唐銳

（南京工程學(xué)院，南京 211167）

分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響分析

唐銳

（南京工程學(xué)院，南京 211167）

簡要介紹傳統(tǒng)配電網(wǎng)的3段式電流保護(hù)原理，根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體分析分布式電源接入導(dǎo)致配電網(wǎng)繼電保護(hù)誤動和拒動的可能，以及分布式電源對重合閘的影響，總結(jié)減少分布式電源接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的主要方法。同時對接入分布式電源后的配電網(wǎng)繼電保護(hù)提出完善措施和建議。

分布式電源；配電網(wǎng)；繼電保護(hù)

0 引言

近年來，隨著能源危機(jī)的加劇，世界各國對風(fēng)能、太陽能、朝汐能等新能源利用的關(guān)注度越來越高。中國已成為全球風(fēng)電裝機(jī)增速最快、新增風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家，2003年全國風(fēng)電裝機(jī)僅400 MW，到2012年末，我國并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)已超過75 000 MW，預(yù)計到2015年風(fēng)電裝機(jī)將超過1.4億kW。大量清潔能源的利用能有效緩解資源匱乏和環(huán)境壓力，但清潔能源以DG（分布式電源）方式接入電網(wǎng)將對配電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生一定的危害。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)大多是單電源輻射網(wǎng)絡(luò)，電流流向單一，采用3段式電流保護(hù)可以迅速有效地切除故障。接入DG后，配電網(wǎng)由原先的單側(cè)電源結(jié)構(gòu)變成了多端電源結(jié)構(gòu)，此時配電網(wǎng)故障電流有多個流向，故障電流的大小也發(fā)生了相應(yīng)變化。如果按照以前整定的保護(hù)電流值來設(shè)置斷路器的動作電流，可能會造成保護(hù)裝置拒動或者誤動，進(jìn)而使配電網(wǎng)故障影響整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行[1]。

根據(jù)國家電網(wǎng)Q/GDW 480-2012《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，當(dāng)發(fā)生故障時必須全部隔離DG，讓配電網(wǎng)回到原來單側(cè)電源輻射模型，使保護(hù)裝置能正確動作。該方法雖然能有效切除故障，但一定程度上造成了DG資源浪費(fèi)。對此，本文就DG對配電網(wǎng)保護(hù)的影響進(jìn)行分析，給出了接入DG的配電網(wǎng)的保護(hù)方案及其完善措施和建議。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)方法

傳統(tǒng)配電網(wǎng)大多是單側(cè)電源供電模式，配電網(wǎng)中的電流始終是從電源流向用戶。對于如圖1所示的單側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)，正常運(yùn)行時，離電源側(cè)越遠(yuǎn)的線路，流過的電流越小。當(dāng)圖中無論是故障點F1，F(xiàn)2還是F3處發(fā)生短路故障，利用3段式電流保護(hù)，保護(hù)裝置都能有效切除故障。

3段式電流保護(hù)的工作原理如下：

（1）電流速斷保護(hù)：反應(yīng)于短路電流幅值增大而瞬時動作的電流保護(hù)稱為電流速斷保護(hù)。為了保證其選擇性，一般只能保護(hù)線路的一部分。如圖1所示，當(dāng)F1點發(fā)生短路故障時通過電流速斷保護(hù)使斷路器P1動作，當(dāng)F2點發(fā)生短路故障時電流速斷保護(hù)不能使斷路器P1動作。

（2）限時電流速斷保護(hù)：由于有選擇性的電流速斷保護(hù)不能保護(hù)本線路的全長，因此可以考慮增加一段帶時限動作的保護(hù)，用來切除本線路速斷保護(hù)范圍以外的故障，同時也可作為速斷保護(hù)的后備，這就是限時電流保護(hù)。如圖1所示，當(dāng)F2點發(fā)生短路故障時，限時電流速斷保護(hù)能使斷路器P1動作。

（3）定時過電流保護(hù)：作為下級線路主保護(hù)拒動和斷路器拒動時的遠(yuǎn)后備保護(hù)，同時作為本線路主保護(hù)拒動時的近后備保護(hù)，也作為過負(fù)荷時的保護(hù)，一般采用過電流保護(hù)。過電流保護(hù)通常是指其啟動電流按照躲開最大負(fù)荷電流來整定的保護(hù)，當(dāng)電流的幅值超過最大負(fù)荷電流值時啟動。如圖1所示，當(dāng)F2點發(fā)生短路故障時，定時過電流保護(hù)能使斷路器P1動作。

