分布式發電接入電網繼電保護研究

張　堯　晁　勤　李育強

(新疆大學電氣工程學院1，新疆 烏魯木齊　830047；新疆工程學院2，新疆 烏魯木齊　830052)

分布式發電接入電網繼電保護研究

張堯1,2晁勤1李育強1

(新疆大學電氣工程學院1，新疆 烏魯木齊830047；新疆工程學院2，新疆 烏魯木齊830052)

摘要：常規電源與分布式電源的差異使得分布式電源接入電網時，傳統繼電保護受到很大影響。先從分布式電源的類型、分布式電源容量方面，介紹了對電流保護的影響，得出分布式電源容量越大、短路電流越大的結果。然后從分布式電源接入位置及測量電壓電流特性方面，介紹了對距離保護的影響，得出分布式發電帶來助增電流、頻率偏差等是影響距離保護的主要因素。通過改變整定值、分區隔離、附加分量和邏輯等途徑，改進電流距離保護方案。最后展望了自適應保護是保護發展的重要方向。

關鍵詞：分布式發電大電網繼電保護電流保護距離保護整定節能減排

0引言

20世紀90年代，全球性的電力改革浪潮宣告了一個新的電氣時代的誕生，即采用大電網和分布式發電相結合的方式，以節省投資、降低能耗，并提高電力系統的可靠性和靈活性。分布式電源主要指基于可再生能源的太陽能發電、風力發電、水力發電和生物質能發電等。分布式電源的引入對原有配電網絡中的潮流分布、短路電流、電能質量和系統保護等產生一系列的影響。

針對分布式電源接入電網引起電流保護、距離保護誤動拒動等問題，尋找消除這些影響的具體措施是學者們越來越關注的問題。首先從分布式電源的類型和分布式電源容量角度，介紹了分布式發電對電流保護的影響，得出不同電源提供的短路電流可達額定電流的100%～1 000%范圍。分布式電源接入容量越大，短路電流越大。其次從分布式電源接入位置及接入后測量的電壓、電流特性方面，介紹了分布式發電對距離保護的影響，得出分布式發電接入后帶來的助增電流、頻率偏差、測量阻抗變化是影響距離保護的主要因素。然后通過改變整定值、分區隔離、附加分量和邏輯等途徑，改進電流距離的保護方案。最后對保護的研究前景進行了展望。

1分布式發電對電網保護的影響

隨著節能減排、環境保護和可持續發展的大力倡導，大規模應用分布式發電及并網是大勢所趨。隨著分布式發電并網容量的不斷提高，分布式發電給電網的運行與保護帶來的影響越來越不容忽視。

1.1對電流保護的影響

1.1.1分布式電源類型影響

文獻[1]提出的分布式發電(distributed generation,DG)概念的引入，使得配電系統從傳統的單電源輻射型網絡變成雙端甚至多端網絡，從而改變故障電流的大小、持續時間及其方向。分析了不同類型的分布式電源對故障電流的影響:①換流器型DG，故障電流注入能力為100%～400%，持續時間取決于控制裝置；②同步電機型DG，故障電流注入能力達到500%～1 000%，逐漸衰減到200%～400%；③感應電機型DG，故障電流注入能力達到500%～1 000%，在10個周波內衰減至可忽略。最后得出，對電流保護的影響主要體現在以下3方面：①導致本線路保護動作的靈敏度降低，嚴重時甚至拒動；②由于原保護沒有方向元件，在DG容量足夠大的情況下，流過本線路的反向電流會使保護誤動作；③導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動作，失去選擇性。

文獻[2]研究了在最大最小運行方式下，風電電源提供的短路電流分別對風電場接入處的下級保護及上級保護產生不同影響，結論同文獻[1]。

1.1.2分布式電源容量影響

文獻[3]分析了光伏系統不同接入位置、不同容量對電網短路電流的影響。由此得出，同容量光伏系統距離故障點越遠，短路電流增加越明顯。同一點接入光伏系統，容量越大，短路電流越大。理清這些影響關系，有助于提高配電系統的安全可靠運行以及并網光伏發電的普及。

