分布式電源對配電網(wǎng)保護的影響分析及改進方案

王樹東，錢其三

(蘭州理工大學電信學院，蘭州 730050)

分布式電源對配電網(wǎng)保護的影響分析及改進方案

王樹東，錢其三

(蘭州理工大學電信學院，蘭州 730050)

介紹了分布式電源(DG)的概念、傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點及保護配置情況。以含DG的配電網(wǎng)為模型分析不同位置引入分布式發(fā)電后，當DG上游、下游地區(qū)及相鄰饋線發(fā)生故障時，對短路電流、保護裝置產(chǎn)生的影響。對重合閘動作方式做了改進，以保證故障時DG能快速與系統(tǒng)裂解，檢同期自動重合閘合閘后DG能并網(wǎng)穩(wěn)定運行。針對DG對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，概括了含DG的配電網(wǎng)繼電保護的研究方向并同時提出改進方案。

分布式電源;配電網(wǎng);繼電保護

目前采用的超高壓遠距離輸電、大電網(wǎng)互聯(lián)的集中式供電存在跟蹤負荷變化不靈敏、調(diào)峰性能差、損耗大等缺點，難以滿足更高的安全可靠性要求以及多樣化的電力需求。針對電力市場發(fā)展和解決能源危機問題的需要，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域把研究重點轉(zhuǎn)向清潔無污染的新能源——分布式發(fā)電。分布式發(fā)電(distributed generation，DG)通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。將傳統(tǒng)電網(wǎng)和分布式發(fā)電相結(jié)合是節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方式，也是21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向［1］。

分布式電源因其容量較小，一般經(jīng)配電系統(tǒng)接入電網(wǎng)。大量分布式電源的引入使傳統(tǒng)配電系統(tǒng)由單源輻射網(wǎng)絡變?yōu)槎嘣磸碗s網(wǎng)絡，各支路中潮流不再單向流動，因此DG的接入會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生深刻的影響［2］。當電網(wǎng)中發(fā)生短路故障時，DG必然影響短路電流的大小、方向以及持續(xù)時間，給繼電保護的配置和動作值的整定帶來一定難度，極有可能造成保護不能正確動作［3］。傳統(tǒng)的繼電保護配置已經(jīng)難以滿足電網(wǎng)安全運行的要求，因此，必須對目前基于單源網(wǎng)絡而設計的保護和自動重合閘進行相應的改進以適應新的變化，否則會使保護出現(xiàn)拒動、誤動導致其不能準確及時地切除故障而造成故障的進一步擴散，從而影響保護的選擇性、靈敏性以及電網(wǎng)運行的安全可靠性。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)特點及保護配置

配電網(wǎng)主要有放射式、樹干式和環(huán)網(wǎng)式3種拓撲結(jié)構(gòu)，在配網(wǎng)規(guī)劃時選擇何種接線形式則由供電可靠性決定。我國中低壓配電網(wǎng)多數(shù)為單源輻射結(jié)構(gòu)，這種接線方式簡單可靠，便于擴充，而且保護整定容易，繼電保護配置也相對簡單。

配電網(wǎng)中一般配置保護有三段式電流保護(電流速斷保護、定時限流和過流保護)，反時限電流保護［4］以及距離保護等。

線路故障80%為瞬時性故障［5］。為提高供電可靠性，非全電纜線路還需裝設三相一次重合閘配合電流保護以便在饋線故障時快速切除故障短時恢復供電。對于終端線路，需要裝設電流速斷保護和過電流保護組成兩段式保護和前加速重合閘。

2 分布式發(fā)電對配網(wǎng)繼電保護的影響

三段式電流保護簡單可靠，一般能滿足快速切除故障的要求，但易受電網(wǎng)接線和系統(tǒng)運行方式變化的影響，其靈敏度和保護范圍無法符合要求。DG接入配電網(wǎng)會影響潮流的分布，當發(fā)生故障時，系統(tǒng)電源和DG可能同時對故障點注入電流，影響短路電流的大小與方向，從而對配電網(wǎng)原有繼電保護的正常運行帶來影響［6－7］。DG對短路電流產(chǎn)生的具體影響與其裝機容量、接入點的位置密切相關(guān)［8］，下面結(jié)合圖1所示的典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行具體分析。

圖1 含DG典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1 分布式發(fā)電通過母線B接入系統(tǒng)

如圖1所示，DG通過母線B接入系統(tǒng)，饋線1變?yōu)殡p源供電模式。

1)當DG上游f1點故障時，流過保護P1的電流與DG未接入時一樣，故P1能可靠動作切除故障。但是DG會對故障點持續(xù)注入短路電流，有可能使故障點電弧持續(xù)燃燒，造成線路重合閘失敗，擴大停電事故。保護P2、P3、P4、P5均不受DG的影響，能正確動作。

