含分布式電源的配電網保護改進方法

連 潔 楊炳元

（內蒙古工業大學，呼和浩特 010080）

1 分布式電源對配電網繼電保護的影響

圖1為典型結構的含分布式電源的配電網結構圖，分布式電源由D點接入配電網，如圖中上游線路f1點發生短路故障時，系統電源和DG都向短路點提供短路電流，但流過保護1的故障電流只有系統電源提供，分布式電源對保護1無影響,保護1正常動作切除其保護范圍內的故障。DG向短路點f1提供的反向短路電流會流過保護2和3，由于傳統的三段式電流保護沒有方向性元件，并且保護3的帶時限電流保護整定值小于保護2相應的保護整定值。所以當分布式電源的容量增大到一定值時，其提供的反向的故障電流會超過保護3帶時限電流速斷保護的整定值，導致保護3的電流Ⅱ段發生誤動。

圖1 分布式電源接入系統配電網運行結構圖

當下游線路f2點發生故障時，由于分布式電源的接入，對流過下游線路保護的短路電流起了助增作用，使保護4的電流速斷保護范圍將增大，保護區有可能延伸到線路DE段的末端或者下一級線路EF段。這樣，當線DE段的末端發生短路或者當下一級線路EF段發生短路故障時，保護4的電流速斷保護誤動作，不能確保選擇性。

當相鄰支路的f3點發生短路故障時，保護6中流過系統電源和DG提供的短路電流，同樣，分布式電源起了助增作用，使得相鄰饋線中保護6的速斷保護的保護范圍可能增大至線路AG段的末端甚至延長至線路GH段，可能造成保護6的帶時限電流保護發生誤動作或者下一級線路的保護7的速斷保護可能發生誤動，而失去選擇性。同時，分布式電源提供的反方向的短路電流可能導致保護2和3的電流Ⅱ段發生誤動。

2 兩段式電流保護的原理

傳統的三段式電流保護中，電流Ⅰ段能瞬時動作，沒有動作時延，但不能保護線路全長。電流Ⅱ段能保護本級線路的全長，但是為了與下一級線路的電流Ⅰ段配合達到選擇性的要求，需要通過動作時限來完成，通常保護的動作時限為0.5s。電流Ⅲ段的動作電流值是按照躲過本線路的最大負荷電流值來整定，保護的動作時限則按照階梯原則來進行。本文將配電線路配置為兩段式電流保護，其原理如下。

兩段式電流保護及原理：

將原有的三段式電流保護的電流Ⅰ段去掉,保留原有的電流Ⅱ段，并且保持原有保護電流Ⅱ段的整定值不變，保護范圍仍然是本級線路的全長。但是，保護的動作時限改變為瞬時動作[3]。經過這樣改變后作為兩段式電流保護的電流Ⅰ段，為了與原有三段式電流保護的電流Ⅰ段相區別，下文稱為電流a段。保留原有的三段式電流保護中的電流Ⅲ段，其保護的動作電流值仍然按照躲過本線路的最大負荷電流來整定,動作時限按照階梯原則來進行。將原來的電流Ⅲ段作為兩段式電流保護的電流Ⅱ段，同樣仍然是后備保護。為了以示區別，下文稱為電流b段。

可見，兩段式電流保護中的電流a段可以保護本級線路全長，并且沒有時間延時，保護瞬時動作。但是，由于其保護范圍是本級線路的全長，所以在下一級線路的出口處發生短路時，本級線路保護的電流a段與下一級線路保護的電流a段都將動作，無法滿足選擇性的要求。所以需要依靠通信系統發出閉鎖信號來實現相鄰保護的電流a段之間的配合，達到選擇性的要求。因此，兩段式電流保護中電流a段的保護動作時間要按照大于通信系統發出閉鎖信號和檢測閉鎖信號的時間來設置。

通信模塊中的發信機向上一級保護的通信模塊發出閉鎖信號，需要的時間為150ms，通信模塊檢測閉鎖信號的時間為8ms[4]。如果需要向下一級線路保護發出跳閘信號，則啟動通信模塊的發信機連續發出150ms的跳閘信號，命令相應的保護直接跳開對應的斷路器，保護跳閘的動作時間大約為10ms[4]。據此，需要將保護電流a段的動作延時設置為0.2s。

