霍蘭茹

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000)

1 引言

分布式發(fā)電(DG)又稱為分散式發(fā)電或分布式供能，一般是指將相對(duì)小型的發(fā)電裝置分散布置在用戶(負(fù)荷)現(xiàn)場(chǎng)或用戶附近的發(fā)電(供能)方式。主要包括:以液體或氣體為燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等多種形式。

由于分布式電源的引入，使得配電系統(tǒng)從傳統(tǒng)的單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p端或多端有源網(wǎng)絡(luò)，改變了配電網(wǎng)中短路電流的大小、流向及分布。同時(shí)，DG的不可控性如光伏發(fā)電受日照和時(shí)間等條件影響都給繼電保護(hù)的配置和整定帶來了難度。

2 DG對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響

繼電保護(hù)的配置與網(wǎng)絡(luò)狀況直接相關(guān)。DG通常接入10～110kV公共配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)通常為單側(cè)電源、輻射狀網(wǎng)絡(luò)，在線路上發(fā)生故障時(shí)，只有系統(tǒng)側(cè)的電源向故障點(diǎn)提供故障電流，因此保護(hù)裝置裝設(shè)在線路系統(tǒng)側(cè)。一般配置三段式電流保護(hù)，即瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)。瞬時(shí)電流速斷保護(hù)按照躲過線路末端故障產(chǎn)生的最大三相短路電流的方法整定，不能保護(hù)線路全長(zhǎng);定時(shí)限電流速斷保護(hù)按照線路末端故障有靈敏度并與相鄰線路的瞬時(shí)電流速斷保護(hù)配合的方法整定，能夠保護(hù)本線路全長(zhǎng);過電流保護(hù)按照躲過線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路的過電流保護(hù)配合的方法整定，作為相鄰線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備，能夠保護(hù)相鄰線路的全長(zhǎng)。除此之外，對(duì)非全電纜線路，配置三相一次重合閘，保證在線路發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)快速恢復(fù)供電。對(duì)于不需與相鄰線路配合的終端線路，為簡(jiǎn)化保護(hù)配置，一般采用瞬時(shí)電流速斷保護(hù)加過電流保護(hù)組成的二段式保護(hù)，再配以三相一次重合閘的保護(hù)方式，其中，電流速斷保護(hù)是按照本線路末端短路有足夠靈敏度的原則整定，能保護(hù)線路全長(zhǎng)。

配電網(wǎng)中并入DG后，系統(tǒng)的潮流將重新分布，發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流的大小和流向也會(huì)發(fā)生變化，給繼電保護(hù)正確可靠動(dòng)作造成一定的影響。圖1為某典型10kv配電網(wǎng)示意圖，由兩條饋線組成，B1～B5為保護(hù)裝置，以DG從D母線處接入配電網(wǎng)為例分析DG接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響。

圖1 并入DG后配電網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 保護(hù)的誤動(dòng)

(1)本線路下游保護(hù)影響:如DE線路末端k4點(diǎn)發(fā)生故障，DG引入前，故障點(diǎn)短路電流僅由系統(tǒng)提供，DG引入后，DG和系統(tǒng)都對(duì)k4點(diǎn)提供短路電流，因此，流過保護(hù)4的短路電流將增大，如果該數(shù)值大過保護(hù)4的第Ⅰ段動(dòng)作電流值，則保護(hù)4的第Ⅰ段會(huì)誤動(dòng)作。如果保護(hù)4的下一級(jí)線路發(fā)生故障，如k5點(diǎn)，則流過保護(hù)4的短路電流也會(huì)增加，保護(hù)4的Ⅱ段、甚至Ⅰ段可能發(fā)生誤動(dòng);

(2)相鄰線路上游保護(hù)影響:如相鄰饋線1始端k1點(diǎn)發(fā)生故障，DG將通過線路AD向故障點(diǎn)提供反向短路電流，可能會(huì)引起保護(hù)3的誤動(dòng)作。

當(dāng)饋線1上發(fā)生故障時(shí)，流過保護(hù)1的短路電流增加，由于DG的助增電流作用，使饋線1上的電流保護(hù)失去選擇性，如k2點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)1的Ⅰ段可能會(huì)誤動(dòng)，如BC線路末端k2'點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)1的Ⅰ段、Ⅱ段可能誤動(dòng)。

