張喜平，梅柏杉

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

分布式電源一般定義為從數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦的電源，并接入變電站、配電網(wǎng)或用戶負(fù)載，它包括光伏、風(fēng)電、燃料電池、蒸汽輪機(jī)、燃汽發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)[1，2].輸電和配電的費(fèi)用在逐步提高，而分布式電源的技術(shù)成本卻在降低，因此將分布式電源并入配電網(wǎng)比擴(kuò)大輸電網(wǎng)更經(jīng)濟(jì).

將分布式電源并入配電網(wǎng)時(shí)應(yīng)盡量靠近負(fù)荷，這樣就可以減輕電源的壓力.同時(shí)，配電網(wǎng)系統(tǒng)不會(huì)是輻射狀網(wǎng)絡(luò)，而是一個(gè)多電源的不平衡系統(tǒng).由于熔絲和傳統(tǒng)的電流保護(hù)均沒有感知方向的能力，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，如果把配電網(wǎng)中所有的熔絲和繼電保護(hù)裝置都換成帶有方向特征的保護(hù)器件是不現(xiàn)實(shí)的.

因此，有必要對(duì)分布式電源的高滲透率引起熔絲與熔絲配合、熔絲與電流保護(hù)配合的變化進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而提出一種方案以解決因容量不同、數(shù)量不等的分布式電源注入不同地點(diǎn)對(duì)配電網(wǎng)的影響所產(chǎn)生的問題[3，4].

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)模式

目前，我國(guó)的中低壓配電網(wǎng)主要采用不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)單側(cè)電源、輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，且地區(qū)之間的繼電保護(hù)水平很不均衡，整體水平不高.由于輻射狀配電網(wǎng)的潮流是單向流動(dòng)的，其80%～90%的故障都是瞬時(shí)的，所以傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)設(shè)計(jì)通常是在變電站處安裝基于3段式電流保護(hù)的斷路器，主饋線上裝設(shè)自動(dòng)重合閘，支路上裝設(shè)熔斷器.根據(jù)“故障后僅斷開故障支路，對(duì)瞬時(shí)故障進(jìn)行自動(dòng)重合閘”的原則[5]，使自動(dòng)重合閘裝置與斷路器及各側(cè)支路上的熔斷器相互協(xié)調(diào)，而每個(gè)熔斷器又分別與其直接相連的上、下一級(jí)支路上的熔斷器協(xié)調(diào)配合以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)，這種保護(hù)不具有方向性.分布式電源一般通過10 kV饋線接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，因此我們以10 kV饋線的保護(hù)為例，配電網(wǎng)模型如圖1所示.

圖1 10 kV配電網(wǎng)模型

2 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

2.1 對(duì)電流保護(hù)的影響

圖2為一個(gè)含有9個(gè)節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)接入主電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意.

圖2 分布式電源接入配電網(wǎng)示意

分布式電源在節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4接入該配電網(wǎng)中.其中，分布式電源由6臺(tái)1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，出口電壓為690 V，通過變壓器接入10 kV配電網(wǎng).

分布式電源可以安裝在保護(hù)裝置的上游或下游，通常上游是指分布式電源對(duì)保護(hù)裝置的相對(duì)電勢(shì)的方向與根節(jié)點(diǎn)相同，即與主電源出口方向相同，下游則相反.

圖2中，當(dāng)分布式電源從節(jié)點(diǎn)4接入時(shí)，該分布式電源在保護(hù)裝置B3和B4的上游，如果此時(shí)節(jié)點(diǎn)6或節(jié)點(diǎn)7發(fā)生短路故障，則流過B3的短路電流要比分布式電源未接入時(shí)大，B3能夠可靠動(dòng)作，在這種情況下分布式電源的接入提高了保護(hù)裝置的靈敏度.如果節(jié)點(diǎn)7發(fā)生短路故障，這時(shí)應(yīng)該由B4動(dòng)作，但是當(dāng)分布式電源由節(jié)點(diǎn)3或節(jié)點(diǎn)4接入后，如果此時(shí)流過B3的電流大到超過其設(shè)定值，B3就會(huì)誤動(dòng)作，此時(shí)必須校驗(yàn)其速斷保護(hù)的整定值.

分布式電源的接入可能會(huì)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作.例如，在圖2中，當(dāng)分布式電源由節(jié)點(diǎn)3接入時(shí)，如果在B2上游發(fā)生三相短路故障，則分布式電源提供的反向電流流過B2，此時(shí)若節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3之間的阻抗太小或分布式電源接入的容量太大的話，通過B2的短路電流就可能會(huì)超過其整定值，從而造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作.反向電流引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作還有另一種情況.在圖2中，當(dāng)分布式電源從節(jié)點(diǎn)3接入時(shí)，假設(shè)短路故障發(fā)生在相鄰線路保護(hù)裝置B5的下游，如果流過B2的反向短路電流超過其整定值，也會(huì)引起B(yǎng)2的誤動(dòng)作.因此，為了防止反向電流引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，必要時(shí)應(yīng)考慮為B2加裝方向元件.

