分布式電源的接入對(duì)配電網(wǎng)的影響

葉金鳳 吳彥 褚夫飛 侯誠(chéng)程

摘 要：研究傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的特點(diǎn)。分析分布式電源（Distributed Generation，DG）接入不同的位置，在不同地方發(fā)生故障時(shí)DG容量變化對(duì)線路各保護(hù)所測(cè)故障電流的影響，而此影響將引起保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)，并通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證DG接入的容量和位置的不同對(duì)保護(hù)造成的影響。

關(guān)鍵詞：分布式電源（DG）;電流保護(hù);配電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： The traditional three-stage current protection is studied， and the characteristics of current Ⅰ，Ⅱ and Ⅲ are?verified by simulation. Analyze the influence of DG capacity change on the fault current measured by each protection of the line when DG is connected to different locations and faults occur in different places， which will cause misoperation or refusal of protection. Matlab simulation is used to verify the impact of different capacity and location of DG access on protection.

Keywords： Distributed Generation（DG）;current protection;distribution network

分布式電源（Distributed Generation，DG）接入配電網(wǎng)不僅減小了輸電線路上的電能損耗，而且提高了對(duì)用戶供電的可靠性，發(fā)揮了其清潔環(huán)保、靈活供電、設(shè)施建設(shè)周期短及投資成本小的優(yōu)勢(shì)。分布式電源的接入改變了原電壓分布和潮流分布[1-2]。在發(fā)生短路時(shí)，分布式電源的助增和外汲的作用會(huì)影響故障電流的大小和方向，導(dǎo)致原先的電流保護(hù)不能正確動(dòng)作，減小了保護(hù)范圍，降低了保護(hù)靈敏性。配電網(wǎng)作為輸電和用電的橋梁，其安全穩(wěn)定運(yùn)行能保證用戶的正常用電，所以研究分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的電流保護(hù)帶來(lái)的影響尤為重要[3-5]。

1 三段式電流保護(hù)理論

1.1 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)（電流Ⅰ段）

電流Ⅰ段保護(hù)按照線路末端短路時(shí)的最大短路電流來(lái)整定，整定值高，保護(hù)范圍小，動(dòng)作快，無(wú)延時(shí)，不能保護(hù)線路的全長(zhǎng)。

1.2 限時(shí)電流速斷保護(hù)（電流Ⅱ段）

電流Ⅱ段與下條線路的電流Ⅰ段相配合來(lái)整定，保護(hù)范圍不超過(guò)下條線路的Ⅰ段，動(dòng)作有較短的延時(shí)，能夠保護(hù)線路的全長(zhǎng)。

1.3 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（電流Ⅲ段）

電流Ⅲ段按照線路的最大負(fù)荷電流來(lái)整定，整定值小，保護(hù)范圍大，但是動(dòng)作時(shí)限長(zhǎng)，一般作為后備保護(hù)。

1.3.1 DG接入配電網(wǎng)的中間母線D時(shí)對(duì)保護(hù)的影響。DG接入D母線如圖1所示。

分布式電源的內(nèi)阻抗Xd為次暫態(tài)電抗，有，其中Ss為系統(tǒng)容量，Sd為分布式電源的容量。X1、X2、X3、X4、X5分別是線路AC的電抗、線路CD的電抗、線路DE的電抗、線路AB的電抗、系統(tǒng)阻抗。I1、I2、I3、I4分別是保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3、保護(hù)4測(cè)得的電流。

在DG的上游發(fā)生短路F1，相比于未接入DG來(lái)說(shuō)，流過(guò)短路點(diǎn)的電流有所上升，短路電流I1沒(méi)有發(fā)生改變，但是流過(guò)保護(hù)2的短路電流I2由分布式電源提供，會(huì)隨著分布式電源容量的大幅度變化而變化。如果分布式電源容量大于保護(hù)2的整定值，將會(huì)導(dǎo)致保護(hù)2誤動(dòng)作。保護(hù)3和保護(hù)4沒(méi)有短路電流流過(guò)，所以不受影響。

發(fā)生短路F2時(shí)，I1、I2保持不變且相等，仍是由系統(tǒng)的電源提供，保護(hù)3和保護(hù)4沒(méi)有短路電流流過(guò)。

在DG下游發(fā)生短路F3，由于DG的接入，I3會(huì)增大，增加了保護(hù)3動(dòng)作的靈敏性，保護(hù)4沒(méi)有短路電流，保護(hù)1、保護(hù)2所測(cè)短路電流I1、I2因DG分流而減小，將會(huì)降低保護(hù)1、保護(hù)2作為后備保護(hù)的靈敏度。如果保護(hù)3拒動(dòng)，保護(hù)1、保護(hù)2可能會(huì)因靈敏度降低而拒動(dòng)。