2)當DG下游f2點故障時，系統(tǒng)電源和DG會同時對故障點注入短路電流。流過保護P1的電流僅由系統(tǒng)電源提供。由于DG的分流作用，使流過P1的故障電流減小，降低其靈敏度，嚴重時甚至會使P1拒動［9］。系統(tǒng)電源和DG共同作用使流過保護P2的電流增加，擴大其電流速斷保護的保護范圍，與限時電流速斷保護配合產(chǎn)生矛盾。

3)當相鄰饋線f3點故障時，系統(tǒng)電源和DG提供故障電流疊加后使流過保護P4的故障電流增加。該值若小于P4動作值則有利于其快速動作切除故障，若該值大于其動作值則會延長其保護范圍。DG提供的反向故障電流經(jīng)保護P1流向故障點，若DG的容量足夠大，流過保護P1的反向故障電流達到其動作值時，必然引起保護P1誤動作。

2.2 饋線1末端引入分布式發(fā)電

如圖1所示，DG通過饋線1末端接入系統(tǒng)，饋線1變?yōu)殡p側(cè)電源供電模式，饋線2仍為單側(cè)電源供電。

1)當AC段任何地點發(fā)生故障時，系統(tǒng)電源和DG共同提供短路電流。當f1點故障時，保護P1不受DG影響，保護P2受DG影響。若DG的容量足夠大，流過保護P2的反向故障電流達到其動作值時，保護P2快速動作切除故障，同時DG與系統(tǒng)解列形成電力孤島。因此在系統(tǒng)故障發(fā)生時，如何合理地裂解，使DG在不失穩(wěn)的情況下實現(xiàn)正常的孤島運行是亟需解決的問題。

2)當AD段任何地點發(fā)生故障時，饋線1的所有保護均受DG影響。若DG容量足夠大，反向故障電流大于速斷和過流保護的動作值，將使饋線1保護誤動作。流過保護P4的電流是系統(tǒng)電源和DG提供故障電流的疊加值，若故障饋線為終端線路，則保護更加靈敏;若故障饋線為非終端線路，則須重新整定瞬時速斷保護的動作值，保證其可靠躲過線路末端故障產(chǎn)生的最大三相短路電流，否則保護可能失去選擇性。

3 含DG配電網(wǎng)重合閘的動作方式

配電網(wǎng)80%的故障為瞬時性故障，裝設自動重合閘(auto－reclosing，AR)不僅能快速恢復供電，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和并列運行的穩(wěn)定性，還能糾正斷路器或保護誤動作。發(fā)生故障時，繼電保護裝置首先動作跳開斷路器，待故障點電弧熄滅介質(zhì)絕緣強度恢復后故障便可以自行消除。電力系統(tǒng)運行資料統(tǒng)計表明，自動重合閘重合成功率一般可達60%～90%。

IEEE Standard.1547標準規(guī)定:故障情況下DG應停止向電網(wǎng)供電，并在自動重合閘動作前立即斷開與電網(wǎng)之間的連接。當分布式發(fā)電并網(wǎng)后，斷路器因線路故障跳閘后，若DG不能及時退出運行將產(chǎn)生非同期重合閘和故障點電弧重燃的威脅，使AR合閘失敗。同時，故障后形成的孤島系統(tǒng)與主網(wǎng)一般不能保持同步，AR動作時還可能形成非同期重合閘，從而對電網(wǎng)和DG造成巨大沖擊。因此，AR動作時必須考慮兩側(cè)保護的時間配合和電源同步問題才能提高AR合閘成功率以及DG并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

如圖2所示，在系統(tǒng)電源和DG之間安裝檢無壓及檢同步自動重合閘裝置。PT為電壓互感器，PT1、PT4分別測量A、B側(cè)母線電壓，PT2、PT3測量線路電壓;“U＜”為低電壓測量元件，用來檢測線路是否無電壓;“U－U”為檢同步元件，用來判斷母線電壓與線路電壓是否同步。

圖2 檢無壓及檢同步自動重合閘動作原理圖

當AB段f點發(fā)生瞬時性故障時，線路兩側(cè)的保護裝置動作跳開斷路器DL1、DL2，切除系統(tǒng)電源，同時DG與系統(tǒng)裂解形成孤島系統(tǒng)。f點故障消除后，母線A側(cè)的低電壓元件檢測到線路上失去電壓后，重合閘發(fā)出命令重合上斷路器DL1;當DL1合閘后，母線B側(cè)檢測到線路上已帶電，B側(cè)同步檢測單元開始檢同步;當斷路器兩側(cè)電源滿足同步條件時，合上斷路器DL2，DG開始并網(wǎng)運行同時線路恢復供電。若B側(cè)在檢同步時再次出現(xiàn)故障，則A側(cè)的繼電保護動作再次跳開斷路器，斷路器DL2不再合閘。

