曾奕銘，張慧媛，龔仁敏

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京100085）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)集中式發(fā)電過(guò)于依賴傳統(tǒng)能源的消耗，容易帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。與此同時(shí)，分布式電源（DG）以其環(huán)保高效的特點(diǎn)越來(lái)越受到人們重視。DG的發(fā)展與建設(shè)有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)調(diào)度靈活，節(jié)約資源，因地制宜，能夠很好地緩解我國(guó)的經(jīng)濟(jì)與資源壓力［1］。作為主動(dòng)配電網(wǎng)的重要組成部分［2］，DG并網(wǎng)也給傳統(tǒng)保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。DG并網(wǎng)使原配網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的改變，傳統(tǒng)的單電源輻射網(wǎng)在DG并網(wǎng)后變?yōu)殡p電源結(jié)構(gòu)甚至多電源結(jié)構(gòu)［3-4］，潮流分布也相應(yīng)的發(fā)生了變化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生各種故障時(shí)，其短路電流也受到了影響，使其原來(lái)的保護(hù)方案不再適用，甚至使原有的保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況［5-11］。而分布式電源正向著大容量的方向發(fā)展，尤其是近年來(lái)光伏、風(fēng)電等分布式電源發(fā)展迅速［7-9］，其并網(wǎng)后帶來(lái)的繼電保護(hù)問(wèn)題也越來(lái)越突出。從內(nèi)蒙電網(wǎng)，甘肅電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布式電源帶來(lái)的問(wèn)題中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的保護(hù)方法已經(jīng)不適用。對(duì)于 DG接入配網(wǎng)后保護(hù)方案的提出，從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要分為兩大分支：一種是應(yīng)用發(fā)達(dá)的通信信息技術(shù)進(jìn)行信息實(shí)時(shí)交流傳遞，但這種方法要求比較高，而且過(guò)度依賴于通信，一旦通信發(fā)生問(wèn)題，容易使事故擴(kuò)大。另一種是添加相應(yīng)的方向元件并根據(jù)實(shí)際情況重新進(jìn)行整定，這種方法實(shí)用性強(qiáng)，但操作性差，大大增加了運(yùn)行及維護(hù)成本。

文章首先分析了DG并網(wǎng)的容量跟接入位置對(duì)原配網(wǎng)短路電流的影響，得出了不同情況下DG并網(wǎng)的影響，并得出了一種使得上游短路電流最小的接入方式。同時(shí)，在分析兩點(diǎn)接入的情況下，提出了一種對(duì)配網(wǎng)特定區(qū)域DG接入的最佳方式，從而使原有的保護(hù)配置不再發(fā)生改變，進(jìn)而保證了其保護(hù)裝置的適用性。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)配置及DG接入帶來(lái)的影響

在傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)中，多以保護(hù)大電網(wǎng)安全為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)線路和用戶負(fù)荷特點(diǎn)一般配有電流保護(hù)、過(guò)/欠壓保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、漏電保護(hù)、不平衡保護(hù)（斷線保護(hù)）等。由于大多數(shù)配電網(wǎng)為單電源網(wǎng)絡(luò)，且相應(yīng)故障大多為瞬時(shí)故障，所以傳統(tǒng)的配電網(wǎng)饋線保護(hù)采用三段式電流保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)［13-15］。DG的接入增加了原有配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且DG具有間歇性，波動(dòng)性，高滲透性等特點(diǎn)［10］，對(duì)線路電流保護(hù)產(chǎn)生較大影響，使保護(hù)靈敏度降低甚至失靈。

