徐丙垠，張海臺，咸日常(．山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東省淄博市55049; ．山東科匯電力自動化股份有限公司，山東省淄博市55087)

分布式電源對配電網(wǎng)繼電保護的影響及評估方法

徐丙垠1，2，張海臺2，咸日常1
(1．山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東省淄博市255049; 2．山東科匯電力自動化股份有限公司，山東省淄博市255087)

在分析有源配電網(wǎng)故障電流特征的基礎(chǔ)上，分析了分布式電源(distributed electric resources，DER)對配電網(wǎng)繼電保護可能產(chǎn)生的影響。根據(jù)是否影響配電網(wǎng)繼電保護的正確動作以及是否需要采取克服其影響的技術(shù)措施，將DER對配電網(wǎng)繼電保護的影響程度分為沒有實質(zhì)性影響、有一定影響與嚴(yán)重影響3個級別。基于線路上DER輸出的最大短路電流，提出了DER對配電網(wǎng)繼電保護影響的評估方法。最后，結(jié)合示例證明了該方法評估DER對配電網(wǎng)繼電保護的影響的有效性和實用性。

有源配電網(wǎng);分布式電源;故障電流特征;繼電保護;評估方法

0 引言

主動配電網(wǎng)是一個接入了大量分布式電源(distributed electric resources，DER)的有源網(wǎng)絡(luò)，其短路電流幅值與分布特征都不同于常規(guī)的無源配電網(wǎng)，給配電網(wǎng)繼電保護(簡稱配電網(wǎng)保護)帶來了新問題［1-3］。針對主動配電網(wǎng)(即有源配電網(wǎng))的保護問題，國內(nèi)外電力學(xué)者做了大量的研究工作。文獻［4］分析了DER對配電網(wǎng)保護整定的影響，指出DER有可能造成配電網(wǎng)保護拒動或誤動;文獻［5-8］從不同的角度分析了不同情況下DER對配電網(wǎng)保護的影響，也得出了DER有可能造成配電網(wǎng)保護拒動或誤動的結(jié)論。文獻［5］提出通過限制DER接入容量來減少其對短路電流的影響，進而保證配電網(wǎng)保護的選擇性與靈敏性不受影響;文獻［9］探討了基于正序故障分量的有源配電線路電流差動保護方法，針對不同的饋線結(jié)構(gòu)，給出與之適應(yīng)的保護動作判據(jù)及門檻值整定原則;文獻［10］提出一種克服DER影響的配電線路縱聯(lián)距離保護方案。

本文從便于現(xiàn)場運行人員分析處理有源配電網(wǎng)保護問題的角度出發(fā)，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出DER對配電網(wǎng)(指中壓配電網(wǎng))保護影響程度的分級及其評估方法，針對不同的影響級別提出克服DER影響的配電網(wǎng)保護技術(shù)措施。

1 常規(guī)無源配電網(wǎng)保護配置方案

常規(guī)無源配電網(wǎng)中的配電線路一般采用如圖1所示的三級保護配置方案［11-12］。

圖1 常規(guī)無源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其保護配置方案示意圖Fig.1 The structure and protection configuration for the traditional passive distribution network

變電站線路出口斷路器保護(簡稱出口保護)一般配置三段式電流保護作為相間短路保護。小電阻接地配電網(wǎng)中的配電線路配置定時限(Ⅲ段)零序過電流保護，架空線路或架空線路比例比較大的架空電纜混合線路配置自動重合閘。為避免在保護區(qū)內(nèi)配電變壓器或分支線故障時出口斷路器越級跳閘，有的供電企業(yè)將瞬時電流速斷(I段)保護退出運行，采用限時電流速斷(Ⅱ段)保護作為線路的主保護。

小容量(＜800 kVA)配電變壓器通常采用熔斷器保護;大容量的配電變壓器采用斷路器保護，配置兩段式(I段與Ⅲ段)電流保護以及過負荷保護、溫度保護，油浸式的還配置瓦斯保護;小電阻接地配電網(wǎng)中的配電變壓器采用兩段式(I段與Ⅲ段)零序電流保護。

