分布式電源對配電網繼電保護的影響分析

唐銳

（南京工程學院，南京 211167）

分布式電源對配電網繼電保護的影響分析

唐銳

（南京工程學院，南京 211167）

簡要介紹傳統配電網的3段式電流保護原理，根據配電網網絡結構具體分析分布式電源接入導致配電網繼電保護誤動和拒動的可能，以及分布式電源對重合閘的影響，總結減少分布式電源接入對配電網繼電保護影響的主要方法。同時對接入分布式電源后的配電網繼電保護提出完善措施和建議。

分布式電源；配電網；繼電保護

0 引言

近年來，隨著能源危機的加劇，世界各國對風能、太陽能、朝汐能等新能源利用的關注度越來越高。中國已成為全球風電裝機增速最快、新增風電裝機容量最大的國家，2003年全國風電裝機僅400 MW，到2012年末，我國并網風電裝機已超過75 000 MW，預計到2015年風電裝機將超過1.4億kW。大量清潔能源的利用能有效緩解資源匱乏和環境壓力，但清潔能源以DG（分布式電源）方式接入電網將對配電網繼電保護產生一定的危害。

傳統配電網大多是單電源輻射網絡，電流流向單一，采用3段式電流保護可以迅速有效地切除故障。接入DG后，配電網由原先的單側電源結構變成了多端電源結構，此時配電網故障電流有多個流向，故障電流的大小也發生了相應變化。如果按照以前整定的保護電流值來設置斷路器的動作電流，可能會造成保護裝置拒動或者誤動，進而使配電網故障影響整個電力系統的運行[1]。

根據國家電網Q/GDW 480-2012《分布式電源接入電網技術規定》的要求，當發生故障時必須全部隔離DG，讓配電網回到原來單側電源輻射模型，使保護裝置能正確動作。該方法雖然能有效切除故障，但一定程度上造成了DG資源浪費。對此，本文就DG對配電網保護的影響進行分析，給出了接入DG的配電網的保護方案及其完善措施和建議。

1 傳統配電網結構及保護方法

傳統配電網大多是單側電源供電模式，配電網中的電流始終是從電源流向用戶。對于如圖1所示的單側電源供電網絡，正常運行時，離電源側越遠的線路，流過的電流越小。當圖中無論是故障點F1，F2還是F3處發生短路故障，利用3段式電流保護，保護裝置都能有效切除故障。

3段式電流保護的工作原理如下：

（1）電流速斷保護：反應于短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護稱為電流速斷保護。為了保證其選擇性，一般只能保護線路的一部分。如圖1所示，當F1點發生短路故障時通過電流速斷保護使斷路器P1動作，當F2點發生短路故障時電流速斷保護不能使斷路器P1動作。

（2）限時電流速斷保護：由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此可以考慮增加一段帶時限動作的保護，用來切除本線路速斷保護范圍以外的故障，同時也可作為速斷保護的后備，這就是限時電流保護。如圖1所示，當F2點發生短路故障時，限時電流速斷保護能使斷路器P1動作。

（3）定時過電流保護：作為下級線路主保護拒動和斷路器拒動時的遠后備保護，同時作為本線路主保護拒動時的近后備保護，也作為過負荷時的保護，一般采用過電流保護。過電流保護通常是指其啟動電流按照躲開最大負荷電流來整定的保護，當電流的幅值超過最大負荷電流值時啟動。如圖1所示，當F2點發生短路故障時，定時過電流保護能使斷路器P1動作。

在實際運行時，為了保護整條線路，可以將電流速斷保護和定時過電流保護結合起來，或將限時電流速斷保護和定時過電流保護結合起來，也可以將三者結合起來使用。

圖1 單側電源供電網絡

圖2 接入DG的配電網結構

2 DG對配電網保護的影響

2.1 DG導致保護拒動和誤動

以上所述3段式電流保護利用線路發生短路時的電流幅值增大特性來區分故障與正常狀態，以動作電流的大小和動作時限長短配合來保證有選擇性地切除故障[2]。當DG接入配電網時，配電網結構如圖2所示，即不再是單純的單側電源供電網絡，而是兩端電源甚至多端電源供電網絡。此時若發生短路故障，流過配電網各支路的電流大小和方向都發生了相應的變化，如果依然按照單側電源供電網絡模型對保護裝置動作電流進行整定，顯然不能滿足多端電源網絡的要求。線路發生短路故障時將出現以下幾種情況：

