距離保護在具有分布式電源的配電網系統中的應用

摘要：研究了分布式電源接入放射狀配電網對配電網繼電保護的影響。利用Matlab／Simulink建立了直接并網和逆變并網兩種分布式電源模型，并對配電網進行距離保護整定計算。針對分布式電源的類型、容量和接入位置等因素，探討了在有分布式電源接入的配電網系統中，電流速斷保護和距離保護的工作情況。分析了運行中可能出現的問題，如長短線配合、短路點過渡電阻對測量阻抗的影響，并給出了相應解決辦法。結果表明分布式電源對配電網繼電保護的靈敏度，選擇性有一定的影響。

關鍵詞：分布式電源；配電網；繼電保護

1 引言

分布式電源是一種新興的電力電源技術。分布式電源是指直接布置在配網或分布在負荷附近的、功率為數千瓦至50MW的、小型模塊式的、與環境兼容的獨立電源。DG包括功率較小的內燃機、微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池和風力發電等。分布式電源具有調峰、利用再生能源、節省輸變電投資、降低網損、提高供電可靠性等效益。但隨著越來越多的分布式電源接入配電系統中，將不可避免地使配電系統復雜化，給運行和調度帶來困難。

配電網的一般特點是呈放射形結構并由單電源供電，配電網的繼電保護是以此為基礎設計和配置的。當分布式電源接入配電網后，配電網的結構將發生改變。當配電網發生故障時，除了系統向故障點提供故障電流外，分布式電源也將對故障點提供故障電流，改變了配電網的節點短路水平。因而影響配電網繼電保護裝置的正常運行。分布式電源的類型、安裝位置和容量等因素都將對配電網的繼電保護造成影響。

根據DG并網技術的類型分類，DG可分為直接與系統相連(機電式)和通過逆變器與系統相連兩大類。若DG是旋轉式發電機直接發出工頻交流電則屬于第一類；而逆變器型分布式電源通常指的是將直流電逆變上網的分布式電源(如風力發電、光伏發電、燃料電池及各種電能儲存技術）。

本文旨在分析分布式電源對配電網繼電保護的影響，對兩種并網類型的DG進行建模，建立一個典型結構的配電網模型并進行繼電保護整定，從分布式電源的位置、容量等因素考慮其對配電網繼電保護的影響。

2 配電網繼電保護

配電網絡的繼電保護，相對于高電壓大系統繼電保護而言，屬于簡單保護。配電網中常用的繼電保護有電流保護、電壓保護、反時限電流保護、距離保護等。

分布式電源接入配電網之后，原有配電網絡的結構發生了較大變化。在故障發生時，由于分布式電源助增電流的作用，流經故障點的故障電流將增大。分布式電源的引入改變了分布式電源附近節點的短路水平，對配電網繼電保護的正確動作帶來影響；也改變了保護的范圍和靈敏度，給各線路繼電保護的上下級配合帶來問題。

電流保護是配電網中最為常用的保護，它是用電流突然增大使保護動作的保護裝置。在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的改變，在配電網中發生故障時，配電網中的短路電流有著較大的改變。與不接分布式電源相比，對于同一點故障，分布式電源下游保護流經的故障電流增大，上游保護流經的故障電流減小，這將使下游保護的保護范圍增大，而上游保護(線路的遠后備保護)的保護范圍減小。并且當DG容量達到一定大小時，故障線路和其上級線路的保護都有可能達到電流速斷保護的整定值，兩個保護都將跳閘，繼電保護將失去選擇性。由此可知，對于DG滲透率較高的配電網，電流速斷保護在選擇性、靈敏度校驗上不滿足要求。

距離保護是一種反映物理量——測量阻抗下降而動作的保護。距離保護測量元件的輸入是該處的母線電壓和流經該線路上的電流，各母線處的母線相電壓和流經該線路的電流之比為該處保護的測量阻抗Zm。顯然，距離保護能夠克服電流電壓保護受系統運行方式影響大的缺點。

在正常情況下，保護測量元件的測量阻抗為負荷阻抗。而當線路上發生三相短路時，保護裝置所測量的阻抗即為短路阻抗。短路時，測量阻抗的大小與短路點到保護安裝處的距離成正比，短路點到保護安裝處的距離越大，測量阻抗越大，反之越小。設距離保護的整定阻抗為Zset如果保護的測量阻抗為短路阻抗Zk，且Zk

