摘要：研究了分布式電源接入放射狀配電網(wǎng)對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。利用Matlab／Simulink建立了直接并網(wǎng)和逆變并網(wǎng)兩種分布式電源模型，并對配電網(wǎng)進(jìn)行距離保護(hù)整定計算。針對分布式電源的類型、容量和接入位置等因素，探討了在有分布式電源接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，電流速斷保護(hù)和距離保護(hù)的工作情況。分析了運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，如長短線配合、短路點(diǎn)過渡電阻對測量阻抗的影響，并給出了相應(yīng)解決辦法。結(jié)果表明分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的靈敏度，選擇性有一定的影響。

關(guān)鍵詞：分布式電源；配電網(wǎng)；繼電保護(hù)

1 引言

分布式電源是一種新興的電力電源技術(shù)。分布式電源是指直接布置在配網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的、功率為數(shù)千瓦至50MW的、小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。DG包括功率較小的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池和風(fēng)力發(fā)電等。分布式電源具有調(diào)峰、利用再生能源、節(jié)省輸變電投資、降低網(wǎng)損、提高供電可靠性等效益。但隨著越來越多的分布式電源接入配電系統(tǒng)中，將不可避免地使配電系統(tǒng)復(fù)雜化，給運(yùn)行和調(diào)度帶來困難。

配電網(wǎng)的一般特點(diǎn)是呈放射形結(jié)構(gòu)并由單電源供電，配電網(wǎng)的繼電保護(hù)是以此為基礎(chǔ)設(shè)計和配置的。當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，除了系統(tǒng)向故障點(diǎn)提供故障電流外，分布式電源也將對故障點(diǎn)提供故障電流，改變了配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)短路水平。因而影響配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。分布式電源的類型、安裝位置和容量等因素都將對配電網(wǎng)的繼電保護(hù)造成影響。

根據(jù)DG并網(wǎng)技術(shù)的類型分類，DG可分為直接與系統(tǒng)相連(機(jī)電式)和通過逆變器與系統(tǒng)相連兩大類。若DG是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)直接發(fā)出工頻交流電則屬于第一類；而逆變器型分布式電源通常指的是將直流電逆變上網(wǎng)的分布式電源(如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池及各種電能儲存技術(shù)）。

本文旨在分析分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響，對兩種并網(wǎng)類型的DG進(jìn)行建模，建立一個典型結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)模型并進(jìn)行繼電保護(hù)整定，從分布式電源的位置、容量等因素考慮其對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。

2 配電網(wǎng)繼電保護(hù)

配電網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)，相對于高電壓大系統(tǒng)繼電保護(hù)而言，屬于簡單保護(hù)。配電網(wǎng)中常用的繼電保護(hù)有電流保護(hù)、電壓保護(hù)、反時限電流保護(hù)、距離保護(hù)等。

分布式電源接入配電網(wǎng)之后，原有配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。在故障發(fā)生時，由于分布式電源助增電流的作用，流經(jīng)故障點(diǎn)的故障電流將增大。分布式電源的引入改變了分布式電源附近節(jié)點(diǎn)的短路水平，對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的正確動作帶來影響；也改變了保護(hù)的范圍和靈敏度，給各線路繼電保護(hù)的上下級配合帶來問題。

電流保護(hù)是配電網(wǎng)中最為常用的保護(hù)，它是用電流突然增大使保護(hù)動作的保護(hù)裝置。在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的改變，在配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，配電網(wǎng)中的短路電流有著較大的改變。與不接分布式電源相比，對于同一點(diǎn)故障，分布式電源下游保護(hù)流經(jīng)的故障電流增大，上游保護(hù)流經(jīng)的故障電流減小，這將使下游保護(hù)的保護(hù)范圍增大，而上游保護(hù)(線路的遠(yuǎn)后備保護(hù))的保護(hù)范圍減小。并且當(dāng)DG容量達(dá)到一定大小時，故障線路和其上級線路的保護(hù)都有可能達(dá)到電流速斷保護(hù)的整定值，兩個保護(hù)都將跳閘，繼電保護(hù)將失去選擇性。由此可知，對于DG滲透率較高的配電網(wǎng)，電流速斷保護(hù)在選擇性、靈敏度校驗上不滿足要求。

