分布式電源并網繼電保護自適應整定方法研究

李 剛，劉世林

（國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引 言

隨著能源結構的轉型和分布式電源的大規模接入，配電網的結構和運行特性發生顯著變化，給繼電保護的配置和整定帶來新的挑戰。傳統的繼電保護整定方法在分布式電源并網條件下可能會面臨一些問題，如靈敏度降低、誤動作等。因此，在分布式電源并網條件下實現繼電保護自適應整定具有重要的現實意義。自適應整定方法可以根據電網的運行狀態，實時調整保護裝置的整定值，以適應配電網的動態變化。在分布式電源并網條件下，自適應整定方法可以解決由于電源結構變化帶來的保護問題，提高保護裝置的運行性能。然而，分布式電源的引入給繼電保護帶來了新的挑戰。例如，分布式電源的接入可能會改變故障電流的大小和方向，使傳統的電流保護和距離保護的整定變得更加復雜。此外，分布式電源具有隨機性和間歇性，可能導致電網的運行狀態發生變化。因此，在分布式電源并網條件下實現繼電保護自適應整定具有重要的研究價值[1]。

1 分布式電源并網條件下繼電保護自適應整定方法設計

1.1 分布式電源并網接入對配電網繼電保護的影響

分布式電源主要包含光伏發電、風力發電2 種發電形式。接入分布式電源可以使配電網從單個電源向多電源網絡轉變，使電網潮流分布、諧波等發生改變，導致繼電保護裝置無法正常工作[2]。分布式電源經網側變換器接入有源配電網絡，因此可以將PQ控制策略應用在網側變流器中，其故障特征用公式表示為：

式中：pref、qref分別為網側變流器輸出的有功、無功參考值；Iw、Ie分別為分布式電源的有功電流、無功電流；Imax為網側變流器的輸入電流上限；U為并網點的電壓。

此時，故障狀態下分布式電源并網接入配電網的輸出電流為

式中：θ為并網點的電壓相角。

分布式電源的接入改變了配電網的故障電流分布，導致保護裝置誤動作或不動作，影響故障的隔離和處理[3]。

在式（1）中，Imax可取2.5 ～3.0 倍的額定電流，pref、qref可取0 ～1 倍的額定容量，但其他參量會隨Q 的工作模式而改變。在故障過程中，配電網的運行模式會發生較大的變化，極有可能出現誤動或拒動。由于故障電流可能來自多個方向，傳統的故障定位方法可能無法準確地確定故障的位置，需要采用更先進的故障定位算法和技術，以實現快速準確的故障定位[4-5]。同時，分布式電源的接入可能使配電網中保護裝置之間的配合變得更加復雜，因此需要重新評估和調整保護裝置之間的配合關系，確保各級保護裝置能夠協同工作，實現快速有效的故障隔離和恢復供電。

1.2 設計分布式電源并網條件下的繼電保護方案

在配電網中接入分布式電源后，不僅會改變配電網的故障電流分布，還會對各個節點的電壓產生一定的影響。特別是在高滲透率條件下，配電網的輸出功率會發生急劇變化，導致原配電網的自適應能力下降，甚至無法準確識別和分離故障。如果在發生故障時，能在較短的時間內切除全部斷路器，則系統側的保護裝置就能及時隔離故障。然而在配電網中，50%的故障是瞬時故障，大規模切除斷路器會導致電網電壓急劇下降，損傷用電設備，且頻繁的切除會對配電網本身造成損傷。因此，需要在充分把握故障特征的前提下，研究并優化保護工作原理和算法，以便在發生故障時快速、高效地進行繼電保護動作。

分布式電源通常通過專用線路或者“T”型接線方式接入公用配電網線路進行并網。對于通過專用線路接入的分布式電源，其線路保護可按照雙電源供電方式進行配置。在系統側和并聯點上，保護整定應避開兩端故障的最大短路電流，或者在各側加裝方向元件，使兩側都按照單電源饋線的方式進行整定。

基于此，文章以某市區配網中一條10 kV 公用線路上采用“T”型接線方式的垃圾填埋氣電場為例，設計繼電保護方案。分布式電源的上一次故障不會對電網側的保護產生影響，而下一次故障會使系統側的保護靈敏度下降，因此需要確保分布式電源側在特定點上能夠可靠動作，確保故障能夠及時被切除。為確保在線路發生故障時保護能夠有選擇地動作，并保證在故障發生后分布式電源能夠承載一定的線路負載進行孤網運行，因此需要在T 點的兩側安裝開關和保護裝置。

