1 中保護(hù)2 可以考慮加裝方向保護(hù)元件防止反向誤動(dòng)。

（2）當(dāng)分布式光伏接入后，整定時(shí)考慮其助增和分流影響，需要對(duì)分布式光伏所在饋線的相鄰饋線以及上游饋線保護(hù)定值進(jìn)行調(diào)整，這樣才能保證對(duì)系統(tǒng)可靠的動(dòng)作。

（3）分布式電源接入配網(wǎng)后，配網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電源和分布式電源被斷路器切除后，兩側(cè)可能出現(xiàn)一個(gè)相角差，當(dāng)差值達(dá)到一定的界限后，自動(dòng)重合閘會(huì)造成強(qiáng)大的沖擊電壓或者電流，破壞重合閘的運(yùn)行狀態(tài)。為此，如果在分布式電源側(cè)配置重合閘功能，重合閘裝置需要配置檢同期功能，保證重合閘成功率。

（4）對(duì)于規(guī)模很大的分布式電源，如圖1 中DG3，并網(wǎng)電壓等級(jí)高、容量大，考慮線路速動(dòng)保護(hù)來(lái)提高保護(hù)性能，采用縱聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)。不僅可以改善本線路保護(hù)性能，而且能改善整個(gè)電網(wǎng)保護(hù)性能。

某實(shí)際運(yùn)行的光伏電站，裝機(jī)容量20MW，通過(guò)金島光伏387 線接入系統(tǒng)35kV Ⅰ母線。光伏并網(wǎng)線兩側(cè)配置微機(jī)光纖縱差保護(hù)，后備保護(hù)為三段式電流，重合閘按接入系統(tǒng)方案評(píng)審意見停用。光伏電站內(nèi)配置頻率電壓緊急控制裝置和防孤島保護(hù)，故障時(shí)快速將光伏電站解列，減少對(duì)系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式電源大規(guī)模發(fā)展對(duì)附近配電網(wǎng)帶來(lái)影響，接入的配網(wǎng)運(yùn)行方式、短路電流分布也發(fā)生變化，導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)繼電保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)、重合閘失敗等，本文結(jié)合案例探討實(shí)際配電網(wǎng)中光伏電站的繼電保護(hù)配置改進(jìn)方案，保障配電系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。