分布式電源接入對電網安全運行的影響研究

趙輝程，李 煜，李文書

(國網江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019)

分布式電源(distributed generation，DG)區別于傳統集中發電、遠距離傳輸和大互聯網絡的發電形式，是指在用戶所在場地或附近建設安裝，運行方式以用戶端自發自用為主、多余電量上網，且以配電網系統平衡調節為特征的發電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用的多聯供設施。分布式電源對優化能源結構，推動節能減排，實現可持續發展具有重要意義。

1 DG對電網安全穩定運行的影響分析

隨著DG滲透率的不斷提高，其對電網安全穩定運行的影響逐漸顯現。

(1) 對規劃的影響。DG投資主體分散，具有發展隨意性強、建設周期短的特點，增加了規劃的不確定性，加大了電源電網協調發展難度。

(2) 對電網結構的影響。DG并網使得配電網拓撲結構和潮流分布發生改變，成為多電源、環網狀電網，潮流由單向變成雙向流動，增加了配電網網架構建的復雜性。

(3) 對電能質量的影響。DG的間歇性、波動性易引起電壓偏差、波動和閃變等問題，電力電子設備大量并網導致配電網諧波治理難度加大。

(4) 對保護控制的影響。目前，配電網整體自動化、信息化水平不高，通信通道覆蓋率低，難以實現對DG信息的全面掌握和管理，形成運行控制盲點。

1.1 對電能質量的影響

1.1.1 電壓偏差

DG接入后，對系統電壓具有支撐作用。接入點越遠離系統母線，對線路的電壓影響越大；接入點越分散，對系統電壓的支撐作用越大；裝機容量越大，對系統電壓的影響越大。DG功率因數由超前變為滯后的過程，也是DG由吸收無功功率變為輸出無功功率的過程。當DG發出的無功功率大于負荷吸收的無功功率時，饋線上的最高電壓將出現在DG所在的節點處。由于饋線上的傳輸功率減小以及DG輸出無功功率支持，各負荷節點處的電壓被抬高，對電壓偏差造成影響。如圖1所示，以鏈式配電網為例，中輕負荷時DG的接入會導致某些節點電壓偏差超過限值，進而引起用戶側過電壓。

圖1 DG并網對電壓偏差的影響

1.1.2 電壓波動

一方面，DG輸出功率的變化會引起電壓波動。由于DG的啟動和停運與自然條件、用戶需求、政策法規、電力市場等諸多因素有關，不規則啟停會導致輸出功率波動。對于光伏、風力等自然能發電系統，外界能源輸入的變動是輸出功率變動的主要原因；對于熱電聯產機組，供熱要求的變動會引起輸出功率的變動。另一方面，DG的并入增加了系統短路容量，既提高了系統電壓強度，又抑制或削弱了區域配電網內出現的電壓波動。此外，單相DG的并網會加劇不平衡問題。

1.1.3 諧波污染

DG通過電力電子設備接入配電網，其開關器件頻繁閉合易產生開關頻率附近的諧波分量，對電網或用戶造成諧波污染。諧波的類型和嚴重程度取決于功率變換器技術和DG的互聯結構。對于光伏發電而言，逆變器使用大量的電力電子元件，在將直流轉換為交流的過程中不可避免地產生諧波。根據電機繞組的設計情況、鐵芯的非線性化、電機接地情況及其他因素，旋轉電機和同步電機也可能給電力系統帶來大量諧波。

一定容量的DG接入配電網，會對饋線上的諧波電壓和電流分布產生影響。在接入位置不變的情況下，DG的總出力占比越高，同一饋線沿線各負荷點電壓總諧波畸變率越大；DG越接近系統母線，對系統的諧波分布影響越小。DG導致的諧波會引起一些問題，如電壓畸變超標、電容組的共振等。

