分布式電源接入對(duì)配網(wǎng)過電流保護(hù)的影響

衛(wèi)才猛，陳錦鵬，何奕楓，郭琳，徐穎華，卓定明

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東惠州516000）

0前言

隨著分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電在配網(wǎng)的滲透率逐漸增加，在改善配網(wǎng)供電靈活性方面具有很大的潛力。但是分布式電源接入中低壓配網(wǎng)后，傳統(tǒng)配網(wǎng)成為有源網(wǎng)[1]。傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)方案是依照輻射狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，高滲透率DG接入后，配網(wǎng)故障特征發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1)潮流雙向；

2)DG 離/并網(wǎng)條件下短路電流差異較大[2]。這些變化對(duì)傳統(tǒng)的反映故障電流特征的保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)DG 的滲透率較低時(shí)，通過合理的配網(wǎng)規(guī)劃，傳統(tǒng)保護(hù)不需要進(jìn)行大的調(diào)整即可滿足電網(wǎng)安全要求。但是當(dāng)分布式電源滲透率達(dá)到一定水平后，其貢獻(xiàn)的短路電流足以改變配網(wǎng)的短路水平，就會(huì)擾亂已經(jīng)建立的保護(hù)方案直接影響到配電網(wǎng)的安全性和可靠性。目前，幾乎所有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都要求DG 并網(wǎng)不應(yīng)改變?cè)须娏ο到y(tǒng)保護(hù)的自動(dòng)重合閘等的協(xié)調(diào)性，必須滿足反孤島保護(hù)的需要[3]。對(duì)于高滲透率分布式電源接入配網(wǎng)帶來的繼電保護(hù)問題，國內(nèi)外開展了大量的理論分析和仿真，給出了不同的解決方案。本文首先分析了DG 接入后對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，介紹了國內(nèi)外主要的研究現(xiàn)狀和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然后利用ETAP軟件建立IEEE14節(jié)點(diǎn)放射狀配網(wǎng)仿真模型，分析以雙饋風(fēng)機(jī)為代表的DG接入配電網(wǎng)后對(duì)潮流和短路電流的影響，并在相關(guān)線路上配置國外常用的反時(shí)限保護(hù)和瞬時(shí)過電流保護(hù)，簡單分析了保護(hù)的動(dòng)作情況。

1有源配網(wǎng)繼電保護(hù)問題

DG接入中低壓配網(wǎng)后，從網(wǎng)側(cè)來看，配網(wǎng)不再是傳統(tǒng)的純負(fù)荷無源網(wǎng)絡(luò)，而是含有電源的有源網(wǎng)。隨著DG 進(jìn)一步向中低壓配網(wǎng)滲透，許多學(xué)者提出要建設(shè)有源智能配電網(wǎng)，作為智能有源配電網(wǎng)重要保障的繼電保護(hù)問題逐漸凸顯出來[4]。分布式發(fā)電在中低壓電網(wǎng)的接入不僅影響了電網(wǎng)的運(yùn)行，實(shí)際上，還影響到其他方面，例如較大地改變了電壓分布、傳輸功率、穩(wěn)態(tài)電流和短路電流。

1.1分布式電源對(duì)故障電流的影響

傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)一般基于故障電流構(gòu)建。DG接入后，故障電流的特征變化直接影響到對(duì)原有保護(hù)有效性的評(píng)估和新型保護(hù)方案的構(gòu)建。因此，本節(jié)首先分析分布式電源對(duì)故障電流的影響。

首先，故障電流與分布式電源的類型有關(guān)。不同類型的DG在故障發(fā)生時(shí)對(duì)短路電流的貢獻(xiàn)是不同的。DG 的類型大體上可以分為兩類：一類是旋轉(zhuǎn)電機(jī)型，其故障特征與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)基本類似；另一類是具有電力電子接口的DG，其短路電流受控制策略影響。文獻(xiàn)[5]給出了不同類型DG貢獻(xiàn)短路電流的情況，如表1所示。目前，大部分DG 均具有電力電子柔性接口，受開關(guān)器件的限制，一般設(shè)計(jì)有軟件和硬件限流，發(fā)生短路故障時(shí)，其貢獻(xiàn)的短路電流一般小于2 倍額定電流。