為避免分支線路上的故障造成出口斷路器越級跳閘，有的供電企業(yè)在分支線路上配置斷路器保護。斷路器保護一般配置兩段式(I段與Ⅲ段)電流保護，小電阻接地配電網(wǎng)的分支線路還需配置Ⅲ段零序電流保護。為避免瞬時性故障造成分支線路上用戶長時間停電，分支線路斷路器需要配置自動重合閘，否則分支線路配置保護反而會造成全線路用戶平均停電時間增加的不利后果。

表1 DER發(fā)電機短路電流變化特點Table 1 Short-circuit variation characteristic of DERs pu

圖2 不同類型發(fā)電機短路電流隨時間的變化曲線Fig.2 Short-circuit variation curve for different types of generator

2 分布式電源短路電流特征

分析有源配電網(wǎng)的故障電流特征，需要了解DER故障電流輸出特征［1，13］。DER的發(fā)電機分為同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機與逆變器4種，在并網(wǎng)點發(fā)生三相短路時，不同時間段DER短路電流的變化特點如表1所示。

圖2給出了根據(jù)表1繪出的不同類型發(fā)電機短路電流隨時間的變化曲線。

由圖2可知，除逆變器外，其他3種發(fā)電機的短路電流輸出隨時間變化較大。實際工程中，應(yīng)根據(jù)研究對象與關(guān)注的時間段考慮這3種發(fā)電機的影響并選取合適的計算參數(shù)。例如，研究瞬時速斷保護的動作行為時，應(yīng)考慮次暫態(tài)短路電流的影響，而研究定時限速斷保護時，則應(yīng)考慮暫態(tài)短路電流;對于動作時間比較長的Ⅲ段電流保護，則使用發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流值。在分析DER對配電網(wǎng)短路電流的影響時，需要估算DER輸出的最大短路電流，簡單起見，可假定同步發(fā)電機類型DER輸出的最大短路電流為其額定電流的6倍，逆變器類型DER輸出的最大短路電流是其額定電流的1．5倍。

圖3 DER對出線短路電流的影響分析示意圖Fig.3 Diagram of impact of DER on infeeding short-current

3 分布式電源對短路電流與配電網(wǎng)保護的影響

3.1 線路相間短路

線路發(fā)生相間短路時，相鄰線路或母線上接入的DER會向故障線路注入短路電流，使流過出口斷路器的出線短路電流增加。考慮極端情況，線路出口故障時，故障線路外DER提供的短路電流全部流入故障點，出線短路電流的增加值就是故障線路外所有DER提供的短路電流。因此，在線路故障時，出線短路電流增加的最大值是故障線路外DER提供的最大短路電流的代數(shù)和。在故障點距離母線比較遠時，故障點到母線的阻抗遠大于系統(tǒng)阻抗，故障線路外DER提供的短路電流大部分流入系統(tǒng)中，出線短路電流的增加值很小。

接入故障線路的DER對出線短路電流的影響與DER距故障點的位置有關(guān)。如圖3(a)所示的配電線路，如果故障點在DER并網(wǎng)點P之前，DER對出線短路電流沒有影響;如果在P點之后，由于DER提供的短路電流將抬高P點電壓，進而使系統(tǒng)提供的短路電流，即出線短路電流小于沒有DER接入時的。圖3(b)給出了DER接入前后線路上不同位置短路時出線短路電流的變化情況，可見接入DER后，P點后故障時出線短路電流明顯減少?？紤]極端情況，線路比較長，DER接入點靠近母線，線路末端故障時故障線路外DER對出線短路電流幾乎沒有影響，而線路上DER提供的短路電流幾乎全部流入系統(tǒng)側(cè)，出線短路電流的減少量是線路所有DER提供的短路電流之和。因此，在線路故障時出線短路電流減少的最大值是線路所有DER最大短路電流的代數(shù)和。

在有源配電網(wǎng)中，如果故障點距離母線比較近，則出線短路電流一般是增加的，不影響保護的正確動作，但需要核對出線短路電流是否超過出口斷路器的額定遮斷電流。如果故障點距離母線比較遠，則出線短路電流減少，將導(dǎo)致出口保護動作靈敏度下降甚至拒動。

3.2 相鄰線路相間短路

相鄰線路上出現(xiàn)相間短路故障時，線路上的DER向故障點提供流過出口斷路器的反向短路電流，其最大值是線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和。如果反向短路電流超過電流保護的整定值將造成保護誤動。

