分布式電源接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置及技術(shù)的研究

段佳莉

引言

作為一個(gè)能源消耗大國(guó)，我國(guó)所面臨的能源資源不足、能源技術(shù)落后以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題日益嚴(yán)峻。面對(duì)當(dāng)前的形勢(shì)和挑戰(zhàn)，發(fā)展可再生能源和節(jié)約能源為主題的低碳經(jīng)濟(jì)已成為未來(lái)發(fā)展的主流。其中，分布式發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)有的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。然而，分布式電源接入配電網(wǎng)給配電網(wǎng)的繼電保護(hù)帶來(lái)了不可忽視的影響。本文將深入研究分布式電源接入后配電網(wǎng)的故障特性，旨在揭示和總結(jié)分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響規(guī)律，提出適用于有分布式電源接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置方案，為分布式電源高密度接入配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 分布式電源接入配電網(wǎng)的影響

目前，我國(guó)建設(shè)智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求支持分布式電源高比重的接入，使系統(tǒng)的效率、靈活性、整體性得到有效提高，從而充分利用分布式電源可靠的優(yōu)化系統(tǒng)性能。然而，分布式電源接入也給配電網(wǎng)繼電保護(hù)帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)：

1）分布式電源接入，改變了配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使其由傳統(tǒng)的功率單向流動(dòng)的輻射型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)楣β孰p向流動(dòng)的多源網(wǎng)絡(luò)；

2）分布式電源出力的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性使配電網(wǎng)的潮流運(yùn)行水平波動(dòng)大，這使得現(xiàn)有保護(hù)的整定變得更加困難；

3）分布式電源的發(fā)電機(jī)理、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)與傳統(tǒng)電源有很大區(qū)別，這使得大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)后，短路電流特征將發(fā)生根本變化，這也對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)大多是向負(fù)荷單方向供電的輻射狀網(wǎng)絡(luò)，其繼電保護(hù)配置沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)中有分布式電源接入的情況，主要采用電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)兩種方式的配合。同時(shí)，考慮到配電網(wǎng)中絕大多數(shù)的故障為瞬時(shí)性故障，常采用重合閘來(lái)快速恢復(fù)瞬時(shí)性故障，以提高供電可靠性。但是，分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的短路電流分布以及原有配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置的基礎(chǔ)條件，可能引起保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)等問(wèn)題。

2 管理內(nèi)涵和主要做法

分布式發(fā)電設(shè)備接入配電網(wǎng)之前，中低壓配網(wǎng)為單側(cè)電源、輻射型配電網(wǎng)絡(luò)。饋線保護(hù)裝設(shè)在變電站內(nèi)靠近母線的饋線斷路器處，一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，第I段為瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、第II段為定時(shí)限電流速斷保護(hù)、第III 段為過(guò)電流保護(hù)。對(duì)非全電纜的線路，配置三相一次重合閘，保證在饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，快速恢復(fù)供電。

配電系統(tǒng)引入DG之后，如圖1所示，配電網(wǎng)絡(luò)不再是純粹的單電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，若線路發(fā)生故障，配電網(wǎng)絡(luò)中短路電流的大小、流向、分布以及重合閘的動(dòng)作行為都會(huì)受到DG 的影響，與DG引入之前有較大不同。DG對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為影響的主要表現(xiàn)如下：

1）導(dǎo)致本線路保護(hù)的靈敏度降低及拒動(dòng)。

以圖1 中DG下游k1點(diǎn)故障為例加以分析。DG引入之前，故障點(diǎn)的短路電流只由系統(tǒng)提供，DG引入之后，DG和系統(tǒng)都會(huì)對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流，但QF1 處的保護(hù)只能感受到系統(tǒng)提供的短路電流，在其他條件不變的情況下，此電流小于引入DG 前該處的電流，從而導(dǎo)致保護(hù)的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至拒動(dòng)。DG的容量越大，對(duì)配網(wǎng)保護(hù)靈敏度的影響也就越大。

2）導(dǎo)致本線路保護(hù)誤動(dòng)。

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)k2 處或其他饋線k3處發(fā)生故障時(shí)，在DG引入之前，本饋線的保護(hù)感受不到故障電流，DG引入之后，相同點(diǎn)故障時(shí)，本饋線的保護(hù)將感受到DG提供的故障電流，如果該電流足夠大，將導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。同樣，DG的容量越大，它所提供的反向短路電流也就越大，越容易造成本線路電流保護(hù)的誤動(dòng)作。