表1不同類型DG提供短路電流情況

然后，分布式發(fā)電機(jī)相對(duì)于供電變電站以及故障點(diǎn)的位置，從根本上影響了短路電流的分布，尤其是短路電流中由供電變電站供給的比重[6-8]。實(shí)際上，根據(jù)供電變電站、分布式電源和故障之間的相對(duì)位置，供電變電站的電流比重變化很大。因此，很難保證基于短路電流的保護(hù)整定的有效性。

1.2分布式電源對(duì)保護(hù)運(yùn)行的影響

DG 接入可能會(huì)改變正常工況下的電流，并且可能因此對(duì)保護(hù)整定造成影響。下面分析中將分布式發(fā)電機(jī)模型簡化為一個(gè)電壓源和一個(gè)短路阻抗(戴維南電路)。該模型僅對(duì)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)有效。以圖1為例說明DG接入后保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)問題。

當(dāng)相鄰線路AB段發(fā)生短路故障時(shí)，DG會(huì)提供短路電流分量，如果這一電流達(dá)到了CB2的動(dòng)作值，由于沒有方向判別元件，保護(hù)CB2就可能跳閘，線路AD的供電，擴(kuò)大了故障的范圍。

當(dāng)CD線路上k2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，由于DG的助增作用，流過保護(hù)CB3的電流有可能超過其Ⅰ段整定值，也可能誤動(dòng)作，同時(shí)保護(hù)2的靈敏度降低，可能拒動(dòng)，需要重新計(jì)算保護(hù)CB2的分支系數(shù)。

圖1含有分布式電源的典型放射狀配網(wǎng)示意圖

需要指出的是以上分析對(duì)DG進(jìn)行了集中等效和簡化處理，實(shí)際上對(duì)逆變型DG，其貢獻(xiàn)的短路電流很小，且在現(xiàn)有的規(guī)程要求下，故障時(shí)DG 無條件退出。因此，現(xiàn)有的保護(hù)不需要進(jìn)行較大的變動(dòng)，基本可以滿足要求，但是從長遠(yuǎn)來看，繼電保護(hù)對(duì)DG 向配網(wǎng)高滲透的限制會(huì)越來明顯。

除此之外，傳統(tǒng)配網(wǎng)是依靠保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)限的選取來保證選擇性，實(shí)現(xiàn)保護(hù)和安全自動(dòng)裝置之間的配合。對(duì)有源配電網(wǎng)，傳統(tǒng)保護(hù)建立起來的配合關(guān)系可能被打破，尤其是重合器、分段器、熔斷器之間的配合。保護(hù)動(dòng)作切除故障后，如果DG 沒有及時(shí)退出運(yùn)行，電力孤島和配電網(wǎng)這兩個(gè)有源網(wǎng)在重合閘時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非同期重合或重合閘失敗[9]。

此外，在故障的情況下，若分布式電源對(duì)故障點(diǎn)提供足夠大的故障電流，將導(dǎo)致重合器誤動(dòng)，分段器計(jì)數(shù)不正確就無法隔離故障點(diǎn)；分布式電源引入后，若重合器感受到的故障電流減小，熔斷器感受到的故障電流增大，熔斷器將在重合器未分閘之前熔斷，重合器與熔斷器失去配合。

為了解決分布式發(fā)電接入中低壓配電網(wǎng)帶來的繼電保護(hù)問題，國內(nèi)外制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南。國外主要標(biāo)準(zhǔn)有IEEE-1547《分布式電源并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和德國的《中壓網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》以及其他一些電力協(xié)會(huì)和電力公司制定的規(guī)程[10]。