1.1.4 供電可靠性

DG對供電可靠性的影響與安裝地點、容量、連接方式等有關。當DG作為備用電源接入電網時，提高了配電網的供電可靠性，但經濟性不高。當配電網作為DG的后備電源時，DG處于經濟運行工況下，用戶只需支付很小的電量差價，就可獲得可靠性高的供電，但對配電網的可靠性沒有實質改變。研究表明：當饋線發生故障時，可能出現孤島運行，因此DG安裝在負荷密集處，更有利于提高供電可靠性。當DG承擔基本負荷時，DG本身的質量將是影響供電可靠性的最主要因素。

1.2 對配電網繼電保護的影響

故障情況下，除系統電源向故障點注入短路電流外，DG也向故障點注入短路電流分量，較原系統(無DG并網)而言，因后續并網的DG會改變系統短路電流的大小與方向，故原有繼電保護配置已無法滿足運行要求。DG對短路電流產生的具體影響與其裝機容量、接入點的位置密切相關，下面結合含DG的典型配電網結構(見圖2)具體分析。

圖2 含DG的典型配電網結構

1.2.1 對繼電保護的影響

當DG1上游f1故障時，P1保護能可靠動作切除故障。但DG1將對故障點持續注入短路電流，可能使故障點電弧持續，造成線路重合閘失敗，擴大停電事故；若DG2容量足夠大，流過保護P2的反向故障電流達到動作值時，保護P2快速動作切除故障，同時DG與系統解列形成電力孤島。

當DG1下游f2故障時，由于DG分流作用，使流過上游P1開關的故障電流減小，靈敏度降低，可能發生拒動；由于系統電源和DG的共同作用，流過下游P2開關保護的電流增加，擴大電流速斷保護的保護范圍，繼電保護的選擇性可能無法滿足。當相鄰饋線f3故障時，DG提供的反向故障電流經保護P1流向故障點，若反向故障電流達到動作值時，必然引起保護P1誤動作。

1.2.2 對重合閘動作方式的影響

DG并網后，當斷路器因線路故障跳閘時，若DG不能及時退出運行，將產生非同期重合閘和故障點電弧重燃的威脅，使自動重合閘失敗。同時，故障后形成孤島系統，一般與主網不能保持同步；重合閘動作時，還可能形成非同期重合閘，從而對電網和DG造成巨大沖擊。因此，自動重合閘動作時，必須考慮兩側保護的時間配合和電源同步問題。

1.3 對電網調控運行的影響

1.3.1 加大電網調控的風險

與傳統電廠相比，DG容量小、數量多，分布具有很大的隨機性。電網調度、監控人員難以及時、全面掌握，加大了電網調控、運維檢修資料的補充及更新的工作量，同時也增加了漏監控、誤調度、倒送電的風險。

1.3.2 提高負荷預測的難度

由于DG多以用戶自發自用為主，從某種意義上說，DG的接入增加了系統的備用容量，起到削峰填谷、平衡負荷的作用，相當于減少配電網系統的負荷增長，導致原有負荷增長預測模型不適用。DG對電力電量平衡以及最大負荷功率預測的準確性均有較大的影響。DG大量并網后，如何解決其與實際負荷的擬合問題，已成為配電網規劃研究的焦點之一。

1.3.3 增加潮流計算的復雜度

極端情況下，當系統中各節點接入的DG剛好滿足該節點負荷需求時，線路中將不需要傳輸功率。由于大部分DG的輸出功率不恒定，負荷也不恒定，所以潮流方向可能出現變化，這就要求潮流計算能夠解決潮流反向問題。配電網的潮流流向和傳輸功率大小都不能確定，且網絡損耗大小也是變化的。針對不同類型的配電網絡和DG，可建立相應的數學模型或考慮多種負荷方式，將DG和負荷的混合節點作為PV或PQ節點來處理。

1.3.4 對電網備用容量的影響

電網中接入DG的功率波動特性與電網負荷波動特性一致時，分布式能源就具備自然調峰作用；反之，將會使電網調峰問題變得更加突出。DG并網后，電網的可用調峰容量減去平衡負荷波動的備用容量后，剩余可用調峰容量就用于DG調峰。如果整個電網用于DG的備用容量有限，無法完全平衡DG的功率波動時，就需要限制DG的滲透率。

