連 潔 楊炳元

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010080）

1 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

圖1為典型結(jié)構(gòu)的含分布式電源的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，分布式電源由D點(diǎn)接入配電網(wǎng)，如圖中上游線路f1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)電源和DG都向短路點(diǎn)提供短路電流，但流過保護(hù)1的故障電流只有系統(tǒng)電源提供，分布式電源對(duì)保護(hù)1無影響,保護(hù)1正常動(dòng)作切除其保護(hù)范圍內(nèi)的故障。DG向短路點(diǎn)f1提供的反向短路電流會(huì)流過保護(hù)2和3，由于傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)沒有方向性元件，并且保護(hù)3的帶時(shí)限電流保護(hù)整定值小于保護(hù)2相應(yīng)的保護(hù)整定值。所以當(dāng)分布式電源的容量增大到一定值時(shí)，其提供的反向的故障電流會(huì)超過保護(hù)3帶時(shí)限電流速斷保護(hù)的整定值，導(dǎo)致保護(hù)3的電流Ⅱ段發(fā)生誤動(dòng)。

圖1 分布式電源接入系統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)下游線路f2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，由于分布式電源的接入，對(duì)流過下游線路保護(hù)的短路電流起了助增作用，使保護(hù)4的電流速斷保護(hù)范圍將增大，保護(hù)區(qū)有可能延伸到線路DE段的末端或者下一級(jí)線路EF段。這樣，當(dāng)線DE段的末端發(fā)生短路或者當(dāng)下一級(jí)線路EF段發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)4的電流速斷保護(hù)誤動(dòng)作，不能確保選擇性。

當(dāng)相鄰支路的f3點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)6中流過系統(tǒng)電源和DG提供的短路電流，同樣，分布式電源起了助增作用，使得相鄰饋線中保護(hù)6的速斷保護(hù)的保護(hù)范圍可能增大至線路AG段的末端甚至延長(zhǎng)至線路GH段，可能造成保護(hù)6的帶時(shí)限電流保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作或者下一級(jí)線路的保護(hù)7的速斷保護(hù)可能發(fā)生誤動(dòng)，而失去選擇性。同時(shí)，分布式電源提供的反方向的短路電流可能導(dǎo)致保護(hù)2和3的電流Ⅱ段發(fā)生誤動(dòng)。

2 兩段式電流保護(hù)的原理

傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)中，電流Ⅰ段能瞬時(shí)動(dòng)作，沒有動(dòng)作時(shí)延，但不能保護(hù)線路全長(zhǎng)。電流Ⅱ段能保護(hù)本級(jí)線路的全長(zhǎng)，但是為了與下一級(jí)線路的電流Ⅰ段配合達(dá)到選擇性的要求，需要通過動(dòng)作時(shí)限來完成，通常保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限為0.5s。電流Ⅲ段的動(dòng)作電流值是按照躲過本線路的最大負(fù)荷電流值來整定，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限則按照階梯原則來進(jìn)行。本文將配電線路配置為兩段式電流保護(hù)，其原理如下。

兩段式電流保護(hù)及原理：

將原有的三段式電流保護(hù)的電流Ⅰ段去掉,保留原有的電流Ⅱ段，并且保持原有保護(hù)電流Ⅱ段的整定值不變，保護(hù)范圍仍然是本級(jí)線路的全長(zhǎng)。但是，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限改變?yōu)樗矔r(shí)動(dòng)作[3]。經(jīng)過這樣改變后作為兩段式電流保護(hù)的電流Ⅰ段，為了與原有三段式電流保護(hù)的電流Ⅰ段相區(qū)別，下文稱為電流a段。保留原有的三段式電流保護(hù)中的電流Ⅲ段，其保護(hù)的動(dòng)作電流值仍然按照躲過本線路的最大負(fù)荷電流來整定,動(dòng)作時(shí)限按照階梯原則來進(jìn)行。將原來的電流Ⅲ段作為兩段式電流保護(hù)的電流Ⅱ段，同樣仍然是后備保護(hù)。為了以示區(qū)別，下文稱為電流b段。

