儲能電站接入對配電網保護的影響分析

洪 亮，陳 旸，戴人杰

(1.國網福建省電力公司福州供電公司，福州 350000；2.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

儲能電站接入對配電網保護的影響分析

洪 亮1，陳 旸2，戴人杰2

(1.國網福建省電力公司福州供電公司，福州 350000；2.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

儲能系統接入配電網會對配電網運行及保護帶來很大影響。儲能系統既可以作為電源向電網輸送功率，也可以作為負荷從電網中吸收功率，其運行具有很大的隨機性，儲能系統與配電網之間傳輸功率的大小也是不確定的?；谂潆娋W傳統保護基本原理，分別在儲能系統作為負荷和作為電源兩種狀態下，分析了儲能系統接入對配電網運行及保護的影響。針對儲能系統作為電源狀態接入配電網，分別分析了儲能電站接入對接入點下游線路和上游線路兩個方向的影響。最后，針對影響情況提出相應的保護改進方案。

儲能系統；反時限過電流保護；電流速斷保護

近年來，儲能電站已成為配電網削峰填谷、提高運行穩定性及實現需求側管理的一種有效手段[1]。大型儲能電站作為分布式電源接入配電網，勢必會改變配電網絡的拓撲結構和潮流方向，使原來簡單的單電源輻射型網絡變成復雜的多電源網絡。同時，由于逆變器最大輸出電流一般為其額定電流的1.2～2.0倍，因此對傳統配電網保護的影響較大[2-3]。另外，由于部分支路的保護可能會出現誤動、拒動情況，重合閘元件可能檢無壓失敗、無法成功重合等，會影響配電網繼電保護裝置的正常運行[4]。

文獻[5]探討了電流保護、距離保護等在配電網中的應用，仿真分析了分布式能源接入對距離保護靈敏度的影響，但沒有研究分布式電源的故障特性，也缺乏分布式能源接入的有效解決方案。文獻[6]提出了一種含分布式電源的配電網距離保護自適應方案，但沒有考慮逆變型電源輸出電流的限制特性，因此其結論不夠完備。文獻[7]分析了距離保護在含分布式電源接入配電網中的運用，并結合實際數據論證了距離保護的可行性，但沒有考慮到逆變型電源的非線性輸出特性，對分布式電源接入的影響分析也不夠深入。

本文基于配電網傳統保護基本原理，分別在儲能系統作為負荷和作為電源兩種狀態下，分析儲能系統接入對配電網運行及保護的影響。

1 儲能系統負荷狀態對配電網保護的影響

當配電網本地負荷水平較低并且系統負荷處于波谷時，電池儲能系統(BESS)作為負荷接入配電網并吸收功率。配電網線路一般配置反時限過電流保護和電流速斷保護[8]，因此著重研究BESS作為負荷接入后對這兩種保護帶來的影響。

1.1 反時限過電流保護

反時限過電流保護以系統正常運行時的最大負荷電流作為計算啟動電流的基礎。當BESS以負荷狀態運行時，會增大接入點上游線路的正常工作電流。若BESS從電網中吸收功率較小，則線路過負荷情況不嚴重，原有的保護定值仍然適用；而當BESS吸收功率較大時，線路的工作電流可能大于線路反時限過電流保護的啟動電流，正常運行時可能導致保護誤動。

BESS負荷狀態下對配電網保護的影響如圖1所示。若BESS充電功率較大，則線路1、2、4可能過載，線路電流值超過反時限過電流保護的整定值，若持續運行則會導致保護4誤動。

圖1 BESS負荷狀態下對配電網保護的影響

1.2 電流速斷保護

配電網中的架空線路可能裝設電流速斷保護，BESS作為負荷運行時，對電流速斷保護的影響和對反時限過電流保護的影響基本相同，即當BESS充電功率很大時，會導致接入點上游線路過載，嚴重時將會超過電流速斷保護的整定值，導致上游線路保護誤動，引發較大面積停電事故[9-10]。

1.3 影響分析及改進措施

BESS以負荷狀態運行時，對配電網保護的影響主要是負荷量過大導致的線路過載，導致保護誤動作。這種情況是BESS充電功率過大的極端運行狀態，此時BESS需要從配電網吸收比較多的電能。在不改變BESS接入方案的前提下，要保證BESS在不同充電功率狀態運行，配電網線路都不會過負荷誤動，可以考慮在BESS接入點上游可能過載的線路裝設自適應保護，即保護能夠根據BESS充電功率自動的調整定值，保證在小負荷時定值較小，出現故障可靠動作；大負荷時定值變大，正常運行時保護不誤動。

