分布式電源對配電網(wǎng)距離保護(hù)的影響及優(yōu)化

付文秀，高 路，張學(xué)瑾

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）作為一種具有競爭力的發(fā)電方式，因投資省、能耗低、清潔環(huán)保、供電靈活等優(yōu)勢，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的地位越來越重要[1]。但當(dāng)DG接入配電網(wǎng)后，配電系統(tǒng)不再是簡單的單電源網(wǎng)絡(luò)，大量的 發(fā)電機(jī)和負(fù)荷同時存在，配電系統(tǒng)中的潮流方向理論上可以是任意的，這勢必要影響配電網(wǎng)保護(hù)的靈敏性和選擇性[2-4]。目前，DG接入配網(wǎng)后保護(hù)方案歸納起來大致有3種：1）應(yīng)用發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)間信息交換，如文獻(xiàn)[5]，利用廣域保護(hù)技術(shù)和電流綜合幅值的比較將故障范圍縮小到1個故障搜索區(qū)域之內(nèi)，然后利用該區(qū)域電流間的相位關(guān)系對故障線段進(jìn)行定位，但該保護(hù)方案在較高程度上依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，一旦通信失效，整個保護(hù)系統(tǒng)也隨之失效，況且就目前我國配網(wǎng)實(shí)際建設(shè)情況而言，若要實(shí)現(xiàn)發(fā)達(dá)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，還得投入大量財力物力，需要很長一段時間；2）對配網(wǎng)中采用的傳統(tǒng)電流保護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，通過復(fù)雜的算法和判據(jù)來提高保護(hù)性能，包括采用自適應(yīng)保護(hù)原理[6]、加裝方向元件[7]，接入故障限流器[8]等，該方案不需要太多的硬件投入，但對于量大、點(diǎn)多、面廣的配電系統(tǒng)而言，安裝維護(hù)過于復(fù)雜，且保護(hù)裝置之間的定值整定以及配合都相當(dāng)繁瑣，無法在DG高滲透率下的配電系統(tǒng)內(nèi)廣泛使用；3）將輸電線路中成熟的保護(hù)原理、方案應(yīng)用于配電系統(tǒng)中。輸電線路中的保護(hù)原理相對于配電網(wǎng)中的電流保護(hù)更加完善，在DG高滲透下采用改進(jìn)的距離保護(hù)不失為一種有效的保護(hù)方案。

DG的種類很多，按照運(yùn)行方式的不同一般可以將其分為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG和逆變型DG（IIDG）。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的特性一樣，可以等效為電勢源與阻抗的串聯(lián)；IIDG則與之有很大不同[9-10]。本文研究分布式電源對3段式距離保護(hù)的影響，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合含IIDG配電系統(tǒng)故障時的特點(diǎn)，考慮IIDG并網(wǎng)時最大輸出電流受限于DG容量的影響，分2兩種情況探討了分布式電源的優(yōu)化策略。

1 分布式電源對距離保護(hù)的影響

距離保護(hù)是一種反映測量阻抗數(shù)值的下降而動作的保護(hù)，測量元件都具有明確的方向性，相對于電流保護(hù)性能更加完善，因此適合將其應(yīng)用到含分布式電源的配電網(wǎng)[11]中。距離保護(hù)的整定阻抗，用Zset表示；當(dāng)保護(hù)的測量阻抗Zk＜Zset時，保護(hù)動作。為了分析分布式電源對距離保護(hù)產(chǎn)生的影響，以圖1所示含DG的放射性配電網(wǎng)絡(luò)為例，討論3段式距離保護(hù)在DG容量不變而接入系統(tǒng)位置變化和DG接入位置固定而容量變化時所受的影響。

圖1 含DG 的放射性配電網(wǎng)絡(luò)

1.1 距離Ⅰ段

距離保護(hù)Ⅰ段瞬時動作，其整定值必須躲開下一段線路出口處故障時阻抗繼電器的測量阻抗。距離保護(hù)Ⅰ段整定阻抗為

由此可見，距離保護(hù)同時反應(yīng)電壓量和電流量，當(dāng)有DG產(chǎn)生助增作用時，繼電器的測量電流增大，相應(yīng)的測量電壓也增大，因此，可以認(rèn)為無論DG機(jī)組的接入位置和容量是否變化，其對原有距離Ⅰ段保護(hù)均無影響。但是距離保護(hù)Ⅰ段只能夠保護(hù)本線路全長的80%～85%，必須依靠距離保護(hù)Ⅱ段保護(hù)線路全長。

