DG接入對微電網電流保護的影響

丁婧，王欣，鄭淑文，陳宇，孫仕奇

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DG接入對微電網電流保護的影響

丁婧1，王欣1，鄭淑文2，陳宇3，孫仕奇1

（1．國網湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北省 鄂州市 436000；2．國網河南省電力有限公司平頂山供電公司，河南省 平頂山市 467000；3．湖北華電西塞山發電有限公司，湖北省 黃石市 435001）

分布式電源(DG)接入微電網后，微電網由單源變為多源系統，會改變原有網絡的潮流分布以及故障短路電流流向，造成原有保護的靈敏度下降，出現誤動拒動等現象。分析DG接入位置與接入容量的不同對微電網保護的影響，并在PSCAD軟件上搭建微電網模型，接入DG，驗證DG接入位置不同以及接入容量不同對微電網電流保護的影響。

分布式電源；微電網；電流保護

0 引言

微電網是為了滿足用戶的需求而在用戶側安裝分布式電源(distributed generator，DG)的低壓配電網，主要由DG、負荷、儲能及控制裝置組成，與大電網結合具有能源利用率高、兼容環境、適應可再生能源等優點[1-5]。根據經濟性和實用性，我國中低壓配網一般采用傳統三段式電流保護。微電網與大電網并網運行時，與傳統配電網類似，但由于其含有高滲透率的DG，而DG“即插即用”的特性使得微電網的拓撲結構復雜多變，微電網中的潮流分布及故障時的電流大小和方向也受DG影響發生了根本性變化。DG對微網中的故障電流分布和傳統電流保護之間的整定配合關系都會產生影響，這些與DG的接入位置、接入容量和接入方式等有關[6-12]。

DG對微電網電流保護的影響由下列因素決定[13-15]：

1）DG接入位置。DG接入位置的不同導致DG與故障點的位置之間不同，線路阻抗不同導致提供的故障電流不同。

2）DG接入容量。DG接入容量不同導致DG接入阻抗不同，提供的短路電流不同。

3）DG接入方式。DG直接并網和通過電力電子裝置并網2種接入方式。通過電力電子設備并網的DG受限制故障時提供的短路電流很小，直接并網的DG故障時提供的短路電流大。

1 DG接入對微電網保護影響的理論分析

1.1 DG對微電網保護產生的影響與DG位置的關系

如圖1所示，S為大電網等效電源，DG為分布式電源，系統等效電源與分布式電源分別通過降壓變壓器與升壓變壓器接入微電網。母線電壓為10kV，線路保護裝置均采用電流保護。微電網末端接有負荷PQ1與PQ2。

圖1 簡單微電網結構示意圖

圖2 微電網等效電路圖

1）DG從母線C接入。

線路CD上f1點發生故障時，流過保護1、2、3的短路電流為：

2）DG從母線E接入。

線路CD上f1點發生故障時，保護3上的短路電流值：

僅由系統電源向故障點提供短路電流，保護3可準確切除保護范圍內的故障。

同時，保護4上的短路電流值：

DG提供的短路電流流過保護4，當其超過正向整定值時，有可能造成保護4誤動。

3）DG從母線F接入。

線路CD上f1點發生故障時，保護6上的短路電流值：

DG向故障點提供反向短路電流，當其超過正向整定值時，保護6有可能誤動作。保護1、2、3上的短路電流值：

通過保護1、2、3的故障電流由系統和DG同時提供，對故障電流起到了助增作用，電流速斷保護范圍將增大，甚至延伸至下一段，導致保護失去選擇性而誤動。

4）DG從母線B接入。

線路CD上f1點發生故障時，流過保護3的短路電流為

綜上所述，DG接入后對電流保護的影響主要包括4個方面：1）DG產生的助增作用。當DG在故障點上游時，線路的短路電流將由系統電源和DG共同提供，其短路電流值將增大，電流速斷保護范圍也隨之增大，可能導致保護裝置失去選擇性而誤動；2）DG產生的汲流作用。當DG在故障點上游時，DG將影響上游短路電流的分布，使上游線路的短路電流值減小，電流限時速斷保護范圍隨之減小，可能導致保護裝置因靈敏度降低而拒動；3）DG產生的反向作用。當DG在故障點下游或在相鄰饋線時，DG將向上游保護裝置提供反向短路電流，使其失去方向性而誤動；4）DG離故障點越近，對電流保護的影響越大。