DG接入電網的波動是由風力發電、小水電、光伏發電等引起的，而風電功率、光伏功率的波動對電網則完全是隨機的，最嚴重時相當于全部DG裝機容量大小的功率在短時間內投入或切出。因此，接入大量的DG必須考慮配備相應容量的備用電源，以便在輸出功率波動時平衡發電與負荷需求，保證電網安全穩定運行。

1.3.5 對系統穩定性的影響

大規模DG接入電網時，對無功功率需求是導致電網電壓穩定性降低的主要原因。DG并網可能改變配電網的功率流向和潮流分布，這是原有電網在規劃和設計時未曾考慮的。因此，隨著DG注入功率的增加，DG附近局部電網電壓和聯絡線功率將超出安全運行范圍，影響系統的穩定性。隨著DG裝機容量在系統中所占比重的不斷增加，輸出的不穩定性將對電網功率沖擊效應不斷增大，對系統穩定性的影響就更加明顯，嚴重時將使系統失去動態穩定性，導致整個系統瓦解。

1.4 對涉網作業安全的影響

DG的接入增加了配電網絡結構的復雜程度，也增加了配電網的涉網作業的安全風險。在配電網檢修或故障的情況下，可能由于DG向系統倒送電造成安全措施不到位，對作業人員的人身安全構成威脅。而且，這種潛在威脅將隨著DG數量的不斷增加而持續加大。

1.4.1 通過10 kV系統并網的DG

當并網線路或并網線路系統側變電站開關處發生故障時，保護、安全自動裝置應跳開DG的并網點開關，防止DG向系統倒送故障電流。但是，若保護、安全自動裝置或并網開關發生異常，未能及時解列用戶側DG的并網開關，DG仍可能通過并網線路繼續向系統倒送故障電流。

1.4.2 通過380/220 V系統并網的DG

通過380/220 V系統并網的DG，多為居民用戶，其在數量上將遠超10 kV系統并網DG。380/220 V電壓等級DG，不配置防孤島檢測及安全自動裝置，而采用具備防孤島能力的逆變器，即當系統故障時逆變器將自動關閉并網通道，防止倒送電。若此時逆變器發生故障，DG未按要求切斷并網途徑，將繼續向外輸送故障電流。

2 DG并網安全管理提升措施

2.1 加強調控運行管理

2.1.1 完善繼電保護方案

通過繼電保護的適應性改造及安全自動策略的合理配置，建立并完善局部電網繼電保護、安全自動方案等保證并網安全運行的技術措施，為DG電站并網提供安全運行服務。目前，國內外主要通過以下途徑對含DG配電網的繼電保護進行研究：

(1) 改進傳統的電流保護，如加裝方向元件、采用自適應保護原理等；

(2) 將線路成熟的保護原理、方案應用于配網中，通過多端信息交換提高保護性能；

(3) 以智能設備和通信技術為基礎的新型保護方案。

針對此提出的保護方案主要有：

(1) 通過在DG上游區域裝設方向縱聯保護、過流保護裝設方向元件，判斷故障位置的保護方案；

(2) 采用主從式結構和查詢式通信，通過對比不同方向元件動作情況，判斷故障位置的區域縱聯保護方案；

(3) 利用工頻電流變化量幅值和相位比較法準確進行故障定位的多智能體(agent)新型分布式電流保護方案；

(4) 利用故障分量實現無通道線路保護的方案；

(5) 對保護背側網絡進行等值變換構造配電網自適應保護的新原理。

對含DG的配電網，配置光纖分相差動保護作系統電源與DG間的主保護，過電流保護作后備保護；當故障發生在系統電源與DG以外區域時，保護裝置動作值應隨DG功率輸出對電流所產生的助流或汲取作用重新整定。

