含分布式電源配電網(wǎng)的相間短路故障分析

張旭敏 趙曉芳

摘要：隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，越來越多的分布式電源接入配電系統(tǒng)，因此，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，準(zhǔn)確高效地找出故障點(diǎn)或區(qū)域是快速隔離和盡快恢復(fù)供電的前提條件，對提高配電系統(tǒng)可靠性具有重要意義。分析分布式電源對不同地點(diǎn)電網(wǎng)短路電流的貢獻(xiàn)，從系統(tǒng)監(jiān)測目的出發(fā)提出電流互感器的裝設(shè)位置和選型原則，并研發(fā)了一種含分布式電源配電網(wǎng)的故障電流監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)中心分析軟件。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);分布式電源;故障診斷;故障定位

引言

目前，國內(nèi)配電網(wǎng)系統(tǒng)大多是單側(cè)電源、輻射型網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)有保護(hù)配置下，如果在配電網(wǎng)中接入DG，將會對配電網(wǎng)的保護(hù)產(chǎn)生較大的影響如圖1所示，當(dāng)DG下游發(fā)生故障時，對于DG下游的保護(hù)1和保護(hù)2，DG的接入增加了流過它們的電流，對過電流保護(hù)動作有利，但是有可能會使2處的電流速斷保護(hù)范圍延伸到下一條線路，從而使速斷保護(hù)動作失去選擇性;對于保護(hù)2和保護(hù)3，由于保護(hù)2處的過電流保護(hù)檢測到的短路電流增大，保護(hù)3處檢測到的短路電流減少，使得保護(hù)2處的過電流保護(hù)動作靈敏性增大，保護(hù)3處的靈敏性降低，因此，DG的接入將更有利于保護(hù)2處和保護(hù)3處的過電流保護(hù)的協(xié)調(diào)。當(dāng)DG上游發(fā)生故障時，對于保護(hù)3和保護(hù)4，其感受到的故障電流只由系統(tǒng)提供，故DG的接入不會對其構(gòu)成影響。當(dāng)相鄰饋線發(fā)生故障時，DG供出的反向短路電流有可能導(dǎo)致DG上游的保護(hù)誤動作，從而中斷健全線路的正常供電。根據(jù)DG接入的數(shù)量以及DG接入點(diǎn)和故障點(diǎn)位置的不同，文獻(xiàn)[2]還詳細(xì)分析了其他一些情況下DG對保護(hù)的影響。

1分布式電源對配電網(wǎng)故障電流的影響及其監(jiān)測點(diǎn)的選擇

1.1分布式電源的短路電流特性

分布式電源多通過并網(wǎng)變流器并網(wǎng)發(fā)電，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，分布式電源提供的短路電流特性主要取決于并網(wǎng)變流器的額定容量和控制策略。在幅相控制策略下，并網(wǎng)變流器輸出的短路電流約為其額定電流的5倍，主要取決于串聯(lián)電抗器的電抗率;在當(dāng)前普遍采用直接電流控制策略下，并網(wǎng)變流器具有限流功能，其輸出的短路電流常被限制在額定電流的1.5倍以內(nèi)。并網(wǎng)變流器輸出短路電流的暫態(tài)過程很短，一般可控制在10ms之內(nèi)，在工程計算中可忽略。為此，并網(wǎng)變流器型分布式電源輸出的短路電流可表示為：

式中，ISC.DG為分布式電源輸出的短路電流;IN.DG為分布式電源的額定電流;kOC為分布式電源的允許過電流倍數(shù)。

1.2分布式電源對配電網(wǎng)短路電流的貢獻(xiàn)

配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，分布式電源接入配電網(wǎng)的形式和位置也是根據(jù)具體情況而定的，沒有統(tǒng)一的模式。就某個分布式電源而言，其對配電網(wǎng)短路電流的貢獻(xiàn)與分布式電源的容量、接入配電網(wǎng)的位置、短路點(diǎn)的位置等密切相關(guān)。

1.3分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

分布式電源接入配電網(wǎng)后，顯著影響了短路點(diǎn)的短路電流和流過保護(hù)元件的短路電流，進(jìn)而對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)有著一定程度的負(fù)面影響或正面作用。這種影響可歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：（1）增大了短路點(diǎn)的短路電流;（2）增大了相鄰支路短路點(diǎn)（如k2）上游保護(hù)元件（如P2和P3）中的短路電流，一方面有助于提高保護(hù)元件P3的靈敏度，但另一方面可能導(dǎo)致保護(hù)元件P2無選擇性地誤動作;（3）短路點(diǎn)電流增大引起短路點(diǎn)電位升高，進(jìn)而降低分布式電源上游短路點(diǎn)（如k3）上游保護(hù)元件（如P4）中流過的電流，導(dǎo)致P4的保護(hù)靈敏度下降、拒動風(fēng)險增大;（4）增大了分布式電源下游短路點(diǎn)（如k4）上游保護(hù)元件（如P5）中流過的電流，提高了P5保護(hù)的靈敏度。