3.3 單相接地故障配電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障時，DER對接地電流(零序電流)的影響，取決于其中性點接地方式。如果DER采用直接接地或小電阻接地方式，則會在配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時向接地點提供故障電流，對零序電流的影響與對相間短路電流的影響類似。我國配電網(wǎng)中性點接地方式主要有不接地、在變電站經(jīng)消弧線圈接地、小電阻接地3種，DER中性點不接地，在配電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，如果忽略分布電容的影響，DER不向接地提供接地電流，不會改變零序電流的幅值與分布，因此，不影響接地保護的動作。

3.4 自動重合閘有源配電網(wǎng)中，出口斷路器跳閘后，DER可能繼續(xù)給故障點供電，會影響故障電弧的熄滅，降低重合閘的成功率。如果在重合閘時，DER仍然沒有解列，則會造成非同期合閘，由此引起的沖擊電流可能使重合閘失敗，并對DER造成危害。

DER接入配電網(wǎng)，要配備完善的外部故障保護與反孤島保護，確保在配電網(wǎng)發(fā)生故障時及時斷開DER與配電網(wǎng)的連接，避免上級斷路器重合閘時，DER繼續(xù)給配電網(wǎng)供電。另一個措施是加裝反應(yīng)線路電壓的電壓元件，在線路帶電時閉鎖重合閘。

4 DER對配電網(wǎng)保護影響的分級

根據(jù)是否影響配電網(wǎng)保護的正確動作以及需要采取克服其影響的技術(shù)措施，將DER對配電網(wǎng)保護的影響程度分為3級。

4.1 Ⅲ級影響

指DER提供的短路電流較小，對保護的動作無實質(zhì)性影響，不需要對現(xiàn)有保護的配置與整定做任何調(diào)整。

Ⅲ級影響的具體標(biāo)準(zhǔn)為:(1)如果沒有DER接入時Ⅱ段保護的保護區(qū)是線路全長，則在DER接入后，Ⅱ段保護在線路末端故障時的動作靈敏系數(shù)仍然不低于1．2;(2)或沒有DER接入時Ⅱ段保護的保護區(qū)小于線路全長，依靠Ⅲ段保護切除線路末端故障，則DER接入后Ⅲ段保護在線路末端故障時動作的靈敏系數(shù)仍然不低于1．3;(3)在相鄰線路故障時，線路上DER提供的反向短路電流不超過Ⅲ段電流定值。

4.2 Ⅱ級影響

指DER提供的短路電流較大，對保護的性能有一定影響，但不會出現(xiàn)線路故障時失去保護或相鄰線路故障時保護誤動的情況;或者出現(xiàn)失去保護和(或)誤動的情況，但可以通過調(diào)整現(xiàn)有保護的定值予以解決。

Ⅱ級影響的具體標(biāo)準(zhǔn)為:(1)如果在沒有DER接入時Ⅱ段保護的保護區(qū)是線路全長，DER接入后Ⅱ段保護在線路末端故障時的動作靈敏系數(shù)低于1．2，存在拒動的可能，但在躲過冷起動電流的前提下，Ⅱ段電流定值可以進一步下調(diào)使保護在線路末端短路時的靈敏系數(shù)不低于1．2;(2)或DER接入后Ⅱ段保護不能再保護線路全長，而且Ⅱ段電流定值已接近線路冷起動電流值，無法進一步調(diào)低，但Ⅲ段保護在線路末端故障時的動作靈敏系數(shù)仍然大于1．3; (3)或Ⅲ段保護在DER接入后動作的靈敏系數(shù)小于1．3，但在躲過冷起動電流的前提下，Ⅲ段電流定值可以進一步下調(diào)使Ⅲ段保護在線路末端故障時的動作靈敏系數(shù)不低于1．3;(4)在相鄰線路故障時，線路上DER提供的反向短路電流超過Ⅲ段電流定值，但在保證線路末端故障時動作靈敏系數(shù)不低于1．5的前提下，可以提高Ⅲ段電流定值解決問題。

4.3 Ⅰ級影響

指短路電流較大，對保護的動作性能有嚴(yán)重影響，造成線路故障時失去保護或相鄰線路故障時誤動，而且無法通過調(diào)整現(xiàn)有保護的定值予以解決，必須加裝新的保護裝置。