但這種極端情況的發生，是由于對BESS容量規劃及接入位置等考慮不周造成的，可以通過合理計算BESS容量、配電網負荷水平，合理選擇BESS接入配電網的位置來解決。在圖1中，若Bus4所帶負荷較小，則線路4負荷水平較低，保護整定值也會偏低。在這種情況下，如果BESS充電功率較大，則應該考慮將BESS接入上級母線，保證大功率充電時不會造成供電線路過載使保護誤動。

由此可知，不合理的BESS規劃設計和接入設計會對配電網保護帶來不必要的影響，可以通過合理的設計方案來避免這種影響。

2 儲能系統電源狀態對接入點下游線路保護的影響

當配電網負荷水平較高，負荷處于波峰時，需要BESS向配電網輸送功率，以滿足配電網負荷需求。此時BESS相當于一個分布式電源接入配電網，會對配電網運行及保護帶來多方面的影響。BESS接入對接入點下游線路和上游線路兩個方向的影響也不同，需要分別進行研究。搭建如圖2所示配電網結構，并設定BESS接入點為Bus3，研究BESS向配電網送電對下游線路4、6、8、9保護的影響。

圖2 BESS電源狀態對配電網下游保護影響

2.1 反時限過電流保護

BESS接入配電網后，對下游線路裝設的反時限過電流保護影響較小。如圖2所示，當BESS下游的線路4、6、8、9出現故障時，BESS會向故障點提供助增電流，使故障電流增大，加速保護的動作。分別以線路9末端、線路4首端三相短路為例，通過對BESS未接入和接入后的仿真對比，驗證BESS助增作用對線路反時限過電流保護的影響。

2.1.1線路9末端故障

(1) BESS未接入。當線路9末端發生三相短路時，線路4、8、9流過故障電流，在反時限過電流保護作用下，線路9的繼電器動作于跳閘，切除故障。當BESS未接入時，線路9末端0.2 s發生三相短路，線路流過電流和保護9的動作情況如圖3所示。

圖3 配電網2線路9電流及斷路器9動作曲線

(2) BESS接入。當BESS向配電網送電時，線路9末端三相短路，在BESS的助增作用下，流過線路4、8、9的故障電流更大。線路4、8雖然有助增電流流過，但助增電流同樣流過線路9，并且線路9的反時限整定時間最短，所以線路4、8的繼電器在繼電器9正確動作的前提下不會誤動。線路9的繼電器最快動作于跳閘，并且在助增電流作用下，比BESS未接入時更快動作切除故障。當線路9末端0.2s發生三相短路，BESS向配電網送電，線路9流過電流和繼電器9的動作情況如圖4所示。繼電器9的故障切除時間見表1。

圖4 配電網電流及斷路器9動作曲線

表1 繼電器9的故障切除時間

2.1.2線路4首端故障

(1) BESS未接入。當線路4首端發生三相短路時，線路4流過故障電流，上游線路1、2也會流過故障電流，在反時限過電流保護作用下，線路4的繼電器動作于跳閘，切除故障。線路4首端0.2 s發生三相短路，BESS未接入時，線路2、4流過電流和繼電器4的動作情況如圖5所示。

圖5 配電網2線路2、4電流及斷路器4動作曲線

(2) BESS接入。當BESS向配電網送電時，線路4首端三相短路，線路1、2的故障電流不受影響。在BESS助增作用下，流過線路4的故障電流更大，繼電器4比BESS未接入時更快動作跳閘。線路4首端0.2 s發生三相短路，BESS向配電網送電，線路2、4流過電流和繼電器4的動作情況如圖6所示。繼電器4的故障切除時間如表2所示。

圖6 配電網2線路2、4電流及斷路器4動作曲線

表2 繼電器4的故障切除時間

2.2 電流速斷保護

BESS接入配電網后，對下游線路裝設的電流速斷保護有較大影響。如圖1所示，當線路4、6、8、9發生故障時，BESS會向故障點提供助增電流，助增電流雖然不會使反時限過電流保護誤動，但是卻有可能造成電流速斷保護的誤動。以線路6首端發生三相短路為例進行仿真驗證。