可見，兩段式電流保護(hù)中的電流a段可以保護(hù)本級(jí)線路全長(zhǎng)，并且沒有時(shí)間延時(shí)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作。但是，由于其保護(hù)范圍是本級(jí)線路的全長(zhǎng)，所以在下一級(jí)線路的出口處發(fā)生短路時(shí)，本級(jí)線路保護(hù)的電流a段與下一級(jí)線路保護(hù)的電流a段都將動(dòng)作，無法滿足選擇性的要求。所以需要依靠通信系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)相鄰保護(hù)的電流a段之間的配合，達(dá)到選擇性的要求。因此，兩段式電流保護(hù)中電流a段的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間要按照大于通信系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)和檢測(cè)閉鎖信號(hào)的時(shí)間來設(shè)置。

通信模塊中的發(fā)信機(jī)向上一級(jí)保護(hù)的通信模塊發(fā)出閉鎖信號(hào)，需要的時(shí)間為150ms，通信模塊檢測(cè)閉鎖信號(hào)的時(shí)間為8ms[4]。如果需要向下一級(jí)線路保護(hù)發(fā)出跳閘信號(hào)，則啟動(dòng)通信模塊的發(fā)信機(jī)連續(xù)發(fā)出150ms的跳閘信號(hào)，命令相應(yīng)的保護(hù)直接跳開對(duì)應(yīng)的斷路器，保護(hù)跳閘的動(dòng)作時(shí)間大約為10ms[4]。據(jù)此，需要將保護(hù)電流a段的動(dòng)作延時(shí)設(shè)置為0.2s。

無論是分布式電源接入點(diǎn)的上游線路，還是其下游的線路，在配電網(wǎng)中，分布式電源所在饋線上的每一級(jí)線路上都配置兩段式電流保護(hù)。并且與原來的三段式電流保護(hù)相同，兩段式電流保護(hù)只裝設(shè)在每一級(jí)線路的系統(tǒng)電源側(cè)。另外，分布式電源接入點(diǎn)上游的線路保護(hù)還需要加裝功率方向繼電器，使保護(hù)具有方向性。接入點(diǎn)下游的線路保護(hù)不需要加裝方向原件。

3 通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理和動(dòng)作原則

1）通信系統(tǒng)的構(gòu)成原理

將本級(jí)線路保護(hù)的電流a段與下一級(jí)線路保護(hù)的電流a段構(gòu)成一個(gè)通信單元。依次類推，每?jī)蓚€(gè)相鄰的保護(hù)裝置構(gòu)成一個(gè)通信單元。每個(gè)通信單元由通信模塊和通信通道組成。通信模塊配置于每一段線路的保護(hù)裝置中，由通信通道將通信模塊兩兩連接起來。

其中，系統(tǒng)電源與分布式電源之間的線路，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，相當(dāng)于雙端供電系統(tǒng)。分布式電源向短路點(diǎn)提供的短路電流，使得故障點(diǎn)的電弧不能完全熄滅，導(dǎo)致重合閘失敗甚至導(dǎo)致永久性故障，因此，要求從兩端將故障切除。并且正如上文在兩段式電流保護(hù)的整定中提到的：由于電流a段的保護(hù)范圍是本級(jí)線路全長(zhǎng)，所以在下一級(jí)線路的出口處發(fā)生短路時(shí)，本級(jí)線路保護(hù)的電流a段與下一級(jí)線路保護(hù)的電流a段都將動(dòng)作，無法滿足選擇性的要求。所以需要依靠通信系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)來閉鎖上一級(jí)線路保護(hù)的電流a段，從而實(shí)現(xiàn)相鄰保護(hù)電流a段之間的配合，達(dá)到選擇性的要求。