I級影響的具體標(biāo)準(zhǔn)為:(1)DER接入后Ⅲ段保護在線路末端故障時的動作靈敏系數(shù)低于1．3，且因無法避免線路冷起動電流的影響，不能通過調(diào)低Ⅲ段電流定值使保護在線路末端故障時動作靈敏系數(shù)大于1．3;(2)或在相鄰線路故障時，線路上DER提供的反向短路電流超過Ⅲ段電流定值，但受線路末端故障時動作靈敏系數(shù)不低于1．3的限制，無法通過提高Ⅲ段電流定值解決問題，或者說無法找到一個合適的Ⅲ段電流定值，使保護既不會在相鄰線路故障時誤動，也不會在線路末端故障時拒動。

5 DER對配電網(wǎng)保護影響的評估方法

針對一個具體的有源配電網(wǎng)，要準(zhǔn)確地評估DER對配電網(wǎng)保護的影響程度級別，需要依據(jù)實際的電源與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使用計算機進行故障計算，是一項費時的復(fù)雜工作。實際工程中，可根據(jù)線路參數(shù)以及DER最大短路電流來估計DER對短路電流影響的極限值，進而評估DER對配電網(wǎng)保護的影響。

線路故障時，故障點前的DER使出線短路電流減少，可能導(dǎo)致出口保護拒動。

首先計算沒有DER接入時線路末端的最小短路電流，即系統(tǒng)阻抗最大時線路末端兩相短路的短路電流，其計算公式為

式中:Up是系統(tǒng)等效電壓源的相電壓有效值(可取額定值);Zsm是系統(tǒng)正序阻抗;ZL為主干線路全長的正序阻抗，可以根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)、單位阻抗值以及長度計算出來。

對于中壓配電線路，相對于ZL來說Zsm數(shù)值很小，可以忽略其影響，由此得到?jīng)]有DER接入時，線路末端最小短路電流為

根據(jù)第3．1節(jié)的分析，線路發(fā)生故障時，出線短路電流減少的最大值是線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和，設(shè)其為，則得到DER接入后線路末端最小短路電流的下限值為

根據(jù)3．2節(jié)的分析，在相鄰線路發(fā)生故障時，反向短路電流的最大值是線路所有DER最大短路電流的代數(shù)和。

如果按照上述方法判斷出對保護的影響程度是I級，因為涉及加裝新的保護裝置，需要使用計算機進行短路電流計算，并對評估結(jié)果進行核對。

6 示例分析

下面通過幾個例子，說明如何采用簡化的方法評估DER對配電網(wǎng)保護的影響。

6.1 Ⅲ級影響評估

假設(shè)某配電線路出口斷路器配置Ⅱ段與Ⅲ段電流保護作為相間短路保護，線路最大負荷電流為400 A，Ⅱ段電流定值為2 000 A，Ⅲ段電流定值為800 A，沒有DER接入時線路末端最小短路電流等于2 800 A，線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和為400 A。在DER接入后，線路末端發(fā)生故障時，出線短路電流最小不會低于2 400 A，Ⅱ段保護在線路末端發(fā)生故障時的動作靈敏系數(shù)大于1．2，能夠可靠切除末端故障。在相鄰線路發(fā)生故障時，流過出口保護的最大反向短路電流不會超過400 A，低于Ⅲ段保護定值，不會造成出線保護誤動。因此，這種情況下DER對配電網(wǎng)保護的影響程度是Ⅲ級。

6.2 Ⅱ級影響評估

在6．1中，如果線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和為900 A，則DER接入后，線路末端發(fā)生故障時，出線短路電流最小可能達到1 900 A，Ⅱ段保護動作靈敏系數(shù)小于1，會出現(xiàn)拒動，但Ⅲ段保護在線路末端發(fā)生故障時的動作靈敏系數(shù)仍然大于2．3，能夠可靠切除線路末端故障。在相鄰線路發(fā)生故障時，流過出口保護的最大反向短路電流最大可能達到900 A，會造成Ⅲ段保護誤動，但將保護定值提高至1 000 A后可以避免保護誤動，并且在線路末端發(fā)生故障時保護動作的靈敏系數(shù)等于1．9，仍然能夠可靠切除線路末端故障。因此，這種情況下DER對配電網(wǎng)保護的影響程度可能是Ⅱ級。