文獻[4]提到風電場投入運行機組數、輸出有功功率、故障類型、故障點這些因素的改變都會對短路電流產生不同影響。由此得出，風電場有功出力相同的情況下，投運的機組越多，故障電流越大。根據故障類型不同，風電場提供的短路電流也不同，三相短路電流約為穩定運行電流的8倍，兩相故障和單相故障的短路電流約為穩定運行電流的4～5倍。

1.2對距離保護的影響

1.2.1分布式電源接入位置影響

文獻[5]研究了自適應接地距離保護，分析了助增電流對距離II段阻抗繼電器測量的影響。由此得出，助增電流增大了測量阻抗，降低了保護裝置的靈敏度。

文獻[6]把分布式電源與原配電網看作雙側電源，分析了分布式電源接入配電網對并網聯絡線保護的影響。由此得出，在最小運行方式下，由于分布式電源歸算至并網變110 kV母線側的阻抗過大，當并網聯絡線發生故障時，近分布式電源的距離保護有可能拒動，這樣會威脅到變壓器的絕緣安全。

文獻[7]分析了分布式電源接入對變電站距離保護的影響。由此得出，非系統電源進線段故障時，分布式機組的正向助增電流使距離保護II段范圍縮小，可能降低其靈敏度，但不會使其失去選擇性。

1.2.2測量電壓電流特性影響

文獻[8]對雙饋式風電場測量到的電壓、電流進行分析。由此得出，電壓、電流的頻率有所差別，會對基于傅氏相量算法的距離元件產生很大誤差。

文獻[9]分析了風電系統距離III段保護的動作特性。以異步發電機為研究對象，計算表明其呈現負電阻、正電抗特性，使得線路遠風電場節點的測量阻抗接近反向故障。當輸入機械功率增加和定子電壓降低時，將減小異步風力發電機阻抗模值，降低風電場近線端距離III段保護的動作裕度。

2電流保護的改進方案

電壓等級在35 kV及以下的配電網的主保護一般采用電流保護。分布式電源的接入改變了配電網的短路電流的大小及方向，必須改變傳統的配電網電流保護，才能保證短路時正確切除故障。

2.1整定值改進

文獻[2]在整定原則上作改進。在原來的電流速斷整定公式中增加了故障類型系數Kd，系統的等效電勢和系統阻抗根據風電場接入容量和故障位置的不同，實時在線計算。

文獻[10]和文獻[11]也是改進電流整定公式，具體方法同文獻[2]。

文獻[12]提出對故障時刻前電壓電流值實時采樣，利用短路電流計算公式估算故障電流值，并依此來確定電流繼電保護的整定值。由于估算故障電流是實時更新并且估算出來的誤差也不大，故該方法可以作為工程上進行整定計算的一個依據。

2.2非正序分量改進

文獻[13]提出利用序分量得到的綜合值作為保護定值，該方法也是在空載情況下成立的。文獻[14]提出將定值和短路電流全部采用故障分量來消除負荷電流影響的方法，但因電壓分量是忽略負荷電流的影響，因而靈敏度仍然受負荷電流的影響。

2.3自適應整定值改進

文獻[15]考慮了負荷電流對兩相短路電流的影響，提出將實測的兩相短路電流歸算為同一點的三相短路電流，然后再與定值進行比較。這樣可以去除目前自適應保護定值里的故障類型系數Kd，克服了目前電流保護普遍存在的由于受負荷電流的影響而使保護在兩相故障時靈敏度降低的缺陷。

文獻[16]將分布式電源等效為注入電流，將保護背側網絡用等值阻抗表示，利用戴維南等值模型求得電壓和等值阻抗，仍然保留故障類型系數Kd，從而確定了自適應電流保護的整定值。