同理，在DG相鄰線路發(fā)生短路F4時(shí)，流過(guò)短路點(diǎn)F4的電流I4增大，使保護(hù)4動(dòng)作更加靈敏，隨著DG容量的變化而發(fā)生改變。如果DG容量很大，I1、I2大于保護(hù)1、保護(hù)2的整定值，可能會(huì)使保護(hù)1、保護(hù)2誤動(dòng)。

1.3.2 DG接入配電網(wǎng)末端母線E對(duì)保護(hù)的影響。在發(fā)生短路F1時(shí)，短路點(diǎn)電流相比與DG未接入會(huì)增大，流過(guò)保護(hù)1的短路電流沒(méi)有變化，仍然由系統(tǒng)電源提供，保護(hù)2、保護(hù)3電流I2、I3會(huì)隨著分布式電源容量的增大而增大，當(dāng)大于整定值時(shí)可能會(huì)誤動(dòng)作。保護(hù)4沒(méi)有短路電流流過(guò)。發(fā)生短路F2時(shí)，短路點(diǎn)F2的電流值會(huì)有所上升，電流I1、I2不受影響，但是流過(guò)保護(hù)3的短路電流會(huì)隨著DG容量變化而發(fā)生改變。當(dāng)DG的容量增加的幅度很大時(shí)，使得I3大于整定值，使保護(hù)3誤動(dòng)作。保護(hù)4則不受到影響。發(fā)生短路F3時(shí)，短路點(diǎn)F3電流增大，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3的短路電流I1、I2、I3不受影響，由系統(tǒng)電源提供，保護(hù)4所測(cè)故障電流為0。在DG相鄰饋線發(fā)生故障F4時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3、保護(hù)4所測(cè)電流情況如下：如果沒(méi)有接分布式電源，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3無(wú)短路電流通過(guò);DG接入后，若DG的容量Sd太大，會(huì)使保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，I4的增大，會(huì)使保護(hù)4作為主保護(hù)時(shí)動(dòng)作更加靈敏。

通過(guò)上面的分析可以得出，分布式電源接入D母線和接入E母線，短路點(diǎn)電流都會(huì)增大，對(duì)于電氣設(shè)備的損害會(huì)更加嚴(yán)重，且DG接入不同的位置對(duì)保護(hù)的影響也會(huì)不同，可能會(huì)使保護(hù)靈敏性增大，也可能會(huì)使保護(hù)不能正確迅速動(dòng)作，那么接入分布式電源后傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)的整定值不再適用，需要根據(jù)分布式電源的接入做出相應(yīng)變化。

2 仿真

分布式電源接入D母線如圖2所示，電壓等級(jí)220 kV，AB=50 km，AC=50 km，CD=50 km，DE=50 km，系統(tǒng)電源采用無(wú)窮大電源系統(tǒng)，負(fù)荷1為100 MW，負(fù)荷2為100 MW，分布式電源用同步發(fā)電機(jī)來(lái)代替，改變同步發(fā)電機(jī)的容量來(lái)改變分布式電源的容量。

DG容量分別為0 MW、10 MW、15 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2測(cè)得的故障電流幅值分別為1 750 A、1 738 A、1 733 A、1 727 A。DG容量慢慢往上增加時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2測(cè)得的短路電流會(huì)慢慢往下降低，因此會(huì)降低保護(hù)1和保護(hù)2作為后備保護(hù)的靈敏度，與理論分析一致。因?yàn)镈G容量相對(duì)于無(wú)窮大電源而言太小，所以保護(hù)1、保護(hù)2所測(cè)電流變化很小，而保護(hù)3測(cè)得的故障電流幅值分別為1 823 A、1 880 A、1 938 A、1 997 A。DG容量慢慢往上增加時(shí)，保護(hù)3測(cè)得的短路電流I3也會(huì)慢慢往上增加。本線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3的靈敏度增加，但是作為后備保護(hù)，可能會(huì)存在著誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，與理論分析一致。

在F2處出現(xiàn)故障時(shí)，分布式電源容量為0 MW、10 MW、15 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2測(cè)得電流分別為1 981 A、1 981 A、1 982 A、1 982 A。保護(hù)1、保護(hù)2所測(cè)短路電流相等，I1、I2隨著DG容量變化也很微小，幾乎可以忽略，仍由系統(tǒng)提供，與前面理論分析一致。DG容量分別為0 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)2會(huì)測(cè)得短路電流且會(huì)慢慢增加。當(dāng)DG容量足夠大時(shí)，保護(hù)2測(cè)得的短路電流可能會(huì)大于整定值而誤動(dòng)作，使繼電保護(hù)失去選擇性。

