含分布式電源的城市電網(wǎng)故障分析方法研究

崔文祥，令狐冰波

（1.中國鐵塔股份有限公司西安市分公司，陜西 西安 710075；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310051）

1 分布式電源的基本定義與優(yōu)勢

1.1 定 義

當(dāng)前，在電力行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展過程中，分布式電源在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國際分布式能源聯(lián)盟將分布式電源的定義為：安裝于用戶端的高效冷/熱電連供系統(tǒng)，能夠在消費地點或者其輻射區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)發(fā)電的循環(huán)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱和電能夠得到有效利用。現(xiàn)場端包含可再生能源系統(tǒng)，實現(xiàn)了廢氣、廢熱與多余壓差的合理利用，實現(xiàn)了這些廢能向電能資源的有效轉(zhuǎn)化。在國內(nèi)外發(fā)展中，分布式電源的發(fā)展與應(yīng)用水平有所差異，我國分布式電源尚處于發(fā)展的初期階段。

從分布式電源的應(yīng)用來看，主要包含以下兩種。一種是將冷/熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化與分散式的方式直接安裝在用戶端，能夠有效實現(xiàn)冷、熱、電能的獨立輸出控制，適用于太陽能、風(fēng)能等多種能源。另一種是安裝于用戶端的能源系統(tǒng)，一次能源主要為氣體燃料與可再生能源，而二次能源主要是冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)，其他能源供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)揮著輔助作用。這種能源形式有效實現(xiàn)了電力、熱力與制冷、蓄熱技術(shù)等的結(jié)合，滿足了用戶的多種電能使用需求，能源能夠?qū)崿F(xiàn)梯級利用[1]。

以中國鐵塔公司為例，其分布式電源的應(yīng)用水平相對較高，利用鋰電池與FSU監(jiān)控等產(chǎn)品滿足了用戶的全天候、不間斷供電需求，形成了“備電+監(jiān)控”的電力服務(wù)結(jié)構(gòu)，為金融網(wǎng)點、ATM機、交通信號以及醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)等提供了良好的電力服務(wù)。

1.2 優(yōu) 勢

分布式電源在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用具有能效合理、電力損失小、污染少、運行靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢。首先，分布式電源主要分布安裝在需求側(cè)，能夠在系統(tǒng)運行中實現(xiàn)能源的梯級利用，提高資源的綜合利用率。由于用戶對電能資源需求量、要求等有著不同的要求，能夠在分布式電源的應(yīng)用中使得溫度與供應(yīng)電源直接對接，進(jìn)而將能源輸送中的損耗量降至最小[2]。其次，分布式電源下，資源與環(huán)境效益最優(yōu)。在電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，能夠以終端的電源利用為基礎(chǔ)來確定其規(guī)模。再次，分布式電源結(jié)構(gòu)下，能源轉(zhuǎn)換技術(shù)是重點技術(shù)。此技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低污染物的排放量，使得排放趨于分散化，能夠被周邊植物吸收。由于分布式電源下的排放量相對較少且排放密度較小，能夠利用相應(yīng)的技術(shù)實現(xiàn)排放物的資源利用，如排放產(chǎn)生的氣體能夠被作為肥料加以使用。最后，信息化技術(shù)是分布式電源的核心技術(shù)，各種信息化技術(shù)的應(yīng)用使得電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化管理與控制。

2 分布式電源對城市電網(wǎng)保護(hù)的影響

2.1 對重合閘的影響

現(xiàn)階段，在城市電網(wǎng)中自動重合閘已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。城市電網(wǎng)中原有的含有DG的配電網(wǎng)在運行出現(xiàn)故障時，常常會表現(xiàn)出以下特征：配電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)，其中的部分負(fù)荷會直接由DG進(jìn)行供電，如果在此種狀態(tài)下實施自動重合閘控制，可能造成重合閘的失效；DG在饋線斷路器跳閘后依舊維持持續(xù)的供電狀態(tài)，這種情況下故障點的電弧無法及時熄滅，同樣會造成自動重合閘的失敗。如果在城市電網(wǎng)運行過程中出現(xiàn)了瞬時性故障，自動重合閘的存在能夠使得在此類故障發(fā)生的過程中依舊維持快速恢復(fù)供電的狀態(tài)。但是，在DG接入配網(wǎng)后，配電線路會發(fā)生明顯改變，呈現(xiàn)出雙側(cè)電源供電的狀態(tài)，這時重合閘動作需以兩次保護(hù)時間、兩側(cè)電源的同步等相協(xié)調(diào)。

