太陽能分布式光伏電站接入配電網繼電保護配置研究

寧夏大學新華學院 戴 瑞

太陽能分布式光伏電站主要是通光伏組件將太陽能直接轉換為電能的一種分布式光伏電站系統，其接入配電網繼電保護配置研究的必要性主要體現在兩方面：一是從2020年1月開始國務院、能源局、發改委以及國家電網等部門都在一定程度上給予扶持政策，能在一定程度上減緩部分地區用電緊張的局面，其次分布式光伏電站主要是利用太陽能來發電，其環保效益較高，也有利于減緩環境污染等問題；二是太陽能分布式光伏電站的介入會對配電網內部結構存在較大影響，由原來的放射性結構轉變為多電源結構，此時繼電保護配置如不進行優化會存在較大安全隱患，影響整體的用電安全。

1 繼電保護裝置的基本要求

選擇性。如圖1，當K1短路，保護1、2動，跳1QF、2QF；如圖2，當K2短路，保護5、6動，跳5QF、6QF；如圖3，當K3短路，如保護7拒動或7QF 拒動，保護5動、跳5QF，有選擇性。如保護7正確動作和7DL 跳閘，保護5動、跳5DL，則會越級跳閘、非選擇性。通過以上分析所得：選擇性就是故障點在區內選擇動作，在區外選擇不動作。當主保護無動作時由近后備或遠后備進行故障切除，從而使停電范圍控制在最小。

圖1 K1短路

圖2 K2短路

圖3 K3短路

速動性。一般情況下作用于斷路器跳閘保護都要求動作迅速，其速動性可有效提高系統運行的穩定性，減少在低電壓下工作的時間，減少故障元件的損壞程度以及避免故障進一步擴大。

靈敏性。主要體現在當出現故障時系統對故障反應及處理能力，一般用靈敏系數來衡量，表示為Ksen。對反應數值上升而動作的過量保護、如電流保護：Ksen=短路時故障參數的最小計算值/保護動作參數=Ik.min/Iset；對反應數值下降而動作的欠量保護、如電壓保護：Ksen=保護動作參數/短路時故障參數的最大計算值=Uset/Uk.max。

穩定性。影響系統穩定運行的原因較多，如元器件的質量、制造水平、運行維護及安裝調試等。判斷其穩定性主要是通過在發生故障時，能否按照設定計劃既不發生拒動也不發生錯動：正確動作率=正確動作次數/動作總次數×100%。

2 太陽能分布式光伏電站并網后對配電網繼電保護的影響分析

傳統繼電保護根據配電網單流行、放射式的結構進行配置，是一個單端的電源網絡，但是太陽能分布式光伏電站并入電網后會打破原有的配電網絡結構，形成一個多電源的網絡結構。傳統配電網絡一般不安裝方向元件，以階段式電流保護為主，當光伏電站并入后形成多個電源，使原來的結構網絡更加復雜化，流向也更加的多變化。當系統出現故障時，原來的配電網系統和新并入的光伏電站系統都朝向故障點進行提供短路電流，在這樣的情況下，既改變了原來電流的大小也改變了電流的流向，導致了配電結構網絡的繼電保護裝置不能正常發揮其作用[1]。

受保護的范圍縮小。在分布式光伏電站并入配電網后，繼電保護配置在未進行優化時，因功能不能完全體現會造成保護范圍縮減；使重合閘失敗。分布式光伏電站并入配電網后，當與系統進行相連時或在進行其他工作時發生線路故障、且分布式光伏電站的切除時間比重合閘時間晚，會引起電弧重燃，導致最后的重合閘不成功，影響整體的安全性能。

降低靈敏度或拒動。太陽能分布式光伏電站并入配電網后會降級繼電保護的靈敏度，甚至會導致拒動。圖4中當分布式光伏電站下游出現故障點K1處，分布式光伏電站接入會造成流入下游保護電流增大，在其上游A 處點位的電流會變小，這時如保護定值沒有進行調整會導致系統工作失常，進而導致上游保護的靈敏度降低，嚴重情況下會發生拒動現象[2]。