2.2 保護(hù)的靈敏性降低

當(dāng)k3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，DG及下游線路將形成孤島，失去與系統(tǒng)側(cè)聯(lián)系，系統(tǒng)要向故障點(diǎn)供給短路電流，DG不僅向負(fù)荷供給電流，還要向短路點(diǎn)供給短路電流。流過保護(hù)3的短路電流比并入DG前k3點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)流過保護(hù)3的故障電流要小，從而使得保護(hù)3的靈敏性降低，嚴(yán)重時(shí)保護(hù)3甚至?xí)軇?dòng)。當(dāng)k4點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，流過保護(hù)3的短路電流雖僅由系統(tǒng)提供，但此故障電流比并入DG前k4點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)流過保護(hù)3的故障電流要小，因此，保護(hù)3的靈敏性將降低。

2.3 保護(hù)可能無法識(shí)別故障

圖1中的AD線路發(fā)生故障，如果僅在A側(cè)裝有斷路器，此時(shí)在短路點(diǎn)右側(cè)DG將持續(xù)供給短路電流，故障無法被隔離。對(duì)于DG接入配電網(wǎng)末端的情況，如圖2所示，短路發(fā)生在距離DG較遠(yuǎn)的位置時(shí)，如k1點(diǎn)發(fā)生故障，短路電流可能小于最大負(fù)荷電流，故障無法被切除。

圖2 DG接入配電網(wǎng)末端

由以上定性分析可知，單DG接入配電網(wǎng)，其對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響如下:DG可能導(dǎo)致其上游保護(hù)靈敏度降低，DG可能使其下游保護(hù)誤動(dòng)，DG所在線路的上游分支線路短路時(shí)，DG向其上游保護(hù)提供的反向電流可能導(dǎo)致其誤動(dòng)。

在DG對(duì)于繼電保護(hù)產(chǎn)生的影響中，有兩個(gè)因素顯得尤為重要:(1)DG容量。如DG容量很小，由于繼電保護(hù)本身及整定都考慮到了一定的裕度，則DG并不會(huì)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生太大影響;當(dāng)DG容量大到某種程度，則必將對(duì)負(fù)荷電流與故障電流產(chǎn)生影響，從而對(duì)繼電保護(hù)的性能產(chǎn)生影響。(2)DG接入位置。DG接入位置不同，所帶來的影響不同。接入點(diǎn)為配電網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)，DG的影響主要是其上游分支線路短路時(shí)可能導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)，而對(duì)配電網(wǎng)中間節(jié)點(diǎn)，DG的影響還包括其對(duì)下游保護(hù)可能產(chǎn)生的誤動(dòng)。因此，相對(duì)于配電網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)，DG接入點(diǎn)位于中間位置時(shí)，DG容量對(duì)保護(hù)的影響更明顯。

3 DG容量與短路電流的關(guān)系

中小容量的分布式電源接入配電網(wǎng)中，在故障發(fā)生時(shí)將對(duì)故障點(diǎn)提供故障電流。從研究繼電保護(hù)的角度而言，分布式電源可用一個(gè)電源串聯(lián)電抗的模型來表示。對(duì)不同類型的分布式電源，其模型的電抗值也不同，如表1所示，它代表著該電源的故障電流注入能力。

表1 不同類型DG的故障電流注入能力

分布式電源屬于小電源，故障電流衰減較慢且與配電網(wǎng)保護(hù)的電氣距離很近，因此，分布式電源的等效阻抗在配電網(wǎng)故障時(shí)取次暫態(tài)電抗。以圖1為例，做系統(tǒng)的等值電路如圖3所示，ZS為系統(tǒng)電源的等值阻抗，Z1～Z5為各線路等值阻抗，DG一般通過變壓器接入配電網(wǎng)，變壓器容量與所接分布式電源的容量匹配，Zdg為分布式電源和變壓器等效阻抗，以同步電機(jī)作為分析依據(jù)，取DG的次暫態(tài)電抗為0.25，則Zdg=0.25×SB/Sdg，其中 SB為系統(tǒng)容量，Sdg為 DG 容量，Zdg的變化會(huì)直接影響到短路電流的大小和方向。DG容量通過影響Zdg的形式對(duì)短路電流產(chǎn)生影響。同樣，DG接入位置的不同也是通過影響電網(wǎng)拓?fù)浜妥杩沟男问綄?duì)短路電流產(chǎn)生影響。

