含分布式電源的配電網自適應保護方法研究*

古展基，黃煜翰，黃 勇，魏長春，蔡澤祥

（1.廣州穗華能源科技有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學電力學院，廣州 510640；3.廣州穗華能源互聯網研究院有限公司，廣州 510530）

0 引言

在電力工業發展的過程中，分布式發電技術得以與大電網密切結合，促使電網靈活性、可靠性得到提升，從而使電能利用率和質量得到提高，滿足電力事業的發展需求。而目前在分布式發電方面，目前分布式電源以配電網的接入為主。作為單電源網絡，配電網只規劃單向功率流動，并采取相應的單電源網絡繼電保護系統。接入分布式電源后，配電網將向多電源網絡轉換，在影響短路電流、電能質量等情況的同時，容易引起原有保護拒動、誤動等故障。因此，想要使分布式發電優勢得到較好發揮，還要結合分布式電源對配電網的影響提出科學的自適應保護方法，保證配電系統能夠始終維持安全、穩定運行。

1 分布式電源對配電網的影響

分布式電源大量接入，導致傳統配電網從單電源輻射型向多端、多源型網絡轉變。而在故障電流和潮流不確定的情況下，過去采用的常規三段式電流保護將出現靈敏性下降的問題，無法使裝置保護選擇性得到保證。

1.1 對相鄰饋線電流保護的影響

在實際運行的過程中，配電網多采用開環運行方式，利用一端電源為部分線路供電。按照該種供電模式，短路電流將從電源側向故障點流動。采用三段式電流保護方案，無法對短路電流方向進行判別，為保證線路發生瞬時故障能夠得到切除，并恢復正常供電，需要完成自動重合閘裝置的配置[1]。如圖1所示，在典型配電網結構中，通常會在母線A位置進行系統電源S1的接入，從而實現輻射性供電。在接入分布式電源SDG時，需要在母線B位置進行電源連接。一旦線路D、E位置有三相故障產生，S1的等效阻抗Zs將比線路阻抗要小，導致線路AE上集中出現由短路電流引起的電壓降落。此時，母線A位置電壓并未發生顯著變化，分布式電源只帶來了較小短路電流，并未對相鄰饋線1、2保護產生顯著影響。但是相較于未接入分布式電源的狀態，系統電源和分布式電源將同時向故障點進行短路電流的提供，導致保護4檢測到較大故障電流，促使保護裝置靈敏性提高。在接入的分布式電源擁有較高滲透率的情況下，將造成下級線路故障的產生，引發保護4誤動，繼而造成保護選擇性喪失。

圖1 分布式電源接入典型配電網的架構圖

1.2 對配電網繼電保護的影響

在B、C位置發生三相故障的情況下，故障點短路電流由分布式電源和系統電源同時提供，使得母線B電壓有所提升。此時，系統電源提供的短路電流將有所下降，保護3位置只能檢測到較少短路電流。在分布式電源作用下，保護3靈敏性有所降低，在發生故障時可能出現拒動問題，無法為線路BC提供保護。從繼電保護整定角度來看，針對保護3，按照分布式電源接入后的系統最大允許方式和電源出力開展整定工作，一旦分布式電源出力減少或發生退出允許，將導致裝置感受到的短路電流隨輸出功率減少而增大，繼而導致裝置保護靈敏性提升，出現喪失選擇性問題[2]。針對保護4，按照上述方法整定將在分布式電源出現問題時造成裝置保護靈敏性下降，繼而導致保護失效。

2 含分布式電源的配電網自適應保護方法

在電力系統規模不斷擴大的過程中，配電網結構日漸復雜。按照傳統電流保護方案，需要依靠三段式距離保護的配置加強線路無通道保護，在對側斷路器動作電流電壓相關序分量故障信息進行利用的基礎上，對各種故障的全線速動問題展開分析，得到不同的判據，造成配電網保護較為復雜。針對這些問題，自適應保護理念得以被提出，能夠結合配電網運行方式和故障狀態變化對線路保護定值或特性進行調節。