2.2 潮流方向

在城市電網(wǎng)中如果接入分布式電源，可能會使得整個電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)逆向潮流現(xiàn)象。一旦DG裝機容量較大，超出本地消耗的電能限制，整個配網(wǎng)的潮流方向?qū)l(fā)生明顯變化。傳統(tǒng)的城市配網(wǎng)中，主要采用單端輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)體系下，潮流方向具有固定性，一旦出現(xiàn)了短路故障，相關(guān)人員也能夠及時發(fā)現(xiàn)故障電流的方向。而DG接入城市電網(wǎng)后，配電網(wǎng)無法保持原先的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化同樣引發(fā)了配網(wǎng)潮流方向、運行方式等的變化，使得潮流方向具有不確定性。

2.3 對短路電流的影響

在城市電網(wǎng)中，如果采用DG并網(wǎng)運行模式，即使潮流方向能夠維持原狀，在短路故障發(fā)生時，短路電流值也會隨之受到一定影響，導(dǎo)致流經(jīng)保護(hù)的短路電流值會出現(xiàn)明顯變化，而這種變化趨勢存在較大的不確定性，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測。在城市電網(wǎng)的運行過程中，由于故障位置、DG運行方式等都存在區(qū)別，流經(jīng)保護(hù)處的故障電流值可能會增大也可能會減小。城市電網(wǎng)故障電流值的變化趨勢會根據(jù)配網(wǎng)中接入的DG種類、數(shù)量等有所區(qū)別。

2.4 孤島運行

通常，如果城市電網(wǎng)中出現(xiàn)故障，故障清除一般是由故障點距離最近的保護(hù)繼電器實現(xiàn)的。如果在城市電網(wǎng)運行過程中故障發(fā)生在DG接入點的上游位置，那么DG會為已經(jīng)從配電網(wǎng)中隔離出來的部分負(fù)荷提供一定的電能。如果DG容量不足，需要為其提供額外增加的負(fù)荷。在這種情況下，DG可能會出現(xiàn)過載、停機等現(xiàn)象。如果是與主電網(wǎng)隔離的孤立系統(tǒng)，負(fù)荷用電將全部由DG來完成供電，這種情況下也就是俗稱的孤島運行。城市電網(wǎng)中，孤島運行的危害主要表現(xiàn)在兩方面：一是維護(hù)人員極易存在誤接入帶電導(dǎo)體觸電的情況；二是孤島系統(tǒng)下的電源質(zhì)量相對較差。

3 含分布式電源的城市電網(wǎng)故障處理

在城市電網(wǎng)中如果存在分布式電源接入，故障發(fā)生時主要包含以下幾種處理策略。

3.1 配網(wǎng)故障時及時切除DG

分布式電源接入城市配網(wǎng)后，將會對整個電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生一定影響。為了徹底解決此類問題，當(dāng)城市電網(wǎng)運行中出現(xiàn)故障后，要及時進(jìn)行相應(yīng)的處理，在故障發(fā)生的時間段內(nèi)切除DG。當(dāng)切斷DG后，原有的城市配網(wǎng)基本不會受到影響。這種故障處理方式雖然對城市電網(wǎng)的改動相對較小且成本相對較低，但是依舊存在諸多問題。比如，故障發(fā)生后，DG單元需首先進(jìn)行故障檢測，檢測完成后再退出。當(dāng)前出臺的一些標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，并網(wǎng)DG在故障發(fā)生后、自動重合閘前，需要將DG及時從城市電網(wǎng)中切除。但是，在實際的電網(wǎng)管理中并不能夠完全做到。