2.2 對(duì)重合閘與熔斷器的影響

當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，可能會(huì)破壞熔斷器與熔斷器之間，以及熔斷器與重合閘之間的時(shí)間配合關(guān)系，其具體影響如圖3所示.

圖3 分布式電源的接入對(duì)重合閘和熔斷器的影響示意

由圖3a可以看出，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未接入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，熔斷器F1與F2相互配合.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入后，若母線B的負(fù)荷不大，故障Flt1或Flt2發(fā)生時(shí)，流過熔斷器F1和F2的電流基本相等.對(duì)于故障Flt1來說，繼電保護(hù)的選擇性要求F1比F2率先動(dòng)作;而對(duì)于故障Flt2來說，繼電保護(hù)的選擇性要求F2比F1率先動(dòng)作，此時(shí)切除F1的下游部分，母線B不會(huì)斷電.

由圖3b可以看出，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入前，負(fù)荷側(cè)發(fā)生的瞬時(shí)性故障可以由自動(dòng)重合器快速動(dòng)作切除，熔斷器的熔絲不會(huì)熔斷.由上述分析可知，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入后將會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)故障時(shí)流經(jīng)熔斷器的電流增大，而流過重合器的電流減小，在瞬時(shí)性故障發(fā)生時(shí)，熔斷器的熔絲可能會(huì)比重合器動(dòng)作要快，這樣就會(huì)破壞重合器和熔斷器的原有配合.如果保護(hù)方案沒有改變，只有斷開風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)才能保證保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)，才能使該系統(tǒng)恢復(fù)原有的配置.但這就意味著即使是暫時(shí)性故障也要將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)斷開.對(duì)于圖3b所示的熔斷器-重合閘配合，需要通過計(jì)算分布式電源接入后的短路電流來重新選擇不同參數(shù)的熔斷器和重合閘，才能實(shí)現(xiàn)該方案新的配合.

3 算例分析

3.1 不同容量的風(fēng)電系統(tǒng)在不同位置接入后的短路電流計(jì)算

在電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP上，按圖2所示的9節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)搭建仿真模型，配電網(wǎng)電壓為10 kV，分布式電源的裝機(jī)容量為9 MW.通過仿真計(jì)算得到，可靠系數(shù)取1.2時(shí)各保護(hù)裝置的電流速斷保護(hù)整定值如表1所示.

表1 未接入分布式電源時(shí)配電網(wǎng)電流速斷保護(hù)的整定值 A

當(dāng)分布式電源未接入配電網(wǎng)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)1，3，4，6，7設(shè)置三相短路故障，流過各保護(hù)裝置的短路電流如表2所示.在節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4分別接入額定容量為3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后，流過各保護(hù)裝置的短路電流如表3所示.

表2 未接入分布式電源時(shí)的短路電流 A

表3 在節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4分別接入分布式電源時(shí)的短路電流 A

當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)時(shí)，若分布式電源處于短路點(diǎn)的上游，則會(huì)對(duì)短路點(diǎn)的電流有助增作用.此時(shí)，若保護(hù)裝置處于分布式電源的下游，流過保護(hù)裝置的電流就會(huì)增加，則此保護(hù)裝置的靈敏度就會(huì)提高;若保護(hù)裝置處于分布式電源的上游，流過保護(hù)裝置的電流就會(huì)比未接入分布式電源時(shí)小，則保護(hù)裝置的靈敏性就會(huì)降低.在仿真模型中，對(duì)節(jié)點(diǎn)4接入額定容量分別為2 MW，3 MW，6 MW的分布式電源，并在節(jié)點(diǎn)7設(shè)置三相短路故障的情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如表4所示.