2.1 自適應保護方法

針對含分布式電源的配電網，相關學者提出的自適應保護方法較多。針對風電場，有專家通過在MATLAB中建立雙饋式異步機風力發電模型，對各種故障狀態下電流和電壓展開計算，發現不同狀態下配電網電流特性不同，還要實現適應性保護配置，利用部分母線節點實現電流量判斷，然后根據故障特性完成自適應保護區域劃分[3]。但是采取該種保護方法需要實現電流數據分布式計算，保護裝置只有在獲得對應區域電流數據時才能保證動作正確，造成配電保護過度依賴通信系統，保護的選擇性遭到了削弱[4]。一些學者提出在IEC 61850分布式發電系統中應用IEEE1588協議，借助以太網低成本、技術成熟等優勢實現電源線路過渡電阻短路電流的同步計算，借助人工神經網絡加強算法學習，從而根據過渡電阻類型變化完成在線實時分析，達到實現距離保護自適應調整的目標[5]。但就目前來看，采用該方法需要完成復雜在線整定計算，對計算機提出了較高容錯性和智能化要求。未來伴隨著計算機技術的發展，可以借助計算時完成小波變換分析或正序故障分量計算，從而實現高頻暫態分量自適應保護。然而就現階段來看，還要提出切實有效的方法解決含分布式電源的配電網保護問題。

綜合考慮各方面要求，還應加強自適應速斷保護的利用，結合分布式電源短路特性完成故障信息測算，從而根據等效阻抗完成故障判定，將得到數據帶入到自適應整定公式中[6]。通過確定相應的動作閾值，可以直接通過軟件升級加強自適應保護，使得傳統保護方案硬件資源得到充分利用的同時，加強線路全方位保護[7]。經過上述分析可知，可以根據配電網故障電流特性和分布式電源特性提出科學的自適應保護方法。具體來講，就是由于配電網原有保護靈敏性將隨著分布式電源輸出功率變化而變化，所以根據接入的分布式電源的容量實現保護整定值調整，能夠通過對各支路三相短路電流進行計算加強保護自適應整定[8]。

2.2 三相短路電流確認

在實際分析過程中，假設配電網發生三相故障，故障點電流為If，系統側電勢和等效電源分別設為E和G，分布式電源接入位置母線電壓為U，在分布式電源容量為S，采取PQ控制方法的情況下，可以得到如下電路原理：

式中：I1為供給側短路電流；I2為分布式電源提供的短路電流；ZL為分布式電源接入位置到短路點等效阻抗。

實際在接入配電網過程中，多采用逆變類分布式電源，在控制策略影響下故障后輸出電流不超過1.2～2 p.u.。受過渡電阻、故障位置等各種條件影響，限制最大輸出電流策略可變。在PQ控制策略下，分布式電源會出現瞬時功率增大的情況，并在1～2個周期后恢復至給定值，可以得到：

結合各式，可以得到：

2.3 自適應保護分析

按照配電網原有保護方案，需要在系統最大運行狀態下，根據線路末端三相短路電流與對應可靠系數完成電流速斷保護整定值的計算。實現分布式電源的接入，還要考慮到自然因素給電源接入容量帶來的影響[9]。在分布式電源容量不斷變化的情況下，短路電流也將隨之改變，從而導致配電網保護無法適應。針對這一問題，采用自適應保護方法還要在分布式電源接入位置的上游加強保護配置。具體來講，就是在電路結構發生改變后，采取雙電源供電保護方法。考慮到接入位置下游也將受到分布式電源影響，因此同樣需要完成保護整定自適應調整分析。

（1）主保護整定。針對保護3的主保護，在自適應調整時還要將系統側等效阻抗設定為Zsmin，此時系統運行方式最大；在運行方式最小時，可以得到等效阻抗Zsmax。在最大運行方式下，將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到最大故障電流，從而得到：