1.3 繼電保護的自適應整定

繼電保護的自適應整定指根據電網的實時運行狀態和故障情況，動態調整保護裝置的整定值，以適應配電網的動態變化。由于風力、光伏發電等分布式電源均采用最大功率追蹤模式，故障瞬間可被視為其輸出保持恒定。因此，分布式電源提供的故障電流并不一定等于逆變電源的額定電流。同時，分布式電源的故障電流和電壓之間存在相互影響，且這種關系是非線性的。

首先，將每次故障前的電流作為迭代初值，計算故障時各個節點的電壓；其次，將節點電壓與當前的電流表達式相結合，得到一次迭代后的故障電流；最后，將故障電流代入節點電壓方程，進行新一輪的迭代計算。反復進行迭代計算，當連續2 次迭代結果之間的差值小于給定的誤差范圍時，停止迭代，并將其作為收斂性的判斷準則，得到各個節點的電壓和輸出電流。為實現繼電保護的自適應整定，需要計算各支路的電流，計算公式為

自適應整定的核心是根據電網的運行狀態和故障情況調整保護裝置的整定值。在調整整定值時，需要確保保護裝置的靈敏度和可靠性，以免發生誤動作和拒動作。以某一特定的保護裝置為例進行分析，該線路中的電流定值按照線路末端的故障電流進行整定。當該保護裝置與相鄰保護裝置之間發生故障時，流經該保護裝置的電流主要由配電網系統側提供。因此，可以計算得出該保護裝置的電流定值，計算公式為

式中：Ih,1表示特定保護裝置的電流自適應整定數值；Uf表示配電網的系統母線電壓；z1表示系統側的電抗；η表示故障類型系數；z2表示被保護線路的阻抗；μ表示可靠系數。其中，相鄰保護裝置電流作為后備保護，仍按照常規的過流保護實現整定，即根據不含分布式電源并網時的最大負荷進行整定。每種繼電保護裝置的各區段定值，其作用時間和數值都是協調一致的。綜上，繼電保護的自適應整定是一種先進的保護策略，能夠提高繼電保護裝置的適應性和可靠性。通過實時監測和算法設計，自適應整定能夠根據電網的變化動態調整保護裝置的整定值，為配電網的安全、穩定運行提供有力保障。

2 實驗測試與分析

2.1 實驗準備

為驗證文章提出的分布式電源并網條件下繼電保護自適應整定方法在實際應用中的可行性，針對該方法的研究過程，對其進行實驗測試。選用MATLAB軟件作為此次測試的仿真平臺，該平臺中的電網模型參數如表1 所示。

表1 電網模型參數

分布式電源容量為15 MVA，本次測試以母線中1 點的三相短路故障為例，分別驗證基于改進花授粉算法的配網繼電保護整定優化方法（以下簡稱傳統方法）、文章所提方法的電流整定數值與實際故障切斷電流數值是否一致。

2.2 實驗結果與分析

基于實驗準備，進行相關測試，測試結果如表2所示。

表2 測試結果

在實驗中，采用實際配電網的運行數據，模擬故障情況和運行狀態，驗證文章提出的自適應整定方法的可行性和有效性。實驗結果表明，提出的自適應整定方法能夠快速準確地檢測故障問題，幫助工作人員切除故障。同時，根據電網的變化動態調整保護裝置的整定值，顯著提高保護裝置的性能。

分布式電源并網條件下繼電保護自適應整定方法的實驗結果表明，該方法能夠提高繼電保護裝置的性能，減少誤動作和拒動作的風險，為配電網的安全、穩定運行提供有力保障。

3 結 論

在分布式電源并網條件下，繼電保護自適應整定方法的研究對于保障電力系統的安全穩定運行具有重要意義。文章通過深入分析分布式電源對繼電保護的影響，以及自適應整定方法在應對這些影響方面的優勢，為相關領域的研究提供一定的理論支持和實踐指導。在未來研究中，應重點研究如何提高自適應整定方法的性能，以更好地應對分布式電源并網帶來的挑戰，從而制定更有效的保護策略。