分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案

王樹東，錢其三

(蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院，蘭州 730050)

分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案

王樹東，錢其三

(蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院，蘭州 730050)

介紹了分布式電源(DG)的概念、傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及保護(hù)配置情況。以含DG的配電網(wǎng)為模型分析不同位置引入分布式發(fā)電后，當(dāng)DG上游、下游地區(qū)及相鄰饋線發(fā)生故障時(shí)，對(duì)短路電流、保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響。對(duì)重合閘動(dòng)作方式做了改進(jìn)，以保證故障時(shí)DG能快速與系統(tǒng)裂解，檢同期自動(dòng)重合閘合閘后DG能并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)DG對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，概括了含DG的配電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究方向并同時(shí)提出改進(jìn)方案。

分布式電源;配電網(wǎng);繼電保護(hù)

目前采用的超高壓遠(yuǎn)距離輸電、大電網(wǎng)互聯(lián)的集中式供電存在跟蹤負(fù)荷變化不靈敏、調(diào)峰性能差、損耗大等缺點(diǎn)，難以滿足更高的安全可靠性要求以及多樣化的電力需求。針對(duì)電力市場(chǎng)發(fā)展和解決能源危機(jī)問題的需要，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向清潔無污染的新能源——分布式發(fā)電。分布式發(fā)電(distributed generation，DG)通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。將傳統(tǒng)電網(wǎng)和分布式發(fā)電相結(jié)合是節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方式，也是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向［1］。

分布式電源因其容量較小，一般經(jīng)配電系統(tǒng)接入電網(wǎng)。大量分布式電源的引入使傳統(tǒng)配電系統(tǒng)由單源輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎嘣磸?fù)雜網(wǎng)絡(luò)，各支路中潮流不再單向流動(dòng)，因此DG的接入會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生深刻的影響［2］。當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生短路故障時(shí)，DG必然影響短路電流的大小、方向以及持續(xù)時(shí)間，給繼電保護(hù)的配置和動(dòng)作值的整定帶來一定難度，極有可能造成保護(hù)不能正確動(dòng)作［3］。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)配置已經(jīng)難以滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求，因此，必須對(duì)目前基于單源網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的保護(hù)和自動(dòng)重合閘進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)以適應(yīng)新的變化，否則會(huì)使保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)導(dǎo)致其不能準(zhǔn)確及時(shí)地切除故障而造成故障的進(jìn)一步擴(kuò)散，從而影響保護(hù)的選擇性、靈敏性以及電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)特點(diǎn)及保護(hù)配置

配電網(wǎng)主要有放射式、樹干式和環(huán)網(wǎng)式3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在配網(wǎng)規(guī)劃時(shí)選擇何種接線形式則由供電可靠性決定。我國(guó)中低壓配電網(wǎng)多數(shù)為單源輻射結(jié)構(gòu)，這種接線方式簡(jiǎn)單可靠，便于擴(kuò)充，而且保護(hù)整定容易，繼電保護(hù)配置也相對(duì)簡(jiǎn)單。

配電網(wǎng)中一般配置保護(hù)有三段式電流保護(hù)(電流速斷保護(hù)、定時(shí)限流和過流保護(hù))，反時(shí)限電流保護(hù)［4］以及距離保護(hù)等。

線路故障80%為瞬時(shí)性故障［5］。為提高供電可靠性，非全電纜線路還需裝設(shè)三相一次重合閘配合電流保護(hù)以便在饋線故障時(shí)快速切除故障短時(shí)恢復(fù)供電。對(duì)于終端線路，需要裝設(shè)電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)組成兩段式保護(hù)和前加速重合閘。

