含分布式電源的計劃內孤島保護方案研究

陶軻，齊貝貝，黃磊

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京　211100）

含分布式電源的計劃內孤島保護方案研究

陶軻，齊貝貝，黃磊

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京211100）

分布式電源的接入改變了傳統配電網的結構與特性，降低了傳統繼電保護技術的適用性。本文分析了分布式電源接入對于配電網保護的影響，對含分布式電源的配電網進行了分區，以采用有針對性的保護方案。隨后基于饋線自動化（Feed Automation，FA）系統設計了兼容分布式電源的保護方案。最后，對保護動作后形成的含分布式電源的計劃內孤島內故障的切除方案進行了設計。并通過仿真算例驗證了相應的保護方案的有效性。

分布式電源；配電網保護；饋線自動化；計劃內孤島

分布式電源作為未來能源的發展方向，具有可持續性，清潔性等特點。分布式電源由于容量較小，通常以微電網或直接接入方式并入配電網運行［1-2］。分布式電源的并入改變了傳統配電網的輻射型網絡結構，其注入的有功及無功功率改變了傳統配電網的大小及流向。當分布式電源以微電網形式接入時，故障發生后，分布式電源將脫離配電網，以計劃內孤島方式脫網運行，由于分布式電源具有慣性小，承流能力差的特點，這使得分布式電源以計劃內孤島方式運行時，不具有既輸出故障電流，又為保護裝置提供必要故障信息的能力。

為了使得含分布式電源配電網具有更為良好的保護性能，文中提出了分區管理的方式，即當故障發生在配電網線路上時，利用饋線自動化系統（Feed Automation System，FA）與分布式電源的并網點保護相互配合切除故障；當故障發生在微電網中時，優先斷開PCC（Point of Common Coupling）節點，使得分布式電源以計劃內孤島方式運行，進一步結合已有的逆變器電源故障后控制方式提出新的故障處理方案，并結合算例說明了其有效性。

1　分布式電源接入對于配電網保護的影響

分布式電源的接入將會導致配電網潮流分布的改變，如圖1所示。

圖1　分布式電源直接接入的配電網

在接入逆變器電源DG2后，對同一故障點F1而言，母線側的故障電流減小，而下游流經的故障電流增大，產生的結果會使上游的保護范圍減小，同時下游的保護范圍增大。從上述分析可見，含分布式電源的配電網繼電保護若直接采用配電系統中傳統的三段式電流保護，會使其性能劣化，甚至失去選擇性［6］。

如圖2所示，當分布式電源以微網形式接入，并且故障F1發生在微網內部，PCC點并網保護裝置將會動作，使得K1斷開，分布式電源將脫網以計劃內孤島方式運行，此時，由于分布式電源作為唯一提供故障信息的來源，而分布式電源無法在故障后既輸出故障電流，又為保護提供可靠保護信息，導致故障無法定位切除，最后計劃內孤島將會解列，對供電可靠性產生影響。

圖2　分布式電源以微網形式接入的配電網

圖3　含分布式電源接入的配電網典型結構

2　含分布式電源配電網的分區保護方案

圖3為典型分布式電源配電網典型結構圖。DG1，DG2以直接接入方式并網運行，DG3，DG4以微網形式并網運行，當故障發生在原配電網線路上（虛線內）時，根據故障點的不同，饋線自動化裝置配合分布式電源的并網保護裝置切除故障；當故障發生在DG1，DG2出口處時，DG1，DG2并網保護裝置K1，K2動作將DG1，DG2從配網中解列；當故障發生在微網內部（實線內），公共連接點的并網保護裝置將使得K3動作，DG3，DG4形成的計劃內孤島脫網運行。

2.1故障發生于原配網線路

饋線自動化，又稱配電線路自動化，按照國際電氣電子工程師協會（IEEE）對配電自動化的定義，饋線自動化系統（FAS一Feeder Automation System）是對配電線路上的設備進行遠方實時監視、協調及控制的一個集成系統。故障發生時，FA系統可以實現故障檢測、故障定位、非故障區段的恢復等功能［4-5］。