（2）后備保護整定。考慮到如果接入位置下游保護3拒動，上游保護2還應起到后備保護的作用。結合之前分析可知，在分布式電源的分流作用下，保護2只能進行較小短路電流感受，可能因靈敏性下降出現無法切除DE故障的問題，因此需要重新進行保護整定。具體來講，就是在系統運行方式最大的條件下，將系統側等效阻抗設定為Zsmin，得到相應的等效阻抗Zsmax。再將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到得到：

在實際接入分布式電源過程中，還應認識到其具有隨機性，容量波動隨著時間變化而改變。想要加強自適應保護，還要完成相應整定判據的設定，以便在滿足設定要求時系統實現自適應重新整定[10]。采取該種措施，能夠避免系統頻繁重新進行自適應保護調整，因此能夠使系統可靠性得到提高。按照這一思路，可以提出配電網接入分布式電源后的自適應保護流程。由于短路電容不變，配電系統短路電流將受分布式電源出力因素的影響，所以可以根據出力進行重新整定判據的設定。具體來講，就是在一開始，根據上次整定獲得的分布式電源出力S，對目前實時出力S′進行分析，完成相應線路末端短路電流If和If′的計算。在變化數值超出[0，0.1]的范圍內時，需要實現重新整定，使電源出力S=S′，然后重新進行整定判斷觀測。

3 算例分析

為驗證提出的自適應保護方法的保護效果，還要結合實例展開分析。如圖2所示，為典型配電網的等效電路。采用該配電網為實驗系統，在PSCAD軟件中進行仿真分析計算。結合分布式電源并網特點，設定d1位置發生三相故障，在最大運行條件下，系統阻抗為0.6Ω，最小運行方式下則為0.1Ω。在線路參數Z為0.4Ω/km，長度為AB=BC=8 km的情況下，接入容量為15 MVA的分布式電源。

圖2 典型配電網的等效電路

按照提出的自適應保護方法進行保護1和2的整定判斷，同時將傳統保護方案保護效果當成是對照，能夠使方法的有效性得到驗證。如表1所示，為容量變化情況下主保護整定值及保護范圍變化。從表中的數據可以看出，配電網在分布式電源接入后受到了較大影響。在接入的分布式電源功率發生變化時，采用傳統保護方案的系統主保護將在1.2%～69.4%范圍內波動，采用自適應保護方法能夠使系統主保護維持在50.5%～69.4%范圍內，波動幅度較小。采用相同方法對后備保護波動情況展開分析可以發現，在0～15 MVA容量變化范圍內，采用傳統保護方案的系統后備保護將在12.2%～35.1%范圍內波動，采用自適應保護方法能夠使系統主保護維持在35.1%～59.1%之間。相較于傳統方法，自適應保護方法擁有相對簡單的調節方式，在實際應用過程中具有較強經濟性。由此可見，采用自適應保護方法能夠有效進行配電系統保護整定值的調節，使分布式電源給配電網帶來的影響得到盡可能的降低。從整體上來看，經過自適應保護調整，配電網主保護性能可以得到提升，備用保護變化范圍也能得到縮小，因此能夠使配電網維持安全、穩定運行。

表1 主保護整定值及保護范圍變化

4 結束語

利用分布式電源容量與配電網短路電流關系實現系統側電源和分布式電源短路電流計算，實現配電網保護整定值的自適應調整，從而削弱分布式電源接入給配電網性能帶來的影響得，經過算例分析后取得了較好結果。但在如下兩方面，仍存在改進空間：

（1）在控制方式不同的情況下，故障后電流大小不同，所以在實現保護整定值計算分析時，需要結合不同控制方式實現自適應調整分析，驗證方法的有效性。

（2）隨著接入配電網的分布式電源種類的變化，配電網故障瞬間短路電流也將得到提高，因此在自適應保護方面還要尋求有效方法。