宋志明 荀堂生 王莉 山東省電力學校，山東泰安 271000

分布式電源對配電網保護的影響分析

宋志明 荀堂生 王莉 山東省電力學校，山東泰安 271000

本文通過介紹分布式電源及分布式電源的接入配電網方式，從繼電保護的靈敏度、可靠性、重合閘等幾個方面詳細分析了分布式電源對配電網繼電保護的影響，提出了目前新興分布式電源的接入配電網繼電保護所面臨的問題，并指出新型繼電保護方能解決這一問題。

分布式電源；配電網；繼電保護；分析

一 概述

分布式發(fā)電就是利用各種可用的分散存在的能源，包括可再生能源如太陽能、地熱能、生物質能、小型風能、小型水能、波浪能等和本地可以方便獲取的化石類燃料（主要指天然氣）進行發(fā)電供能。分布式發(fā)電技術和儲能技術合稱為“分布式電源”。目前，對這一新的發(fā)電形式的正式稱謂還不統(tǒng)一。在英屬國家，習慣叫做“嵌入式發(fā)電”(Embedded Generation)；在北美，叫做“分布式發(fā)電”(Dispersed Generation)；在歐洲和亞洲的部分國家，叫做“非集中式發(fā)電”(Decentralized Generation)，簡稱DG。

隨著地球資源的日漸枯竭和人們環(huán)保意識的普遍加強，世界各國都對一次能源、可再生能源的充分利用給予了高度的重視，促使了一種新興的高效、環(huán)保的發(fā)電技術——分布式發(fā)電（DG）飛速發(fā)展。近年來，分布式發(fā)電供能在發(fā)達國家得到大力的推廣應用。據(jù)報道，2010年之前全世界累計新增發(fā)電容量的25%～30%將來自于分布式發(fā)電供能系統(tǒng)。我國在能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃中提出了“努力構筑穩(wěn)定、經濟、清潔的能源體系，以能源的可持續(xù)發(fā)展支持我國經濟社會的可持續(xù)發(fā)展”的指導方針。采用分布式發(fā)電技術，有助于充分利用各地豐富的清潔和可再生能源，向用戶提供“綠色電力”，是實現(xiàn)我國“節(jié)能減排”目標的重要舉措。在我國《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》中明確提出要大力開展“可再生能源低成本規(guī)模化開發(fā)利用”以及“間歇式電源并網及輸配技術”，開展分布式發(fā)電技術方面的研究工作符合國家重大需求。

分布式電源的規(guī)模一般不大，大約在幾十千瓦至幾十兆瓦。一般而言，分布式電源是直接接入配電系統(tǒng)（380V或10kV配電系統(tǒng)）并網運行或采取獨立運行的方式。分布式電源接入配電網后，使傳統(tǒng)的單電源輻射網絡變成了一個多源網絡。正常運行時，網絡中的潮流分布及系統(tǒng)故障時短路電流的大小、流向和分布，均會發(fā)生變化。傳統(tǒng)配電網中保護設備之間建立起來的配合關系也將被打破，保護的動作行為和動作性能都會受到較大的影響。

二 影響分析

以圖1所示系統(tǒng)為例，對 DG并網后的影響進行分析。

圖1 含DG的配網系統(tǒng)圖

（1） 導致本線路保護的靈敏度降低甚至拒動

在線路L1末端發(fā)生三相短路故障F1時，DG的接入位置不同，短路電流IK的變化軌跡如圖2所示，其中橫坐標為DG接入點在線路L1中的相對位置；縱坐標為短路電流的標幺值。

圖2 本線路發(fā)生短路時，DG對本線路故障電流的影響

隨著DG容量的改變，在同一地點發(fā)生三相短路故障時，短路電流的大小也會改變。分布式電源的等效阻抗可以間接反映它的容量，一般而言，DG的容量越大，其等效阻抗值越小， 即a的取值越小，代表分布式電源容量越大。圖3和圖4分別為DG容量變大后的短路電流變化曲線圖。

圖3 改變DG容量（a=2）對Ik的影響 圖4改變DG容量（a=1.2）對Ik的影響

可以看出，隨著DG容量的增加，當DG在某一個范圍（x大約為0.3～0.9）接入配電網時，會使保護1的過電流保護也不能動作，此時發(fā)生故障會使保護1拒動。隨著DG 容量的進一步增加，會發(fā)現(xiàn)導致保護1拒動的DG接入范圍越來越大。

由上述分析可見，DG接入之后，DG和系統(tǒng)都會對故障點提供短路電流，但保護1處只能感受到系統(tǒng)提供的短路電流，在其他條件不變的情況下，該電流將會因DG的助增作用而減小，在保護定值不變的情況下，其靈敏度將會降低，嚴重時甚至會緩動或拒動。DG的容量越大，對配網保護靈敏度的影響也就越大。

（2） 導致本線路保護誤動

以圖1為例， 如果在相鄰線路L2距離母線y處發(fā)生三相短路故障(假設兩條線路具有相同的長度和單位阻抗)，則等效電路圖如圖4。

保護1檢測到的故障電流值IK可近似描述為：

當故障F2發(fā)生在母線處（y=0，a=3），隨著DG接入位置x的改變，保護1檢測到的故障電流Ik如圖5所示，圖中橫坐標為DG接入點在線路中的相對位置；縱坐標為短路電流的標幺值。