當故障發生在離逆變器電源出口處較近的位置時，將會導致逆變器電源輸出電流增大，并網保護裝置動作，所以必須考慮并網保護裝置與FA的配合問題。無論并網保護裝置是否動作，根據FA的故障定位邏輯，FA都可以定位并切除故障，但當故障發生在離逆變器電源出口處較近的位置時，可能產生的過電流會對逆變器電源產生一定的不利影響，所以設定并網保護裝置動作先于FA動作，其目的在于避免可能產生的過電流對逆變器電源的破壞。

圖4　故障后保護動作示意圖

如圖4所示，當開關K1，K2之間發生故障，由于故障點距逆變器電源較近，故障發生時，并網點保護裝置將優先動作，跳開K7，K8，將DG1，DG2從配電網中解列。接著CB1，K1，K2所在終端檢測到故障電流，并上報故障信息給FA控制器。FA控制器根據拓撲信息，開關K1上報故障而開關K2沒有上報，則定位故障點在K1，K2之間，FA控制器給終端下發指令，跳開開關K1，K2。FA控制器收到K1，K2隔離成功信息，合開關CB2，恢復對非故障區域K3～K6之間的供電。

2.2故障發生于微電網內部

分布式電源以直接并網或微電網形式并網運行。當分布式電源采用直接并網方式并網時，故障發生時保護裝置將分布式電源從配電網系統中直接解列；而當分布式電源以微電網形式接入時，無論故障發生在微電網內部或者配電網絡，故障發生時都將優先將微電網從配網中切除，微網以計劃內孤島方式獨立運行。當故障發生在微網內部，需由分布式電源單獨提供故障信息，而由于其承流能力的限制，在正?？刂品绞较拢收蠒r無法輸出故障電流，導致保護裝置拒動。

文獻［6］提出了一種逆變器電源故障后控制方式，即通過阻抗限流器（Fault Current Limiter，FCL）的投入與占空比調節，達到故障時逆變器電源既不閉鎖輸出，又可以為保護裝置提供故障信息的目的。然而由于FCL的投入使得線路阻抗遠遠小于系統側阻抗，導致過電流保護保護范圍較小，難以滿足要求；對于電壓保護而言，故障后的控制方式下能有較高的靈敏度，但是微網中線路長度較短，各節點電壓的跌落幅度相差不大，單獨使用低電壓保護會存在誤動作情況。

由此提出了利用電流閉鎖電壓保護作為分布式電源計劃內孤島運行的線路保護方案，電流閉鎖電壓保護利用電壓元件控制保護區，保證動作選擇性，按躲過本線路末端線路末端短路故障整定；電流元件作為閉鎖元件，按保證本線路末端故障有足夠的靈敏度整定。有效的保證了選擇性與可靠性。

對于幾個檢測元件構成的整套保護，因為各個檢測元件擔任的任務不同，對它們的靈敏度的要求也不同，一般應滿足：

閉鎖元件的Klm＞起動元件的Klm＞測量元件的Klm，因而上述的保護策略對電壓、電流保護提出了最低要求：

低電壓保護范圍：

過電流保護范圍：

Zm為電源系統阻抗；ZL為線路阻抗；Kk為可靠性系數。

3　算例分析

下面通過一個典型微電網算例在故障后控制方式下，對故障下的響應特性進行分析。

3.1保護性能分析

圖5為一個含逆變器電源的微電網配電系統。系統線電壓為400 V，中性點接地運行，線路長度如圖 5所示，線路單位長度序參數為X1=X2=0.0723Ω/km，R1=R2=0.253Ω/km，逆變器電源DG1為VF控制電源（提供電壓支持），最大輸出功率（容量）為15 kVA；DG2為可變功率電源，最大輸出功率為20 kW，功率因數為0.95；所有逆變器電源最大輸出電流均為其額定電流的2倍；當開關K1閉合時，微電網處于并網運行狀態，反之則為孤島運行狀態。通過設定各開關（斷路器）的狀態使微電網運行于不同模式，其中L3、L6、L7、L8構成環網，可以開環運行（K12、K13打開），也可以閉環運行（開關全部閉合）。