2 分布式發(fā)電對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

三段式電流保護(hù)簡(jiǎn)單可靠，一般能滿足快速切除故障的要求，但易受電網(wǎng)接線和系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響，其靈敏度和保護(hù)范圍無法符合要求。DG接入配電網(wǎng)會(huì)影響潮流的分布，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG可能同時(shí)對(duì)故障點(diǎn)注入電流，影響短路電流的大小與方向，從而對(duì)配電網(wǎng)原有繼電保護(hù)的正常運(yùn)行帶來影響［6－7］。DG對(duì)短路電流產(chǎn)生的具體影響與其裝機(jī)容量、接入點(diǎn)的位置密切相關(guān)［8］，下面結(jié)合圖1所示的典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析。

圖1 含DG典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1 分布式發(fā)電通過母線B接入系統(tǒng)

如圖1所示，DG通過母線B接入系統(tǒng)，饋線1變?yōu)殡p源供電模式。

1)當(dāng)DG上游f1點(diǎn)故障時(shí)，流過保護(hù)P1的電流與DG未接入時(shí)一樣，故P1能可靠動(dòng)作切除故障。但是DG會(huì)對(duì)故障點(diǎn)持續(xù)注入短路電流，有可能使故障點(diǎn)電弧持續(xù)燃燒，造成線路重合閘失敗，擴(kuò)大停電事故。保護(hù)P2、P3、P4、P5均不受DG的影響，能正確動(dòng)作。

2)當(dāng)DG下游f2點(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG會(huì)同時(shí)對(duì)故障點(diǎn)注入短路電流。流過保護(hù)P1的電流僅由系統(tǒng)電源提供。由于DG的分流作用，使流過P1的故障電流減小，降低其靈敏度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)筆1拒動(dòng)［9］。系統(tǒng)電源和DG共同作用使流過保護(hù)P2的電流增加，擴(kuò)大其電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，與限時(shí)電流速斷保護(hù)配合產(chǎn)生矛盾。

3)當(dāng)相鄰饋線f3點(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG提供故障電流疊加后使流過保護(hù)P4的故障電流增加。該值若小于P4動(dòng)作值則有利于其快速動(dòng)作切除故障，若該值大于其動(dòng)作值則會(huì)延長(zhǎng)其保護(hù)范圍。DG提供的反向故障電流經(jīng)保護(hù)P1流向故障點(diǎn)，若DG的容量足夠大，流過保護(hù)P1的反向故障電流達(dá)到其動(dòng)作值時(shí)，必然引起保護(hù)P1誤動(dòng)作。

2.2 饋線1末端引入分布式發(fā)電

如圖1所示，DG通過饋線1末端接入系統(tǒng)，饋線1變?yōu)殡p側(cè)電源供電模式，饋線2仍為單側(cè)電源供電。

1)當(dāng)AC段任何地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG共同提供短路電流。當(dāng)f1點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)P1不受DG影響，保護(hù)P2受DG影響。若DG的容量足夠大，流過保護(hù)P2的反向故障電流達(dá)到其動(dòng)作值時(shí)，保護(hù)P2快速動(dòng)作切除故障，同時(shí)DG與系統(tǒng)解列形成電力孤島。因此在系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，如何合理地裂解，使DG在不失穩(wěn)的情況下實(shí)現(xiàn)正常的孤島運(yùn)行是亟需解決的問題。

2)當(dāng)AD段任何地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，饋線1的所有保護(hù)均受DG影響。若DG容量足夠大，反向故障電流大于速斷和過流保護(hù)的動(dòng)作值，將使饋線1保護(hù)誤動(dòng)作。流過保護(hù)P4的電流是系統(tǒng)電源和DG提供故障電流的疊加值，若故障饋線為終端線路，則保護(hù)更加靈敏;若故障饋線為非終端線路，則須重新整定瞬時(shí)速斷保護(hù)的動(dòng)作值，保證其可靠躲過線路末端故障產(chǎn)生的最大三相短路電流，否則保護(hù)可能失去選擇性。