表4 在節(jié)點(diǎn)4接入不同容量分布式電源時(shí)的短路電流

3.2 算例中的影響分析

3.2.1 接入位置對(duì)電流保護(hù)的影響

圖2所示的線路結(jié)構(gòu)中，在節(jié)點(diǎn)3與在節(jié)點(diǎn)4接入分布式電源的情況相似，但由于線路阻抗的原因，在節(jié)點(diǎn)3接入時(shí)對(duì)分布式電源上游貢獻(xiàn)的電流值比從節(jié)點(diǎn)4接入時(shí)的大;在節(jié)點(diǎn)4接入時(shí)對(duì)分布式電源下游貢獻(xiàn)的電流值比從節(jié)點(diǎn)3接入時(shí)的大.可見，當(dāng)分布式電源處于保護(hù)裝置的上游，故障點(diǎn)處于保護(hù)裝置的下游時(shí)，分布式電源對(duì)此故障點(diǎn)的短路電流有助增作用，同時(shí)，電流速斷保護(hù)的靈敏度也會(huì)提高，而分布式電源的接入容量越大，助增電流也會(huì)越大，保護(hù)的靈敏度也變得更高.但當(dāng)在節(jié)點(diǎn)4接入容量為3 MW的分布式電源、且節(jié)點(diǎn)7短路時(shí)，保護(hù)裝置B3處的短路電流為1 907.8 A，超過其整定電流1 611.3 A，使得B3動(dòng)作，而此時(shí)應(yīng)由B4動(dòng)作，B3不應(yīng)動(dòng)作.由此可見，分布式電源的接入對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)產(chǎn)生了不良影響.因此，分布式電源接入配電網(wǎng)后必須校核其速斷保護(hù)的整定值.

當(dāng)從節(jié)點(diǎn)4接入時(shí)，分布式電源處于保護(hù)裝置B1和B2的下游，若節(jié)點(diǎn)1發(fā)生短路故障，比較表2和表3可知，分布式電源到短路點(diǎn)的距離越近，對(duì)短路點(diǎn)的短路電流貢獻(xiàn)越大;當(dāng)從節(jié)點(diǎn)3接入、且節(jié)點(diǎn)3處短路時(shí)，保護(hù)裝置B2處的電流為3 577.8 A，稍小于未接入分布式電源、且節(jié)點(diǎn)3處短路時(shí)B2的動(dòng)作電流3 991.5 A.如果節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3之間的線路阻抗再小些或風(fēng)電的接入容量再大些，則B2處的電流很可能會(huì)超過其整定值而動(dòng)作，導(dǎo)致故障切除后線路失去放射形狀.因此，分布式電源接入后應(yīng)適當(dāng)調(diào)整B2的整定值.

如果從節(jié)點(diǎn)4接入、且節(jié)點(diǎn)3處短路時(shí)，故障點(diǎn)處于保護(hù)裝置和風(fēng)電系統(tǒng)中間，雖然短路點(diǎn)的短路電流增加明顯，但是流過B2的電流3 991.6 A與未接入風(fēng)電系統(tǒng)時(shí)流過B2的電流3 991.5 A相差不大，此時(shí)流過保護(hù)裝置的電流主要由根節(jié)點(diǎn)提供，分布式電源的接入對(duì)B2的影響不大.如果分布式電源從節(jié)點(diǎn)3接入、且節(jié)點(diǎn)6發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)處于風(fēng)電系統(tǒng)的下游，流過B1和B2的短路電流比不接入風(fēng)電系統(tǒng)時(shí)要小，此時(shí)保護(hù)裝置的保護(hù)范圍和靈敏度都會(huì)降低.

3.2.2 容量對(duì)電流保護(hù)的影響

隨著分布式電源接入容量的增大，流過配電系統(tǒng)下游保護(hù)裝置的電流持續(xù)增加，提高了B3和B4的靈敏度和保護(hù)范圍.如果容量增加到一定值，非終端線路上的保護(hù)裝置B3的保護(hù)范圍將會(huì)延伸到下一級(jí)線路，這樣就會(huì)引起誤動(dòng)作而失去保護(hù)裝置的選擇性.例如，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)4接入3 MW的分布式電源、且節(jié)點(diǎn)7短路時(shí)，保護(hù)裝置B3處的短路電流為1 907.8 A，大于B3的整定電流1 611.3 A，B3動(dòng)作，此時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)的接入使配電網(wǎng)中的保護(hù)裝置失去了選擇性;當(dāng)節(jié)點(diǎn)4接入2 MW分布式電源、且節(jié)點(diǎn)7短路時(shí)，B3處的短路電流為1 600.3 A，不會(huì)使B3誤動(dòng)作，而保護(hù)裝置B4在線路的最末端，不會(huì)對(duì)下一級(jí)保護(hù)裝置產(chǎn)生影響.可見，不同容量風(fēng)電系統(tǒng)的接入也會(huì)對(duì)保護(hù)裝置的動(dòng)作產(chǎn)生不同的影響.

4 結(jié)語

本文分析了分布式電源接入后對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)裝置和配電網(wǎng)自動(dòng)化裝置的影響，分布式電源的接入會(huì)提高或降低電流保護(hù)的靈敏度，擴(kuò)大或縮小其保護(hù)范圍，使保護(hù)裝置產(chǎn)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，從而破壞重合器-分?jǐn)嗥餍宛伨€自動(dòng)化方案和熔斷器-熔斷器型饋線自動(dòng)化方案原有的配合，使基于FTU的環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)不能判斷故障發(fā)生的地點(diǎn)，無法及時(shí)處理故障.

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