1.2 DG對微電網保護產生的影響與DG容量的關系

1）線路CD發生故障。

線路CD上f1點發生故障時，流過保護3的短路電流值：

流過保護1和保護2的短路電流值：

2）線路DE發生故障。

線路DE上f1點發生故障時，DG向保護4提供反向電流，流過保護4的短路電流為

綜上所述，DG對微電網保護產生的影響與DG容量的關系主要表現在DG的容量將影響其阻抗的大小，從而短路電流值也隨之改變，對電流保護間的整定與配合關系間存在一定的影響。

2 DG接入對微電網保護影響的仿真分析

2.1 仿真模型的建立

圖3 簡單微電網模型

10kV的含兩饋線簡單微電網模型如圖3所示，系統額定電壓和額定容量為10.5kV和100MV×A，大電網電壓為110kV，變壓器采用D-yn11接線，變比為110/10.5kV，并通過PCC連接點與微網相連。DG額定容量均為8MV×A，輸出電壓為0.69kV。線路1、線路2和線路3為架空線(LGJ-120/25鋼芯鋁絞線)，線路阻抗單位長度的標幺值為0.245+j0.304，長度分別為3、3、4km；線路4、線路5為地下電纜(YJLV21-150/60銅芯交聯聚氯乙烯電纜)，線路阻抗單位長度的標幺值為0.254+j0.0717，長度分別為12、10km，相鄰饋線上線路6和線路7為架空線路，其阻抗單位長度標幺值為0.245+j0.304，長度分別為3、3km。線路負荷為4+j3MV×A。在各線路上裝設傳統電流保護裝置CB1—CB8。

2.2 DG接入對微電網保護影響的仿真結果分析

2.2.1 線路的傳統保護配置

首先考慮DG未接入微網時的保護配置，根據所搭建的微電網模型與系統參數，對各線路進行短路故障仿真，各線路的I段整定電流值如 表1所示。

由于線路的II段整定值需與下一級線路I段整定值相配合，根據表1的I段整定值計算出各線路的II段整定值如表2所示。

表2 各線路II段整定電流值與靈敏度

以上數據為所搭建微電網模型的各線路保護裝置參數要求。

2.2.2 DG接入位置不同對傳統保護的影響

為了研究DG接入位置不同對傳統保護的影響，保持DG容量不變，故障點位置固定，改變DG位置，對所搭建模型進行短路故障仿真。

假設DG分別從母線B2、B3、B4接入，當線路4末端發生三相短路時，各線路電流測量值如表3所示。

表3 各線路電流測量值

由表3可知，DG接入微電網后，微電網各線路上短路電流的分布將發生變化，DG上游的短路電流減小，DG下游的短路電流增大。在DG容量不變，故障位置固定，DG接入位置不同時，DG越接近故障位置，DG提供的故障電流越大。

線路4發生故障時，應由保護4切除故障，則線路4的電流保護I段整定值與保護范圍如 表4所示。

表4 線路4的故障電流整定值與保護范圍

由表4可知，DG接入后線路4末端短路電流值增大，且DG距離故障點越近，保護4測量的短路電流值越大。DG接入后保護4測量的短路電流增大，而傳統電流保護I段整定值相對較小，使保護4的保護范圍發生變化，DG接入母線4時尤為明顯，導致保護4的電流保護I段在線路5故障時因失去選擇性而誤動。