1.2 距離Ⅱ段

距離保護(hù)Ⅱ段的整定按照與相鄰線路距離保護(hù)Ⅰ段相配合，并且考慮到分支系數(shù)Kb的影響的原則整定，即

如圖1所示，DG接于母線C處時，保護(hù)1、保護(hù)4處的測量阻抗由于不受DG分支作用的影響，距離保護(hù)Ⅱ段能夠正確動作。保護(hù)3受DG助增分支的影響，如圖1所示，當(dāng)在αZ4（α為短路點(diǎn)到母線C的距離占CD段總長的百分比）處發(fā)生短路故障時，保護(hù)3繼電器的測量阻抗為

此時流過短路點(diǎn)的電流由主電網(wǎng)和分布式電源共同提供。分流原理為

式中：ZG、ZS分別為DG和系統(tǒng)的等效阻抗值。

記DG額定容量為SG，額定電壓為U，則DG滿足式

當(dāng)DG從母線D處接入時，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3均不受DG分支作用的影響，距離保護(hù)Ⅱ段能正確動作。保護(hù)4由于DG助增分支的作用，當(dāng)DE段末端短路故障時的測量阻抗為

保護(hù)4的測量阻抗增大，且隨DG容量的增加，距離保護(hù)Ⅱ段靈敏度降低。

DG從母線B、母線E及母線F處接入時同理可分析，從母線A處接入時各保護(hù)均不受影響。

1.3 距離Ⅲ段

配電網(wǎng)距離保護(hù)Ⅲ段整定值通常按照按照躲開最小負(fù)荷阻抗minLZ來整定，其整定值為

因一般DG機(jī)組的容量都很小，向距離保護(hù)Ⅲ段提供的助增電流也很小，并且距離保護(hù)Ⅲ段能夠從時限上躲過DG助增電流對它的影響，因此可認(rèn)為分布式電源的接入對距離保護(hù)Ⅲ段基本無影響。

2 分布式電源的并網(wǎng)特點(diǎn)

使用逆變器控制方式的分布式電源并網(wǎng)時，發(fā)電單元都是通過一個直流部分連接電容器與逆變控制裝置連接再接入電網(wǎng)的，該電容器通過吸收或釋放能量來抵消快速的暫態(tài)過程，直流電壓通過逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電壓[12]。逆變型分布式電源不同于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)型DG，不能簡單地等效為電勢源與阻抗的串聯(lián)，IIDG在并網(wǎng)運(yùn)行時一般采用電流型PQ控制方式，即通過調(diào)節(jié)有功電流、無功電流使其跟蹤參考電流，對逆變器輸出功率的控制問題轉(zhuǎn)化為對電流的控制問題，只要實(shí)現(xiàn)對參考電流的跟蹤，也就實(shí)現(xiàn)了對參考有功和無功的跟蹤，采用這種控制方式的IIDG，其供出電流是三相平衡的[13]。圖2為采用PQ控制方式的分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，前端直流部分與單相系統(tǒng)相同，通過三相逆變器和濾波器將直流電能轉(zhuǎn)化為滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的工頻交流電能，經(jīng)隔離變壓器并入中低壓電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC）。

因此，在進(jìn)行短路電流計算時，可以假定逆變型分布式電源在故障后輸出功率是不變的。另外在逆變器的控制裝置中，大部分都有一個電流限制裝置，該裝置能夠調(diào)整DG的輸出電流使其保持在某一定值以內(nèi)[14]。

圖3所示的仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，對于不同容量的DG，其輸出的最大短路電流的受限值不同。

圖2 分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 PI限幅增大時某短路電流

3 基于距離保護(hù)的DG 的優(yōu)化策略

配電網(wǎng)中分布式電源的接入主要對距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度產(chǎn)生影響，并且其影響程度隨DG位置和容量的改變而改變，因此采用距離保護(hù)時有必要對DG進(jìn)行優(yōu)化?？紤]DG輸出的短路電流受限于某一定值，即受最大輸出短路電流的影響，以下分2種情況進(jìn)行分析。

3.1 不考慮DG 最大輸出短路電流的影響

此種情況主要是適合于DG輸出的短路電流未到達(dá)所對應(yīng)的定值。

聯(lián)合式（9）～式（12），得到關(guān)于DG容量和位置的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件：

3.2 考慮DG 最大輸出短路電流的影響

對應(yīng)于一定容量的DG，其輸出的短路電流不能超過某個定值，設(shè)為IM。圖1中，記CD段的線路長度為L4，當(dāng)在線路CD段αL4（α為短路點(diǎn)到母線C的距離占CD段總長的百分比）處發(fā)生短路故障時，DG的輸出的短路電流為