無論是分布式電源接入點的上游線路，還是其下游的線路，在配電網中，分布式電源所在饋線上的每一級線路上都配置兩段式電流保護。并且與原來的三段式電流保護相同，兩段式電流保護只裝設在每一級線路的系統電源側。另外，分布式電源接入點上游的線路保護還需要加裝功率方向繼電器，使保護具有方向性。接入點下游的線路保護不需要加裝方向原件。

3 通信系統的構成原理和動作原則

1）通信系統的構成原理

將本級線路保護的電流a段與下一級線路保護的電流a段構成一個通信單元。依次類推，每兩個相鄰的保護裝置構成一個通信單元。每個通信單元由通信模塊和通信通道組成。通信模塊配置于每一段線路的保護裝置中，由通信通道將通信模塊兩兩連接起來。

其中，系統電源與分布式電源之間的線路，其結構發生了變化，相當于雙端供電系統。分布式電源向短路點提供的短路電流，使得故障點的電弧不能完全熄滅，導致重合閘失敗甚至導致永久性故障，因此，要求從兩端將故障切除。并且正如上文在兩段式電流保護的整定中提到的：由于電流a段的保護范圍是本級線路全長，所以在下一級線路的出口處發生短路時，本級線路保護的電流a段與下一級線路保護的電流a段都將動作，無法滿足選擇性的要求。所以需要依靠通信系統發出閉鎖信號來閉鎖上一級線路保護的電流a段，從而實現相鄰保護電流a段之間的配合，達到選擇性的要求。

綜上，在本文的通信系統中，通信模塊根據通信系統的動作原則向上一級線路保護的通信模塊發送閉鎖信號，向下一級線路保護的通信模塊發送跳閘信號。所以，DG上游保護配置的通信模塊包括通信模塊A和B兩部分。通信模塊A接收和發出閉鎖信號，通信模塊B接收和發出跳閘信號，本級保護的通信模塊A和上一級保護的通信模塊A連接，通信模塊B和下一級保護的通信模塊B連接[4]。保護通道可以選擇目前電力系統配網中常用的幾種通信方式，例如配電線載波通信、光纖通道等。

分布式電源接入點下游的線路仍然是單電源輻射型供電的方式，不需要從兩端切除故障，所以，接入點下游的保護中配置的通信模塊只有通信模塊A，發出和接收閉鎖信號。除了解決相鄰線路保護電流a段之間的配合、滿足選擇性以外，更重要的是，可以避免在DG的下游線路發生短路時，可能發生的電流Ⅰ段誤動作的情況。

2）通信系統的動作原則

每一個通信單元中，如果本級線路保護的電流a段不動作，則本級線路保護的通信模塊A不會向上一級保護的通信模塊A發送閉鎖信號。如果本級線路保護的電流a段動作，那么本級保護中的通信模塊A需要向上一級保護的通信模塊A發送閉鎖信號。上一級保護的通信模塊A檢測到閉鎖信號，將保護閉鎖。

當本級線路保護的電流a段動作并且收不到下一級保護的通信模塊A發送的閉鎖信號時，判定為本級線路內部發生短路故障。此時，本級線路的保護動作，斷路器跳閘。同時，啟動通信模塊B中的發信機向本通信單元中的對側保護裝置，即向下一級保護的通信模塊B連續發出150ms的跳閘信號，命令下一級線路的保護直接跳開其對應的斷路器，保護跳閘的動作時間大約為10ms。

分布式電源接入配電網后，線路發生短路時，目前大多采用允許分布式電源孤島運行的方式，故障時要求分布式電源不與系統電網斷開，不退出運行。所以，在DG接入點上游的線路中，與分布式電源接入點最鄰近的一段線路，需要在其線路的末端加裝保護裝置、斷路器和功率方向繼電器。這樣，就避免了這段線路的保護與分布式電源出口處的保護裝置及斷路器構成一組通信單元。否則，當這一級線路發生短路故障時，線路和分布式電源出口處的斷路器都跳閘，如果這樣，分布式電源就被切除而退出運行了。

增加保護裝置、斷路器和方向元件，配置于與分布式電源接入點最鄰近的一段線路的末端。當本級線路保護的電流a段動作并且線路末端加裝的方向元件的功率方向為正時，判定為本級線路故障，本級線路系統側的保護和加裝在線路末端的保護都