綜上，在本文的通信系統(tǒng)中，通信模塊根據(jù)通信系統(tǒng)的動(dòng)作原則向上一級(jí)線路保護(hù)的通信模塊發(fā)送閉鎖信號(hào)，向下一級(jí)線路保護(hù)的通信模塊發(fā)送跳閘信號(hào)。所以，DG上游保護(hù)配置的通信模塊包括通信模塊A和B兩部分。通信模塊A接收和發(fā)出閉鎖信號(hào)，通信模塊B接收和發(fā)出跳閘信號(hào)，本級(jí)保護(hù)的通信模塊A和上一級(jí)保護(hù)的通信模塊A連接，通信模塊B和下一級(jí)保護(hù)的通信模塊B連接[4]。保護(hù)通道可以選擇目前電力系統(tǒng)配網(wǎng)中常用的幾種通信方式，例如配電線載波通信、光纖通道等。

分布式電源接入點(diǎn)下游的線路仍然是單電源輻射型供電的方式，不需要從兩端切除故障，所以，接入點(diǎn)下游的保護(hù)中配置的通信模塊只有通信模塊A，發(fā)出和接收閉鎖信號(hào)。除了解決相鄰線路保護(hù)電流a段之間的配合、滿足選擇性以外，更重要的是，可以避免在DG的下游線路發(fā)生短路時(shí)，可能發(fā)生的電流Ⅰ段誤動(dòng)作的情況。

2）通信系統(tǒng)的動(dòng)作原則

每一個(gè)通信單元中，如果本級(jí)線路保護(hù)的電流a段不動(dòng)作，則本級(jí)線路保護(hù)的通信模塊A不會(huì)向上一級(jí)保護(hù)的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)。如果本級(jí)線路保護(hù)的電流a段動(dòng)作，那么本級(jí)保護(hù)中的通信模塊A需要向上一級(jí)保護(hù)的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)。上一級(jí)保護(hù)的通信模塊A檢測(cè)到閉鎖信號(hào)，將保護(hù)閉鎖。

當(dāng)本級(jí)線路保護(hù)的電流a段動(dòng)作并且收不到下一級(jí)保護(hù)的通信模塊A發(fā)送的閉鎖信號(hào)時(shí)，判定為本級(jí)線路內(nèi)部發(fā)生短路故障。此時(shí)，本級(jí)線路的保護(hù)動(dòng)作，斷路器跳閘。同時(shí)，啟動(dòng)通信模塊B中的發(fā)信機(jī)向本通信單元中的對(duì)側(cè)保護(hù)裝置，即向下一級(jí)保護(hù)的通信模塊B連續(xù)發(fā)出150ms的跳閘信號(hào)，命令下一級(jí)線路的保護(hù)直接跳開其對(duì)應(yīng)的斷路器，保護(hù)跳閘的動(dòng)作時(shí)間大約為10ms。

分布式電源接入配電網(wǎng)后，線路發(fā)生短路時(shí)，目前大多采用允許分布式電源孤島運(yùn)行的方式，故障時(shí)要求分布式電源不與系統(tǒng)電網(wǎng)斷開，不退出運(yùn)行。所以，在DG接入點(diǎn)上游的線路中，與分布式電源接入點(diǎn)最鄰近的一段線路，需要在其線路的末端加裝保護(hù)裝置、斷路器和功率方向繼電器。這樣，就避免了這段線路的保護(hù)與分布式電源出口處的保護(hù)裝置及斷路器構(gòu)成一組通信單元。否則，當(dāng)這一級(jí)線路發(fā)生短路故障時(shí)，線路和分布式電源出口處的斷路器都跳閘，如果這樣，分布式電源就被切除而退出運(yùn)行了。