距離保護(hù)是一種反映物理量——測量阻抗下降而動作的保護(hù)。距離保護(hù)測量元件的輸入是該處的母線電壓和流經(jīng)該線路上的電流，各母線處的母線相電壓和流經(jīng)該線路的電流之比為該處保護(hù)的測量阻抗Zm。顯然，距離保護(hù)能夠克服電流電壓保護(hù)受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響大的缺點(diǎn)。

在正常情況下，保護(hù)測量元件的測量阻抗為負(fù)荷阻抗。而當(dāng)線路上發(fā)生三相短路時，保護(hù)裝置所測量的阻抗即為短路阻抗。短路時，測量阻抗的大小與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離成正比，短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離越大，測量阻抗越大，反之越小。設(shè)距離保護(hù)的整定阻抗為Zset如果保護(hù)的測量阻抗為短路阻抗Zk，且Zk

3 仿真算例

配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型較多，我國城鄉(xiāng)大多數(shù)配電系統(tǒng)仍以放射狀鏈?zhǔn)綖橹鳌＿@種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有許多特點(diǎn)，比如接線可靠、保護(hù)容易整定、擴(kuò)容簡單等。

本文將變電所以上的系統(tǒng)等值為一電壓源，配電網(wǎng)電壓等級為10kV。分析中系統(tǒng)電壓始終保持不變。

文中所建立的配電網(wǎng)模型為放射形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)的容量基準(zhǔn)取為100MVA，電壓基準(zhǔn)取為10．5kV。該模型包含一條15km長的輸電線路，平均分成L1、L2、三段，每段長為5km。線路阻抗為0．35Ω／km。

在配電系統(tǒng)的饋線中，通常存在許多分支線，這些分支線相距不遠(yuǎn)，其負(fù)荷一般較小。文中假設(shè)這些分支線從10％Ll開始，按10％Ll的長度遞增，均勻地分布在配電網(wǎng)中。分布式電源將從這些節(jié)點(diǎn)接入配電網(wǎng)中。

為了進(jìn)行繼電保護(hù)整定計算，需要了解系統(tǒng)阻抗，此處用短路容量來表示其短路水平。本文中，變電所變壓器的低壓母線短路容量為250MVA。

配電網(wǎng)距離保護(hù)整定值如表1所示。

3．1 DG直接并網(wǎng)系統(tǒng)

中小容量的分布式電源接入配電網(wǎng)中，在故障發(fā)生時將對故障點(diǎn)提供故障電流。從研究繼電保護(hù)的角度而言，分布式電源可以用一個電源串聯(lián)電抗的模型來表示。對于不同類型的分布式電源，其電抗值是不同的，它代表著該電源的故障電流注入能力。根據(jù)Barker等對各類型分布式電源的故障電流注入能力研究的結(jié)果，最大的故障電流注入能力為1000％。該值可用于電路仿真以確定最壞的故障情況。

分布式電源由變壓器連接至配電網(wǎng)上，取變壓器的容量與所接分布式電源容量一樣。

分布式電源電抗

變壓器電抗

3．1．1 分布式電源容量變化

采用以上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，分布式電源安裝位置不變而容量發(fā)生改變時，在系統(tǒng)以最大運(yùn)行方式下，對配電網(wǎng)進(jìn)行三相短路仿真。

在各種仿真情況中，選取一個分布式電源以下面幾種容量連接在母線L上，配電網(wǎng)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)短路時的測量阻抗情況如表2所示。表2中容量為零表示沒有DG接入系統(tǒng)，z1、z2、z3分別表示1QF、2QF、3QF處保護(hù)的測量阻抗值。

由仿真結(jié)果可知，在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的變化，在配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，分布式電源上游保護(hù)處的測量阻抗逐漸增加，其下游保護(hù)的測量阻抗保持不變。