DG并網(wǎng)使得配電網(wǎng)由原來(lái)的單電源供電的輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成多電源供電的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，線路中的潮流分布發(fā)生變化，短路電流的大小、方向及分布也將發(fā)生變化，從而影響原有的配電網(wǎng)保護(hù)。影響的大小與DG容量和并網(wǎng)位置有關(guān)：隨著DG容量的增加，DG對(duì)于不同保護(hù)的助增和汲流作用越明顯；對(duì)于DG下游的保護(hù)，DG的助增作用可能增加保護(hù)的范圍，使其延伸到下一級(jí)保護(hù)，影響保護(hù)的選擇性；而對(duì)于DG上游的保護(hù)，DG的汲流作用可能減小流入保護(hù)的故障電流值，使得保護(hù)范圍縮小，影響保護(hù)的靈敏度，甚至使保護(hù)拒動(dòng)作。此外當(dāng)DG并網(wǎng)后，還會(huì)導(dǎo)致重合閘重合不成功以及引起諧波危害等問(wèn)題。

配電網(wǎng)故障大多數(shù)是瞬時(shí)性故障，因此，對(duì)于非全電纜線路，都應(yīng)配置三相一次自動(dòng)重合閘，保證線路在發(fā)生瞬時(shí)性故障后能迅速恢復(fù)供電。在DG未并網(wǎng)的情況下，當(dāng)線路中發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，自動(dòng)重合閘不會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成太大沖擊。當(dāng)DG并網(wǎng)且線路發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)DG仍繼續(xù)向故障點(diǎn)供電，從而導(dǎo)致故障點(diǎn)持續(xù)產(chǎn)生電弧，最終使得自動(dòng)重合閘重合失敗。另外，故障發(fā)生后，DG形成的電力孤島與原電網(wǎng)往往不能同步，此時(shí)非同期重合閘會(huì)引起很大沖擊電流或電壓。

分布式電源接入配網(wǎng)也會(huì)帶來(lái)諧波污染問(wèn)題。一方面，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)需要各種控制措施保證電壓輸出的穩(wěn)定性［11-12］，一般都配有整流-逆變?cè)O(shè)備和大量電力電子裝置，其電源本身及逆變器均為諧波源［8］。諧波的注入將會(huì)引起配網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，使配網(wǎng)電能質(zhì)量受到一定的影響，因而需要配置濾波裝置、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備等抑制諧波分量。

2 DG不同容量，不同接入位置對(duì)短路電流的影響

分布式電源（DG）接入配電網(wǎng)后必然會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流分布，給繼電保護(hù)的正常運(yùn)行帶來(lái)一系列的問(wèn)題。從研究繼電保護(hù)的角度而言，分布式電源模型可以用一個(gè)電壓源串聯(lián)電抗的模型來(lái)表示。因此需要考慮在故障發(fā)生時(shí)分布式電源能夠提供多大的故障電流［5］。DG不同容量，不同接入位置會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生不同的影響。

2.1 不同容量DG并網(wǎng)對(duì)原有配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

文章以分布式電源接入10 kW配電網(wǎng)為例，分析分布式電源對(duì)配電線路保護(hù)的影響。假設(shè)原有配網(wǎng)（將其等效為電壓源）的各項(xiàng)參數(shù)如下：

系統(tǒng)電源容量：S＝100 MVA，系統(tǒng)額定電壓：Es＝10 kV，系統(tǒng)等效內(nèi)阻：R內(nèi)＝1Ω，線路電抗：Zj＝0.5Ω/km，L＝6 km。

以單相系統(tǒng)為例，當(dāng)原系統(tǒng)線路末端發(fā)生接地短路故障時(shí)，此時(shí)Z＝3Ω。如圖1所示。

圖1 原配網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original distribution network

理論計(jì)算：

相同位置接入不同容量的DG時(shí)（由線路始端接入），如圖2所示。

圖2 不同容量DG并網(wǎng)圖Fig.2 DG grid-connected diagram with different capacity

理論計(jì)算：

對(duì)不同容量的DG仿真得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同容量DG接入時(shí)各支路短路電流Tab.1 Short circuit current in each branch of DG with different capacity

通過(guò)分析比較，可以得到以下結(jié)論：

（1）分布式電源的接入會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生影響，而且DG的容量不同對(duì)短路電流的影響不同。隨著DG容量的增大，總支路電流I越來(lái)越大，原系統(tǒng)支路電流Ia越來(lái)越小，DG支路電流Ib越來(lái)越大；