3）導(dǎo)致相鄰線路的瞬時(shí)速斷保護(hù)誤動(dòng)，失去選擇性。

當(dāng)k4處發(fā)生故障時(shí)，在DG引入之前，短路電流只由系統(tǒng)流向故障點(diǎn)，DG引入之后，DG和系統(tǒng)都會(huì)對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流，此時(shí)相鄰故障線路的保護(hù)（即QF2處的保護(hù)）感受到的故障電流增大，將可能導(dǎo)致其速斷保護(hù)躲不開(kāi)線末故障而誤動(dòng)，從而保護(hù)失去選擇性。

4）DG可能導(dǎo)致重合閘不成功。

當(dāng)DG引入之后，線路兩側(cè)連接的是兩個(gè)電源，線路故障時(shí)，如果只有系統(tǒng)側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘而DG不跳開(kāi)，則DG會(huì)繼續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流，故障點(diǎn)仍處于游離狀態(tài)。如果此時(shí)系統(tǒng)側(cè)進(jìn)行重合閘，必然會(huì)重合于故障狀態(tài)，導(dǎo)致重合閘不成功。為了保證重合閘的成功率，必須保證在系統(tǒng)側(cè)重合閘動(dòng)作前，DG已停止運(yùn)行或者已從配網(wǎng)中切除。

5）DG可能導(dǎo)致備自投無(wú)法正常工作。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，常采用備自投裝置來(lái)提高對(duì)重要負(fù)荷供電的可靠性。DG 引入后，將會(huì)影響備自投裝置對(duì)主工作電源是否故障的判斷，從而無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)施切除故障工作電源和投入備用電源的操作。

6）DG的接入使配電網(wǎng)成為一個(gè)多電源系統(tǒng)。

潮流由單向潮流變?yōu)殡p向潮流，因此要求保護(hù)設(shè)備應(yīng)具有方向性。若用方向性元件替換配電網(wǎng)中所有的熔斷器和自動(dòng)重合閘裝置在經(jīng)濟(jì)上又不可行。解決這一問(wèn)題的方案有切源方案和孤島方案兩種。

切源方案指的是在任何故障情況下，先斷開(kāi)所有的分布式電源，然后采取原來(lái)的保護(hù)措施。但這樣大大降低了速動(dòng)性和可靠性，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)時(shí)限配合、速斷等問(wèn)題，因此引入孤島的思想。利用分布式發(fā)電獨(dú)立向一部分配電系統(tǒng)供電，如果配電網(wǎng)發(fā)生故障，將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為若干個(gè)孤島運(yùn)行，盡可能多地利用分布式電源供電，減小停電面積，提高發(fā)電效率。

3 實(shí)施成效

1）分布式電源接入后的配電網(wǎng)與繼電保護(hù)的建模研究

開(kāi)展了以下兩個(gè)層次的研究：a）建立分布式電源及其控制系統(tǒng)模型，建立適用于保護(hù)動(dòng)作分析的分布式電源仿真模型；b）根據(jù)現(xiàn)有配電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立分布式電源接入的配電網(wǎng)模型以及繼電保護(hù)模型，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

2）含分布式電源配電網(wǎng)的故障特征分析及對(duì)原有保護(hù)的影響研究

在所建模型基礎(chǔ)上，研究不同容量的分布式電源在不同位置接入配電網(wǎng)的情況下，配電網(wǎng)在不同位置發(fā)生不同類(lèi)型不同嚴(yán)重程度故障時(shí)的電氣量故障特征，揭示短路電流變化規(guī)律，定性分析分布式電源接入對(duì)原有保護(hù)原理的影響。

3）計(jì)及原有電流保護(hù)整定計(jì)算原則的分布式電源準(zhǔn)入容量研究

計(jì)及配電網(wǎng)原有電流保護(hù)整定計(jì)算原則的分布式電源準(zhǔn)入容量指的是，在不改變配電網(wǎng)原有電流保護(hù)配置的情況下，能夠滿(mǎn)足所有保護(hù)選擇性和靈敏性要求的、允許分布式電源接入的最大容量。該部分研究旨在定量分析分布式電源接入對(duì)原有保護(hù)原理的影響，對(duì)評(píng)估一定容量的DG接入配電網(wǎng)后對(duì)原有電流保護(hù)選擇性和靈敏性的影響以及含DG配電網(wǎng)的保護(hù)方案配置等均具有重要意義。

4）適應(yīng)分布式電源接入的保護(hù)配置及整定原則研究

在研究含分布式電源配電網(wǎng)的故障特性以及分布式電源準(zhǔn)入容量的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有配電系統(tǒng)常用繼電保護(hù)配置及整定原則的適用性及存在的問(wèn)題，進(jìn)一步研究含有分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)的基本理論與構(gòu)建模式，探討新的保護(hù)理論和方法，以適應(yīng)分布式電源的實(shí)際接入容量大于準(zhǔn)入容量的高滲透率情況。