式中：E為電源電動勢。

考慮DG受限于其最大輸出短路電流，可令GM=II，得到對應(yīng)于DG輸出最大短路電流時CD段距離保護(hù)的測量阻抗值：

從選址的角度來考慮時，令x＝Z4或者x＝Z3代入式（18），同樣，求出x的范圍后，由于x只能取各段線路阻抗值，需根據(jù)這些離散點(diǎn)進(jìn)一步確定x的取值，最終確定DG的合適接入位置；從定容的角度來考慮時，由于DG容量SG與IM有關(guān)，令x＝IM代入式（18），求出IM的范圍后，需根據(jù)SG與IM的實(shí)際關(guān)系，選定DG的容量。

在對DG進(jìn)行優(yōu)化計算時，對是否會發(fā)生2種情況下對應(yīng)的優(yōu)化關(guān)系式（13）和式（18）所包圍的區(qū)域相互越界的情況分析如下：由式（13）、式（15）和式（18）可以看出，計算的優(yōu)化方向?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)f(x)增大的方向，不妨首先設(shè)Z4''≤Z4'，即DG輸出的短流電流已達(dá)到受限值IM，此時應(yīng)采用DG的優(yōu)化算法關(guān)系式（18），可以看出，隨著f(x)的逐漸增大，Z3逐漸減小，Z4逐漸增大，而Z4逐漸減小，計算情況會逐漸趨于越界，進(jìn)入關(guān)系式（13）的區(qū)域范圍內(nèi)，即Z4''＞Z4'，此時隨著f(x)的增大，Z3逐漸減小，Z4逐漸增大，但不會再出現(xiàn)Z4''≤Z4'的情況。可以看出，此時如果再考慮DG容量選擇的問題，則有可能又使得優(yōu)化方向由關(guān)系式（13）返回到式（18）的范圍內(nèi)。

因此，在對DG進(jìn)行選址定容時，首先要進(jìn)行DG容量的選擇，容量確定后，再按照式（15）考慮DG最大輸出電流受限的情況計算，然后進(jìn)行選址判斷。如果計算結(jié)果落在關(guān)系式（18）所包圍的區(qū)域內(nèi)，則在優(yōu)化計算時有可能要進(jìn)入關(guān)系式（13）的區(qū)域內(nèi)繼續(xù)優(yōu)化；而如果進(jìn)入到關(guān)系式（13）所包圍的區(qū)域內(nèi)，則不會再返回到關(guān)系式（18）的區(qū)域中，此時在關(guān)系式（13）區(qū)域范圍中的解即為最優(yōu)解。

4 算例分析

圖4 某10 kV 配電系統(tǒng)

1）DG接于母線B處，如圖4所示，其容量SG在0～50 MVA內(nèi)變化，當(dāng)BC末端（k處）發(fā)生三相短路故障時，保護(hù)1、保護(hù)2的測量阻抗值Z1k、Z2k如表1所示。其中，DG容量為0，表示未加入DG時原配電網(wǎng)的阻抗參數(shù)。

由表1可以看出：保護(hù)2的測量阻抗值保持不變，不受DG并入的影響；保護(hù)1的測量阻抗值隨DG出力的增加而增加，對于原配電網(wǎng)，保護(hù)的整定值不變，因而保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度降低。

2）DG固定接于母線B處，其容量SG在0～50 MVA內(nèi)變化，保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段的整定值及靈敏度隨其出力的變化關(guān)系如表2所示。

表1 各保護(hù)測量阻抗值與DG 出力變化關(guān)系

表2 保護(hù)1距離保護(hù)Ⅱ段整定值及靈敏度與DG 出力變化關(guān)系

由表2可以看出：當(dāng)DG容量在0～50 MVA內(nèi)變化時，保護(hù)1距離Ⅱ段的靈敏度隨DG出力的增大而增大，但DG容量小于40 MVA時保護(hù)的靈敏度均小于1.25，不滿足要求；當(dāng)DG容量為50 MVA時，靈敏度大于1.25，滿足要求。因此，對于本例的配電網(wǎng)，DG的容量可選取50 MVA及以上。

表3 DG 容量為10 MVA 時的最大輸出短路電流及相應(yīng)的測量阻抗值

表4 DG 容量為50 MVA 時的最大輸出短路電流及相應(yīng)的測量阻抗值

5 結(jié)論

鑒于對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行整定值修改的復(fù)雜性，本文提出將輸電線路中較為成熟的距離保護(hù)應(yīng)用于含分布式電源的配電系統(tǒng)中，分析了DG位置和容量變化對3段式距離保護(hù)的影響，結(jié)果表明DG的并網(wǎng)主要影響距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)逆變型DG的并網(wǎng)特性，考慮其接入配電網(wǎng)后短路電流與DG容量的對應(yīng)關(guān)系，分2種情況提出了DG的優(yōu)化策略，即通過保證DG接入前后距離保護(hù)Ⅱ段的靈敏度來對DG進(jìn)行選址定容。結(jié)合PSCAD仿真軟件，通過某10 kV配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該優(yōu)化策略的有效性和可行性。