（2）DG的接入對(duì)上游的支路電流，即對(duì)Ia有分流作用；對(duì)下游的電流，即I有助增作用。且容量越大，相應(yīng)的作用越大。

2.2 DG并網(wǎng)點(diǎn)不同對(duì)原有配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

DG容量相同，但由不同位置接入。以SDG＝10 MVA，ES＝10 kV，RDG＝10Ω為例進(jìn)行仿真研究。如圖3所示。

圖3 不同接入點(diǎn)DG并網(wǎng)圖Fig.3 DG connected to different access points

理論計(jì)算：

對(duì)不同容量的DG仿真得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同位置DG接入時(shí)各支路短路電流Tab.2 Short circuit current of each branch when DG is connected in different position

從表格數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)Ia有一個(gè)先減小后增大的過(guò)程。

帶入具體值：

Matlab仿真波形如圖4所示。

圖4 支路電流Ia變化趨勢(shì)圖Fig.4 Branch current Ia change trend chart

化簡(jiǎn)上式可以得到：

由此可以得到以下結(jié)論：

（1）分布式電源的不同的接入位置會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生不同的影響；

（2）DG接入位置越靠近線路末端，使下游支路電流I越來(lái)越大，即對(duì)下游的助增作用越大；同時(shí)Ib越來(lái)越大，即DG支路的電流越來(lái)越大；

（3）隨著DG接入位置的改變，原系統(tǒng)支路電流Ia會(huì)存在一個(gè)最小值，即原系統(tǒng)支路電流會(huì)存在一個(gè)最小值，Ia的值與系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)，系統(tǒng)等效內(nèi)阻，DG內(nèi)阻，線路等效阻抗，接入點(diǎn)位置有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)等效內(nèi)阻，DG內(nèi)阻，線路等效阻抗為定值的情況下，當(dāng)接入點(diǎn)位置上游電路等效阻抗為總線路阻抗與系統(tǒng)等效內(nèi)阻的差值的一半時(shí)，Ia的值最?。创嬖谝粋€(gè)接入點(diǎn)使上游支路Ia的短路電流最?。?。當(dāng)DG接入時(shí)，應(yīng)避免這種情況的接入，以保證保護(hù)的靈敏度；

（4）DG的接入對(duì)上游的支路電流，即Ia有分流作用；對(duì)下游的電流，即I有助增作用。且容量越大，相應(yīng)的作用越大。

3 當(dāng)DG兩點(diǎn)接入時(shí)，最優(yōu)接入方式探討

如圖5所示，以DG1接入初始段，DG2接入線路1/3處為例討論。

圖5 DG兩點(diǎn)接入示意圖Fig.5 Schematic diagram of DG two-points access

此時(shí)I1電流：

若系統(tǒng)電源已知，即E＝10 kV，R內(nèi)＝1Ω。則電流I1只跟接入兩個(gè)DG的等效內(nèi)阻抗有關(guān)，即只跟DG的容量有關(guān)。

未接入DG時(shí)線路初始電流I為：

令 I1＝I，即：

化簡(jiǎn)上式可得：R2＝4R1＋2。

I與 R1，R2間的關(guān)系：

即當(dāng)R2＝4R1＋2時(shí)，當(dāng)DG2下游發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)于特定段，即DG1與DG2間的線路段短路電流的大小保持不變，無(wú)需調(diào)整原有的保護(hù)方案。

下面以三相電路為例分別驗(yàn)證各種故障情況下的短路電流。

設(shè)系統(tǒng)電源：S＝100 MVA，Es＝10 kV，R內(nèi)＝1 Ω，Zj＝0.5Ω/km，L＝6 km。DG1：S＝100 MVA，Es＝10 kV，R內(nèi)＝1Ω；DG2：S＝16.67 MVA，Es＝10 kV，R內(nèi)＝6Ω。

3.1 未接入DG時(shí)