動作，斷路器跳閘，從兩端將故障切除。

4 舉例說明線路保護的動作方式

1）系統電源與分布式電源接入點之間線路保護的改進

如圖2所示，分布式電源從E點接入配電系統，配電線路上配置兩段式電流保護，并且分布式電源接入點上游的保護2、3、4都加裝功率方向繼電器，使保護具有方向性，并且按照常規將母線指向線路的方向規定為正方向。

圖2 系統電源與DG接入點之間的線路保護的改進圖

與分布式電源最鄰近的上游線路DE段的末端，加裝保護裝置和斷路器10以及功率方向繼電器。這樣線路保護4與10組成一個通信單元。如果DE段短路故障時，保護4和保護10都動作、斷路器跳閘，達到從兩端切除故障。

系統電源與分布式電源之間的線路保護1、2、3、4上都分別安裝通信模塊，并且每一個通信模塊又包含通信模塊A和通信模塊B，線路保護10僅安裝通信模塊B。每兩個相鄰的通信模塊A之間相互連接，相鄰的通信模塊B兩兩互相連接。每一級線路的電流保護a段與下一級線路的電流保護a段構成一組通信單元，如圖2中的保護1與保護2，保護2與3，保護3與4，保護4與10分別構成通信單元。

圖2中，系統電源與分布式電源之間的線路AE段相當于雙端供電系統，當故障點位于線路AE段時，分布式電源會向短路點提供反方向的短路電流，功率方向為負。由于保護2、3、4都加裝了方向元件，所以不會造成DG接入點上游的保護發生誤動作。

當故障點位于線路AB上時，保護1的電流a段和保護2的電流a段組成一個通信單元，由于保護2加裝了方向元件，分布式電源提供的短路電流功率方向為負，保護2不會出現誤動作。根據通信系統的動作原則，保護2不動作，那么保護2的通信模塊A不會給保護1的通信模塊A發送閉鎖信號，保護1的通信模塊A檢測不到閉鎖信號，保護1的短路電流由系統電源提供，所以經過0.2s的時間延時，保護1的電流a段動作，斷路器跳閘。與此同時，起動保護1中通信模塊B的發信機向保護2的通信模塊B連續150ms發送跳閘信號，命令保護2直接跳開相應的斷路器，保護跳閘的動作時間約為10ms，實現將故障從兩端切除。

同理，線路CD段發生短路故障時，在保護3和4組成的通信單元中，保護4加裝了方向元件，因此，分布式電源提供的反方向的短路電流不會造成保護4出現誤動作。保護4不動作，根據通信系統的動作原則，保護4上的通信模塊A不會向保護3上的通信模塊A發送閉鎖信號。保護3上的通信模塊A檢測不到閉鎖信號，系統電源提供的短路電流功率方向為正，所以保護3動作，斷路器跳閘。此時，保護3動作并且收不到閉鎖信號，判定為線路CD段內部故障，所以保護3動作的同時，啟動保護3的通信模塊B向保護4的通信模塊B發出跳閘信號，命令保護4直接跳開其斷路器。這樣，通過保護3和保護4都動作，將故障從兩端切除。

同時，在保護2與保護3構成的通信單元中，保護3動作，所以保護3的通信模塊A向保護2的通信模塊A發出閉鎖信號。保護2的通信模塊A檢測到保護3發送的閉鎖信號，閉鎖保護2的電流a段。因此，保護2不會動作。這樣，即使在線路CD段的出口處發生短路時，保護3的通信模塊發送閉鎖信號的時間為150ms，保護2的通信模塊A檢測是否收到閉鎖信號的時間為8ms。兩段式電流保護的動作延時為0.2s。所以，確保了保護2不會誤動作，達到了選擇性要求。

當線路DE段發生短路故障時，線路保護4的電流a段動作。同時，分布式電源也向短路點提供故障電流，功率方向是母線指向線路，即線路DE段末端的功率方向繼電器檢測到的功率方向為正。所以判定為DE段線路內部故障，斷開保護4和10，將故障從兩端切除。

相鄰饋線2和3上發生短路時，分布式電源接入系統所產生的影響仍然是DG提供反方向的短路電流使得上游線路保護的帶時限電流保護發生誤動作，所以上述措施也適用，分析方法同理。