3 仿真算例

配電網絡的拓撲結構類型較多，我國城鄉大多數配電系統仍以放射狀鏈式為主。這種結構的網絡有許多特點，比如接線可靠、保護容易整定、擴容簡單等。

本文將變電所以上的系統等值為一電壓源，配電網電壓等級為10kV。分析中系統電壓始終保持不變。

文中所建立的配電網模型為放射形結構，如圖1所示。系統的容量基準取為100MVA，電壓基準取為10．5kV。該模型包含一條15km長的輸電線路，平均分成L1、L2、三段，每段長為5km。線路阻抗為0．35Ω／km。

在配電系統的饋線中，通常存在許多分支線，這些分支線相距不遠，其負荷一般較小。文中假設這些分支線從10％Ll開始，按10％Ll的長度遞增，均勻地分布在配電網中。分布式電源將從這些節點接入配電網中。

為了進行繼電保護整定計算，需要了解系統阻抗，此處用短路容量來表示其短路水平。本文中，變電所變壓器的低壓母線短路容量為250MVA。

配電網距離保護整定值如表1所示。

3．1 DG直接并網系統

中小容量的分布式電源接入配電網中，在故障發生時將對故障點提供故障電流。從研究繼電保護的角度而言，分布式電源可以用一個電源串聯電抗的模型來表示。對于不同類型的分布式電源，其電抗值是不同的，它代表著該電源的故障電流注入能力。根據Barker等對各類型分布式電源的故障電流注入能力研究的結果，最大的故障電流注入能力為1000％。該值可用于電路仿真以確定最壞的故障情況。

分布式電源由變壓器連接至配電網上，取變壓器的容量與所接分布式電源容量一樣。

分布式電源電抗

變壓器電抗

3．1．1 分布式電源容量變化

采用以上網絡數據，分布式電源安裝位置不變而容量發生改變時，在系統以最大運行方式下，對配電網進行三相短路仿真。

在各種仿真情況中，選取一個分布式電源以下面幾種容量連接在母線L上，配電網對應節點短路時的測量阻抗情況如表2所示。表2中容量為零表示沒有DG接入系統，z1、z2、z3分別表示1QF、2QF、3QF處保護的測量阻抗值。

由仿真結果可知，在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的變化，在配電網中發生故障時，分布式電源上游保護處的測量阻抗逐漸增加，其下游保護的測量阻抗保持不變。

例如，當故障發生在線路L3的中點處時，上游保護由于分布式電源的分流，測量阻抗會根據分布式電源容量的變化而相應改變。而下游保護根據距離保護原理可知，測量阻抗的大小與短路點到保護安裝處的距離成正比。此時，Z3< 斷路器1QF處保護正常動作。短路點在斷路器1QF、2QF處的距離保護范圍外，Z2> ，Z1> 保護不會誤動。

假設故障發生在線路k的首端，斷路器2QF處距離保護的測量阻抗只會接近且大于1．75，該保護不會誤動。因此不會出現類似電流速斷保護因為電流助增而引起的斷路器2QF、3QF處保護同時達到整定值，同時動作，進而失去選擇性的情況。

由上表還可以看出，如果故障點在斷路器1QF處距離保護第二段范圍內，隨著分布式電源容量的增加，斷路器1QF處保護的測量阻抗將增大，其結果可能導致該處距離保護第Ⅱ段測量元件出現拒動作，使其第Ⅱ段距離保護的實際保護范圍縮小?？梢奃G對距離保護的第Ⅱ段保護有一定的影響。

3．1．2 分布式電源位置變化

依舊采用上面的網絡數據，選取相同容量分布式電源連接在不同位置。

以2MVA的分布式電源在各種位置接入配電網為例，當故障發生在80％L處時，配電網距離保護處測量阻抗大小如表3所示。

結果表明，在不改變分布式電源容量的情況下，改變分布式電源接入位置對配電網的測量阻抗產生了一定影響。當分布式電源位置在線路L上變化，此時分布式電源位于斷路器2QF處保護的上游，故障時，測量阻抗z，逐漸增加，測量阻抗z保持不變，此時斷路器2QIF處保護能正常動作；當分布式電源位置在線路L2上變化，即分布式電源位于斷路器2QF處保護下游時，測量阻抗z2隨著電源接入位置的增加而減小，但此時Z> 其靈敏度由于分布式電源的出現而降低，保護范圍減小。因此當分布式電源位于保護下游時，會對距離保護動作產生一定的影響。

按照DG在10％L接人進行計算，此時的靈敏度為0．57515。即2QF處距離保護的第1段只能保護L2的57．515％，小于整定時的80％。

3．2 DG逆變并網系統

為了對DG逆變并網系統進行仿真，首先必須建立DG逆變并網模型。本文在Matlab環境下對系統進行了直觀建模。該模型為離散系統，取樣時間為5．144e．006s。其中3-phaseFault模塊選為A、