未接入DG的情況，如圖6所示。

圖6 DG未接入示意圖Fig.6 Schematic diagram of DG without access

3.2 接入DG時(shí)

接入DG的情況如圖7所示。

圖7 DG兩點(diǎn)接入示意圖Fig.7 Schematic diagram of DG two-points access

即DG1由線路初始端接入，DG2由線路1/3處接入。設(shè)置故障時(shí)間為0.1 s時(shí)發(fā)生。

3.2.1 單相接地短路

調(diào)整仿真模型，將其設(shè)置為單相接地短路故障，分別記錄DG接入前與接入后的仿真波形。

（1）DG接入前原系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障短路電流如圖8所示，此時(shí)：

Ia1＝2.036 kA（幅值）

圖8 DG接入前單相短路故障電流波形圖Fig.8 Single phase short-circuit fault current waveform before DG connection

（2）DG接入后系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障短路電流如圖9所示，此時(shí)：

Ia2＝2.036 kA（幅值）

圖9 DG接入后單相短路故障電流波形圖Fig.9 Single phase short-circuit fault current waveform with DG connected

即Ia1＝Ia2，單相接地短路情況下滿足最佳接入方式。

3.2.2 兩相短路

調(diào)整仿真模型，將其設(shè)置為兩相短路故障，分別記錄DG接入前與接入后的仿真波形。

（1）DG接入前原系統(tǒng)發(fā)生兩相故障短路電流如圖10所示，此時(shí)：

Ib1＝Ic1＝2.036 kA（幅值）

圖10 DG接入前兩相短路故障電流波形圖Fig.10 Two-phase short-circuit fault current waveform before DG connection

（2）DG接入后原系統(tǒng)發(fā)生兩相故障短路電流易為：

Ib2＝Ic2＝2.036 kA（幅值）

波形與圖10相同，即Ib1＝Ic1＝Ib2＝Ic2，兩相短路情況下滿足最佳接入方式。

3.2.3 三相短路

調(diào)整仿真模型，將其設(shè)置為三相短路故障，分別記錄DG接入前與接入后的仿真波形。

（1）DG接入前原系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，短路電流如圖11所示。此時(shí)：

Ia1＝Ib1＝Ic1＝2.036 kA（幅值）

圖11 DG接入前三相短路故障電流波形圖Fig.11 Three-phase short-circuit fault current waveform before DG connection

（2）DG接入后系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障短路電流如圖12所示，此時(shí)：

Ia2＝Ib2＝Ic2＝2.036 kA（幅值）

圖12 DG接入后三相短路故障電流波形圖Fig.12 Three-phase short-circuit fault current waveform with DG connected

即 Ia1＝Ib1＝Ic1＝Ia2＝Ib2＝Ic2，三相短路情況下滿足最佳接入方式。

3.2.4 兩相接地短路

調(diào)整仿真模型，將其設(shè)置為兩相接地短路故障，分別記錄DG接入前與接入后的仿真波形如下：

（1）DG接入前原系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路故障短路電流如圖13所示。此時(shí)：

Ib1＝Ic1＝1.765 kA（幅值）

圖13 DG接入前兩相接地短路故障電流波形圖Fig.13 Two-phase earth fault currentwaveform with DG not connected

（2）DG接入后系統(tǒng)發(fā)生兩相接地短路故障短路電流如圖14所示。此時(shí)：

Ib2＝Ic2＝1.765 kA（幅值）

圖14 DG接入后兩相接地短路故障電流波形圖Fig.14 Two-phase earth fault currentwaveform with DG connected

即Ib1＝Ic1＝Ib2＝Ic2，兩相接地短路情況下滿足最佳接入方式。

3.2.5 三相接地短路

調(diào)整仿真模型，將其設(shè)置為三相接地短路故障，分別記錄DG接入前與接入后的仿真波形。

（1）DG接入前原系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障短路電流如圖15所示，此時(shí)：

Ia1＝Ib1＝Ic1＝2.039 kA（幅值）

圖15 DG接入前三相接地短路故障電流波形圖Fig.15 Three-phase earth fault currentwaveform before DG connected