F4處發(fā)生短路時(shí)，DG容量為0 MW、30 MW、60 MW時(shí)，保護(hù)2測(cè)得電流為0 A、139.3 A、957.6 A。因此，DG容量慢慢往上增加時(shí)會(huì)使保護(hù)2測(cè)得的故障電流I2也會(huì)慢慢上升，甚至大于保護(hù)2的整定值，使保護(hù)2誤動(dòng)。DG容量為0 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)4所測(cè)電流分別為2 263 A、2 395 A。保護(hù)4的短路電流會(huì)隨著分布式電源容量的增大而增大，保護(hù)4作為主保護(hù)的靈敏度會(huì)增加，但作為后備保護(hù)可能會(huì)有誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

同理，對(duì)分布式電源接入E母線時(shí)進(jìn)行仿真，電壓等級(jí)220 kV，AB=50 km，AC=50 km，CD=50 km，DE=50 km，系統(tǒng)電源采用無(wú)窮大電源系統(tǒng)，負(fù)荷1為100 MW，負(fù)荷2為100 MW，DG用同步發(fā)電機(jī)來(lái)代替，改變同步發(fā)電機(jī)的容量來(lái)改變DG的容量.

DG為0 MW、5 MW、10 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)3測(cè)得電流分別為0 A、103.5 A、200.0 A、411.4 A。DG容量慢慢往上升時(shí)，保護(hù)3測(cè)得電流也會(huì)慢慢增大，存在誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)2與保護(hù)3所測(cè)電流相等。保護(hù)1測(cè)得電流分別為1 613 A、1 614 A、1 614 A、1 617 A，所以保護(hù)1的短路電流基本不變，不受DG的影響。

F2發(fā)生短路時(shí)，可以看出DG容量為0 MW、5 MW、10 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)3測(cè)得電流分別為0 A、104.0 A、202.5 A、402.5 A?？梢?jiàn)，DG容量慢慢往上增加時(shí)，保護(hù)3測(cè)得的故障電流I3有所增加，增加的幅度較大，DG容量很大時(shí)保護(hù)3可能會(huì)誤動(dòng)。DG為0 MW、5 MW、10 MW時(shí)，保護(hù)1測(cè)得電流分別為1 432 A、1 433 A、1 433 A，保護(hù)2測(cè)得電流分別為1 432 A、1 438 A、1 439 A。保護(hù)1、保護(hù)2所測(cè)得的電流大致相等，且隨著DG容量的改變，保護(hù)所測(cè)電流幾乎不變。

F3發(fā)生短路時(shí)，DG容量為0 MW、5 MW、10 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3測(cè)得電流分別為1 300 A、1 294 A、1 294 A、1 251 A?？梢?jiàn)，DG容量變化對(duì)保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3所測(cè)短路電流基本無(wú)影響。

F4發(fā)生短路時(shí)，DG為0 MW、5 MW、10 MW、20 MW時(shí)，保護(hù)4測(cè)得電流分別為1 622 A、1 645 A、1 776 A、1 963 A。保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3測(cè)得電流分別為49.85 A、164.4 A、164.3 A、461.7 A。DG容量慢慢往上增加，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3、保護(hù)4的短路電流I1、I2、I3、I4也會(huì)慢慢往上增大，保護(hù)1、保護(hù)2、保護(hù)3可能會(huì)大于整定值而誤動(dòng)。保護(hù)4作為主保護(hù)靈敏度增大，作為后備保護(hù)可能會(huì)誤動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

故障在DG上游時(shí)，故障點(diǎn)上游保護(hù)測(cè)得的電流因?yàn)椴蛔兌皇苡绊?，故障點(diǎn)與DG間的保護(hù)測(cè)得的電流將會(huì)隨DG容量上升而慢慢向上升，同時(shí)相鄰線路保護(hù)測(cè)不到故障電流也不受影響。故障在DG下游時(shí)，DG與故障點(diǎn)間保護(hù)測(cè)得的電流增大，作為主保護(hù)動(dòng)作靈敏度增加，作為后備保護(hù)可能誤動(dòng)。DG上游保護(hù)測(cè)得的電流減小可能拒動(dòng)，相鄰線路保護(hù)沒(méi)有測(cè)到短路電流故不受影響。當(dāng)短路發(fā)生在相鄰饋線，DG與故障點(diǎn)之間的保護(hù)都會(huì)測(cè)到短路電流。此電流將會(huì)隨DG容量上升而慢慢上升，待上升到足夠大時(shí)，可能會(huì)使保護(hù)不能準(zhǔn)確或正確動(dòng)作。

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