研究發(fā)現(xiàn)，為了盡可能減小分布式發(fā)電接入對(duì)傳統(tǒng)配網(wǎng)的影響，幾乎所有的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定DG在故障時(shí)要盡快退出運(yùn)行。典型的如IEEE1547規(guī)定逆變器在孤島下0.17秒要停止供電；英國G59標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并網(wǎng)運(yùn)作的私人發(fā)電機(jī)必須滿足反孤島保護(hù)的要求。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)也要求DG應(yīng)在重合閘前停止供電，防止非同期重合閘。

我國現(xiàn)行國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDW 480-2010)中給出了分布式電源接入配網(wǎng)的原則：

1)并網(wǎng)點(diǎn)的確定原則為電源并入電網(wǎng)后能有效輸送電力并且能確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；

2)分布式電源總?cè)萘吭瓌t上不宜超過上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)最大負(fù)荷的25%；

3)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)的短路電流與分布式電源額定電流之比不宜低于10。

另外，我國規(guī)程要求通過10 kV（6 kV）～35 kV電壓等級(jí)并網(wǎng)的分布式電源，宜采用專線方式接入電網(wǎng)并配置光纖電流差動(dòng)保護(hù)。在滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求時(shí)，線路也可采用“T”接方式，保護(hù)采用電流電壓保護(hù)。

從上述標(biāo)準(zhǔn)不難發(fā)現(xiàn)，DG 接入配網(wǎng)后，從系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度分析，要防止非計(jì)劃孤島的產(chǎn)生，避免孤島運(yùn)行帶來的非同期重合閘問題。另外，從我國技術(shù)規(guī)程的要求也能看出，傳統(tǒng)配網(wǎng)中的過電流保護(hù)已經(jīng)不能滿足分布式電源接入的要求，推薦采用差動(dòng)保護(hù)或者電壓電流聯(lián)鎖保護(hù)。

為了提高分布式發(fā)電在配網(wǎng)的滲透率，完善DG 接入后配網(wǎng)的繼電保護(hù)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。概括起來主要有兩大類解決方法：一類是嚴(yán)格限制DG 接入位置和容量，在傳統(tǒng)保護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減小DG對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的影響；另一類是借助微網(wǎng)和通信技術(shù)，引入差動(dòng)保護(hù)或者研究新的保護(hù)原理。

具體來講，主要有以下幾種方案：

1)在DG 的并網(wǎng)線上串聯(lián)電抗器來減小DG的助增電流，保證原有電流階段式保護(hù)正常工作；

2)以原有保護(hù)不作較大改動(dòng)，并有較好的靈敏度和配合裕度為限制條件，計(jì)算饋線允許接入DG 的數(shù)量、容量和位置；

3)利用距離保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響較小，其I，II段的測(cè)量元件具有明確的方向性的特點(diǎn)，將距離保護(hù)應(yīng)用于含DG的配電網(wǎng)中；

4)運(yùn)用通信手段實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)保護(hù)或研究基于多點(diǎn)信息的集成式保護(hù)的原理和方法，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。探討智能電子裝置、分布式人工智能(DAI)技術(shù)、多Agent 系統(tǒng)(MAS)以及通信技術(shù)在保護(hù)、控制新原理和方案中的應(yīng)用[11-13]。

2有源配網(wǎng)繼電保護(hù)動(dòng)作仿真

2.1仿真模型建立

如上所述，分布式電源有多種類型，本節(jié)以雙饋風(fēng)機(jī)（DFIG）為主要DG，借助美國商業(yè)軟件ETAP進(jìn)行仿真分析。以圖2所示的配電網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，分析DG 接入后潮流、短路電流和繼電保護(hù)的動(dòng)作情況。

圖2 IEEE14節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)示意圖

圖2原本具有16條支路，但是因?yàn)榕渚W(wǎng)一般開環(huán)運(yùn)行，因此去掉了14、15、16三條支路，由此構(gòu)成14節(jié)點(diǎn)13條支路典型放射狀配網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100 MVA，基準(zhǔn)電壓為23 kV，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為28.7+j7.75MVA，線路和負(fù)荷參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型設(shè)定。