增加保護(hù)裝置、斷路器和方向元件，配置于與分布式電源接入點(diǎn)最鄰近的一段線路的末端。當(dāng)本級(jí)線路保護(hù)的電流a段動(dòng)作并且線路末端加裝的方向元件的功率方向?yàn)檎龝r(shí)，判定為本級(jí)線路故障，本級(jí)線路系統(tǒng)側(cè)的保護(hù)和加裝在線路末端的保護(hù)都

動(dòng)作，斷路器跳閘，從兩端將故障切除。

4 舉例說明線路保護(hù)的動(dòng)作方式

1）系統(tǒng)電源與分布式電源接入點(diǎn)之間線路保護(hù)的改進(jìn)

如圖2所示，分布式電源從E點(diǎn)接入配電系統(tǒng)，配電線路上配置兩段式電流保護(hù)，并且分布式電源接入點(diǎn)上游的保護(hù)2、3、4都加裝功率方向繼電器，使保護(hù)具有方向性，并且按照常規(guī)將母線指向線路的方向規(guī)定為正方向。

圖2 系統(tǒng)電源與DG接入點(diǎn)之間的線路保護(hù)的改進(jìn)圖

與分布式電源最鄰近的上游線路DE段的末端，加裝保護(hù)裝置和斷路器10以及功率方向繼電器。這樣線路保護(hù)4與10組成一個(gè)通信單元。如果DE段短路故障時(shí)，保護(hù)4和保護(hù)10都動(dòng)作、斷路器跳閘，達(dá)到從兩端切除故障。

系統(tǒng)電源與分布式電源之間的線路保護(hù)1、2、3、4上都分別安裝通信模塊，并且每一個(gè)通信模塊又包含通信模塊A和通信模塊B，線路保護(hù)10僅安裝通信模塊B。每?jī)蓚€(gè)相鄰的通信模塊A之間相互連接，相鄰的通信模塊B兩兩互相連接。每一級(jí)線路的電流保護(hù)a段與下一級(jí)線路的電流保護(hù)a段構(gòu)成一組通信單元，如圖2中的保護(hù)1與保護(hù)2，保護(hù)2與3，保護(hù)3與4，保護(hù)4與10分別構(gòu)成通信單元。

圖2中，系統(tǒng)電源與分布式電源之間的線路AE段相當(dāng)于雙端供電系統(tǒng)，當(dāng)故障點(diǎn)位于線路AE段時(shí)，分布式電源會(huì)向短路點(diǎn)提供反方向的短路電流，功率方向?yàn)樨?fù)。由于保護(hù)2、3、4都加裝了方向元件，所以不會(huì)造成DG接入點(diǎn)上游的保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作。

當(dāng)故障點(diǎn)位于線路AB上時(shí)，保護(hù)1的電流a段和保護(hù)2的電流a段組成一個(gè)通信單元，由于保護(hù)2加裝了方向元件，分布式電源提供的短路電流功率方向?yàn)樨?fù)，保護(hù)2不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。根據(jù)通信系統(tǒng)的動(dòng)作原則，保護(hù)2不動(dòng)作，那么保護(hù)2的通信模塊A不會(huì)給保護(hù)1的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)，保護(hù)1的通信模塊A檢測(cè)不到閉鎖信號(hào)，保護(hù)1的短路電流由系統(tǒng)電源提供，所以經(jīng)過0.2s的時(shí)間延時(shí)，保護(hù)1的電流a段動(dòng)作，斷路器跳閘。與此同時(shí)，起動(dòng)保護(hù)1中通信模塊B的發(fā)信機(jī)向保護(hù)2的通信模塊B連續(xù)150ms發(fā)送跳閘信號(hào)，命令保護(hù)2直接跳開相應(yīng)的斷路器，保護(hù)跳閘的動(dòng)作時(shí)間約為10ms，實(shí)現(xiàn)將故障從兩端切除。