2.1.2 加強電源出力預測

與常規電源相比，以光伏、風力發電為代表的分布式電源(天燃氣發電除外)，其出力受光照、溫度、風向等天氣及環境因素的影響很大，輸出功率呈現顯著的隨機性和群發性。如果能實現對分布式電源出力的有效預測，則可將其與城市的分散儲能相結合，起到調峰作用，從而降低備用容量。分布式發電功率預測方法主要有：統計方法、物理方法以及兩者相結合的混合方法。其中統計方法應用較為普遍，其基本思路為：根據歷史統計數據找出天氣狀況與分布式電站出力之間的關系，建立相應的出力預測模型，然后根據實測數據和天氣預報數據對分布式電站輸出功率進行預測。因此，歷史統計數據對提高出力預測的準確性顯得尤為重要，電網調控部門需在分布式電源的并網、監測與控制中，持續做好相關數據的存儲和統計分析。

2.1.3 加強防孤島研究

孤島效應是電網中一種多見的嚴重危害，會導致并網逆變系統和用電設備的損壞，還會給電力檢修人員帶來危險。安裝孤島檢測裝置可有效解決光伏發電系統電源中的非正常孤島。防止孤島效應可采取主動和被動式相結合的方式，進行檢測和防止。目前，通用的主動式檢測方法有：Sandia頻率漂移法和Sandia電壓漂移法；常用的被動式檢測方法有：頻率或者電壓繼電器檢測、電壓諧波檢測、電壓相位突變檢測等。雖然主動式檢測方法以及電網側檢測方法大都不存在檢測盲區，但設備昂貴，配套設施復雜，影響DG的接入效率。相比而言，被動式檢測方法不僅不會對電力系統產生干擾，且檢測費用相對低廉;雖然存在檢測盲區，但只要實際運行中供給的功率不大、保護配置到位，就可以通過調整運行方式完全避免。

2.2 加強電能質量管理

2.2.1 加強系統電壓控制

常用的電壓控制方法有2種：

(1) 逆變器的輸出側用1個帶可調的自耦變壓器，并通過1個閉環控制系統來實現分接頭的變換，以有效控制輸出電壓的幅值；

(2) 利用靜止逆變器輸出交流電壓的幅值與整流電路輸入的直流電壓成正比的原理，通過改變直流電壓來控制輸出電壓。這種方案對于光伏發電等類似的、系統較薄弱的電網特別有利，如VAR技術能夠在幾分之一秒的時間內自動維持所規定的電網電壓水平及電能質量。

2.2.2 裝設電力濾波器

采用電力濾波器就地吸收諧波源所產生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施。無源濾波器可以吸收諧波電流，還可以進行無功功率補償，且運行維護簡單。有源濾波器具有可靠性高、響應速度快的優點，可以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯型有源濾波器還可以進行無功功率補償。混合濾波器兼具無源濾波器成本低廉和有源濾波器性能優越的優點，屬于有源濾波器的分支和發展。

2.2.3 提高接入系統電壓

電網的電壓等級越高，短路容量越大，容許存在的諧波電流也越大。因此，對大容量的諧波源，應盡可能用較高的電壓等級供電。但這可能會增大用戶的投資，有時也會受當地電網具體條件的限制。

2.3 加強全過程安全管理

2.3.1 優化接入系統流程

DG的安全高效接入需要各部門協同，建立服務DG并網管理的銜接機制。加強電網規劃、調控、營銷、運檢等部門協調配合，梳理DG并網管理的各環節，明確業務流程，厘清責任界面，實現業務流程運行的橫向協同和縱向貫通。做到DG并網技術管理銜接，接入設計和電網一二次系統運行的銜接，并網工程技術監督和電站驗收投運的銜接。以提高技術規范執行水平為基礎，統一保護、安全自動裝置設計要求，統一DG并網收資模板及安全自動裝置調度運行規定，為DG并網提供規范服務。

2.3.2 加強工程前期管理

專業部門在對接入系統方案進行評審時，要重點審查接入系統方案是否滿足安全技術要求；評審所屬繼電保護及安全自動裝置時，應嚴格遵守有關設計、運行和管理規程規范，與電網相配合。評審紀要中，應對接入系統方案是否安全、可靠作出結論性意見。

