分布式電源對配電網保護的影響

劉泊辰

（山東省淄博供電公司，山東 淄博 255000）

分布式電源（DG）以其經濟環保、規模小和靈活高效等特點受到了世界各國廣泛的關注，但當DG大量并網接入配電網后，必然會改變配電網的潮流分布，配電線路的保護裝置不可避免地會受到影響，可能出現拒動和誤動等問題，嚴重影響配電網供電的可靠性[1]。

目前，許多文獻都針對DG并網提出了新的保護方法。文獻[5]提出了限制DG 注入容量的方法,但是隨著DG 應用的日益廣泛，其注入的容量也越來越大，這種方法顯然無法滿足未來DG 發展的要求。文獻[3]提出通過加裝限流器來限制DG并網提供的短路電流，該方案雖可有效抑制DG并網對原有保護的影響，但根據DG并網的不同情況選擇合適的短路電流限流器比較困難。文獻[6]提出采用加裝方向元件的方法，但是對于像風力發電和太陽能發電,其出力隨自然條件變化隨機波動，有可能會出現故障時流過方向元件的短路電流太小使其不能動作，從而導致保護的不正確動作。文獻[4]提出了一種自適應電流速斷保護方法，該方法可以根據DG變化自適應調節保護，但在實際應用中由于DG運行方式較難確定，因此如何確定自適應整定值成為難題。

本文提出了一種自適應電流保護的整定原則，在基礎上對分布式電源接入系統的容量、位置以及故障位置的變化等因素對配電網繼電保護可能產生的影響進行了定性分析，同時采用仿真軟件進行仿真驗證，仿真結果驗證了本文方法的有效性。

1 自適應電流保護的整定原則

傳統電流速斷保護是僅反應于電流增大而瞬時動作的保護，其按照躲開下一條線路出口處短路的條件整定，為保證動作的選擇性，一般不能保護線路的全長，其保護范圍受系統運行方式的影響。在分布式電源接入后可能失去選擇性。

為克服這些缺點，提出一種自適應電流速斷保護的整定值，該方法能隨風電場的運行方式和短路類型的實際情況而改變,自適應電流保護整定值可表示為

式中，Kk為可靠系數，一般取1.2～1.3；Kd故障類型系數；Es為系統等效電勢；ZS為分布式電源等效阻抗；Zl為保護范圍內線路阻抗。

與傳統速斷相比，自適應速斷有以下特點：整定值不是常數，它由當前的系統運行方式、風電接入容量、故障類型決定；為了實現自適應風電場投入與退出的變化，在求系統綜合阻抗時，引入了電壓量，在線實時計算整定值。

2 DG 接入配網對其電流保護影響的分析

分布式電源接入配電網中，會改變其附近節點的短路容量，分布式電源的接入容量和相對于保護的位置的不同，以及故障的發生位置變化對系統潮流分布和故障時短路電流產生的影響效果也會不同。對10kV 配網系統，取基準容量SB為100MVA，基準電壓UB為10.5kV，則其他變量均以標幺值表示。