在實際運(yùn)行時，為了保護(hù)整條線路，可以將電流速斷保護(hù)和定時過電流保護(hù)結(jié)合起來，或?qū)⑾迺r電流速斷保護(hù)和定時過電流保護(hù)結(jié)合起來，也可以將三者結(jié)合起來使用。

圖1 單側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)

圖2 接入DG的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 DG對配電網(wǎng)保護(hù)的影響

2.1 DG導(dǎo)致保護(hù)拒動和誤動

以上所述3段式電流保護(hù)利用線路發(fā)生短路時的電流幅值增大特性來區(qū)分故障與正常狀態(tài)，以動作電流的大小和動作時限長短配合來保證有選擇性地切除故障[2]。當(dāng)DG接入配電網(wǎng)時，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，即不再是單純的單側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)，而是兩端電源甚至多端電源供電網(wǎng)絡(luò)。此時若發(fā)生短路故障，流過配電網(wǎng)各支路的電流大小和方向都發(fā)生了相應(yīng)的變化，如果依然按照單側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)模型對保護(hù)裝置動作電流進(jìn)行整定，顯然不能滿足多端電源網(wǎng)絡(luò)的要求。線路發(fā)生短路故障時將出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）當(dāng)饋線1上F1點處發(fā)生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供，P1動作切除故障；此時P3感受到了由DG產(chǎn)生的短路電流，如果DG容量足夠大，流過P3的短路電流將增大至超過P3的動作電流，導(dǎo)致P3誤動。如果P3斷開，此時DG理論上有2種工作狀態(tài)：一是繼續(xù)向饋線2右端供電，該狀態(tài)下將形成孤島效應(yīng)，由DG向孤島用戶提供的電能質(zhì)量難以保證；第二種是處于與孤島效應(yīng)相對應(yīng)的反孤島運(yùn)行狀態(tài)，即DG從系統(tǒng)中自動解鏈。實際運(yùn)行時，為了避免孤島效應(yīng)對系統(tǒng)和用戶的影響，往往采用第二種方式。

（2）當(dāng)饋線1上F2點處發(fā)生短路故障時，P1和P2流過的短路電流由電源S和DG共同提供，P2可以動作切除故障；如果DG容量足夠大，P1感受到的由DG提供的短路電流較大，此時流過P1的電流大于其動作電流，導(dǎo)致P1誤動；同樣，如果DG容量足夠大，將導(dǎo)致P3誤動。

（3）當(dāng)饋線2上F3點處發(fā)生短路故障時，P1，P2和P4中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到電源S提供的短路電流，由于DG的存在，P3中流過的短路電流比沒有接入DG時要小，且DG功率越大流過P3的短路電流越小，如果DG容量足夠大，流過P3的短路電流可能小于P3的動作電流，從而導(dǎo)致P3拒動。

（4）當(dāng)饋線2上F4點處發(fā)生短路故障時，P1和P2中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到的短路電流來自電源S，比接入DG前感受到的短路電流值小，P3不動作；P4流過的短路電流由電源S和DG共同提供，其值大于P4動作電流，斷路器正常動作。

由上述分析可得出結(jié)論：在圖2所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，4處故障中有2處可能會造成保護(hù)裝置誤動，有1處可能會使保護(hù)裝置拒動，只有1處會使保護(hù)裝置正常動作，可見DG的接入將對配電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生巨大影響。

2.2 DG對重合閘的影響

由于配電網(wǎng)中有些故障是瞬時的，例如因風(fēng)中搖擺的樹葉觸碰線路導(dǎo)致配電網(wǎng)短路，在線路跳閘后，可以進(jìn)行重合閘操作，嘗試恢復(fù)供電。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，重合閘操作可以有效避免瞬時故障造成的停電，但當(dāng)配電網(wǎng)中接入DG時卻產(chǎn)生了新的問題，主要有以下2點[3]：