3 含DG配電網(wǎng)重合閘的動(dòng)作方式

配電網(wǎng)80%的故障為瞬時(shí)性故障，裝設(shè)自動(dòng)重合閘(auto－reclosing，AR)不僅能快速恢復(fù)供電，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和并列運(yùn)行的穩(wěn)定性，還能糾正斷路器或保護(hù)誤動(dòng)作。發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置首先動(dòng)作跳開斷路器，待故障點(diǎn)電弧熄滅介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)后故障便可以自行消除。電力系統(tǒng)運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)表明，自動(dòng)重合閘重合成功率一般可達(dá)60%～90%。

IEEE Standard.1547標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:故障情況下DG應(yīng)停止向電網(wǎng)供電，并在自動(dòng)重合閘動(dòng)作前立即斷開與電網(wǎng)之間的連接。當(dāng)分布式發(fā)電并網(wǎng)后，斷路器因線路故障跳閘后，若DG不能及時(shí)退出運(yùn)行將產(chǎn)生非同期重合閘和故障點(diǎn)電弧重燃的威脅，使AR合閘失敗。同時(shí)，故障后形成的孤島系統(tǒng)與主網(wǎng)一般不能保持同步，AR動(dòng)作時(shí)還可能形成非同期重合閘，從而對(duì)電網(wǎng)和DG造成巨大沖擊。因此，AR動(dòng)作時(shí)必須考慮兩側(cè)保護(hù)的時(shí)間配合和電源同步問題才能提高AR合閘成功率以及DG并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

如圖2所示，在系統(tǒng)電源和DG之間安裝檢無壓及檢同步自動(dòng)重合閘裝置。PT為電壓互感器，PT1、PT4分別測(cè)量A、B側(cè)母線電壓，PT2、PT3測(cè)量線路電壓;“U＜”為低電壓測(cè)量元件，用來檢測(cè)線路是否無電壓;“U－U”為檢同步元件，用來判斷母線電壓與線路電壓是否同步。

圖2 檢無壓及檢同步自動(dòng)重合閘動(dòng)作原理圖

當(dāng)AB段f點(diǎn)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，線路兩側(cè)的保護(hù)裝置動(dòng)作跳開斷路器DL1、DL2，切除系統(tǒng)電源，同時(shí)DG與系統(tǒng)裂解形成孤島系統(tǒng)。f點(diǎn)故障消除后，母線A側(cè)的低電壓元件檢測(cè)到線路上失去電壓后，重合閘發(fā)出命令重合上斷路器DL1;當(dāng)DL1合閘后，母線B側(cè)檢測(cè)到線路上已帶電，B側(cè)同步檢測(cè)單元開始檢同步;當(dāng)斷路器兩側(cè)電源滿足同步條件時(shí)，合上斷路器DL2，DG開始并網(wǎng)運(yùn)行同時(shí)線路恢復(fù)供電。若B側(cè)在檢同步時(shí)再次出現(xiàn)故障，則A側(cè)的繼電保護(hù)動(dòng)作再次跳開斷路器，斷路器DL2不再合閘。

當(dāng)f點(diǎn)發(fā)生永久性故障時(shí)，DL1、DL2均跳閘切除故障，A側(cè)檢測(cè)到線路無電壓后重合DL1。由于是永久性故障，A側(cè)的后加速保護(hù)會(huì)立即動(dòng)作再次跳開DL1，B側(cè)的DL2始終不再合閘。

4 繼電保護(hù)新方案

各種形式的DG并網(wǎng)是未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。但大量DG并網(wǎng)使保護(hù)出現(xiàn)靈敏度降低、拒動(dòng)以及誤動(dòng)等問題，l因此需要對(duì)原有保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)或研究新的保護(hù)方案才能適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。目前國(guó)內(nèi)外主要通過以下途徑對(duì)含DG配電網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行研究:①對(duì)傳統(tǒng)的電流保護(hù)加以改進(jìn)，如加裝方向元件，采用自適應(yīng)保護(hù)原理等;②將線路成熟的保護(hù)原理、方案應(yīng)用于配網(wǎng)中，通過多端信息交換來提高保護(hù)性能;③以智能設(shè)備和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的新型保護(hù)方案。