(1) BESS未接入。當線路6首端發生三相短路時，線路4、6流過故障電流，而按照電流速斷保護的整定原則，故障點位于斷路器4的電流速斷保護區外，由繼電器6的電流速斷保護瞬時動作切除故障。線路6首端0.2 s發生三相短路，BESS未接入時，線路4、6流過電流和繼電器4、6的動作情況如圖7所示。

圖7 配電網2線路4、6電流及斷路器4、6動作曲線

(2) BESS接入。當BESS接入，并向配電網送電時，線路6首端三相短路，在BESS的助增作用下，流過線路4的故障電流會變大，可能導致斷路器4的電流速斷保護的誤動。線路6首端0.2 s發生三相短路，BESS向配電網送電，線路4、6流過電流和繼電器4、6的動作情況如圖8所示。從圖8中可以看出，BESS接入后，線路4、6流過的故障電流都變大，在繼電器6動作電流速斷保護跳閘的同時，繼電器4的電流速斷保護也誤動作，使得故障范圍擴大，Bus4上所帶其他負荷失電。

圖8 配電網2線路4、6電流及斷路器4、6動作曲線

2.3 影響分析及保護改進措施

2.3.1影響分析

從BESS接入系統對反時限過電流保護和電流速斷保護影響的分析和仿真結果可以看出，BESS接入對接入點下游線路的反時限過電流保護影響不大，助增電流的存在會加速故障時繼電器的動作，但不會引起上游保護誤動。BESS接入容量的變化會改變助增電流的大小，但都能保證故障線路繼電器加速動作，并且不會引起區外保護誤動。

對于電流速斷保護，BESS接入容量的變化直接影響保護的可靠性。當接入容量較小時，助增電流也較小，故障時電流增大量較小。對圖2所示的配電網，當線路6在30%處發生三相短路時，若BESS接入容量較小，則線路4短路電流增大也較少，保護4不會發生誤動。而當BESS接入容量較大時，助增電流也較大，就有可能使故障線路相鄰上一線路故障電流過大，超過其電流速斷保護定值，引起誤動，擴大故障范圍，帶來不必要的停電損失。

2.3.2改進措施

從影響分析可以看出，對接入點下游線路，主要是電流速斷保護會受到助增電流的影響，可能誤動，針對這一點。BESS下游線路可以盡量不采用電流速斷保護。在BESS下游，建議直接在所有線路設置反時限過電流保護，可以較好地適應BESS接入后對配電網保護帶來的影響。

3 儲能系統電源狀態對接入點上游線路保護的影響

搭建如圖9所示配電網，并設定BESS接入點為Bus3，研究BESS向配電網送電對上游線路 1、2、3保護的影響。BESS接入后，對上游線路，系統和BESS之間線路由原本的單端電源供電，變為雙端電源供電，線路潮流可能反向，對配電網原有保護會造成較大影響。

圖9 BESS電源狀態對配電網上游保護影響

3.1 反向故障電流引起保護誤動

如圖9所示，當線路2發生故障時，BESS會向故障點注入反向故障電流，但是不會影響配電網原有保護2的可靠動作。當線路1或3發生故障時，BESS都會經線路2向故障點提供故障電流，線路2流過的反向故障電流會對線路2的保護帶來很大的影響，可能使線路2保護誤動。以線路1末端三相短路為例進行仿真驗證。

(1) BESS未接入。當線路1末端發生三相短路時，線路1流過故障電流，繼電器1的反時限過電流保護可靠動作切除故障，故障消除后，對斷路器1進行重合，恢復整個配電網的供電。線路1末端0.2 s發生三相短路，線路1、2流過電流和繼電器1、2的動作情況如圖10所示。

圖10 配電網3線路1、2電流及斷路器1、2動作曲線

(2) BESS接入。當BESS接入并向配電網送電時，線路1末端三相短路，BESS經線路2向故障點提供反向故障電流，反向電流過大可能導致繼電器2的保護誤動。線路1末端0.2 s發生三相短路，BESS以送電狀態接入時，線路1、2流過電流和繼電器1、2的動作情況如圖11所示。

圖11 配電網3線路1、2電流及斷路器1、2動作曲線

從圖11中可以看出，BESS接入后，0.2 s發生故障時，線路2的短路電流由原來的基本為0，變得很大，該故障電流即BESS向故障點提供的反向故障電流，這一電流造成了繼電器2保護的誤動。在恢復供電時，如果僅對斷路器1進行重合，則不能完成區域供電，必須同時考慮斷路器2的重合，才能保證整個配電區域的供電。