文獻[12]研究了逆變型分布式電源功率輸出與流過保護的故障電流的關系。由此得出，當逆變型分布式電源容量在0～50 MVA范圍內變化時，它與短路電流呈正比例關系。因此，提出根據DG功率輸出變化而反映故障電流變化的自適應保護。

2.4分區隔離改進

文獻[17]提出將DG上游、下游電流保護I段構成一個通信單元，依據這兩級保護動作結果判斷故障并將其隔離在最小范圍內。該方案在較高程度上依賴于通信單元，一旦通信失效，保護也隨之失效。

文獻[18]把分布式電源接在原電網的母線處，提出分區的概念，在分布式電源的上游區域配置方向縱聯保護和弱饋保護，下游區域仍保留過電流保護。

3距離保護的改進方案

在110～220 kV的配電網中，往往采用距離保護作為主保護，它比單一反應電流的電流保護靈敏度高。但是距離保護的保護范圍也受運行方式變化的影響，所以應對傳統距離保護作適當的調整，才能有效避免故障。

3.1附加分量自適應改進

文獻[19]提出了自適應接地距離保護的整定公式。該公式考慮了保護安裝處到短路點的線路正序阻抗，還考慮了由于兩側電勢相位差和過渡電阻引起的附加分量。該距離保護的動作特性隨著系統運行方式的變化作出相應的校正。

3.2附加邏輯改進

文獻[7]針對分布式電源接入配電網使分布式電源側距離保護拒動這一問題，提出在聯絡線兩側加裝必要的邏輯構成允許式方向縱聯保護，在分布式電源側加裝弱饋保護。

3.3附加阻抗改進

文獻[20]針對我國西北大規模風電基地輸送采用可控串補和可控電抗器的實際情況，提出一種考慮風電波動性的基于附加阻抗的輸電線路縱聯保護新原理。仿真結果表明，該原理具有較好的性能，適用于對風電送出聯絡線的保護。

4結束語

分布式電源接入電網對距離保護和差動保護還有待于學者進行更深入全面的探討。尤其是影響距離保護正確動作的過渡電阻、電壓互感器、電流互感器的誤差、電力系統振蕩等因素，影響差動保護正確動作的電流互感器的誤差和不平衡電流、導引線的阻抗和分布電容、感應過電壓等因素，可以通過尋找新的算法、新的保護裝置、新的技術來排除這些因素的影響。

目前，自適應保護是保護發展的重要方向，自適應行波保護將是自適應保護發展的重要方向。對故障信息的研究和充分利用是發掘繼電保護新原理的基礎。利用小波變換，尤其是利用二進小波變換實現故障檢測、行波檢測和識別，為自適應行波保護提供了實現的可能。

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Research on the Relay Protection for Distributed Generation Accessing to Power Grid

Abstract：The traditional relay protection is greatly affected by the difference between conventional power supply and distributed power supply at the time that the distributed power is connected to the power grid.Firstly,from the types of distributed power supply and the capacity of distributed power,the influence on the current protection is introduced,it is concluded that the larger the distributed power capacity is,the higher the short-circuit current is.Then,the influence on the distance protection is introduced from the accessing location of the distributed power supply and the characteristics of measurement voltage and current,and the conclusion is that the assisted increasing current produced by distributed generation and the frequency deviation are the main factors affecting the distance protection.By the ways of changing the tuning value,zoning isolation,and additional component and logic,etc.,the current and distance protection scheme is improved.Finally,the research prospect that adaptive protection is the important direction of protect development.

Keywords:Distributed generationLarge power gridRelay protectionCurrent protectionDistance protectionTuningEnergy-saving and emission-reduction

中圖分類號：TH-3;TP2

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605003

國家自然科學基金資助項目(編號：51367017)；

科技部國家國際科技合作專項基金資助項目(編號：2013DFG61520)。

修改稿收到日期：2015-11-27。

第一作者張堯(1982-)，女，現為新疆大學電力系統及其自動化專業在讀博士研究生；主要從事繼電保護方向的研究。