文獻(xiàn)［10］提出通過在DG上游區(qū)域裝設(shè)方向縱聯(lián)保護(hù)、過流保護(hù)裝設(shè)方向元件來判斷故障位置的保護(hù)方案。文獻(xiàn)［11］提出采用主從式結(jié)構(gòu)和查詢式通信，通過對(duì)比不同方向元件動(dòng)作情況來判斷故障位置的區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)方案。文獻(xiàn)［12］提出利用工頻電流變化量幅值和相位比較法準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位的多智能體(agent)新型分布式電流保護(hù)方案。文獻(xiàn)［13］提出利用故障分量實(shí)現(xiàn)無通道線路保護(hù)的方案。文獻(xiàn)［14］提出對(duì)保護(hù)背側(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值變換構(gòu)造配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)的新原理。

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和制作成本的降低，光纖通信在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，正成為電力通信網(wǎng)的主干網(wǎng)。采用能反映兩端電氣量比較的光纖分相差動(dòng)保護(hù)將線路兩側(cè)的每相電流采樣數(shù)據(jù)調(diào)制轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，通過光纜通道實(shí)時(shí)傳送到對(duì)側(cè)，然后解調(diào)后直接比較兩側(cè)每相電流的變化，再根據(jù)特定關(guān)系進(jìn)行故障定位。對(duì)含DG的配電網(wǎng)，配置光纖分相差動(dòng)保護(hù)作系統(tǒng)電源與DG間的主保護(hù)，過電流保護(hù)作后備保護(hù);當(dāng)故障發(fā)生在系統(tǒng)電源與DG以外區(qū)域時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作值應(yīng)隨DG功率輸出對(duì)電流所產(chǎn)生的助流或汲取作用重新整定。

5 結(jié)束語

分布式發(fā)電是智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，大量DG并網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)帶來了挑戰(zhàn)。本文分析了配電網(wǎng)中不同位置接入DG對(duì)三段式電流保護(hù)產(chǎn)生的影響，同時(shí)論述了DG接入對(duì)重合閘裝置的影響以及重合閘相應(yīng)的動(dòng)作改進(jìn)措施。針對(duì)DG給傳統(tǒng)保護(hù)帶來的影響，提出將光纖差動(dòng)保護(hù)作為系統(tǒng)與DG之間的主保護(hù)。系統(tǒng)電源與DG間區(qū)域以外發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作值按DG的功率輸出對(duì)電流的助流或汲取作用重新整定。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Im proved Protection Scheme

WANG Shu－dong，QIAN Qi－san
(College of Electric and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

The paper introduces the concept of distributed generation and the structural features and protection configuration of traditional distribution network.To contain the DG in the distribution network for themodel，it analyses the impact of DG on short－circuit current and protection devices when DG is connected to different positions and fault occurs in upstream and downstream regions of DG，and the adjacent feeder.Meanwhile，in order to ensure that DG can crack with system quickly and operate stably in the grid after the action of synchronous reclosingwhen fault occurs，it is proposed to improve the way of reclosing action.In view of the impact of DG on distribution network，the paper summarizes the research direction of relay protection of distribution network which includes DG，and puts forward the improved scheme.

distributed generation;distributed network;relay protection

TM77

A

1674－8425(2014)01－0087－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.017

2013－11－08

王樹東(1965—)，男，教授，主要從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、電網(wǎng)優(yōu)化控制方面的教學(xué)與應(yīng)用研究;錢其三(1986—)，男，碩士研究生，主要從事分布式發(fā)電優(yōu)化控制與繼電保護(hù)研究。

王樹東，錢其三.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(1):87－90.

format:WANG Shu－dong，QIAN Qi－san.Analysis of the Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Improved Protection Scheme［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):87－90.