圖3 ETAP單線圖模型

在ETAP環(huán)境下建立系統(tǒng)的單線圖，如圖3所示，其中母線1為饋電母線，連接三條放射狀線路，負(fù)荷均采用綜合負(fù)荷模型。為了簡化分析，選取圖3最右側(cè)的線路3為研究對(duì)象進(jìn)行分析。DFIG 采用ETAP自帶的雙饋異步風(fēng)機(jī)模塊和逆變器模塊，輸出直接連接母線。

2.2潮流和短路電流變化情況

通過改變DG的容量，首先分析鄰近線路的潮流和短路電流變化情況，然后通過ETAP的繼保分析模塊，在相關(guān)線路上配置和整定保護(hù)裝置，仿真研究保護(hù)的動(dòng)作情況。

選取母線4作為DG 的接入點(diǎn)，接入了4×1.5 MW 的雙饋風(fēng)機(jī)，運(yùn)行潮流分析模塊得到的潮流情況和短路電流情況如表2所示。由表3可知，DG 從配網(wǎng)接入后帶來的最大變化就是潮流方向的變化。由于母線4上接入了四臺(tái)1.5 MW 的風(fēng)機(jī)，當(dāng)線路負(fù)荷較輕時(shí)，風(fēng)力機(jī)組通過饋線向鄰近線路輸送部分有功功率，支路3潮流反向。

表2 DG接入后系統(tǒng)的潮流情況

為進(jìn)一步分析DG 接入后短路電流的變化情況，以DG 接入點(diǎn)下游母線14發(fā)生三相短路為例，進(jìn)行簡單分析。圖4所示為DG 接入前后，母線14發(fā)生總故障電流的瞬時(shí)值，可見，隨著DG的接入，下游線路短路時(shí)，短路沖擊電流增加。

圖4 DG接入前后母線14的總故障電流瞬時(shí)值

為了模擬不同滲透率情況下短路電流的變化情況，改變風(fēng)機(jī)的接入容量，分別以4×1.5 MW 和8×1.5 MW 接入進(jìn)行仿真，結(jié)果如表3所示。表3給出了母線14發(fā)生三相短路故障時(shí)，流過相關(guān)線路的短路電流穩(wěn)態(tài)值，其中支路3在DG 接入點(diǎn)上游，支路12和13在接入點(diǎn)下游。

表3 DG接入前后短路電流變化表

DG 接入后流過支路3保護(hù)的電流減小，并且隨著DG 滲透率的提高，電流減小越明顯，這會(huì)降低上游瞬時(shí)過電流保護(hù)的靈敏度，甚至造成保護(hù)拒動(dòng)；但是，對(duì)于接入點(diǎn)下游的線路支路12和13，由于DG的助增作用，流過支路上保護(hù)裝置的電流增大，隨著DG容量的增大，增大的程度越顯著，這樣會(huì)增加下游線路保護(hù)的靈敏度，有可能誤動(dòng)。

2.3保護(hù)配置和動(dòng)作情況仿真

為了分析DG接入后對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，本節(jié)利用ETAP的繼保分析模塊進(jìn)行保護(hù)整定和分析。仿真中主要針對(duì)母線1、4、12、13連接支路，如圖5所示，分析DG接入后對(duì)上游和下游保護(hù)的影響。

圖5繼電保護(hù)分析示意圖

DG 接入前，對(duì)于配電線路，保護(hù)配置相對(duì)簡單，這里主要考慮采用瞬時(shí)速斷保護(hù)和反時(shí)限保護(hù)，瞬時(shí)速斷保護(hù)按照保護(hù)末端母線故障時(shí)保護(hù)不動(dòng)作進(jìn)行整定，如式（1）所示，其中可靠系數(shù)Krel取1.2；反時(shí)限保護(hù)使用非常反時(shí)限特性，如式(2)所示，其中tp為時(shí)間常數(shù)整定值。對(duì)于末端負(fù)荷線路，只需安裝定時(shí)限過電流保護(hù)即可，按照式（3）整定，其中可靠系數(shù)取1.25，返回系數(shù)取0.85，負(fù)荷自啟動(dòng)系數(shù)取2[14-16]。