圖4 系統(tǒng)等效電路圖

圖5 相鄰線路母線發(fā)生短路時DG對本線路保護的影響

由圖5可知，當x大于0.64（x值越大表示DG越靠近保護1）時，保護1檢測到的故障電流Ik將會大于Iset1.1，若保護1處沒有安裝方向元件，則保護1的電流速斷保護將會誤動作。

當DG的容量增加時，影響將更加明顯，圖6、圖7所示，DG的接入位置固定時，故障發(fā)生的位置不同也將改變保護1檢測到的故障電流，當取a=3，x=0.75（即DG接入距線路L1始端1/4處）時，保護1檢測到的故障電流Ik隨著故障點y的改變如圖8所示，圖中橫坐標為線路L2上的故障點y距母線的相對位置；縱坐標為短路電流的標幺值。

圖6 改變DG容量使a=2時對Ik的影響

圖7 改變DG容量使a=1.2時對Ik的影響

由圖8知，當故障發(fā)生在母線附近時，容易引起保護1的誤動。當DG容量增大（a變小，取a=1.2）時，發(fā)生誤動的故障區(qū)域也隨之變大，如圖9所示。

可見，當相鄰線路L2在F2處發(fā)生故障時，在DG接入之前，保護1感受不到故障電流；DG接入之后，相同地點發(fā)生相同故障時，保護1將感受到DG提供的故障電流，如果該電流足夠大，將導致保護1誤動。（3）導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動，失去選擇性

圖8 相鄰線路故障位置發(fā)生改變時對故障電流影響（a=3）

圖9 相鄰線路故障位置和DG容量發(fā)生改變時對故障電流影響

設F3處發(fā)生故障，在DG接入之前，短路電流只由系統(tǒng)流向故障點；DG接入后，DG和系統(tǒng)都會對故障點提供短路電流，此時相鄰故障線路的保護（即保護2處的保護）也會感受到故障電流，將可能導致其速斷保護誤動，從而失去選擇性。

圖10 含DG的配網系統(tǒng)圖

圖11 系統(tǒng)等效電路圖

當故障發(fā)生在距保護3的距離為y處時，等效電路如圖11。保護2處檢測到的故障電流可以近似用如下公式描述：

當上述參數(shù)分別取：a=2，x=0.75時，通過MATLAB可得到保護2 檢測到的故障電流IK2隨故障位置y的改變如圖12所示，其中橫坐標為線路L3上的故障點y距母線的相對位置；縱坐標為短路電流的標幺值。

圖13 帶手拉手開關的解環(huán)配電網

由圖12可以看出，當故障發(fā)生在離保護3附近一段范圍內，保護2檢測到的故障電流 Ik2> Iset2.1，則保護2的電流速斷將會瞬時動作。而故障發(fā)生在保護2的電流I段保護范圍之外，因此保護2發(fā)生誤動，失去了選擇性。

（4）DG可能導致重合閘不成功

以圖13 所示的一個結構簡單的開環(huán)運行的配電網為例，變壓器T1與T2通過饋線為負荷提供電源，在正常運行時手拉手開關D處于斷開狀態(tài)。如果沒有分布式電源接入配電網，當?shù)谝粭l線路A1至B1上發(fā)生短路故障時，開關A1的電流保護動作，切除故障。B1不需要切除短路故障電流，B1檢測到靠近T1端失壓后，在設定的時間間隔后分斷。如果F1是瞬時故障，斷路器A1重合閘成功，B1檢測到電壓恢復，在預設的時間間隔后重合恢復供電。如果F1是永久故障，A1重合閘失敗，B1閉鎖，手拉手開關D動作閉合，由T2對無故障線路恢復供電。如果分布式電源DG接入配電網，當同樣故障F1發(fā)生后，開關B1能否感受到短路電流取決于分布式電源DG的容量以及線路阻抗，為了正確隔離故障，保證選擇性，開關B1需安裝方向電流保護。如果故障點F1距離開關B1較遠，而分布式電源DG的容量又不大，則開關B1將保持在閉合狀態(tài)，在這種情況下，即便F1是瞬時故障，由于DG始終向故障點提供短路電流，該瞬時故障無法自行消失。開關A1重合閘失敗后，故障將在配電網中持續(xù)存在，甚至有可能引發(fā)新的故障。

由以上分析可見，當DG接入之后，配電網變成多電源結構，線路故障時，如果只有系統(tǒng)側保護動作跳閘而DG不跳開，則DG會繼續(xù)向故障點提供短路電流，故障點仍處于游離狀態(tài)。如果此時系統(tǒng)側進行重合閘，必然會重合于故障狀態(tài)，導致重合閘不成功。

三 結論

分布式電源的迅速發(fā)展，是電力能源的拓展方向，也為電網提出了新的挑戰(zhàn)，本文通過上述分析得出，分布式電源接入配電網后，可導致DG接入線路保護的靈敏度降低及拒動、誤動；導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動，失去選擇性；還可能導致重合閘不成功等，為了充分發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)的作用，解決分布式電源接入配電網的安全可靠性問題，亟待研究新型配網繼電保護系統(tǒng)，以適應新形勢下的電力系統(tǒng)配電網對繼電保護的要求，本文的分析結果將為新型繼電保護的研究提供切實可行的分析依據(jù)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.009

宋志明（1966-），男，山東省電力學校技能培訓部 高級講師，從事電力系統(tǒng)繼電保護、自動化、直流輸電等專業(yè)的教學、培訓及研究工作。