3.2 潮流反向引起保護誤動

在圖9所示的配電網中，若BESS接入點為Bus4，則配電網結構如圖12所示。當BESS向配電網輸送功率較大，而接入點下游負荷水平較低時，線路4的潮流方向可能反向，若反向輸送電量較多，則可能引起線路4反向潮流電流過大，斷路器4的保護誤動。以BESS接入Bus4，向配電網送電為例進行仿真，研究保護的動作特性。

圖12 BESS電源狀態對配電網上游保護影響

(1)BESS未接入。當BESS未接入時，線路4上流過的電流為下游負荷電流，線路4電流和斷路器4動作曲線如圖13所示。

圖13 配電網4線路4電流及斷路器4動作曲線

(2)BESS接入。當BESS接入，并向配電網送電時，會向上游負荷提供電能，在正常運行無故障時，該負荷電流反向流經線路4，可能導致斷路器4誤動。線路4電流和斷路器4動作曲線如圖14所示。從圖14中可以看出，BESS接入后，流經線路4的電流有顯著增大，即BESS經線路4提供的反向負荷電流，則在配電網未出現故障時，該反向負荷電流已超過斷路器4反時限過電流保護的啟動值，在此狀態連續運行0.13 s左右，斷路器4誤動作。

圖14 配電網4線路4電流及斷路器4動作曲線

3.3 影響分析及改進措施

3.3.1影響分析

從兩種BESS接入情況分析可以看出，對接入點上游線路，BESS對配電網原有保護帶來的最大影響是反向潮流引發的保護誤動。這種誤動主要有兩種情況。

(1)由于反向故障電流較大引起誤動，即BESS上游線路故障，BESS反向從而向故障點提供短路電流，導致流經反向故障電流的線路的保護誤動。

(2)反向潮流引起的反時限過電流保護誤動，這種情況下BESS容量不同對保護的影響結果也不同。當BESS接入容量較小時，只有較少電量可以向電網輸送，并不會向接入點上游反向供電，此時，相關保護不會誤動。在BESS接入容量較大，并且接入點下游負荷很小的情況下，BESS可能向上游線路倒送電。而反時限過電流保護的啟動電流是按照躲開線路最大負荷電流整定，因此BESS倒送電量至少需要達到線路最大負荷容量才能引起上游線路保護誤動，即BESS輸送功率至少為“下游最小負荷容量+下游最大負荷容量”，才可能引起接入點上游保護的誤動。

3.3.2改進措施

針對反向故障電流。針對BESS提供反向故障電流使上游線路保護誤動的情況，可有以下幾種改進措施：

(1)裝設方向電流保護。在BESS接入點上游線路發生故障時，BESS會反向向故障點輸送故障電流，該故障電流過大，可能導致流過反向電流的線路保護誤動。在可能流經反向故障電流的線路上裝設方向電流保護，可以有效避免這種誤動情況的發生。圖9中，線路1、3故障，BESS都會經線路2向故障點輸送故障電流，這一反向故障電流可能導致線路2保護的誤動，圖11中已經進行了仿真驗證。如果在線路2裝設方向電流保護，僅在流過正向故障電流時保護動作，流過反向電流時保護閉鎖，可以很好地避免BESS反向故障電流誤動的情況，裝設方向電流保護后的仿真結果如圖15所示。從圖15中可以看出，當線路1末端0.2 s三相短路時，線路2流過了較大的反向故障電流，但是保護2沒有誤動作，而是由保護1動作切除故障。

圖15 配電網3線路1、2電流及斷路器1、2動作曲線

(2)裝設差動保護。在可能流過反向電流的線路裝設差動保護，圖9所示的配電網在線路2上裝設差動保護，可有效避免線路2的雙向潮流問題，使得區外故障保護不誤動。差動保護需要在線路兩端加裝測量元件，還需要加裝通信線路，成本較高。但是對BESS上游線路，并不是所有線路都存在雙向潮流問題。圖9中，線路1、2、3都處于BESS上游，但僅有線路2會有反向故障電流流過，線路1、3都不存在這一問題。所以在進行保護改造時，可以先對整個配電網絡進行分析，找出可能因潮流反向造成保護誤動的線路，有針對性的對這些線路保護進行升級改造，提高改進方案的經濟性，同時保證整個配電網保護的可靠動作。