過流繼電器采用ALSTOM公司的P139，斷路器采用ABB公司的25HKSA 1000型。按照一定的時(shí)限配合關(guān)系進(jìn)行整定，得到的繼電保護(hù)曲線如圖6所示。圖6(a)為保護(hù)17和保護(hù)29配合的TCC(Time-Current Curve)曲線，圖6(b)為保護(hù)17、22和24配合的TCC曲線。

在現(xiàn)有的保護(hù)配置情況下，接入DG，考察相關(guān)保護(hù)的動(dòng)作情況。由于反時(shí)限保護(hù)的特性，DG的助增作用會(huì)引起流過下游線路保護(hù)的電流增加，而提高保護(hù)的靈敏度，下游保護(hù)可以正確動(dòng)作，表4所示的事件動(dòng)作序列總結(jié)報(bào)告表也說明了這一點(diǎn)。此時(shí)，主要存在的問題是相鄰線路上發(fā)生故障時(shí)，流過接入點(diǎn)上游保護(hù)的反向潮流引起無方向性的保護(hù)17誤動(dòng)作。

圖6線路保護(hù)的時(shí)間電流(TCC)曲線

仿真中在相鄰線路母線8上設(shè)置三相短路故障，通過ETAP提供的動(dòng)作序列閱讀器可以得到表4所示的結(jié)果。可見，由于DG接入，提供反向故障電流，引起保護(hù)17誤動(dòng)作，故障切除后，DG 所在母線及其下游線路成為電力孤島。現(xiàn)有分布式發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)程一般禁止發(fā)生非計(jì)劃孤島。

表4事件動(dòng)作序列總結(jié)報(bào)告表

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，有源配網(wǎng)中，潮流反向的現(xiàn)象將是一種常態(tài)，DG離網(wǎng)和并網(wǎng)情況下電流變化情況也十分復(fù)雜，傳統(tǒng)反時(shí)限保護(hù)較難滿足要求。為了保障有源配網(wǎng)的安全運(yùn)行，有必要增加方向元件，利用通信手段獲取多源信息，構(gòu)建更智能的保護(hù)系統(tǒng)。

3結(jié)束語

高滲透率分布式電源接入中低壓配網(wǎng)，使傳統(tǒng)配網(wǎng)成為有源配電網(wǎng)，這一變化對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)的配置方案和裝置的正確動(dòng)作帶來了巨大的影響。本文重點(diǎn)分析了DG 接入配網(wǎng)后帶來的故障電流特征變化、對(duì)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置運(yùn)行的影響，并參照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，給出了主要的解決方案。此外，本文還分析了配網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的反時(shí)限保護(hù)在DFIG 接入配網(wǎng)后的表現(xiàn)情況，仿真結(jié)果表明，由于DG的助增作用，接入點(diǎn)下游的保護(hù)靈敏度增加，限制DG 的容量，仍可正常工作；接入點(diǎn)上游的保護(hù)則會(huì)因?yàn)橄噜従€路發(fā)生短路故障時(shí)，DG 貢獻(xiàn)的反向短路電流引起保護(hù)誤動(dòng)作，需要加裝方向元件。

參照現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各國對(duì)DG 接入配網(wǎng)的限制較大，不利于提高DG配網(wǎng)滲透率，究其原因，有源配網(wǎng)保護(hù)配置應(yīng)在保護(hù)主電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，具有簡單經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，不過分依賴通信技術(shù)手段。但是，從分布式發(fā)電的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，利用微網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建更為完善的保護(hù)原理和保護(hù)體系十分迫切。