B、C三相故障。

為了不對電網產生諧波污染，必須控制網側電流。本文建立的DG模型采用電流瞬時值反饋。該反饋控制方法簡單，計算量小。具體的控制方案為網側實際電流與電網參考電流比較，再通過PI調節從而獲得開關管控制信號。

下面討論系統發生三相故障時，分布式電源位置變化對逆變并網DG對系統的影響。

采用上面網絡數據，選取相同容量分布式電源通過逆變器接在系統不同位置。故障發生在80％L2處。測量阻抗的數據如表4所示。

由上表可知，當分布式電源逆變并網的位置在線路L1上變化時，測量阻抗z1逐漸增大，測量阻抗Z2，保持不變，2QF處保護能正常動作；當分布式電源位置在線路L2上變化，即分布式電源位于2QF處保護下游時，測量阻抗Z2隨著電源接入位置的增加而增加。當DG在1O％L2和2O％L2并入系統時，Z2< 此時的第1段保護動作。當DG在30％L2處并入系統時，

4．1 長短線的配臺

配電網中，如果本級線路較長而下級線路過短，可能出現長短線配合問題。

考慮到10kV等級線路輸送距離為6—20km，設PL段長為16km，LM、MN段各為2km。在進行距離保護整定時，PL、LM、MN線第1段整定都不會出現問題。 =4．48Ω， = =0．56Ω。

先對PL線第Ⅱ段保護進行整定。

(1)按躲LM線第1段阻抗整定， =4．928Ω。 = ／ =0．88<1．3，不滿足靈敏度要求。 =1．008Ω， = ／ =1．44，滿足靈敏度要求。

(2)按靈敏度整定， =1．3， =7．28Ω。對LM線第Ⅱ段保護進行整定。

(3)按躲MN線第I段阻抗整定， =1．008Ω， = ／ZLM=1．44，滿足靈敏度要求。

采用長短線配合的網絡數據，在Matlab環境下建立仿真模型。故障發生在LM線末端。表5為3種情況下的測量阻抗。容量為零表示沒有DG接入系統。

在前兩種情況下，Z1 ，Z2< ，1QF處保護不會誤動，2QF處的保護能正常動作。

比較表中數據可知，對于配電網絡，無論有無分布式電源接入，長短線的配合對距離保護都存在一定的影響。但是由于DG的存在，此影響反而減小。特別當DG容量增大到一定時，Z1> 避免了保護失去選擇性的情況。

此外使用時限特性能保證保護選擇的正確性。即母線P處距離Ⅱ段動作時間比L處距離Ⅱ段動作時間多0．5s。

4．2 短路點過渡電阻對測量阻抗的影響

在配電網中，由于線路距離較短，線路阻抗相應較小，距離保護耐受過渡電阻的能力大大下降。

當分布式電源并于L處，故障發生在3QF處保護出口時，由于過渡電阻R呈電阻性，Z2=ZPL+R，Z3=R，如圖2所示。

z2和z3均落在2QF和3QF處保護第Ⅱ段的動作特性圓內和3QF處保護第1段特性圓外。若過渡電阻R增大到R，則兩處保護的第1、Ⅱ段均不動作，而由第Ⅲ段保護動作跳閘，使得保護速動性變差。

選取表2和表3中MN線的數據，分析其各段保護正常工作下過渡電阻的臨界值，用R表示。計算結果如表6所示。

由上表可知，工、Ⅱ段保護耐過渡電阻能力較差。這是由于配電網線路其整定阻抗值較小，因此對過渡電阻的耐受能力較差。

為了提高躲過渡電阻能力，可以使用多邊形特性距離繼電器，它們具有較好的耐受過渡電阻的能力。例如四邊形、五邊形特性距離繼電器以及類似杯型特性距離繼電器。

5 結束語

5.1 當分布式電源位于距離保護上游時，對保護的靈敏度、選擇性影響較小，不影響距離保護的正常動作。當DG位于距離保護下游時，無論是直接并網還是逆變并網，DG都有一定的分流作用，會使得保護范圍減小。

5.2 對于長短線配合的系統，距離保護可能失去選擇性。但隨著分布式電源容量的增加，此影響反而減小甚至消失。

5.3 距離保護工、Ⅱ段耐過渡電阻能力較差。對于過渡電阻的影響，可以采用多邊形特性距離繼電器，將圓和直線特性結合起來，可以得到較好的躲過渡電阻能力。