針對反向潮流在圖12中，BESS從Bus4接入。正常運行時，BESS可能反向供電，流經線路4的反向供電電流過大，可能在正常運行時導致線路4的保護誤動。圖14對這種情況進行了仿真驗證。這是一種配電網本地負荷小，并且BESS輸出功率較大的極端運行狀態。這種反向供電電流誤動的情況，可以通過在可能存在雙向潮流的線路上裝設方向電流保護或差動保護，來避免反向電流誤動的情況。這種極端情況的發生，同樣是由于對BESS容量規劃及接入位置，運行控制等考慮不周造成的，應該通過調整BESS設計方案、合理選擇接入位置，合理安排運行狀態來避免。

4 結語

BESS接入配電網中，會對配電網原有保護帶來很大影響?；谂潆娋W電流速斷保護以及反時限過電流保護原理，分析了BESS對其帶來的影響。將BESS接入分為負荷狀態和電源狀態兩種情況，在電源狀態下對上下游線路的影響也不盡相同，如表3、表4所示。

表3 BESS負荷狀態對配電網保護影響

表4 BESS電源狀態對配電網保護影響

表5 BESS接入配電網保護改進方案

本文研究內容能夠為含BESS接入的配電網繼電保護提供可靠性評價標準，并對BESS接入提供設計參考標準，具有一定的實用價值。

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InfluenceofEnergyStorageStationAccessonDistributionNetworkProtection

HONG liang1, CHEN Yang2, DAI Renjie2

(1. Fuzhou Power Supply Company; State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350000, China; 2. Songjiang Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201600, China)

Energy storage system access to power network will have a great impact on the operation and relay protection of distribution network. Energy storage system can be used not only as power supply to the grid , but also as a load to absorb power from the power grid, so its operation has a great randomness. Between energy storage system and distribution network, the size of the transmission power is uncertain. Based on the basic principle of traditional relay protection of distribution network, this paper analyzes the influence of energy storage system access on the operation and protection of distribution network under the condition of energy storage system as load and as power supply. In the case of the energy storage system as the power supply access to the network, the influence of the access of the energy storage power station on the downstream line and the upstream route of the access point is analyzed respectively. Finally, a corresponding relay protection improvement program is proposed for the influence.

energy storage system; inverse time over-current protection; current quick-break protection

10.11973/dlyny201705024

洪 亮(1981—)，男，工程師，從事電力系統運行與電力營銷工作。

TM773

A

2095-1256(2017)05-0598-08

2017-08-13

(本文編輯：趙艷粉)

電力簡訊

國家發改委明確壟斷行業價格改革的五大重點

國家發展改革委日前公布關于進一步加強壟斷行業價格監管的意見，并明確近期工作的五大重點，主要包括：(一)輸配電價格。研究核定增量配電網和地方電網配電價格，加快形成完整的輸配電價監管體系。研究制定輸配電成本和價格信息公開辦法以及分電壓等級成本核算、歸集、分配辦法。研究建立電力普遍服務、保底服務的成本回收機制，妥善處理并逐步減少政策性交叉補貼。(二)天然氣管道運輸價格。依據已出臺的定價辦法和成本監審辦法，深入開展跨省長途管道運輸成本監審，合理制定價格水平，適時完善監管規則。強化省內短途管道運輸和配氣價格監管。(三)鐵路普通旅客列車運輸價格。依據已出臺的定價成本監審辦法，全面開展普通旅客列車運輸成本監審，2017年底完成成本監審工作，提出完善普通旅客列車硬座硬臥票價形成機制的意見。(四)居民供水供氣供熱價格。制定完善居民供水供氣供熱成本監審辦法、定價辦法，力爭2020年前實現全覆蓋。強化供水成本監審，完善供水成本公開制度。優化居民用氣階梯價格制度，減少交叉補貼。推進北方地區清潔供暖，落實煤熱、氣熱價格聯動機制，開展供熱成本監審，按照“多用熱、多付費”原則，逐步推行基本熱價和計量熱價相結合的兩部制價格制度。(五)壟斷行業經營服務性收費。清理規范壟斷行業經營服務性收費，取消違規不合理收費，推動降低偏高收費標準。保留政府定價管理的，要納入收費目錄清單，2017年底前統一向社會公示，接受社會監督。由企業依法自主定價的，要落實明碼標價規定，明確收費項目名稱、服務內容和收費標準。已通過價格回收的成本，不得另行收費補償。加大執法力度，嚴禁利用優勢地位強制服務、強行收費或只收費不服務、多收費少服務。

(本刊訊)