圖3 并入DG后配電網(wǎng)系統(tǒng)等值電路

4 DG對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)重合閘的影響

配電網(wǎng)的故障80%～90%的部分是瞬時(shí)性的。自動(dòng)重合閘能顯著提高系統(tǒng)供電可靠性、減少線路停電次數(shù)，特別是對(duì)單側(cè)電源供電的單回線路效果尤為顯著，因而自動(dòng)重合閘在配電網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用。前加速重合閘主要用于35 kV以下由發(fā)電廠或重要變電所引出的支配線路上，配電網(wǎng)電壓等級(jí)較低，故主要裝設(shè)前加速重合閘。如圖4所示，假設(shè)兩條饋線始端均裝設(shè)前加速自動(dòng)重合閘。

圖4 DG對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

當(dāng)饋線2上任意一條線路(如k3、k4、k5點(diǎn))發(fā)生故障，保護(hù)3都應(yīng)無延時(shí)的動(dòng)作切除故障，之后重合閘裝置起動(dòng)，保護(hù)3重合。在并入DG前，自動(dòng)重合閘在重合于發(fā)生瞬時(shí)性故障線路的斷路器時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大的沖擊，故障線路一般能恢復(fù)正常供電，可以很好地保證電網(wǎng)的可靠性。但當(dāng)配電網(wǎng)中并入DG后，線路發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，DG很有可能在故障后并沒有脫離線路，而是繼續(xù)向故障點(diǎn)提供故障電流，當(dāng)重合閘進(jìn)行重合時(shí)，由于電網(wǎng)電源的作用，可能引起故障電流躍變，引起故障點(diǎn)電弧重燃，導(dǎo)致絕緣擊穿，使瞬時(shí)故障發(fā)展成永久故障。

DG的接入還有可能造成非同期合閘。含DG的配電網(wǎng)發(fā)生故障后，DG與其附近的負(fù)荷可能形成電力孤島，如k3點(diǎn)發(fā)生故障，保護(hù)3動(dòng)作后變?yōu)榉植际诫娫吹墓聧u供電，孤島頻率與電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差，電力孤島很難與電網(wǎng)保持完全同步。在電網(wǎng)電源跳開后至重合閘動(dòng)作時(shí)的這段時(shí)間內(nèi)，兩者之間的相角差可能出現(xiàn)在0～360°之間的任何一個(gè)位置。非同期合閘會(huì)帶來很大的沖擊電流和暫態(tài)過電壓，對(duì)DG機(jī)組和電網(wǎng)設(shè)備都有很大的損傷。所以應(yīng)在DG側(cè)裝設(shè)低周、低壓自動(dòng)解列裝置，重合閘動(dòng)作前，將DG從故障線路中切除，同時(shí)為避免故障點(diǎn)持續(xù)電弧的影響，重合閘的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，一般設(shè)定在故障后1s以上。

5 含DG的配電網(wǎng)繼電保護(hù)對(duì)策研究

5.1 國(guó)內(nèi)外的應(yīng)對(duì)方案

面對(duì)DG接入配電網(wǎng)引起的一系列問題，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者提出了解決方案，目前主要有切源方案和孤島方案兩種。

(1)切源方案

指的是在任何故障發(fā)生時(shí)，先斷開所有的DG，然后采取原來的保護(hù)措施。如果故障發(fā)生在DG所在饋線，DG應(yīng)當(dāng)停止向配電網(wǎng)供電。在DG所在饋線的自動(dòng)重合閘動(dòng)作前，DG必須跳離配電網(wǎng)。由于配電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性故障的幾率較大，此種方案可能會(huì)導(dǎo)致DG頻繁的投入與退出，也會(huì)大大降低繼電保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性。

(2)孤島運(yùn)行方案

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由DG裝置獨(dú)立地向負(fù)荷供電的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，將配電網(wǎng)分成若干個(gè)孤島運(yùn)行，以充分利用DG來減小停電面積和提高發(fā)電效率。但是在孤島方案下，原有的保護(hù)裝置并不能直接應(yīng)用在含DG的配電網(wǎng)中，需對(duì)原有的保護(hù)原理和方案進(jìn)行改進(jìn)，或者是提出新的保護(hù)原理與方案。

5.2 含DG的配電網(wǎng)保護(hù)新方案

(1)引入故障限流器技術(shù)

