分布式發電對繼電保護的影響

摘 要:隨著新能源的應用與發展，以新能源發電為基礎的分布式發電技術有著高效、節能，緩解不可再生能源緊缺的優點，但也出現了一些新的問題，如電能質量、電網控制等，分布式發電對配網原有的繼電保護產生的影響尤其巨大。首先介紹分布式發電對繼電保護的幾點影響，然后總結了一些解決方法，最后討論了一些可行的方法，并分析了用自適應繼電保護對含有分布式電源的配電網進行整定計算的方法。關鍵詞:新能源; 分布式發電; 繼電保護; 電網控制; 自適應保護

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0195-03

Influence of Distributed Power Generation on Relay Protection

HANG Yang1，2， HUANG Wei1

(1.North China Electric Power University， Beijing 102206， China; 2.Beijing Electric Power Academy， Beijing 100075， China)

Abstract: With the development of renewable energy， the high efficiency and energy conservation of the distributed power generation can remit the requirement intensity of non-renewable energy， but it results in many new problems， such as power quality， power-network control and especially the relay protection. The influence of the distributed power generation on relay protection is introduced， and then the solutions are introduced. At last， some viable solutions are offered to the problems. The setting calculation with the adaptive relay protection for the distribution network that contains one or more distributed generations is analyzed.Keywords: new energy; distributed power generation; relay protection; power-network control; adaptive protection

0 引 言

由于近幾十年一次能源緊縮、環境污染等問題，世界各國加快了對可再生能源的開發與利用，分布式發電技術在電力系統中迅速發展起來。分布式發電(Distributed Generation，DG)技術指發電在數kW到50 mW，小型模塊化且分散地布置在用戶附近的高效、可靠的發電技術，發電設施主要包括:以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、風力發電、生物質發電等等。

原有的配電網絡加入分布式電源以后，潮流將發生改變，系統發生短路時的各線路或母線的短路電流也發生了改變，這可能導致原繼電保護的失效、保護誤動作及配合保護不適用等問題[1-3]。同時加入分布式電源的故障水平會發生改變，故障水平提高還是降低取決于運行的分布式電源數量和種類，故障水平的提高要求開關設備的升級，故障水平的降低可能會給過電流保護帶來問題。因此，對于關系電力系統安全穩定運行的繼電保護問題亟待解決，如提高其斷路器的容量和升級保護裝置[4]，確定新的保護方案或采用新的繼電保護裝置等。

本文首先介紹分布式發電對繼電保護的幾點影響，然后總結了文獻中的一些解決方法，論文最討論了一些可行的方法，并分析了用自適應繼電保護對含有分布式電源的配電網進行整定計算的方法。

1 分布式發電對繼電保護的影響

分布式電源接入配電網絡最重要的一點是改變原來配電網絡的潮流方向，很多分布式電源，如光伏電池等發出的是直流電，需通過電力電子轉換設備將其轉換成交流電，這些電力電子裝置具有非線性、低慣性等特點，另外就是基于分布式發電的微型電網有多種運行方式，微網運行方式的改變無疑會影響繼電保護方案及整定計算的數值。下面從上述幾方面解釋分布式發電對繼電保護產生的影響。

(1) 在一定的電壓水平下， 電力系統功率可以雙向的流動，但是一般來說功率是從高電壓流向低電壓的。也就是從輸電網到配電網。分布式發電比例的增加可能使功率從低電壓電網流向中壓電網。因此這兩個電壓等級可能需要不同的保護方案。

如圖1所示[5]的有五條饋線的分布式發電系統，如果短路發生在F2或F3，短路電流由G1、G2相鄰支路上的分布式發電(G3)單元及大網提供。與大網及其他支路的電源相比，如果G1或G2引起的短路電流比較大，通過斷路器及保險絲CB1的電流可能過低而斷路器不會動作切斷短路支路。如果在臨近饋線上的電源所提供的短路電流更顯著的話，CB4有可能誤動切除正常支路。按照技術標準(如IEEE 1547)，當DG單元故障或非正常運行時，DG必須自動解裂，且一定要滿足保護的選擇性，以保證人身和設備的安全。將來分布式發電系統會越來越多，而上述要求降低了我們應用分布式發電的效益，因此，應該避免DG不必要的解裂來最大效益地使用DG，且DG系統應該有克服小擾動的能力，即在小擾動的情況下，配網仍能安全穩定的運行。

圖1 加入分布式電源的配電網絡

(2) 由于微網中含有大量的電力電子功率元件，故障時的短路電流比較小，常規的保護可能會不啟動，以至不能切除故障支路。

(3) 要想最充分有利的應用分布式發電，由分布式發電組成的微網必須與公共電網聯網。在大電網終止供電的孤島方式下運行必須考慮重要的技術要求(例如有能力提供自身輔助性服務)和安全因素，當分布式電網重新并網運行時，DG單元必須與主網電壓同步，需采用安全可靠的并網保護裝置。

(4) 微網有3種運行方式:孤島運行方式、與大網聯網運行，大網與分布式電源同時供電的混合運行方式，各種運行方式下潮流的分布是不同的，電流的流向也會發生改變。所以，微網原有的保護定值和配合方法在運行模式變化后就會出現問題。怎樣解決各種運行模式下繼電保護都能滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性是值得思考的問題。