DG接入后對上游裝置的影響主要體現在電流II段保護上。為了研究DG對II段保護的影響，保持DG容量不變，改變DG和故障點位置，對所搭建模型進行短路仿真。

假設DG分別從母線B2、B3、B4接入，同時線路2、線路3、線路4分別發生故障，各線路電流測量值如表5所示。

表5 各線路電流測量值

由表5可知，DG的接入改變了故障電流的分布，受電流助增作用影響DG下游故障線路電流增大，而上游非故障線路電流比故障線路電流小。傳統II段整定值按限時電流速斷范圍不超過下一級線路電流速斷保護范圍整定。DG接入后各線路的傳統電流保護II段整定值與靈敏度如表6所示。

表6 各線路的電流保護II段整定值與靈敏度

由表6可知，傳統電流II段保護未涉及DG的汲流作用，DG下游故障線路電流增大，I段整定值增大，上游線路II段整定值相應增大，而實際流過上游非故障線路的短路電流小于流過下游故障線路的電流，導致傳統II段保護靈敏度降低，可能拒動而不滿足保護要求。

2.2.3 DG接入容量不同對傳統保護的影響

為了研究DG接入容量不同對傳統保護的影響，保持DG位置不變，故障點位置固定，改變DG容量，對所搭建模型進行短路故障仿真。

假設容量為4、6、8、10MV×A的DG分別從B4接入，線路4末端發生短路故障時，保護4測量的故障電流值與其對應的保護范圍見表7。

表7 保護4測量的故障電流值與其對應的保護范圍

由表7可知，當線路4末端發生短路故障時，在不改變DG接入位置情況下，DG接入的容量越大，保護4測量的故障電流越大，其保護范圍隨之增大甚至延伸至下一級線路，導致線路5故障時，保護4失去選擇性而誤動。

保護3的限時速斷保護范圍不應超過保護4的電流速斷保護范圍，保護3的II段保護整定值應大于保護4的I段保護整定值。保護3的II段整定值和各線路電流測量值如表8所示。

表8 保護3的II段整定值和各線路電流測量值

當線路4末端發生短路故障時，在不改變DG接入位置情況下，DG接入的容量越大，DG接入的容量越大，保護4測量的故障電流越大，保護3測量的故障電流越小，保護3的II段整定值按大于保護4的I段整定值進行計算，忽略了DG的汲流作用，使II段整定值偏高，靈敏度降低，導致保護3可能因靈敏度不足而拒動，且DG接入容量越大，此現象越為明顯。

綜上所述，在DG容量一定，故障點位置不變的情況下，改變DG的位置，或在DG位置一定，故障點位置不變的情況下，改變DG的容量，都將導致饋線上故障電流的分布發生了改變，DG下游線路因DG電流助增作用而導致故障電流增大，DG上游線路因DG電流汲流作用而導致故障電流減小，影響下游線路的I段保護和上游線路的II段保護，導致下游保護失去選擇性而誤動，上游保護靈敏度降低而拒動，對保護之間的整定配合關系造成了很大地影響，且此現象在DG越靠近故障點位置或DG容量越大時尤為明顯。

3 結論

分別從DG的接入位置和接入容量個方面分析微電網短路故障時，DG接入對微電網傳統電流保護所產生的影響，并通過PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建簡單的微電網模型對所述理論分析進行仿真驗證。1）DG的接入改變了微電網短路電流水平，對下游線路的短路電流具有助增作用，使DG下游I段保護范圍增大，導致微電網傳統電流I段保護因選擇性降低而誤動。同時DG離故障點位置越近，且DG容量越大，短路電流增大越明顯，對I段保護的影響越嚴重。2）DG下游故障時，DG上游線路的短路電流由于分流作用保護范圍將減小，導致傳統電流II段保護靈敏度降低而拒動。DG容量越大，短路電流減小的越多，II段保護拒動情況越明顯，II段保護的靈敏度越小。

