分布式電源接入配電網繼電保護配置及技術的研究

段佳莉

引言

作為一個能源消耗大國，我國所面臨的能源資源不足、能源技術落后以及環境污染嚴重等問題日益嚴峻。面對當前的形勢和挑戰，發展可再生能源和節約能源為主題的低碳經濟已成為未來發展的主流。其中，分布式發電技術以其獨有的環保性和經濟性已成為國內外關注的熱點問題。然而，分布式電源接入配電網給配電網的繼電保護帶來了不可忽視的影響。本文將深入研究分布式電源接入后配電網的故障特性，旨在揭示和總結分布式電源對配電網繼電保護的影響規律，提出適用于有分布式電源接入配電網繼電保護配置方案，為分布式電源高密度接入配電網的保護技術打下堅實的理論基礎。

1 分布式電源接入配電網的影響

目前，我國建設智能配電系統結構的發展要求支持分布式電源高比重的接入，使系統的效率、靈活性、整體性得到有效提高，從而充分利用分布式電源可靠的優化系統性能。然而，分布式電源接入也給配電網繼電保護帶來了新的問題和挑戰：

1）分布式電源接入，改變了配電網的結構形態，使其由傳統的功率單向流動的輻射型網絡轉變為功率雙向流動的多源網絡；

2）分布式電源出力的間歇性和隨機波動性使配電網的潮流運行水平波動大，這使得現有保護的整定變得更加困難；

3）分布式電源的發電機理、并網結構和控制技術與傳統電源有很大區別，這使得大規模分布式電源接入配電網后，短路電流特征將發生根本變化，這也對配電網的保護技術提出了新的挑戰。

傳統的配電網大多是向負荷單方向供電的輻射狀網絡，其繼電保護配置沒有考慮網絡中有分布式電源接入的情況，主要采用電流速斷保護和過電流保護兩種方式的配合。同時，考慮到配電網中絕大多數的故障為瞬時性故障，常采用重合閘來快速恢復瞬時性故障，以提高供電可靠性。但是，分布式電源的接入改變了配電網的短路電流分布以及原有配電網繼電保護配置的基礎條件，可能引起保護拒動或誤動等問題。

2 管理內涵和主要做法

分布式發電設備接入配電網之前，中低壓配網為單側電源、輻射型配電網絡。饋線保護裝設在變電站內靠近母線的饋線斷路器處，一般配置傳統的三段式電流保護，第I段為瞬時電流速斷保護、第II段為定時限電流速斷保護、第III 段為過電流保護。對非全電纜的線路，配置三相一次重合閘，保證在饋線發生瞬時性故障時，快速恢復供電。

配電系統引入DG之后，如圖1所示，配電網絡不再是純粹的單電源、輻射型供電網絡。此時，若線路發生故障，配電網絡中短路電流的大小、流向、分布以及重合閘的動作行為都會受到DG 的影響，與DG引入之前有較大不同。DG對保護動作行為影響的主要表現如下：

1）導致本線路保護的靈敏度降低及拒動。

以圖1 中DG下游k1點故障為例加以分析。DG引入之前，故障點的短路電流只由系統提供，DG引入之后，DG和系統都會對故障點提供短路電流，但QF1 處的保護只能感受到系統提供的短路電流，在其他條件不變的情況下，此電流小于引入DG 前該處的電流，從而導致保護的靈敏度降低，嚴重時甚至拒動。DG的容量越大，對配網保護靈敏度的影響也就越大。

2）導致本線路保護誤動。

當系統側k2 處或其他饋線k3處發生故障時，在DG引入之前，本饋線的保護感受不到故障電流，DG引入之后，相同點故障時，本饋線的保護將感受到DG提供的故障電流，如果該電流足夠大，將導致保護誤動。同樣，DG的容量越大，它所提供的反向短路電流也就越大，越容易造成本線路電流保護的誤動作。

3）導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動，失去選擇性。

當k4處發生故障時，在DG引入之前，短路電流只由系統流向故障點，DG引入之后，DG和系統都會對故障點提供短路電流，此時相鄰故障線路的保護（即QF2處的保護）感受到的故障電流增大，將可能導致其速斷保護躲不開線末故障而誤動，從而保護失去選擇性。

4）DG可能導致重合閘不成功。

當DG引入之后，線路兩側連接的是兩個電源，線路故障時，如果只有系統側保護動作跳閘而DG不跳開，則DG會繼續向故障點提供短路電流，故障點仍處于游離狀態。如果此時系統側進行重合閘，必然會重合于故障狀態，導致重合閘不成功。為了保證重合閘的成功率，必須保證在系統側重合閘動作前，DG已停止運行或者已從配網中切除。

5）DG可能導致備自投無法正常工作。

傳統配電網中，常采用備自投裝置來提高對重要負荷供電的可靠性。DG 引入后，將會影響備自投裝置對主工作電源是否故障的判斷，從而無法準確地實施切除故障工作電源和投入備用電源的操作。

6）DG的接入使配電網成為一個多電源系統。

潮流由單向潮流變為雙向潮流，因此要求保護設備應具有方向性。若用方向性元件替換配電網中所有的熔斷器和自動重合閘裝置在經濟上又不可行。解決這一問題的方案有切源方案和孤島方案兩種。

切源方案指的是在任何故障情況下，先斷開所有的分布式電源，然后采取原來的保護措施。但這樣大大降低了速動性和可靠性，同時還會出現時限配合、速斷等問題，因此引入孤島的思想。利用分布式發電獨立向一部分配電系統供電，如果配電網發生故障，將配電網轉化為若干個孤島運行，盡可能多地利用分布式電源供電，減小停電面積，提高發電效率。

3 實施成效

1）分布式電源接入后的配電網與繼電保護的建模研究

開展了以下兩個層次的研究：a）建立分布式電源及其控制系統模型，建立適用于保護動作分析的分布式電源仿真模型；b）根據現有配電網典型拓撲結構，建立分布式電源接入的配電網模型以及繼電保護模型，為后續研究奠定基礎。

2）含分布式電源配電網的故障特征分析及對原有保護的影響研究

在所建模型基礎上，研究不同容量的分布式電源在不同位置接入配電網的情況下，配電網在不同位置發生不同類型不同嚴重程度故障時的電氣量故障特征，揭示短路電流變化規律，定性分析分布式電源接入對原有保護原理的影響。

3）計及原有電流保護整定計算原則的分布式電源準入容量研究

計及配電網原有電流保護整定計算原則的分布式電源準入容量指的是，在不改變配電網原有電流保護配置的情況下，能夠滿足所有保護選擇性和靈敏性要求的、允許分布式電源接入的最大容量。該部分研究旨在定量分析分布式電源接入對原有保護原理的影響，對評估一定容量的DG接入配電網后對原有電流保護選擇性和靈敏性的影響以及含DG配電網的保護方案配置等均具有重要意義。

4）適應分布式電源接入的保護配置及整定原則研究

在研究含分布式電源配電網的故障特性以及分布式電源準入容量的基礎上，分析現有配電系統常用繼電保護配置及整定原則的適用性及存在的問題，進一步研究含有分布式電源的配電網保護的基本理論與構建模式，探討新的保護理論和方法，以適應分布式電源的實際接入容量大于準入容量的高滲透率情況。