DG助增電流使得系統(tǒng)故障時(shí)故障電流升高，導(dǎo)致保護(hù)喪失選擇性。為解決這一問題，可將故障限流器接入到DG系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的具體模型和參數(shù)合理設(shè)置限流器的阻抗值，有效降低分布式電源提供的故障電流，保證保護(hù)的靈敏性和選擇性。該方法的實(shí)質(zhì)是通過減少DG輸出助增電流來減小DG對(duì)饋線保護(hù)的影響，關(guān)于短路限流器的故障監(jiān)測(cè)和切換技術(shù)還正在研究中。

(2)改進(jìn)方向電流保護(hù)

由于DG的引入，使得系統(tǒng)電源和DG之間的上游線路變成雙側(cè)電源線路。按傳統(tǒng)方法考慮，需要在上游每條線路兩端原有的電流保護(hù)基礎(chǔ)上均加裝方向元件，并借助兩端通信的方法來滿足選擇性。一種方案是在現(xiàn)有方向電流保護(hù)的基礎(chǔ)上，將DG上游每條饋線保護(hù)的Ⅰ段與其下一級(jí)饋線保護(hù)的Ⅰ段構(gòu)成一個(gè)通信單元，依據(jù)新的整定原則及兩級(jí)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果的綜合判斷將故障快速地隔離在最小范圍內(nèi)。另一種方案是利用廣域網(wǎng)將每條線路末端方向元件檢測(cè)到的功率方向信息和DG上游第1條出線上裝設(shè)的電流保護(hù)的區(qū)段判別結(jié)果結(jié)合起來，精確地區(qū)分故障區(qū)段，保證上游保護(hù)的選擇性和快速性。這兩種方案不需要隨DG的不斷接入頻繁更改定值，能在原電源與DG之間的所有線路上實(shí)現(xiàn)全線故障的快速切除。

(3)廣域保護(hù)

廣域保護(hù)系統(tǒng)(WAP)一般認(rèn)為是以廣域測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)的保護(hù)，它采用GPS精確定時(shí)的同步相量測(cè)量技術(shù)(PMU)來對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)電氣量進(jìn)行精確采集和分析計(jì)算。配電網(wǎng)引入DG后，由原來的單一電源形成了雙電源甚至多電源供電，需要對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓、電流等電氣量進(jìn)行精確采集，從而在整體上精確計(jì)算同一時(shí)刻的電氣量。在WAP中，PMU可以獲得多點(diǎn)的電流電壓量，因此廣域保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)比較適合應(yīng)用到含DG的配電網(wǎng)中。當(dāng)前，Internet、光纖、衛(wèi)星等通信方式在配電網(wǎng)中都得到了不同程度的應(yīng)用，完全能夠滿足為區(qū)域電網(wǎng)提供實(shí)時(shí)快速、可靠的數(shù)據(jù)的要求。

(4)自適應(yīng)保護(hù)

自適應(yīng)保護(hù)指能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)自身性能、特性或定值的保護(hù)。自適應(yīng)保護(hù)的實(shí)質(zhì)是把采集到的電氣量信息與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行對(duì)比，從而確定故障區(qū)域和故障點(diǎn)，由于保護(hù)的快速性的要求，其對(duì)通信的要求很高，這種方案還有待改進(jìn)。

6 結(jié)論

本文在分析分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)所產(chǎn)生的影響的基礎(chǔ)上，介紹了相關(guān)的一些保護(hù)技術(shù)和方案。隨著大量DG逐漸接入電網(wǎng)，協(xié)調(diào)分布式發(fā)電對(duì)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響，開發(fā)基于通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的具有普適性的配電網(wǎng)保護(hù)原理和方案，依然需要進(jìn)行大量的研究。

［1］ 王海江，邰能靈，宋凱，等.考慮繼電保護(hù)動(dòng)作的分布式電源在配電網(wǎng)中的準(zhǔn)入容量研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(22):37－43.

［2］ 溫陽(yáng)東，王欣.分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響［J］.繼電器，2008，36(1):12 －14.

［3］ 袁超，吳剛，曾祥君，等.分布式發(fā)電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(2):99 －105.

［4］ 張勇.分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(2):145－151.

［5］ 唐昆明，王富松，羅建，等.含分布式電源的配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案研究［J］.華東電力，2010，38(6).

［6］ 胡成志，盧繼平.分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(8):36 －39.