圖4 分布式光伏電站接入配電網絡結構圖

局部保護誤動。在傳統的配電網絡中，由于是電流向放射結構，在配電網絡繼電保護裝置中一般不會安裝方向元件，這時當故障點位于分布式光伏電站上游時，如圖1中K2處，分布式光伏電站的接入會造成下游流過的電流變大，圖1中A 處在繼電保護裝置保護定值不變情況下會導致上游保護的誤動，進而影響系統正常運行，影響發揮系統正常的保護作用。

3 太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級并網接入方式

太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級并網接入的方式，根據運營模式不同可分為統購統銷模式下的T 接公用線并入系統和余量上網模式或自發自用模式T 接公用線并入系統兩種接入方法。每一種模式又分為多種接入方式，如專線接入系統變電站、T 接公用線接入系統變電站、T接公共開關站及T接配電室等多種方式。本文主要針對兩種比較典型的接入方式進行分析。

統購統銷模式下的T 接公用線并入系統：在10kV 公共電網母線上加裝并網點開關，通過并網點開關實現光伏電站電纜的并網接入，單個并網點裝機容量為400kW～6MW（圖5）；余量上網模式或自發自用模式T 接公用線并入系統：用戶內部10kV母線加裝光伏接入柜，通過光伏接入柜將光伏電站的電纜接入實現并網接入，單個并網點的裝機容量400kW～6MW（圖6）。

圖5 統購統銷模式下T 接公用線接入系統

圖6 余量上網模式或自發自用模式T 接公用線并入系統

4 太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級繼電保護配置原則及整定原則

太陽能分布式光伏電站并入配電網絡后需對配電網絡中的繼電保護配置進行全面升級優化，同時還需根據實際情況綜合因素考慮經濟性，在進行選材施工過程中，滿足相關要求前提下優選經濟性較高的產品。此外還需對光伏電站側進行新的繼電保護配置，在整個繼電保護配置優化過程中，需遵循保證系統可靠性、簡化光伏側保護配置的原則。

4.1 統購統銷模式下T 接公用線接入系統的保護配置

系統側保護配置：110kV 以母線段為單位配置故障解列保護包含低壓、低頻、高壓和高頻保護，斷路器、10kV 光伏電站聯絡線；配置階段式方向過電流保護，方向元件可投退，不能避免反方向故障時須經方向閉鎖；系統側保護需具備三相一次重合閘功能，且重合閘時間需避開光伏站最大解列時間，此外還需具備檢無壓、同期等功能，避免出現非同期階段進行合閘給系統帶來沖擊力；T 接點斷路器需電業局根據現場實際情況進行配置，配置完成后需配置線路保護及重合閘功能，此重合閘還需具備檢測線路無壓等功能，以保障系統能正常運行。

光伏電站側保護配置（圖5）：在產權分界點位置配置階段式方向過電流保護，電流方向指向變壓器；過電流保護與限時速斷電流保護結合，與QF1保護配合；產權分界點位置配置三相線路壓變，配置故障解列裝置，產生動作跳QF2；并網斷路器需具備的功能：低周、高周、低壓、高壓解列功能，速斷、帶方向過電流保護、光纖差動保護及其他功能。對于一些計劃外的孤島，從發生到并網斷路器跳開的時間一般不能超過2秒鐘。

4.2 余量上網或自發自用模式T 接公用線并入系統

系統側保護配置：與統購統銷模式下T 接公用線接入系統的保護配置中的系統側保護配置相同，此處不再重復闡述。

光伏電站側保護系統配置（圖6）：產權分界點位置配置階段式方向過電流保護，動跳QF2，電流流向指向用戶母線，與QF1配合作用；產權分界點位置配置故障解列裝置，動跳QF3；QF3位置配置階段式方向過電流保護，電流方向指向用戶電壓，與QF2整定配合；并網斷路器需具備的功能：低周、高周、低壓、高壓解列功能，速斷、帶方向過電流保護、光纖差動保護及其他功能。對于一些計劃外的孤島，從發生到并網斷路器跳開的時間一般不能超過2秒[3]；光伏電站決定QF3處開光保護跳閘或是產權分界點安全自動裝置連切后，是否重合閘，重合閘應具備足夠延時及加速跳閘功能[4]。