分布式電源DG接入配電網圖如圖1所示。

圖1 含有分布式電源的10kV 配電系統圖

2.1 DG 容量變化，短路故障位于DG 下游時對DG上游短路電流的影響

當DG接于節點2時，三相短路故障F位于線路2-3末端，則對于短路點而言，圖1所示的系統可以簡化為圖2所示。

圖2 等效結構圖一

則B2檢測到的短路電流為

其中，Zs為電源的等效阻抗，Es為系統電壓，Z1、Z2分別為線路1-2、2-3 的等效阻抗

Zdg為DG等效的等效阻抗，可以表示為

其中，x′dg為DG的次暫態電抗，SB為系統的容量基準值，Sdg為分布式電源的接入容量。將式（3）代入式（2）可知

從式（4）可知，B2監測到的短路電流除了與線路的阻抗有關外，還與分布式電源DG的接入容量Sdg有關。

2.2 DG 容量變化，短路故障位置變化對短路電流的影響

當DG接于節點2時，短路故障F位于線路2-3上，且距離母線2的距離為λ時，則對于短路點而言，圖1所示的系統可以簡化為圖3所示。

圖3 等效結構圖二

則B1檢測到的短路電流為

其中，λ為線路2-3上故障發生的位置。

從式（5）可知，B1檢測的短路電流除了與線路的阻抗有關外，與故障發生的位置密切相關。

2.3 DG 容量不變，DG 接于線路不同位置對短路電流的影響

當DG 的容量保持不變時，其等效阻抗Zdg為定值，當DG位于線路2-3上，且距離節點2為x，三相短路故障

F發生于線路2-3末端時，則對于短路點而言，圖1所示的系統可以簡化為圖4所示。

圖4 等效結構圖三

流過B2的短路電流為

由式（6）可知，當分布式電源接入的位置對B2檢測的短路電流由密切影響。

3 算例分析

以圖1所示的10kV配電系統為例來研究分布式電源的接入對短路電流的影響（見圖5），取基準容量SB為00MVA，基準電壓UB為10.5kV，則其他變量均以標幺值表示,設電源的等效阻抗為0.5，分布式電源的次暫態電抗x′dg=0.2，線路1-2、2-3的等效阻抗Z1、Z2分別取為1.5和1。

圖5 仿真算例圖

在分布式電源未接入前，保護B1，B2的速斷保護整定值為

而B1的過電流保護，可近似取為其一段保護整定值的1/2。則Idz為0.3。

1）DG容量變化，短路故障位于DG下游時對DG上游短路電流影響仿真結果

當在線路C-D的末端發生三相短路故障時，將各參數的值代入式（4）可知，B2檢測到的短路電流與分布式電源接入容量的關系為

通過仿真驗證上述表達式，仿真結果如圖6所示。由仿真結果可知，當線路C-D末端發生三相短路故障時，如果分布式電源的接入容量大于3.3MVA時，保護裝置B2檢測到的短路電流將大于速斷電流的保護整定值，從而使保護裝置B2的速斷誤動作。原因主要是由于在C-D線路末端發生短路故障時，除了原來網絡向故障點提供短路電流外，分布式電源也為短路點提供電流，增加了故障點的短路電流，從而造成了分布式電源下游速斷保護的誤動作，故需要控制分布式電源的接入容量。

圖6 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

2）DG容量變化，短路故障位置變化對短路電流的影響仿真結果

當DG接于節點2時，三相短路故障F位于距離母線C為λ處的線路C-D上時，將各參數的值代入式（5）可知，B1檢測到的短路電流與分布式電源接入容量的關系為

當三相短路故障發生在不同位置時，B1檢測到的故障電流隨分布式電源容量變化的仿真結果如圖7所示。

圖7 B1檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

2-3末端發生三相短路時，隨著分布式電源容量的增加，B1檢測到的故障電流迅速減小。如果分布式電源的容量大于27.5MVA時，保護B1檢測到的短路電流將小于其過電流保護整定值，從而可能使作為后備的三段保護拒動，使故障無法隔離路故障；當故障發生在距離母線C70%處時，分布式容量大于44MVA時，才會出現誤動作。由仿真結果可知，當分布式電源下游線路發生短路故障時，分布式電源上游保護檢測到的故障電流減少，使靈敏度降低，且故障點越靠近分布式電源，靈敏度越低。

3）DG容量不變，DG接于線路不同位置對短路電流的影響

若分布式電源接入的容量為定值時，即假設分布式電源接入系統的等效電阻為定值，這里取等效電阻Zs=0.5，將參數代入式（6）可知B2檢測到的短路電流與分布式電源接入位置的關系為

仿真結果如圖8所示，由仿真結構可知，流過B2的短路電流隨著分布式電源逐漸靠近母線D而持續增大，對于三相短路故障，在x=0.8之前檢測到的短路電流小于速斷保護整定值，導致無法動作，對于上游的過電流保護，也會在x=0.7之前舉動；而對于兩相短路故障，相應的拒動距離分別為x=0.85和0.75。

圖8 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

圖8給出了分別在不同的位置發生短路故障，B2檢測到的短路電流隨分布式電源接入位置的變化關系，由圖可知，當在線路的中點發生短路故障時，三相短路電流值始終小于B2的速斷保護整定值，導致其無法動作，對于上游的過電流保護，則也x=0.85之前出現拒動。在末端發生短路的情況如圖9所示。

圖9 B2檢測到的故障電流隨DG 容量變化仿真圖

4 結論

本文主要研究了分布式電源接入配電網對配電網繼電保護的影響，通過改變DG 接入容量，接入位置以及故障位置，較為全面地對比分析了各種情況下DG 對配網電流保護的影響，同時采用仿真軟件進行仿真驗證，仿真結果驗證了本文方法的有效性。

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