淺析分布式電源對配網繼電保護影響

吳義純，李鐵柱，徐結紅，房雪雷，秦曉佳，田彥

（1.國網安徽省電力有限公司培訓中心；2.安徽電氣工程職業技術學院；3.國網合肥供電公司，安徽 合肥 230022）

分布式電源(Distributed Generation,DG)一般是利用風能、太陽能等綠色清潔能源發電，因低碳環保得到政策支持，其容量和投資小，發展快。分布式電源一般就近在用戶端進行布置，具有不少優勢：能降低線損，能源可利用效率高；為電網末端提供電壓支持，提高電能質量；電網故障時，部分配電網利用微網運行來給重要負荷供電，提高了系統供電的可靠性。但是，常規配電網是單電源的放射狀鏈式結構，正常運行時的潮流和故障電流方向單一，分布式電源接入后，配網的潮流可能會雙向流動，短路時短路電流分布將發生變化，另外，可再生能源具有不確定性，這些都會導致配電網出現繼電保護誤動或拒動等問題，甚至會影響到配電網的安全運行。隨著分布式電源接入規模的擴大，有必要分析其對配電網的繼電保護及自動化裝置的影響，確保配電系統安全可靠穩定地向用戶供電。

1 分布式發電對配電網繼電保護的影響

1.1 常見接入方式及影響

我國主要采用輻射狀配電網運行。當然，有些城區為了保證供電可靠性，配電網采用環狀網結構，開環運行。如圖1 所示，分布式電源常見接入方式有多種：容量較小的DG 往往通過T 接接入配電線路，如圖1 中DG2，或者進入開閉所，如圖1 中DG1 和DG4；對于容量較大的DG，通過專線接入變電站35kV 或10kV 母線，如圖1 中DG3。

圖1 配電網結構圖

分布式電源的接入將改變配電網的結構與潮流方向，同時，當配電網故障時，故障電流的大小和分布也發生了改變。配網中應用比較廣泛的保護是瞬時電流速斷、定時限電流速斷、過電流保護這三段式電流保護等，分布式電源接入將對繼電保護及自動化產生較大的影響。同時，配電網中架空線路還配有重合閘裝置，以提高配網的供電可靠性，但是分布式電源接入系統后，配網的結構發生改變，一定程度上影響了配電網的自動重合閘。

1.2 對本饋線的影響

當前很多的保護配置都是三段式電流保護，分布式電源接入因其對故障電流的分流或者助增作用，從而對保護的范圍和靈敏度都會產生一定的影響，也可能導致保護裝置的拒動或者誤動，給繼電保護裝置之間的配合帶來影響。

（1）對繼電保護的影響。以DG2 為例分析分布式電源對繼電保護的影響。DG2 從線路BC 接入，位于保護2 的下游，如圖1 所示。當k3 點發生故障時，從選擇性來看，由保護3動作切除故障。由于保護3 接收的故障電流是由系統側電源和DG2 疊加產生，大于DG2 接入前的故障電流，提高了保護3 的靈敏性。但隨著短路電流的增大，電流速斷保護范圍隨之增大，甚至可能使其延伸至下一段，導致保護的誤動；

以DG2 為例，分析k2 點故障時保護2 的情況。DG2 接入后配網的等值圖如圖2，DG2 從J 點接入。ZS和ZK分別為系統到J、J 到故障點k 的阻抗，ZDG為DG 到故障點的阻抗。

圖2 分布式電源接入配網的等值圖

DG2 接入前，系統與故障點k 之間的轉移阻抗為ZS和ZK之和，接入DG2 后，經過網絡星角變換，系統至故障點k 的轉移阻抗ZSK′如下式所示：

DG2 接入后系統的轉移阻抗變大了，因此流過保護2 的電流變小了，DG2 的接入起到了分流作用，從而降低了保護2 的靈敏度。當分流作用足夠大時，特別是在線路末端故障時，故障電流可能會偏小到保護拒動的程度，這樣就導致時限電流速斷保護的保護范圍可能覆蓋不到全線。

以DG2 為例，分析k4 點故障時保護3 的影響。當DG2的容量比較大時，k4 發生故障時，流過保護3 的故障電流比較大，可能導致保護3 發生誤動作，相當于擴大了保護3 的保護范圍，不利于保護裝置之間的配合。