（1）當(dāng)發(fā)生故障、DG從系統(tǒng)中解鏈形成孤島后，DG的電源頻率和相角有可能和系統(tǒng)的電壓頻率和相角失去同步，在這種情況下進(jìn)行合閘會造成系統(tǒng)因失穩(wěn)而發(fā)生振蕩。

（2）當(dāng)發(fā)生故障而DG卻沒有從系統(tǒng)中解鏈時，DG會向短路點提供持續(xù)的短路電流，導(dǎo)致故障點電弧持續(xù)存在，重合閘失敗。

3 含DG的配電網(wǎng)保護(hù)方法

3.1 含DG的配電網(wǎng)保護(hù)思路

目前電力系統(tǒng)所實行的含DG的配電網(wǎng)保護(hù)方法是：只要含有DG的配電網(wǎng)發(fā)生短路故障，DG自動從系統(tǒng)中解鏈，使配電網(wǎng)重新恢復(fù)到單側(cè)供電模式。該方法能較好地切除線路故障，但卻造成了DG的功率浪費(fèi)，因此目前正在探索更人性化、智能化的途徑。

由于DG的接入使得配電網(wǎng)由單側(cè)供電模式變?yōu)槎喽斯╇娔Ｊ?，從而使短路故障時僅由配電網(wǎng)單側(cè)電源提供變成由配電網(wǎng)電源和DG共同提供短路電流，DG的接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)短路故障電流的大小和方向。對此，研究者們主要從2個方面提出了改進(jìn)措施：短路故障時減小DG提供的短路電流和重新整定保護(hù)裝置動作電流并加裝方向元件。

3.2 減小DG提供的短路電流

（1）通過限制DG容量來減小DG提供的短路電流。從圖2所示接入DG的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖及可能出現(xiàn)的4種情況分析，造成保護(hù)裝置拒動和誤動的主要原因是DG的容量太大，因此只要減小接入配電網(wǎng)的容量即可使保護(hù)裝置正確動作。此方法的缺點是限制了區(qū)域新能源的大規(guī)模發(fā)展。

（2）通過在DG處串聯(lián)電抗器來減小DG提供的短路電流。如圖3所示，當(dāng)饋線1上F1點處發(fā)生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供，P1動作切除故障；此時P3雖然感受到了由DG產(chǎn)生的短路電流，但由于串聯(lián)電抗器的作用，流過P3的短路電流很小，P3不會誤動。其他故障點的短路故障分析方法與2.1的（2），（3），（4）相同。雖然理論上該方法是可行的，但配電網(wǎng)正常運(yùn)行時由于串聯(lián)電抗器的存在，將在電抗器上產(chǎn)生較大壓降，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 DG處串聯(lián)電抗器的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）利用逆變器限制故障短路電流[4]，其原理框圖如圖4所示。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時逆變器不動作。故障時,串聯(lián)逆變器提供反相電壓，抑制線路電流。該方法雖然理論上很完美，但真正實現(xiàn)還有一定困難。

圖4 帶限流逆變器的配電網(wǎng)絡(luò)

3.3 定值調(diào)整并加裝方向元件

“曼杜里亞的酒，個性非常鮮明，聞上去，你就可以從成千上萬種酒中輕易辨別出來。它非常復(fù)雜，果香濃郁，但里面帶點咸咸的感覺。很有意思的是，很久以前，人們以為海邊不能長葡萄，不能釀酒，但這里四周都是海，我們的先輩們偏在海邊的砂土上種上Primitivo，經(jīng)過不停地發(fā)展、調(diào)整，如今它們已經(jīng)非常適合我們的氣候。你在酒中聞到的味道，便是我們的風(fēng)土之味。”想了想，Adriano又補(bǔ)充道，“我們在加州曾經(jīng)做過研究，Primitivo中的多酚含量，比任何其他葡萄酒的都要高，非常適合女性健康?！?/p>

由于DG的接入改變了原有的短路電流大小，所以需要重新整定保護(hù)裝置動作電流值才能使含有DG的配電網(wǎng)保護(hù)裝置正確動作。文獻(xiàn)[5]提出了IIDG（逆變型分布式電源）接入后的配電網(wǎng)保護(hù)新方案，整定值隨IIDG出力自動調(diào)整。該方案中保護(hù)裝置的電流動作值隨DG容量變化而變化，可以很好地解決DG容量不固定的問題，但只適合某種特定結(jié)構(gòu)下配電網(wǎng)的繼電保護(hù)。