2 文獻中提出的解決方法

(1) 文獻[5]監測微型電源的輸出電壓，然后轉換成d-q參考系下的直流量。所有網絡內部故障產生的微型電源干擾都以d-q數值的擾動反映出來，由此可以用來檢測故障并且隔離故障部分。對微型電網里不同種類的故障進行分析和仿真的結果發現這種方法能夠辨別是區域內還是區域外的故障。所謂的區域可參考圖2，兩個圈劃分了兩個不同區域。文中對該算法的硬件裝置和仿真結果有詳細介紹。

圖2 故障區域定位示意圖

(2) 文獻[6]中提出利用電抗器限流和限制分布式電源準入功率兩種方案在原有配置保護不變的情況下適當解決分布式發電系統的保護問題。

(3) 文獻[7]針對電力系統繼電保護整定計算是一個離散的非線性問題，提出了用粒子群優化法來解決保護配合問題(文中的配合以主保護和后備保護來表述)，優化動作時間、定值。文中有一點比較值得注意，那就是采用中央保護單元來判斷微網的運行方式，即是孤島方式還是聯網方式，然后采取2種整定方案。

(4) 針對電力電子轉換裝置對繼電保護的影響，文獻[8]提出了小型微網的適應性受電壓限制的過電流保護方案。

3 可行方案的分析

為保證含有分布式發電的配網或者微網的安全可靠運行，需要增加一些新的保護類型，如逆功率保護微網的孤島檢測裝置(文獻[9]中提到一種基于電壓向量突變的孤島檢測裝置)等可在微網建立時進行配置，而當地配網中原有的保護裝置，如線路的電流速斷保護和其后備保護限時電流速斷和過電流保護等，由于分布式電源和電力電子設備的接入以及微網運行模式的變化，產生了第2節闡述的(1)，(2)，(4)三種問題，定值不僅發生較大的變化，且原有保護的四性都有可能失效。在不改變原有配網保護硬件設備的基礎上考慮是否可以采取以下措施，實現對配網的有效保護。

(1) 從網絡規劃的角度來看，在條件允許的狀況下，盡量把分布式電流配置在網絡的上游，即如圖1所示的大電網側。這種情況應該比較適合負荷范圍比較小的區域，比如在學校或是用電集中的建筑或居民區，而對于那些饋線延伸范圍很廣的地方，可能考慮到經濟性和網絡運行的合理性時，不得不按圖1的方式進行電源布置。

(2) 如果一定有分布電源要安裝在分支線路中下游時，根據微網的實際情況對保護的定值進行修改，也有可能根據運行模式的不同采取不同的整定方案。

自適應繼電保護是20世紀 80 年代提出的研究課題， 可以定義為能根據電力系統運行方式和故障狀態變化而實時改變保護性能、特性或定值的保護[10-11]。文獻[12]定值根據故障類型的變化而變化，使兩相間短路與三相短路有著同樣的靈敏度。文獻[13]提出了一種自適應電流保護方案。

用人工智能的搜索技術及功率平衡控制策略來識別配網運行模式變化，電流速斷保護、定時限電流速斷保護與過流保護的定值重新計算，速斷與過流保護的整定并不困難，與原配網的計算方法完全相同，只是改變定值就可以了。但二段限時電流保護則需要進行分支系數計算及配合保護定值的選取，運行模式發生變化時，分支系數與配合關系也會發生變化。文獻[14]提出了線路后備保護限時電流保護的自適應整定計算法，對于A(見圖3)處的限時電流速斷保護的自適應定值可整定為:

I″dz.A=I(3)A.B-K″K.AD(I(3)A.B-I(3)A.Blmax)

式中:I(3)A.B為在B處設置三相短路故障時，保護A的電流測量值;I(3)A.Blmax為依次在B-C，B-D，B-E線路的電流速斷保護的保護范圍末端設置三相短路故障時，保護A的最大電流測量值;K″K.AD為自適應可靠系數，表示Ⅱ段保護與相鄰Ⅰ段保護的配合度，取0.9~0.95。

圖3 含有分布式電源的配網

這樣如圖4所示，保護1DL的二段的定值一般會比1DL一段的值小，且比相鄰配合線路的3DL，4DL，5DL的一段最大值大，這樣保證二段與本段一段及配合段一段保護的配合且盡可能最大范圍的增大二段保護范圍，又能提高保護靈敏度。最重要的是這種計算方法避免了分支系數的計算，不但能減少計算量，還可以避免由分支系數計算誤差產生的定值計算誤差。

因此合理規劃分布式電源，用自適應繼電保護的方法，是解決含有分布式電源的配電網的保護問題的有效可行方法。

圖4 保護1限時電流速斷定值示意圖

4 結 語

基于新能源發電的分布式發電及微網技術帶給傳統的電力系統機遇與挑戰。分布式發電給電力系統正常運行的基礎保障繼電保護帶來了巨大影響。本文在綜述分布式發電對繼電保護影響的前提下，近一步總結了文獻中已有的解決方法，并提出了可能的解決方案。希望對此問題的解決有所幫助，推動我國新能源發電的發展。

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