例如，當(dāng)故障發(fā)生在線路L3的中點(diǎn)處時，上游保護(hù)由于分布式電源的分流，測量阻抗會根據(jù)分布式電源容量的變化而相應(yīng)改變。而下游保護(hù)根據(jù)距離保護(hù)原理可知，測量阻抗的大小與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離成正比。此時，Z3< 斷路器1QF處保護(hù)正常動作。短路點(diǎn)在斷路器1QF、2QF處的距離保護(hù)范圍外，Z2> ，Z1> 保護(hù)不會誤動。

假設(shè)故障發(fā)生在線路k的首端，斷路器2QF處距離保護(hù)的測量阻抗只會接近且大于1．75，該保護(hù)不會誤動。因此不會出現(xiàn)類似電流速斷保護(hù)因為電流助增而引起的斷路器2QF、3QF處保護(hù)同時達(dá)到整定值，同時動作，進(jìn)而失去選擇性的情況。

由上表還可以看出，如果故障點(diǎn)在斷路器1QF處距離保護(hù)第二段范圍內(nèi)，隨著分布式電源容量的增加，斷路器1QF處保護(hù)的測量阻抗將增大，其結(jié)果可能導(dǎo)致該處距離保護(hù)第Ⅱ段測量元件出現(xiàn)拒動作，使其第Ⅱ段距離保護(hù)的實際保護(hù)范圍縮小?？梢奃G對距離保護(hù)的第Ⅱ段保護(hù)有一定的影響。

3．1．2 分布式電源位置變化

依舊采用上面的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選取相同容量分布式電源連接在不同位置。

以2MVA的分布式電源在各種位置接入配電網(wǎng)為例，當(dāng)故障發(fā)生在80％L處時，配電網(wǎng)距離保護(hù)處測量阻抗大小如表3所示。

結(jié)果表明，在不改變分布式電源容量的情況下，改變分布式電源接入位置對配電網(wǎng)的測量阻抗產(chǎn)生了一定影響。當(dāng)分布式電源位置在線路L上變化，此時分布式電源位于斷路器2QF處保護(hù)的上游，故障時，測量阻抗z，逐漸增加，測量阻抗z保持不變，此時斷路器2QIF處保護(hù)能正常動作；當(dāng)分布式電源位置在線路L2上變化，即分布式電源位于斷路器2QF處保護(hù)下游時，測量阻抗z2隨著電源接入位置的增加而減小，但此時Z> 其靈敏度由于分布式電源的出現(xiàn)而降低，保護(hù)范圍減小。因此當(dāng)分布式電源位于保護(hù)下游時，會對距離保護(hù)動作產(chǎn)生一定的影響。

按照DG在10％L接人進(jìn)行計算，此時的靈敏度為0．57515。即2QF處距離保護(hù)的第1段只能保護(hù)L2的57．515％，小于整定時的80％。

3．2 DG逆變并網(wǎng)系統(tǒng)

為了對DG逆變并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，首先必須建立DG逆變并網(wǎng)模型。本文在Matlab環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行了直觀建模。該模型為離散系統(tǒng)，取樣時間為5．144e．006s。其中3-phaseFault模塊選為A、

B、C三相故障。

為了不對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，必須控制網(wǎng)側(cè)電流。本文建立的DG模型采用電流瞬時值反饋。該反饋控制方法簡單，計算量小。具體的控制方案為網(wǎng)側(cè)實際電流與電網(wǎng)參考電流比較，再通過PI調(diào)節(jié)從而獲得開關(guān)管控制信號。

下面討論系統(tǒng)發(fā)生三相故障時，分布式電源位置變化對逆變并網(wǎng)DG對系統(tǒng)的影響。

采用上面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選取相同容量分布式電源通過逆變器接在系統(tǒng)不同位置。故障發(fā)生在80％L2處。測量阻抗的數(shù)據(jù)如表4所示。

由上表可知，當(dāng)分布式電源逆變并網(wǎng)的位置在線路L1上變化時，測量阻抗z1逐漸增大，測量阻抗Z2，保持不變，2QF處保護(hù)能正常動作；當(dāng)分布式電源位置在線路L2上變化，即分布式電源位于2QF處保護(hù)下游時，測量阻抗Z2隨著電源接入位置的增加而增加。當(dāng)DG在1O％L2和2O％L2并入系統(tǒng)時，Z2< 此時的第1段保護(hù)動作。當(dāng)DG在30％L2處并入系統(tǒng)時，