通過重新整定保護(hù)裝置動作電流和加裝方向元件，線路保護(hù)的效果將更加完善。加裝方向元件的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中P5為方向元件。

在此，將電流從電源S流向饋線的方向定為正方向，相反方向為負(fù)方向。首先重新整定P1，P3和P5的動作電流：P1的動作電流大于F2處短路時流過P2的電流，且小于F1處短路時流過P1的短路電流；P3的動作電流大于F4處短路時電源S提供的電流，且小于F3短路時由電源S提供的短路電流；P5的動作電流大于F1處短路時DG提供的電流，且小于F3短路時由DG提供的短路電流。只有當(dāng)流過P1，P2，P3和P4的電流為正方向且大于動作電流值時它們才動作，只有當(dāng)流過P5的電流為負(fù)方向且其值大于動作電流值時P5才動作[6]。

（1）當(dāng)饋線1上F1點處發(fā)生短路故障時，P2和P4無故障電流流過，所以不動作；流過P1的短路電流由電源S和DG共同提供且方向為正，P1動作切除故障；此時P3雖然感受到了由DG產(chǎn)生的短路電流，但因為方向為負(fù)，所以P3不動作；P5感受到的電流小于其動作電流，不動作。

（2）當(dāng)饋線1上F2點處發(fā)生短路故障時，P1和P2流過的短路電流由電源S和DG共同提供，P2可以動作切除故障；P1感受到的電流小于其動作電流，不動作；同理，P3，P4和P5也不動作。

（4）當(dāng)饋線2上F4點處發(fā)生短路故障時，P1和P2中沒有短路電流流過，斷路器不動作；P3感受到的短路電流小于其動作電流，不動作；P4流過的短路電流由電源S和DG共同提供，其值大于P4動作電流，斷路器正常工作；P5感受到的電流方向為正，不動作。

由上述分析可知，采用重新整定保護(hù)裝置動作電流和加裝方向元件相結(jié)合的方法能有效控制保護(hù)裝置動作與否。文獻(xiàn)[7]根據(jù)DG容量和負(fù)荷大小，預(yù)先將含DG的配電網(wǎng)絡(luò)劃分為若干能孤島運(yùn)行的區(qū)域，也是利用了定值調(diào)整并加裝方向元件的原理，只不過范圍更廣而已。

3.4 含DG配電網(wǎng)重合閘的要求

關(guān)于因解鏈后DG電源的頻率和相角與系統(tǒng)失去同步而造成振蕩，以及由于故障后DG沒有及時解鏈，將持續(xù)向短路點供電導(dǎo)致重合閘失敗的問題，可以采取以下方法解決：配電網(wǎng)故障后DG迅速解鏈；系統(tǒng)和DG保持良好信息互換，使其在同步運(yùn)行時，將DG投入系統(tǒng)。

圖5 安裝方向元件的配電網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)語

從以上對含有DG的配電網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)措施的分析可知：重新整定保護(hù)裝置動作電流并加裝方向元件的優(yōu)勢更加明顯，采用該方法不會影響配電網(wǎng)正常運(yùn)行時的電能質(zhì)量，且故障時保護(hù)裝置能正確動作。但該方法仍有其局限性，例如配電網(wǎng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時，將使各保護(hù)裝置的動作電流整定較為困難。

[1]張勇軍，任震.電力系統(tǒng)動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度的調(diào)節(jié)代價[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（2）∶34-38.

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（本文編輯：龔 皓）

Influence Analysis of Distributed Generation on Relay Protection of Distribution System

TANG Rui
（Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

The paper outlines principle of three-section current protection of traditional distribution system; based on structure of distribution system，it elaborates on possibilities of maloperation and failure to operation in distribution system due to integration of distributed generation，as well as impact of distributed generation integration on switch reclosing.It also summarizes methods for reducing impact of distributed generation integration on relay protection of distribution system；meanwhile，it presents measures and suggestions to perfect distribution networks after integration of distributed generation.

distributed generation；distribution system；relay protection

TM773

A

1007-1881（2015）08-0013-04

2015-03-26

唐 銳（1990），男，電氣工程碩士研究生在讀，主要研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行以及新能源發(fā)電與利用。