（2）對自動重合閘的影響。以DG2 為例分析分布式電源對相鄰饋線自動重合閘的影響。DG2 從J 點接入時，DG2和系統側電源向AC 段供電，形成雙端電源。當k1 發生瞬時性故障時，保護1、保護2 均應動作切除故障，也切斷系統電源和負荷的聯系；DG2 給線路CE 供電，進行孤島運行狀態。而DG2 的不確定性、隨機性比較大，因此，其出力和頻率很不穩定，由于又無系統電源進行支撐，孤島運行時的系統電壓和相位變化較大。利用重合閘恢復供電時，可能出現非同期合閘問題，將會產生較大的沖擊電流，破壞了一次設備絕緣性能，降低了配網的可靠性。

以DG4 為例，分析分布式電源對自動重合閘的影響。DG4 從線路F 接入。接入DG4 之前，當k5 發生瞬時性故障時，保護5 會啟動切除故障，切除故障后經過一個延時啟動重合閘，恢復對饋線2 的供電。若接入DG4，當k5 發生故障時，保護5 會啟動切除故障線路，但是分布式電源DG4 仍能給故障點k5 提供短路電流，這會使故障點電弧不容易熄滅，會造成重合閘失敗，另外，有可能使瞬時性故障發展為永久性故障。

1.3 對相鄰饋線的影響

以DG1、DG2 為例分析分布式電源對相鄰饋線繼電保護的影響。DG1 從D 接入，DG2 從線路BC 接入，當k5 發生故障時，則故障點的短路電流由DG1、DG2 和系統側的電源提供，則保護5 流過的故障電流比分布式電源接入前大，保護5 的靈敏度得以提高。當DG1、DG2 的容量比較大時，流過保護2的反向電流比較大，由于保護2 不具備方向性，則流過保護2 的故障電流可能大于整定值，導致保護2 發生誤動作。

1.4 對分布式電源接入系統線路的影響

容量較小的分布式電源直接接入配電線路，DG 側開關保護主要配置過電流保護、防孤島保護、頻率和電壓緊急控制等。因為分布式電源容量較小，配網故障時對電網影響不大，一般基本滿足要求。

但對于容量較大、通過專線接入變電站的分布式電源，如圖1 中DG3，常規配置的過電流保護、距離保護不可能快速本線路末端和相鄰線路始端故障，只能采用階段式的配合關系實現元件的選擇性切除，線路末端故障需要延時切除。顯然對于容量較大的分布式電源，過電流保護不能滿足全線快速動作要求。

2 含分布式電源的配電網繼電保護的改進措施

分布式電源的接入使配電網的潮流由單向流動變成雙向流動，而傳統的三段式保護已經不適應配電網的發展需要。為了提高配網的可靠性和供電質量，需要對傳統的繼電保護配置進行改進和優化，為實際配電網的繼電保護及自動化配置提供參考。

（1）分布式電源接入配電網后，原來的單輻射網絡結構變成雙電源或者多電源網絡，當分布式電源容量相對較大，提供短路電流較大時，為了防止繼電保護裝置因反方向的電流而產生誤動，可以考慮在保護裝置加裝方向元件。同時還要綜合考慮成本因素。比如，如圖1 中保護2 可以考慮加裝方向保護元件防止反向誤動。

（2）當分布式光伏接入后，整定時考慮其助增和分流影響，需要對分布式光伏所在饋線的相鄰饋線以及上游饋線保護定值進行調整，這樣才能保證對系統可靠的動作。

（3）分布式電源接入配網后，配網出現故障時，當系統電源和分布式電源被斷路器切除后，兩側可能出現一個相角差，當差值達到一定的界限后，自動重合閘會造成強大的沖擊電壓或者電流，破壞重合閘的運行狀態。為此，如果在分布式電源側配置重合閘功能，重合閘裝置需要配置檢同期功能，保證重合閘成功率。

（4）對于規模很大的分布式電源，如圖1 中DG3，并網電壓等級高、容量大，考慮線路速動保護來提高保護性能，采用縱聯保護作為主保護。不僅可以改善本線路保護性能，而且能改善整個電網保護性能。

某實際運行的光伏電站，裝機容量20MW，通過金島光伏387 線接入系統35kV Ⅰ母線。光伏并網線兩側配置微機光纖縱差保護，后備保護為三段式電流，重合閘按接入系統方案評審意見停用。光伏電站內配置頻率電壓緊急控制裝置和防孤島保護，故障時快速將光伏電站解列，減少對系統的影響。

3 結語

分布式電源大規模發展對附近配電網帶來影響，接入的配網運行方式、短路電流分布也發生變化，導致配電網出現繼電保護誤動或拒動、重合閘失敗等，本文結合案例探討實際配電網中光伏電站的繼電保護配置改進方案，保障配電系統安全可靠地運行。