3.2 限制DG容量及接入位置

在城市電網(wǎng)運行與使用過程中，由于不能完全保障在故障發(fā)生后及時將DG從城市電網(wǎng)中及時切除，因此在一些城市電網(wǎng)中逐步采用了限制DG容量、改變DG接入位置的方式來加以調(diào)整，盡量減小DG接入對城市電網(wǎng)造成的不利影響。有關(guān)研究指出，在繼電保護(hù)動作可靠的前提下，接入數(shù)量、位置、組合方式與線路參數(shù)等對準(zhǔn)入容量產(chǎn)生影響。在保持城市電網(wǎng)原有保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，DG的準(zhǔn)入條件會受到諸多因素的影響。因此，雖然在一定程度上限制DG容量、接入位置的方式能夠?qū)崿F(xiàn)故障處理，但同樣存在諸多問題。

3.3 改變配電網(wǎng)的保護(hù)配置

改變配電網(wǎng)保護(hù)配置的方式同樣是一種有效的故障分析與處理方式。在實際應(yīng)用過程中，在原有保護(hù)的基礎(chǔ)上安裝相應(yīng)的方向判別元件。這種情況下輸電線路中相對成熟的保護(hù)原理與方案能夠被應(yīng)用于城市電網(wǎng)，在一些條件下還能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字保護(hù)，最大程度降低DG對城市電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。

3.4 引入故障限流器

如果在城市電網(wǎng)中引入分布式電源，為了減小分布式電源對城市電網(wǎng)造成的不利影響，可以在電網(wǎng)中使用故障限流器。當(dāng)故障發(fā)生時立即引入FCL，能夠最大程度上減小故障電流對整個電網(wǎng)所造成的不利影響。在城市電網(wǎng)的正常運行狀態(tài)下，故障限流器的引入不會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生任何影響。比如，在城市電網(wǎng)的放生線路出現(xiàn)故障維持異常運行時，可以在此處接入限流裝置，實現(xiàn)短路電流的控制。這種情況下，分布式電源的影響會隨著線路阻抗的增大呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。此種故障處理方式下，分布式電源難以為系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的支持。

3.5 自適應(yīng)保護(hù)

在自適應(yīng)保護(hù)理念下，要求在城市電網(wǎng)系統(tǒng)中盡量使得保護(hù)能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)的變化情況，從而實現(xiàn)保護(hù)性能的優(yōu)化與調(diào)整。在當(dāng)前的發(fā)展過程中，在一些含有分布式電源的城市電網(wǎng)中逐步引入了自適應(yīng)保護(hù)的方式，在自適應(yīng)保護(hù)設(shè)備中能夠有效存儲相應(yīng)的基準(zhǔn)信息，采集線路中各個電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)來進(jìn)行相應(yīng)的計算、對比與分析，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果來鎖定故障類型、故障范圍，結(jié)合故障特征，提出此種故障應(yīng)該采取的保護(hù)方案。在這種模式下，主要進(jìn)行的是點信息的采集，由于城市電網(wǎng)的構(gòu)成相對復(fù)雜，其覆蓋范圍極廣，后期的運行維護(hù)相對困難，因此存在一定的局限性。在一些城市電網(wǎng)中，所采取的自適應(yīng)保護(hù)方法是利用計算機系統(tǒng)來對電網(wǎng)運行情況開展全方位的監(jiān)控，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)運行過程中運行狀態(tài)的變化，來對相應(yīng)的保護(hù)裝置參數(shù)、定值等進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整與優(yōu)化。

3.6 基于多代理系統(tǒng)的保護(hù)方案

在含有分布式電源的城市電網(wǎng)系統(tǒng)中構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，并在其中引入智能終端采集線路、DG、斷路器等單元的模擬量與狀態(tài)量信息，將這些信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)加以整合，能夠?qū)崿F(xiàn)對多點信息的綜合分析，進(jìn)而有效保障故障定位的準(zhǔn)確性。根據(jù)故障情況，系統(tǒng)能夠自動進(jìn)行故障的相應(yīng)處理。

4 結(jié) 論

隨著城市電網(wǎng)的逐步完善，分布式電源接入逐步成為一種應(yīng)用相對廣泛的形式。在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用雖然具有一定優(yōu)勢，但是由于技術(shù)發(fā)展水平有限，在城市電網(wǎng)的故障分析與處理方面依舊存在一定的技術(shù)局限。在未來發(fā)展中需加大研發(fā)投入，發(fā)揮分布式電源在城市電網(wǎng)中的重要作用。