因此傳統電流保護亟需改進，以適應拓撲結構多變的微電網。自適應電流保護的出現為解決上述問題提供了一些思路[12]。自適應電流保護能夠根據微電網運行狀態的改變而自適應調整電流保護定值，使其保護區域不受微電網運行狀態的影響。1）利用信息共享的方法實時獲取分布式電源的狀態信息在線計算并調整各保護裝置的定值；當本地保護單元檢修或拒動時，由保護中心替代其保護功能，實現遠程后備保護。2）利用線路在微電網內部故障與故障切除過程中電流存在的明顯差異特征，實現對負荷自啟動過程的準確識別：當連續兩次檢測到電流突變量大于設定門限值時，即認為負荷產生自啟動過程。可根據負荷變化而做出動態調整，從而構建自適應過電流保護方案。

[1] 武星，殷曉剛，宋昕．中國微電網技術研究及其應用現狀[J]．高壓電器，2013，49(9)：142-149．

[2] 周衛，張堯，夏成軍，等．分布式發電對配電網繼電保護的影響[J]．電力系統保護與控制，2010，38(3)：1-5．

[3] 李富生，李瑞生，周逢權．微電網技術及工程應用[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[4] 張建華，黃偉．微電網運行控制與保護技術[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[5] 何力，呂紅芳．考慮經濟性的多微電網優化調度研究[J]．發電技術，2018，39(5)：397-404．

[6] 周衛，張堯，夏成軍，等．分布式發電對配電網繼電保護的影響[J]．電力系統保護與控制，2010，38(3)：1-5．

[7] 龐建業，夏曉賓，房牧．分布式發電對配電網繼電保護的影響[J]．繼電器，2007，35(11)：5-8．

[8] 溫陽東，王欣．分布式發電對配電網繼電保護的影響[J]．繼電器，2008，24 (7)：12-14．

[9] 林霞，陸于平，王聯合，等．含分布式電源的配電網智能電流保護策略[J]．電網技術，2009，33(6)：82-89．

[10] 張鐵峰，高智慧，左麗莉，等．分布式光伏接入配電網的選址定容優化研究[J]．華北電力大學學報(自然科學版)，2019，46(1)：60-66．

[11] 賈科，汪執雅，戴明，等．分布式光伏接入對110 kV 主變中性點電壓的影響分析[J]．電力自動化設備，2018，38(11)：181-186．

[12]許健偉，安允展．分布式電源接入配電網的接入點選擇和定容研究[J]．電工技術，2018(10)：81-83．

[13] 韓海娟，牟龍華，郭文明．基于故障分量的微電網保護適用性[J]．電力系統自動化，2016，40(3)：90-96．

[14] 陶順，郭靜，肖湘寧．基于電流保護原理的DG準入容量與并網位置分析[J]．電網技術，2012，36(1)：265-270．

[15] 黃丹，陳樹勇，王瑋．基于廣域測量信息的電力系統暫態穩定控制技術研究[J]．發電技術，2018，39(5)：389-396．

The Impact of DG Access on Microgrid Current Protection

DING Jing1, WANG Xin1, ZHENG Shuwen2, CHEN Yu3, SUN Shiqi1

(1. State Grid Hubei Electric Power Co., LTD., Ezhou Power Supply Company, Ezhou 436000, Hubei Province, China; 2. State Grid Henan Electric Power Co., LTD., Pingdingshan Power Supply Company, Pingdingshan 467000, Henan Province, China; 3. Hubei Huadian Xisaishan Power Generation Supply Company, Huangshi 435001, Hubei Province, China)

When distributed generator (DG) is connected to the microgrid, the microgrid will change from single source system to multiple source system, which will change the power flow distribution and fault short-circuit current flow of the original network, the sensitivity will decrease, and the phenomenon of false rejection will occur. In this paper, the influence of DG on the protection of microgird is analyzed, and the model is built on the PSCAD. The effect of DG on the protection of microgird is verified.

distributed generator; microgird; current protection

10.12096/j.2096-4528.pgt.18192

2018-11-05。

丁婧(1992)，女，碩士，研究方向為電力系統繼電保護，503673557@qq.com。

丁婧

(責任編輯 辛培裕)