（1）當饋線1上F1點處發生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供，P1動作切除故障；此時P3感受到了由DG產生的短路電流，如果DG容量足夠大，流過P3的短路電流將增大至超過P3的動作電流，導致P3誤動。如果P3斷開，此時DG理論上有2種工作狀態：一是繼續向饋線2右端供電，該狀態下將形成孤島效應，由DG向孤島用戶提供的電能質量難以保證；第二種是處于與孤島效應相對應的反孤島運行狀態，即DG從系統中自動解鏈。實際運行時，為了避免孤島效應對系統和用戶的影響，往往采用第二種方式。

（2）當饋線1上F2點處發生短路故障時，P1和P2流過的短路電流由電源S和DG共同提供，P2可以動作切除故障；如果DG容量足夠大，P1感受到的由DG提供的短路電流較大，此時流過P1的電流大于其動作電流，導致P1誤動；同樣，如果DG容量足夠大，將導致P3誤動。

（3）當饋線2上F3點處發生短路故障時，P1，P2和P4中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到電源S提供的短路電流，由于DG的存在，P3中流過的短路電流比沒有接入DG時要小，且DG功率越大流過P3的短路電流越小，如果DG容量足夠大，流過P3的短路電流可能小于P3的動作電流，從而導致P3拒動。

（4）當饋線2上F4點處發生短路故障時，P1和P2中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到的短路電流來自電源S，比接入DG前感受到的短路電流值小，P3不動作；P4流過的短路電流由電源S和DG共同提供，其值大于P4動作電流，斷路器正常動作。

由上述分析可得出結論：在圖2所示的配電網結構中，4處故障中有2處可能會造成保護裝置誤動，有1處可能會使保護裝置拒動，只有1處會使保護裝置正常動作，可見DG的接入將對配電網繼電保護產生巨大影響。

2.2 DG對重合閘的影響

由于配電網中有些故障是瞬時的，例如因風中搖擺的樹葉觸碰線路導致配電網短路，在線路跳閘后，可以進行重合閘操作，嘗試恢復供電。傳統配電網中，重合閘操作可以有效避免瞬時故障造成的停電，但當配電網中接入DG時卻產生了新的問題，主要有以下2點[3]：

（1）當發生故障、DG從系統中解鏈形成孤島后，DG的電源頻率和相角有可能和系統的電壓頻率和相角失去同步，在這種情況下進行合閘會造成系統因失穩而發生振蕩。

（2）當發生故障而DG卻沒有從系統中解鏈時，DG會向短路點提供持續的短路電流，導致故障點電弧持續存在，重合閘失敗。

3 含DG的配電網保護方法

3.1 含DG的配電網保護思路

目前電力系統所實行的含DG的配電網保護方法是：只要含有DG的配電網發生短路故障，DG自動從系統中解鏈，使配電網重新恢復到單側供電模式。該方法能較好地切除線路故障，但卻造成了DG的功率浪費，因此目前正在探索更人性化、智能化的途徑。

由于DG的接入使得配電網由單側供電模式變為多端供電模式，從而使短路故障時僅由配電網單側電源提供變成由配電網電源和DG共同提供短路電流，DG的接入改變了傳統配電網短路故障電流的大小和方向。對此，研究者們主要從2個方面提出了改進措施：短路故障時減小DG提供的短路電流和重新整定保護裝置動作電流并加裝方向元件。

3.2 減小DG提供的短路電流

（1）通過限制DG容量來減小DG提供的短路電流。從圖2所示接入DG的配電網結構圖及可能出現的4種情況分析，造成保護裝置拒動和誤動的主要原因是DG的容量太大，因此只要減小接入配電網的容量即可使保護裝置正確動作。此方法的缺點是限制了區域新能源的大規模發展。

（2）通過在DG處串聯電抗器來減小DG提供的短路電流。如圖3所示，當饋線1上F1點處發生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供，P1動作切除故障；此時P3雖然感受到了由DG產生的短路電流，但由于串聯電抗器的作用，流過P3的短路電流很小，P3不會誤動。其他故障點的短路故障分析方法與2.1的（2），（3），（4）相同。雖然理論上該方法是可行的，但配電網正常運行時由于串聯電抗器的存在，將在電抗器上產生較大壓降，不利于電力系統的穩定運行。

圖3 DG處串聯電抗器的配電網結構

（3）利用逆變器限制故障短路電流[4]，其原理框圖如圖4所示。配電網正常運行時逆變器不動作。故障時,串聯逆變器提供反相電壓，抑制線路電流。該方法雖然理論上很完美，但真正實現還有一定困難。