2）下游線路保護的改進措施

配電線路配置為兩段式電流保護，電流a段的保護范圍是本級線路的全長。下游線路故障時，分布式電源接入系統對流向短路點的短路電流起助增作用。所以，電流a段的保護范圍將延長到下一級線路中。但是，可以利用通信系統向上一級線路保護發送閉鎖信號的方法來避免由于分布式電源接入系統造成的上一級線路保護電流a段發生誤動作的情況，從而保證選擇性。又因為接入點下游的線路仍然是單電源供電網絡，短路電流的方向不會發生改變，所以下游的線路保護不需要加裝方向元件。

仍然是如圖2中的典型配電網，如果分布式電源從D點接入配電系統，則如圖3所示。

圖3 DG下游線路保護的改進

如圖3所示，將接入點下游的線路DE、EF、FG都分別配置兩段式電流保護，因為分布式電源接入點下游的線路仍然是單電源輻射狀供電方式，所以，下游線路的保護4、5、6都不需要加裝功率方向繼電器。又因為接入點下游線路發生故障時，不需要從兩端切除故障，因此，下游的線路保護不需要配置通信模塊B來向下一級保護發出跳閘信號。所以，只需要配置通信模塊A，向上一級保護的通信模塊A發送閉鎖信號，來確保保護的選擇性即可。如圖3所示，在保護4、5、6上都配置通信模塊A，相鄰的兩個模塊相互連接。在下游保護中，相鄰兩個線路保護的電流a段構成一個通信單元。保護4的電流a段與保護5的電流a段、保護5的電流a段與保護6的電流a段分別構成通信單元。

如圖3所示，分布式電源從D點接入系統，當接入點下游線路EF段發生短路時，DG向短路點提供的故障電流方向與系統電源提供的短路電流方向相同，對短路電流起到了助增作用。所以當線路EF段發生短路時，由于上一級線路DE段保護4的電流a段的保護范圍本身是線路DE段全長，分布式電源的接入使得保護4電流a段的保護范圍會延長至線路EF段。所以線路EF段故障時，保護4會發生誤動作。

并且，如果故障點位于線路EF段的出口處，那么由于護4的電流保護a段可以保護線路DE 的全長，下一級線路EF出口處短路時，保護4的電流a段和保護5的電流a段都將會動作，保護4與保護5的電流保護a段之間將失去選擇性。也會出現保護4誤動作的情況。

因此，需要利用通信系統來解決：由于分布式電源的接入，使得上一級線路保護的電流保護a段保護范圍增大，造成保護誤動作的問題以及下一級線路出口處發生短路時，本級保護的電流a段發生誤動作的問題。

如圖3所示，線路EF段發生短路故障時，保護5的電流a段可以保護線路EF段的全長，所以保護5的電流a段動作。保護6不動作，根據通信系統的動作原則，保護6的通信模塊A不會向保護5的通信模塊A發送閉鎖信號。在保護4與保護5構成的通信單元中，保護5的電流a段動作，所以保護5的通信模塊A向上一級線路保護4的通信模塊A發送閉鎖信號，保護4的通信模塊A檢測收到閉鎖信號，則保護4的電流a段不動作。這樣，利用通信系統實現了線路EF段發生故障時，保護4不會誤動作。

利用通信通道來連接兩個信號模塊。目前電力系統配網中實現通信通道的常用通信方式主要配電線載波通信、光纖通道、微波通道等。

5 結論

通過在配電線路上配置兩段式電流保護，并結合通信系統的方法可以解決分布式電源接入配電網并網運行時，對配電網保護造成的誤動。

[1] 劉學軍. 繼電保護原理[M]. 北京: 中國電力出版社,2007.

[2] 王寶平, 常新平, 官建濤. 配電線路故障的快速切除與隔離[J]. 電力自動化設備, 2005, 25(11): 56-58.

[3] 張艷霞, 代鳳仙. 含分布式電源配電網的饋線保護新方案[J]. 電力系統及其自動化, 2009, 33(12).

[4] 田佳. 分布式發電對配電網繼電保護的影響及對策研究[D]. 濟南: 山東大學碩士學位論文. 2010,4.