同理，線路CD段發(fā)生短路故障時(shí)，在保護(hù)3和4組成的通信單元中，保護(hù)4加裝了方向元件，因此，分布式電源提供的反方向的短路電流不會(huì)造成保護(hù)4出現(xiàn)誤動(dòng)作。保護(hù)4不動(dòng)作，根據(jù)通信系統(tǒng)的動(dòng)作原則，保護(hù)4上的通信模塊A不會(huì)向保護(hù)3上的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)。保護(hù)3上的通信模塊A檢測(cè)不到閉鎖信號(hào)，系統(tǒng)電源提供的短路電流功率方向?yàn)檎员Ｗo(hù)3動(dòng)作，斷路器跳閘。此時(shí)，保護(hù)3動(dòng)作并且收不到閉鎖信號(hào)，判定為線路CD段內(nèi)部故障，所以保護(hù)3動(dòng)作的同時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)3的通信模塊B向保護(hù)4的通信模塊B發(fā)出跳閘信號(hào)，命令保護(hù)4直接跳開其斷路器。這樣，通過保護(hù)3和保護(hù)4都動(dòng)作，將故障從兩端切除。

同時(shí)，在保護(hù)2與保護(hù)3構(gòu)成的通信單元中，保護(hù)3動(dòng)作，所以保護(hù)3的通信模塊A向保護(hù)2的通信模塊A發(fā)出閉鎖信號(hào)。保護(hù)2的通信模塊A檢測(cè)到保護(hù)3發(fā)送的閉鎖信號(hào)，閉鎖保護(hù)2的電流a段。因此，保護(hù)2不會(huì)動(dòng)作。這樣，即使在線路CD段的出口處發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)3的通信模塊發(fā)送閉鎖信號(hào)的時(shí)間為150ms，保護(hù)2的通信模塊A檢測(cè)是否收到閉鎖信號(hào)的時(shí)間為8ms。兩段式電流保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)為0.2s。所以，確保了保護(hù)2不會(huì)誤動(dòng)作，達(dá)到了選擇性要求。

當(dāng)線路DE段發(fā)生短路故障時(shí)，線路保護(hù)4的電流a段動(dòng)作。同時(shí)，分布式電源也向短路點(diǎn)提供故障電流，功率方向是母線指向線路，即線路DE段末端的功率方向繼電器檢測(cè)到的功率方向?yàn)檎Ｋ耘卸镈E段線路內(nèi)部故障，斷開保護(hù)4和10，將故障從兩端切除。

相鄰饋線2和3上發(fā)生短路時(shí)，分布式電源接入系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響仍然是DG提供反方向的短路電流使得上游線路保護(hù)的帶時(shí)限電流保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，所以上述措施也適用，分析方法同理。

2）下游線路保護(hù)的改進(jìn)措施

配電線路配置為兩段式電流保護(hù)，電流a段的保護(hù)范圍是本級(jí)線路的全長(zhǎng)。下游線路故障時(shí)，分布式電源接入系統(tǒng)對(duì)流向短路點(diǎn)的短路電流起助增作用。所以，電流a段的保護(hù)范圍將延長(zhǎng)到下一級(jí)線路中。但是，可以利用通信系統(tǒng)向上一級(jí)線路保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)的方法來避免由于分布式電源接入系統(tǒng)造成的上一級(jí)線路保護(hù)電流a段發(fā)生誤動(dòng)作的情況，從而保證選擇性。又因?yàn)榻尤朦c(diǎn)下游的線路仍然是單電源供電網(wǎng)絡(luò)，短路電流的方向不會(huì)發(fā)生改變，所以下游的線路保護(hù)不需要加裝方向元件。

仍然是如圖2中的典型配電網(wǎng)，如果分布式電源從D點(diǎn)接入配電系統(tǒng)，則如圖3所示。

圖3 DG下游線路保護(hù)的改進(jìn)