2含DG的保護(hù)改進(jìn)方案

針對DG接入后對傳統(tǒng)保護(hù)造成的惡劣影響，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度提出了含DG的配網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)方案，可以分為以下5個方向：1）考慮經(jīng)濟(jì)性因素，限制DG的接入容量，從而沿用原有保護(hù)裝置和方案;2）加裝少量設(shè)備，采用改進(jìn)的自適應(yīng)保護(hù)方案，以靈活地適應(yīng)DG對保護(hù)的影響;3）基于通信技術(shù)，根據(jù)多點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)保護(hù)動作判斷;4）針對可能出現(xiàn)的不可控孤島問題，采用孤島檢測技術(shù)快速檢測孤島，以降低不可控孤島對電網(wǎng)的負(fù)面影響;5）在緊急情況進(jìn)行孤島劃分，避免故障面積擴(kuò)大，同時保障供電安全。

2.1限制DG的準(zhǔn)入容量

為了確保配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，DG的接入要受到各種限制。國內(nèi)外已有許多文獻(xiàn)從不同的約束條件入手，對DG在配電網(wǎng)中的接入位置和準(zhǔn)入容量進(jìn)行了分析。如考慮繼電保護(hù)動作、保護(hù)可靠性、諧波約束、保護(hù)間配合約束、電壓約束和孤島運(yùn)行等條件對準(zhǔn)入容量的影響?？紤]DG接入配網(wǎng)的準(zhǔn)入容量，能在保證供電質(zhì)量的同時充分利用DG，對緩解供電壓力、降低發(fā)電污染等都具有一定的意義。然而，當(dāng)前準(zhǔn)入容量的計算基本都只針對一個或幾個約束條件，缺少綜合全面考慮的方案。此外，當(dāng)前對準(zhǔn)入容量的研究都是以穩(wěn)定正常運(yùn)行狀態(tài)作為前提，沒有對DG并網(wǎng)過程、系統(tǒng)故障等特殊狀態(tài)進(jìn)行考慮，因此得到的準(zhǔn)入容量多偏于樂觀。值得指出的是，在不改變原有繼電保護(hù)配置的前提下，DG的準(zhǔn)入容量很小，適當(dāng)選取其他保護(hù)改進(jìn)方案，能極大提高準(zhǔn)入容量，因此，有必要將其他保護(hù)改進(jìn)方案與準(zhǔn)入容量分析相結(jié)合，從而提高供電可靠性，同時提升DG的允許接入容量。

2.2基于通信技術(shù)的故障定位

當(dāng)接入配網(wǎng)的DG容量較小、供電距離較短時，傳統(tǒng)的故障定位規(guī)則仍能正確定位，但當(dāng)接入容量較大、供電距離較長、電機(jī)類DG較多時，就需要對原有的故障定位規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)。構(gòu)造了故障區(qū)段定位的數(shù)學(xué)模型，并采用和聲算法、粒子群算法、遺傳算法等對其進(jìn)行求解，從數(shù)學(xué)角度解決故障定位問題。通過饋線終端單元（FeederTerminalUnit，F(xiàn)TU）等通信設(shè)備進(jìn)行信息交互，根據(jù)配網(wǎng)中的電流幅值相位、保護(hù)動作情況、功率方向信息以及單位故障距離來判斷故障區(qū)段。利用基于配電網(wǎng)自動化的多代理系統(tǒng)（Multi-AgentSystem，MAS）對故障進(jìn)行定位，并對不同位置的故障進(jìn)行處理，提高了靈活性和可靠性?；谕ㄐ偶夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)故障定位，通過對多點(diǎn)信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的故障處理過程。適應(yīng)性和全面性極強(qiáng)，能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和DG運(yùn)行方式的靈活變化，是未來配電網(wǎng)保護(hù)發(fā)展的大方向。然而，基于通信技術(shù)的故障定位也有其固有的缺點(diǎn)。首先，過于依賴通信技術(shù)，用于判斷的信息越多，系統(tǒng)可靠性也可能隨之下降;其次，信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用過程都需要耗費(fèi)時間，這無疑會對保護(hù)的快速性造成影響;最后，成本較高、經(jīng)濟(jì)性較差，在我國很難實(shí)現(xiàn)全面的普及推廣。

結(jié)語

分布式電源越來越多接入配電系統(tǒng)已經(jīng)成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，但是由于分布式電源的存在會影響到故障電流的大小和方向，解決分布式電源優(yōu)化配置的傳統(tǒng)優(yōu)化算法大多局限在單目標(biāo)的智能優(yōu)化算法，利用權(quán)重系數(shù)的處理手段能有效提高算法的處理速度，但未能揭示各目標(biāo)函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此，未來方向建議從多目標(biāo)的角度來優(yōu)化DG配置問題。

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