當微電網內部發生故障時，PCC點開關K1打開，微電網脫網獨立運行，分布式電源進入故障后控制方式。

表1為分布式電源故障后控制下，電流閉鎖電壓保護的性能，可以看出I段的定值難以滿足線路的瞬時動作要求，同時不同位置的低電壓保護定值相差很小，容易發生誤動作。究其根本原因是由于微電網自身線路阻抗很小，而串入逆變器電源的限流器件阻抗較大，導致了線路上的電流保護區縮小，線路間的殘壓相差不大。

3.2故障后控制方式改良

圖5　典型含分布式電源接入配電網示意圖

表1　故障后控制方式下的保護性能

當計劃內孤島運行的分布式電源發生故障時，其故障電流主要取決于分布式電源故障后控制方式，為了提升線路保護的性能，對原有的故障后控制方式進行了合理的改進。如圖6所示，將集中串入逆變器電源側的大電抗分散到每個線路保護的出口處，一旦微電網的線路發生故障，可以根據故障點的不同，協調控制故障限流器的投入，合理地調節逆變器電源的功率器件輸出。

圖6　逆變器電源故障后控制的改進方案

表2　改進后故障后控制方式下的保護性能

如表2所示，這種改進方案有效的增加了保護線路側阻抗大小，減小了背側系統的阻抗，不僅改善了過電流保護的有效動作范圍，而且提高了保護出口的殘壓，使得與相鄰母線上的故障電壓相差明顯，有利于故障的準確定位。

4　結束語

文中通過分析分布式電源接入對于傳統配電網的影響，合理地提出了針對于含有分布式電源接入的配電網的分區管理策略，對不同區域的故障采取不同的處理措施。當故障發生在原配電網網絡中，優先切除分布式電源，結合FA裝置快速動作，可靠切除故障；當故障發生在微電網中，并網點保護優先動作，使得微電網脫網孤網運行，同時逆變器電源進入故障后控制方式，結合電流閉鎖電壓保護的線路保護方案可以更為準確地切除故障，進一步的，通過對原有故障后控制方式的改良，提升了保護性能，加強了微電網穩定安全運行能力。

［1］李永麗，金強，李博通，等.低電壓加速反時限過電流保護在微電網中的應用［J］.天津大學學報，2011，44（11）：955-960.

［2］Piagi P，Lasserters R H.Autonomous control of microgrids［C］//Proceedings of 2006 IEEE Power engineering Society General Meeting，Jun18-22，2006，Montreal Quebec，Canada. Piscataway，NJ，USA：IEEEE，206：8-15.

［3］Dimeas A L，Hatzeargyriou N D.A MAS architecture formicrogrids control［C］//Proceedings of the 13th International conference on Intelligent systems Application to Power Systems，Nov6-10，2005，Washington DC，USA.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2005：420-406.

［4］許健，趙春雷，喬峰，等.針對多分布式電源的孤網繼電保護［J］.電網與清潔能源，2012，31（2）：78-82.

［5］徐丙垠.饋線自動化技術［J］.電網技術，1998，22（22）：55-60.

［6］林功平.配電網饋線自動化技術及其應用［J］.電力系統自動化，1998，22（4）：65-68.

［7］周海成.含分布式電源配電網絡繼電保護應用研究［D］.昆明：昆明理工大學，2011.

［8］李瑞生.微電網關鍵技術實踐及實驗［J］.電力系統保護與控制，41（2）：74-78.

Research on the protection scheme of the intentional island with distributed power supply

TAO Ke，QI Bei-bei，HUANG Lei
（College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

The distributed power access has changed the structure and characteristics of the traditional distribution network，and reducetheapplicabilityoftraditionalrelayprotectiontechniques.Thispaperanalyzestheinfluenceofthedistributedpowersupply ontheprotectionofthedistributionnetwork.Theprotectionschemeisproposedbasedonthepartitionofthedistributionnetworkwith distributed power supply.Then compatible protection scheme of distributed power is designed with the feeder automation system. Finally，aschemeforthefaultremovalintheintentionalislandisproposed，itsvalidityisverifiedbysimulation.

distributed generation（DG）；distribution network protection；feeder automation；planned island

TN302

A

1674－6236（2016）06-0053-03

2015-10-13稿件編號：201510070

陶 軻（1991—），男，湖北云夢人，碩士研究生。研究方向：分布式電源及微電網保護。