圖4 帶限流逆變器的配電網絡

3.3 定值調整并加裝方向元件

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由于DG的接入改變了原有的短路電流大小，所以需要重新整定保護裝置動作電流值才能使含有DG的配電網保護裝置正確動作。文獻[5]提出了IIDG（逆變型分布式電源）接入后的配電網保護新方案，整定值隨IIDG出力自動調整。該方案中保護裝置的電流動作值隨DG容量變化而變化，可以很好地解決DG容量不固定的問題，但只適合某種特定結構下配電網的繼電保護。

通過重新整定保護裝置動作電流和加裝方向元件，線路保護的效果將更加完善。加裝方向元件的配電網結構如圖5所示，圖中P5為方向元件。

在此，將電流從電源S流向饋線的方向定為正方向，相反方向為負方向。首先重新整定P1，P3和P5的動作電流：P1的動作電流大于F2處短路時流過P2的電流，且小于F1處短路時流過P1的短路電流；P3的動作電流大于F4處短路時電源S提供的電流，且小于F3短路時由電源S提供的短路電流；P5的動作電流大于F1處短路時DG提供的電流，且小于F3短路時由DG提供的短路電流。只有當流過P1，P2，P3和P4的電流為正方向且大于動作電流值時它們才動作，只有當流過P5的電流為負方向且其值大于動作電流值時P5才動作[6]。

（1）當饋線1上F1點處發生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供且方向為正，P1動作切除故障；此時P3雖然感受到了由DG產生的短路電流，但因為方向為負，所以P3不動作；P5感受到的電流小于其動作電流，不動作。

（2）當饋線1上F2點處發生短路故障時，P1和P2流過的短路電流由電源S和DG共同提供，P2可以動作切除故障；P1感受到的電流小于其動作電流，不動作；同理，P3，P4和P5也不動作。

（4）當饋線2上F4點處發生短路故障時，P1和P2中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到的短路電流小于其動作電流，不動作；P4流過的短路電流由電源S和DG共同提供，其值大于P4動作電流，斷路器正常工作；P5感受到的電流方向為正，不動作。

由上述分析可知，采用重新整定保護裝置動作電流和加裝方向元件相結合的方法能有效控制保護裝置動作與否。文獻[7]根據DG容量和負荷大小，預先將含DG的配電網絡劃分為若干能孤島運行的區域，也是利用了定值調整并加裝方向元件的原理，只不過范圍更廣而已。

3.4 含DG配電網重合閘的要求

關于因解鏈后DG電源的頻率和相角與系統失去同步而造成振蕩，以及由于故障后DG沒有及時解鏈，將持續向短路點供電導致重合閘失敗的問題，可以采取以下方法解決：配電網故障后DG迅速解鏈；系統和DG保持良好信息互換，使其在同步運行時，將DG投入系統。

圖5 安裝方向元件的配電網絡

4 結語

從以上對含有DG的配電網保護改進措施的分析可知：重新整定保護裝置動作電流并加裝方向元件的優勢更加明顯，采用該方法不會影響配電網正常運行時的電能質量，且故障時保護裝置能正確動作。但該方法仍有其局限性，例如配電網系統比較復雜時，將使各保護裝置的動作電流整定較為困難。

[1]張勇軍，任震.電力系統動態無功優化調度的調節代價[J].電力系統自動化，2005，29（2）∶34-38.

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[4]彭方正．變流技術在分布式發電和微電網上的應用[J].變流技術與電力牽引，2006，2（6）∶23-27.

[5]余瓊，余勝，李曉暉.含分布式電源的配網自適應保護方案[J].電力系統保護與控制，2012，40（5）∶110-115.

[6]唐小波,孫曉韡,唐國慶.20 kV與10 kV配電電壓的比較[J].電力設備，2008，9（9）∶6-10.

[7]唐志軍，鄒貴彬，高厚磊，等.含分布式電源的智能配電網保護控制方案[J].電力系統保護與控制，2014，42（8）∶9-14.

（本文編輯：龔 皓）

Influence Analysis of Distributed Generation on Relay Protection of Distribution System

TANG Rui
（Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

The paper outlines principle of three-section current protection of traditional distribution system; based on structure of distribution system，it elaborates on possibilities of maloperation and failure to operation in distribution system due to integration of distributed generation，as well as impact of distributed generation integration on switch reclosing.It also summarizes methods for reducing impact of distributed generation integration on relay protection of distribution system；meanwhile，it presents measures and suggestions to perfect distribution networks after integration of distributed generation.

distributed generation；distribution system；relay protection

TM773

A

1007-1881（2015）08-0013-04

2015-03-26

唐 銳（1990），男，電氣工程碩士研究生在讀，主要研究方向為電力系統運行以及新能源發電與利用。