在簽訂DG接入工程施工合同時，由運檢單位與施工方同步簽訂安全協議，明確各方安全職責、保障安全的措施和違反安全規定的處罰辦法，未簽訂安全協議的工程不得開工。現場勘察時，應與運行設備帶電部位保持安全距離，確保查勘人員安全。工程開工前，項目經理(工作負責人)應組織向施工人員進行全面的安全技術交底，告知作業現場存在的危險因素、防范措施及事故應急處理措施。

2.3.3 做好并網前準備

DG并網前，必須由專業部門組織驗收調試。驗收調試主要內容包括：

(1) 項目報驗資料是否齊全完備，用戶試驗資料是否完整、準確，逆變器、并網開關設備等是否通過有資質的第三方認證等；

(2) 并網點應配備滿足易操作、有明顯斷開點，具備開斷短路故障電流等要求的開關設備；

(3) DG繼電保護和安全自動裝置的配置與定值整定，應符合相關繼電保護技術規程、運行規程和反事故措施的規定；

(4) 配電自動化系統故障自動隔離功能應適應DG接入，確保故障定位準確，隔離策略正確。

與用戶簽訂相關發用電合同時，應明確資產分界點、設備維護和事故責任分界點等事宜。對于10～35 kV DG應配備足夠的運行值班人員，值班人員需持有效的進網電工許可證。有調度關系的，運行值班人員應參加電網調度部門組織的培訓，經考核合格后頒發《調度運行值班合格證書》，方能上崗。運行值班人員操作DG現場設備應嚴格執行工作監護制度。

2.3.4 完善運維臺賬資料

配電網運維部門應及時掌握DG的接入情況，認真做好現場查勘和相關變更。DG并網前，應及時完成PMS圖紙的修改及標注，涉網線路設備現場可設置“此處有xx V分布式電源”警示標識，10 kV接入項目裝設至公共連接點10 kV開關類設備處，220/380 V接入項目裝設至配變低壓側。

設備運維、搶修班組及低壓搶修隊伍均應建立專門的DG臺賬，包括：用戶名稱、接入容量、電壓等級、所屬10～35 kV線路名稱、線路所涉廠站名稱、220/380 V接入項目標明其上一級配變名稱及桿號、10 kV接入項目標明其公共連接點開關設備名稱。資料上報參照新設備投運流程進行。

2.3.5 加強檢修施工安全管理

對于有DG接入的配電網，系統側設備消缺、檢修優先采用不停電作業方式，需要停電時應提前通知DG用戶。檢修施工涉及DG設施的，應加強電源點的管控。設備運檢單位和施工單位應認真落實保證安全的組織措施和技術措施，切實做好停電、驗電、裝設接地線等工作。

(1) 有220/380 V DG接入的配變臺區，若220/380 V線路停電檢修，除拉開配變跌落式熔斷器及低壓開關外，還需在低壓開關用戶有可能倒送電側加掛接地線；若其所屬10 kV線路停電檢修，停電區域內所有配變須拉開跌落式熔斷器及低壓開關，并在低壓開關用戶側低壓母線加掛接地線。

(2) 對有10 kV DG接入的配電線路停電檢修時，若該DG接入點在停電檢修范圍內，該接入點開關須保持斷開，并加掛接地線。

(3) 當箱變及環網柜設備接入DG，停電檢修時相關開關設備應保持斷開，并合上接地刀閘。

3 結束語

DG并網對配電網的電能質量、繼電保護、調控運行及涉網作業安全帶來一定的影響，需要采取一系列組織、管理和技術措施，降低和消除DG接入產生的安全風險。

1 裴曉娟，王 倩，金英博．分布式發電對配電網電壓的影響[J]．電力學報，2010，25(6)：480-483．

2 侯汝鋒，陳志釗，吳 軻．DG接入電網的孤島劃分策略及其對配電網供電可靠性的影響評估[J]．廣東電力，2012，25(1）：64-69．

3 彭 亮．分布式電源對配電網保護的影響分析及改進[J].廣東電力，2012，25(1)：59-63.

4 王樹東，錢其山．DG對配電網保護的影響分析及改進方案[J]．重慶理工大學學報，2014，28(1)：87-90.