4.3 分布式光伏電站接入配電網繼電保護整定原則

電流速斷保護，按照躲開線路末端故障時最大短路電流進行整定，其中可靠系數可取值1.3；限時電流速斷保護，按躲過相鄰線路的瞬時電流速斷的最大保護動作電流進行整定，Ksen ≥1.3；過電流保護一般是按照躲過線路最大負荷電流進行整定。一般情況下，當系統中發生一般故障時，過電流整定時間從0～0.25秒。如發生高阻接地故障時，需對線路保護配置零序過電流方向保護，當線路中的零序電流超過整定電流且延時大于整定值時發生動跳。零序過電流方向保護在實際的運用中主要分為兩段整定，一段整定時間0.3秒，二段整定時間0.6秒。為提高靈敏性可增設零序電流互感器。

5 案例分析

光伏電站裝機容量1060kW，采用1000kVA 美式箱變壓器通過10kV 母線接入用戶10kV 光伏間隔，采用余量上網模式或自發自用模式T 接公用線并入系統（圖7）。10kV 母線參數：JK-240架空1.126km，標幺值0.317每公里，阻抗max 為0.3943、min0.4476，變壓器S11-1000/10，U=4.5%，互感器電流比75/5。

圖7 光伏電站接入電氣主線示意圖

5.1 繼電保護配置

用戶系統側更換具備階段式過電流保護的裝置；在產權分界點位置配置階段式方向過電流保護，電流方向指向用戶10kV 母線；在并網點處配置階段式方向過電流保護，低壓閉鎖合閘，低周減載、低壓減載，方向指向用戶電源。

5.2 并網點處的整定計算

系統抗阻系統如圖8。

圖8 系統阻抗圖

參數換算：設功率基準值Sd=100MV×A；基準電壓 Ub=10.5kV；最大短路電流基準值I(3)B.max=SB/√3UB=100/1.732×10.5=5500A，最小短路電流基準值I(2)B.min=√3/2I(3)B.max=4763A，線路阻抗X＊1=p＊1L=0.317×1.126=0.356942，變壓器阻抗X＊T=UK% /100×SB/SN=4.5/100×100=4.5。

第一階段整定計算：根據已知參數可得系統短路最大電流計算Ik.max=i(3)k=5500/(X＊s.min+X＊1+X＊t)=1047.37A，動作電流計算IIset1=KrelIk.max=1361.58A，繼電保護器的動作電流計算IIset1.r= IIset1/nTA=1361.58/15≈90.8A，其中繼電保護器的動作時間可以計算為ti1=0s。

第二階段整定調整計算：系統短路最小電流計算為Ik.min=i(2)k=897.91A，繼電保護器的動作電流計算為I2set1.r=Ik.min/2nTA=897.91/2×15≈30A，其中繼電保護器的動作時間可以計算為t21=0.5s。

低壓、低周環境下的整定：根據國家相關規范規定，低壓一般設置在60～70V 之間，電網頻率低于48Hz 時，逆變器需在0.2秒內停止相應工作。在本方案設計中，低壓閉鎖值設置的是70V，低周減載延時設置成0.25秒，其設置主要是為了逆變器受其他影響，導致工作不穩定，在0.2秒內沒有跳開光伏電站斷路器時，并網點的斷路器可在0.25秒時進行動跳動作[5]。

結論：太陽能分布式光伏電站特點及優勢較為突出，目前已被大力推廣，同時國家相關部門也給予了較大政策支持用以推動分布式光伏電站的完善和進步。在分布式光伏電站并入配電網絡后會對原來的配電結構構成破壞，電源由單電源轉變為多電源，電流方向也有單一方向轉變為多方向，在這個基礎上，傳統的繼電保護配置已不能有效保護系統正常工作，必須對其配置進行優化和改善，就目前情況來講，因為分布式光伏電站的大力推廣和運用，現有繼電保護設備相對還不完善，隨著科技的發展和進步相關技術還需不斷的創新，以高質量服務于社會經濟的發展和進步。