4．1 長短線的配臺

配電網(wǎng)中，如果本級線路較長而下級線路過短，可能出現(xiàn)長短線配合問題。

考慮到10kV等級線路輸送距離為6—20km，設(shè)PL段長為16km，LM、MN段各為2km。在進(jìn)行距離保護(hù)整定時，PL、LM、MN線第1段整定都不會出現(xiàn)問題。 =4．48Ω， = =0．56Ω。

先對PL線第Ⅱ段保護(hù)進(jìn)行整定。

(1)按躲LM線第1段阻抗整定， =4．928Ω。 = ／ =0．88<1．3，不滿足靈敏度要求。 =1．008Ω， = ／ =1．44，滿足靈敏度要求。

(2)按靈敏度整定， =1．3， =7．28Ω。對LM線第Ⅱ段保護(hù)進(jìn)行整定。

(3)按躲MN線第I段阻抗整定， =1．008Ω， = ／ZLM=1．44，滿足靈敏度要求。

采用長短線配合的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在Matlab環(huán)境下建立仿真模型。故障發(fā)生在LM線末端。表5為3種情況下的測量阻抗。容量為零表示沒有DG接入系統(tǒng)。

在前兩種情況下，Z1 ，Z2< ，1QF處保護(hù)不會誤動，2QF處的保護(hù)能正常動作。

比較表中數(shù)據(jù)可知，對于配電網(wǎng)絡(luò)，無論有無分布式電源接入，長短線的配合對距離保護(hù)都存在一定的影響。但是由于DG的存在，此影響反而減小。特別當(dāng)DG容量增大到一定時，Z1> 避免了保護(hù)失去選擇性的情況。

此外使用時限特性能保證保護(hù)選擇的正確性。即母線P處距離Ⅱ段動作時間比L處距離Ⅱ段動作時間多0．5s。

4．2 短路點(diǎn)過渡電阻對測量阻抗的影響

在配電網(wǎng)中，由于線路距離較短，線路阻抗相應(yīng)較小，距離保護(hù)耐受過渡電阻的能力大大下降。

當(dāng)分布式電源并于L處，故障發(fā)生在3QF處保護(hù)出口時，由于過渡電阻R呈電阻性，Z2=ZPL+R，Z3=R，如圖2所示。

z2和z3均落在2QF和3QF處保護(hù)第Ⅱ段的動作特性圓內(nèi)和3QF處保護(hù)第1段特性圓外。若過渡電阻R增大到R，則兩處保護(hù)的第1、Ⅱ段均不動作，而由第Ⅲ段保護(hù)動作跳閘，使得保護(hù)速動性變差。

選取表2和表3中MN線的數(shù)據(jù)，分析其各段保護(hù)正常工作下過渡電阻的臨界值，用R表示。計算結(jié)果如表6所示。

由上表可知，工、Ⅱ段保護(hù)耐過渡電阻能力較差。這是由于配電網(wǎng)線路其整定阻抗值較小，因此對過渡電阻的耐受能力較差。

為了提高躲過渡電阻能力，可以使用多邊形特性距離繼電器，它們具有較好的耐受過渡電阻的能力。例如四邊形、五邊形特性距離繼電器以及類似杯型特性距離繼電器。

5 結(jié)束語

5.1 當(dāng)分布式電源位于距離保護(hù)上游時，對保護(hù)的靈敏度、選擇性影響較小，不影響距離保護(hù)的正常動作。當(dāng)DG位于距離保護(hù)下游時，無論是直接并網(wǎng)還是逆變并網(wǎng)，DG都有一定的分流作用，會使得保護(hù)范圍減小。

5.2 對于長短線配合的系統(tǒng)，距離保護(hù)可能失去選擇性。但隨著分布式電源容量的增加，此影響反而減小甚至消失。

5.3 距離保護(hù)工、Ⅱ段耐過渡電阻能力較差。對于過渡電阻的影響，可以采用多邊形特性距離繼電器，將圓和直線特性結(jié)合起來，可以得到較好的躲過渡電阻能力。