6.3 Ⅰ級影響評估

在6．1中，如果線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和是2 000 A，則DER接入后，線路末端發(fā)生故障時，出線短路電流最小可能達到800 A，Ⅲ段保護靈敏系數(shù)等于1，存在拒動風(fēng)險。因為要躲過線路冷起動負荷電流，無法通過調(diào)低Ⅲ段電流定值解決Ⅲ段保護在線路末端發(fā)生故障時拒動的問題。在相鄰線路發(fā)生故障時，流過出口保護的最大反向短路電流最大可能達到2 000 A，會造成Ⅲ段保護甚至Ⅱ段保護誤動，將保護定值提高至2 000 A以上，盡管可以避免在相鄰線路發(fā)生故障時誤動，但在線路末端發(fā)生故障時會拒動。一個可能的解決方案是在線路中間安裝斷路器保護，因為中間斷路器下游的負荷電流減少，將Ⅲ段保護的電流定值整定為600 A，能夠躲過線路冷起動電流，并且能夠保證在線路末端發(fā)生故障時能夠可靠動作。解決相鄰線路發(fā)生故障時保護誤動的措施是加裝方向閉鎖元件。因此，這種情況下DER對配電網(wǎng)保護的影響可能是I級。

7 結(jié)語

DER的接入會使線路故障時流過配電網(wǎng)保護的出線短路電流減少，造成配電網(wǎng)保護靈敏度降低甚至拒動;相鄰線路發(fā)生故障時，線路上DER提供的反向短路電流可能造成配電網(wǎng)保護誤動。根據(jù)是否會影響配電網(wǎng)保護的正確動作以及需要采取的克服其影響的技術(shù)措施，可將DER對配電網(wǎng)保護的影響程度分為沒有實質(zhì)性影響、有一定影響與嚴(yán)重影響3個級別。根據(jù)線路發(fā)生故障時出線短路電流的減少值不會超過線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和，以及相鄰線路發(fā)生故障時反向短路電流不會超過線路上所有DER最大短路電流的代數(shù)和的事實，可以對DER對配電網(wǎng)保護的影響進行簡單的評估。實際配電網(wǎng)中，大部分情況下，一條線路上所有DER的最大短路電流之和不超過1．5倍的最大負荷電流，DER對配電網(wǎng)保護的動作沒有實質(zhì)性的影響。

致謝

在本文撰寫中得到了山東大學(xué)博士研究生高孟友、山東理工大學(xué)碩士研究生張良的幫助，在此向他們表示衷心的感謝!

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［13］The Contribution to Distribution Network Fault Levels From the Connection of Distributed Generation［S］．UK by KEMA Ltd．，2005．

(編輯:張小飛)

Evaluation Method for Impact of Distributed Electric Resources on the Relaying Protection of Distribution Network

XU Bingyin1，2，ZHANG Haitai2，XIAN Richang1
(1．Smart Grids Research Center，Shandong University of Technology，Zibo 255049，Shandong Province，China; 2．Shandong Kehui Power Automation Co．，Ltd．，Zibo 255087，Shandong Province，China)

Based on the analysis of the characteristics of fault current，this paper analyzed how distributed electric resources impacted the relaying protection of distribution networks．According to the actual performances of the protections and the countermeasures need，the impact of the DER to the protection is classified as three levels，no substantial impact，moderate impact and serious impact．According to the maximum fault contribution of the DERs in a line，a simple assessment method is presented．To prove the feasibility and efficiency of this method，examples are given．

active distribution network;distributed energy resources;fault current characteristics;relaying protection; evaluation method

TM 77

A

1000-7229(2015)01-0142-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.022

2014-11-25

2014-12-16

徐丙垠(1961)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)故障監(jiān)測、配電網(wǎng)繼電保護、配電網(wǎng)自動化、智能配電網(wǎng);

張海臺(1972)，男，工程師，主要研究方向為配電網(wǎng)自動化、配電網(wǎng)繼電保護;

咸日常(1965)，男，高級工程師，主要研究方向為供用電技術(shù)、電力變壓器運行與故障分析診斷。