當f點發(fā)生永久性故障時，DL1、DL2均跳閘切除故障，A側(cè)檢測到線路無電壓后重合DL1。由于是永久性故障，A側(cè)的后加速保護會立即動作再次跳開DL1，B側(cè)的DL2始終不再合閘。

4 繼電保護新方案

各種形式的DG并網(wǎng)是未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。但大量DG并網(wǎng)使保護出現(xiàn)靈敏度降低、拒動以及誤動等問題，l因此需要對原有保護進行改進或研究新的保護方案才能適應電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。目前國內(nèi)外主要通過以下途徑對含DG配電網(wǎng)的保護進行研究:①對傳統(tǒng)的電流保護加以改進，如加裝方向元件，采用自適應保護原理等;②將線路成熟的保護原理、方案應用于配網(wǎng)中，通過多端信息交換來提高保護性能;③以智能設備和通信技術(shù)為基礎的新型保護方案。

文獻［10］提出通過在DG上游區(qū)域裝設方向縱聯(lián)保護、過流保護裝設方向元件來判斷故障位置的保護方案。文獻［11］提出采用主從式結(jié)構(gòu)和查詢式通信，通過對比不同方向元件動作情況來判斷故障位置的區(qū)域縱聯(lián)保護方案。文獻［12］提出利用工頻電流變化量幅值和相位比較法準確進行故障定位的多智能體(agent)新型分布式電流保護方案。文獻［13］提出利用故障分量實現(xiàn)無通道線路保護的方案。文獻［14］提出對保護背側(cè)網(wǎng)絡進行等值變換構(gòu)造配電網(wǎng)自適應保護的新原理。

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和制作成本的降低，光纖通信在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，正成為電力通信網(wǎng)的主干網(wǎng)。采用能反映兩端電氣量比較的光纖分相差動保護將線路兩側(cè)的每相電流采樣數(shù)據(jù)調(diào)制轉(zhuǎn)化成光信號，通過光纜通道實時傳送到對側(cè)，然后解調(diào)后直接比較兩側(cè)每相電流的變化，再根據(jù)特定關(guān)系進行故障定位。對含DG的配電網(wǎng)，配置光纖分相差動保護作系統(tǒng)電源與DG間的主保護，過電流保護作后備保護;當故障發(fā)生在系統(tǒng)電源與DG以外區(qū)域時，保護裝置動作值應隨DG功率輸出對電流所產(chǎn)生的助流或汲取作用重新整定。

5 結(jié)束語

分布式發(fā)電是智能電網(wǎng)建設的關(guān)鍵技術(shù)，大量DG并網(wǎng)對傳統(tǒng)繼電保護帶來了挑戰(zhàn)。本文分析了配電網(wǎng)中不同位置接入DG對三段式電流保護產(chǎn)生的影響，同時論述了DG接入對重合閘裝置的影響以及重合閘相應的動作改進措施。針對DG給傳統(tǒng)保護帶來的影響，提出將光纖差動保護作為系統(tǒng)與DG之間的主保護。系統(tǒng)電源與DG間區(qū)域以外發(fā)生故障時，保護裝置動作值按DG的功率輸出對電流的助流或汲取作用重新整定。

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(責任編輯 楊黎麗)

Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Im proved Protection Scheme

WANG Shu－dong，QIAN Qi－san
(College of Electric and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

The paper introduces the concept of distributed generation and the structural features and protection configuration of traditional distribution network.To contain the DG in the distribution network for themodel，it analyses the impact of DG on short－circuit current and protection devices when DG is connected to different positions and fault occurs in upstream and downstream regions of DG，and the adjacent feeder.Meanwhile，in order to ensure that DG can crack with system quickly and operate stably in the grid after the action of synchronous reclosingwhen fault occurs，it is proposed to improve the way of reclosing action.In view of the impact of DG on distribution network，the paper summarizes the research direction of relay protection of distribution network which includes DG，and puts forward the improved scheme.

distributed generation;distributed network;relay protection

TM77

A

1674－8425(2014)01－0087－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.017

2013－11－08

王樹東(1965—)，男，教授，主要從事計算機自動控制技術(shù)、電網(wǎng)優(yōu)化控制方面的教學與應用研究;錢其三(1986—)，男，碩士研究生，主要從事分布式發(fā)電優(yōu)化控制與繼電保護研究。

王樹東，錢其三.分布式電源對配電網(wǎng)保護的影響分析及改進方案［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(1):87－90.

format:WANG Shu－dong，QIAN Qi－san.Analysis of the Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Improved Protection Scheme［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):87－90.