如圖3所示，將接入點(diǎn)下游的線路DE、EF、FG都分別配置兩段式電流保護(hù)，因?yàn)榉植际诫娫唇尤朦c(diǎn)下游的線路仍然是單電源輻射狀供電方式，所以，下游線路的保護(hù)4、5、6都不需要加裝功率方向繼電器。又因?yàn)榻尤朦c(diǎn)下游線路發(fā)生故障時(shí)，不需要從兩端切除故障，因此，下游的線路保護(hù)不需要配置通信模塊B來向下一級(jí)保護(hù)發(fā)出跳閘信號(hào)。所以，只需要配置通信模塊A，向上一級(jí)保護(hù)的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)，來確保保護(hù)的選擇性即可。如圖3所示，在保護(hù)4、5、6上都配置通信模塊A，相鄰的兩個(gè)模塊相互連接。在下游保護(hù)中，相鄰兩個(gè)線路保護(hù)的電流a段構(gòu)成一個(gè)通信單元。保護(hù)4的電流a段與保護(hù)5的電流a段、保護(hù)5的電流a段與保護(hù)6的電流a段分別構(gòu)成通信單元。

如圖3所示，分布式電源從D點(diǎn)接入系統(tǒng)，當(dāng)接入點(diǎn)下游線路EF段發(fā)生短路時(shí)，DG向短路點(diǎn)提供的故障電流方向與系統(tǒng)電源提供的短路電流方向相同，對(duì)短路電流起到了助增作用。所以當(dāng)線路EF段發(fā)生短路時(shí)，由于上一級(jí)線路DE段保護(hù)4的電流a段的保護(hù)范圍本身是線路DE段全長(zhǎng)，分布式電源的接入使得保護(hù)4電流a段的保護(hù)范圍會(huì)延長(zhǎng)至線路EF段。所以線路EF段故障時(shí)，保護(hù)4會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

并且，如果故障點(diǎn)位于線路EF段的出口處，那么由于護(hù)4的電流保護(hù)a段可以保護(hù)線路DE 的全長(zhǎng)，下一級(jí)線路EF出口處短路時(shí)，保護(hù)4的電流a段和保護(hù)5的電流a段都將會(huì)動(dòng)作，保護(hù)4與保護(hù)5的電流保護(hù)a段之間將失去選擇性。也會(huì)出現(xiàn)保護(hù)4誤動(dòng)作的情況。

因此，需要利用通信系統(tǒng)來解決：由于分布式電源的接入，使得上一級(jí)線路保護(hù)的電流保護(hù)a段保護(hù)范圍增大，造成保護(hù)誤動(dòng)作的問題以及下一級(jí)線路出口處發(fā)生短路時(shí)，本級(jí)保護(hù)的電流a段發(fā)生誤動(dòng)作的問題。

如圖3所示，線路EF段發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)5的電流a段可以保護(hù)線路EF段的全長(zhǎng)，所以保護(hù)5的電流a段動(dòng)作。保護(hù)6不動(dòng)作，根據(jù)通信系統(tǒng)的動(dòng)作原則，保護(hù)6的通信模塊A不會(huì)向保護(hù)5的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)。在保護(hù)4與保護(hù)5構(gòu)成的通信單元中，保護(hù)5的電流a段動(dòng)作，所以保護(hù)5的通信模塊A向上一級(jí)線路保護(hù)4的通信模塊A發(fā)送閉鎖信號(hào)，保護(hù)4的通信模塊A檢測(cè)收到閉鎖信號(hào)，則保護(hù)4的電流a段不動(dòng)作。這樣，利用通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線路EF段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)4不會(huì)誤動(dòng)作。

利用通信通道來連接兩個(gè)信號(hào)模塊。目前電力系統(tǒng)配網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)通信通道的常用通信方式主要配電線載波通信、光纖通道、微波通道等。

5 結(jié)論

通過在配電線路上配置兩段式電流保護(hù)，并結(jié)合通信系統(tǒng)的方法可以解決分布式電源接入配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)造成的誤動(dòng)。

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