（2）DG接入后系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路故障短路電流如圖16所示。此時(shí)：

Ia2＝Ib2＝Ic2＝2.039 kA（幅值）

圖16 DG接入后三相接地短路故障電流波形圖Fig.16 Three-phase earth fault currentwaveform with DG connected

即Ia1＝Ib1＝Ic1＝Ia2＝Ib2＝Ic2，三相接地短路情況下滿足最佳接入方式。

綜上所述，當(dāng)DG1由線路初始端接入，DG2由線路1/3處接入，各種短路情況下特定段（即兩點(diǎn)接入之間的線路段）的短路電流保持前后不變，即最佳接入方式成立。

由以上分析進(jìn)一步推導(dǎo)，令I(lǐng)初＝I末，即接入前后兩DG接入點(diǎn)間的短路電流大小保持不變。則：

（其中（0＜λ＜1）

即在任何滿足上式的情況下，即為最佳接入方式，使發(fā)生各種故障時(shí)，兩DG接入點(diǎn)間的短路電流大小保持不變。

下面以風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)為例，說(shuō)明該原則的實(shí)用性。截止2010年，內(nèi)蒙古、遼寧兩地的風(fēng)電裝機(jī)在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中所占比例均超過(guò)12%，吉林則高達(dá)20%［16］。這說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電在部分區(qū)域已占很大比重。風(fēng)能是一種隨機(jī)性、爆發(fā)性、不確定性的能源，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能隨機(jī)波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)有著很大的沖擊［17-18］。當(dāng)在一定的控制策略能兼容各種電網(wǎng)故障的情況下，該原則的提出給風(fēng)電場(chǎng)的選址提供了一定的參考性，當(dāng)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)選址時(shí)，在其他條件相同或者相近的前提下，滿足上述原則的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)該優(yōu)先考慮，使得特定區(qū)段的保護(hù)裝置同樣適用。同時(shí)可以在風(fēng)電并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上人為串聯(lián)電抗達(dá)到滿足上述原則，進(jìn)而保證原有保護(hù)裝置的適用性。對(duì)于具體配電網(wǎng)而言，應(yīng)該根據(jù)該配網(wǎng)的具體參數(shù)進(jìn)行實(shí)際配置，在滿足該原則的情況下確定最優(yōu)接入方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

以分布式電源并網(wǎng)為研究?jī)?nèi)容，通過(guò)理論計(jì)算及建模仿真得出五點(diǎn)結(jié)論：

（1）DG的容量不同對(duì)短路電流的影響不同。DG的接入對(duì)上游的線路電流有分流作用，對(duì)下游的電流有助增作用，且容量越大，相應(yīng)的作用越大；

（2）分布式電源的不同的接入位置會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生不同的影響。DG接入位置越靠近線路末端，即對(duì)下游的助增作用越大，同時(shí)DG支路的電流越來(lái)越大；

（3）隨著DG接入位置的改變，其原系統(tǒng)支路電流Ia會(huì)存在一個(gè)最小值，Ia的值與電動(dòng)勢(shì)，系統(tǒng)等效內(nèi)阻，DG內(nèi)阻，線路等效阻抗，接入點(diǎn)位置有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)等效內(nèi)阻，DG內(nèi)阻，線路等效阻抗為定值的情況下，當(dāng)接入點(diǎn)位置上游電路等效阻抗為總線路阻抗與系統(tǒng)等效內(nèi)阻的差值的一半時(shí)，Ia的值最??；

（4）當(dāng)DG兩點(diǎn)接入系統(tǒng)時(shí)，存在一種最佳接入方式，使任何故障情況下短路電流的大小不發(fā)生改變，即原來(lái)保護(hù)裝置不需要進(jìn)行調(diào)整與改變；

（5）該最佳接入方式的提出為DG的選址定容提供了新的參考依據(jù)，對(duì)實(shí)際工程中風(fēng)電，光伏等分布式電源的接入具有一定的實(shí)用性。