古展基，黃煜翰，黃 勇，魏長春，蔡澤祥

（1.廣州穗華能源科技有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；3.廣州穗華能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，廣州 510530）

0 引言

在電力工業(yè)發(fā)展的過程中，分布式發(fā)電技術(shù)得以與大電網(wǎng)密切結(jié)合，促使電網(wǎng)靈活性、可靠性得到提升，從而使電能利用率和質(zhì)量得到提高，滿足電力事業(yè)的發(fā)展需求。而目前在分布式發(fā)電方面，目前分布式電源以配電網(wǎng)的接入為主。作為單電源網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)只規(guī)劃單向功率流動，并采取相應(yīng)的單電源網(wǎng)絡(luò)繼電保護系統(tǒng)。接入分布式電源后，配電網(wǎng)將向多電源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，在影響短路電流、電能質(zhì)量等情況的同時，容易引起原有保護拒動、誤動等故障。因此，想要使分布式發(fā)電優(yōu)勢得到較好發(fā)揮，還要結(jié)合分布式電源對配電網(wǎng)的影響提出科學(xué)的自適應(yīng)保護方法，保證配電系統(tǒng)能夠始終維持安全、穩(wěn)定運行。

1 分布式電源對配電網(wǎng)的影響

分布式電源大量接入，導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)從單電源輻射型向多端、多源型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。而在故障電流和潮流不確定的情況下，過去采用的常規(guī)三段式電流保護將出現(xiàn)靈敏性下降的問題，無法使裝置保護選擇性得到保證。

1.1 對相鄰饋線電流保護的影響

在實際運行的過程中，配電網(wǎng)多采用開環(huán)運行方式，利用一端電源為部分線路供電。按照該種供電模式，短路電流將從電源側(cè)向故障點流動。采用三段式電流保護方案，無法對短路電流方向進行判別，為保證線路發(fā)生瞬時故障能夠得到切除，并恢復(fù)正常供電，需要完成自動重合閘裝置的配置[1]。如圖1所示，在典型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，通常會在母線A位置進行系統(tǒng)電源S1的接入，從而實現(xiàn)輻射性供電。在接入分布式電源SDG時，需要在母線B位置進行電源連接。一旦線路D、E位置有三相故障產(chǎn)生，S1的等效阻抗Zs將比線路阻抗要小，導(dǎo)致線路AE上集中出現(xiàn)由短路電流引起的電壓降落。此時，母線A位置電壓并未發(fā)生顯著變化，分布式電源只帶來了較小短路電流，并未對相鄰饋線1、2保護產(chǎn)生顯著影響。但是相較于未接入分布式電源的狀態(tài)，系統(tǒng)電源和分布式電源將同時向故障點進行短路電流的提供，導(dǎo)致保護4檢測到較大故障電流，促使保護裝置靈敏性提高。在接入的分布式電源擁有較高滲透率的情況下，將造成下級線路故障的產(chǎn)生，引發(fā)保護4誤動，繼而造成保護選擇性喪失。

圖1 分布式電源接入典型配電網(wǎng)的架構(gòu)圖

1.2 對配電網(wǎng)繼電保護的影響

在B、C位置發(fā)生三相故障的情況下，故障點短路電流由分布式電源和系統(tǒng)電源同時提供，使得母線B電壓有所提升。此時，系統(tǒng)電源提供的短路電流將有所下降，保護3位置只能檢測到較少短路電流。在分布式電源作用下，保護3靈敏性有所降低，在發(fā)生故障時可能出現(xiàn)拒動問題，無法為線路BC提供保護。從繼電保護整定角度來看，針對保護3，按照分布式電源接入后的系統(tǒng)最大允許方式和電源出力開展整定工作，一旦分布式電源出力減少或發(fā)生退出允許，將導(dǎo)致裝置感受到的短路電流隨輸出功率減少而增大，繼而導(dǎo)致裝置保護靈敏性提升，出現(xiàn)喪失選擇性問題[2]。針對保護4，按照上述方法整定將在分布式電源出現(xiàn)問題時造成裝置保護靈敏性下降，繼而導(dǎo)致保護失效。

2 含分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)保護方法

在電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大的過程中，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜。按照傳統(tǒng)電流保護方案，需要依靠三段式距離保護的配置加強線路無通道保護，在對側(cè)斷路器動作電流電壓相關(guān)序分量故障信息進行利用的基礎(chǔ)上，對各種故障的全線速動問題展開分析，得到不同的判據(jù)，造成配電網(wǎng)保護較為復(fù)雜。針對這些問題，自適應(yīng)保護理念得以被提出，能夠結(jié)合配電網(wǎng)運行方式和故障狀態(tài)變化對線路保護定值或特性進行調(diào)節(jié)。

2.1 自適應(yīng)保護方法

針對含分布式電源的配電網(wǎng)，相關(guān)學(xué)者提出的自適應(yīng)保護方法較多。針對風電場，有專家通過在MATLAB中建立雙饋式異步機風力發(fā)電模型，對各種故障狀態(tài)下電流和電壓展開計算，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)下配電網(wǎng)電流特性不同，還要實現(xiàn)適應(yīng)性保護配置，利用部分母線節(jié)點實現(xiàn)電流量判斷，然后根據(jù)故障特性完成自適應(yīng)保護區(qū)域劃分[3]。但是采取該種保護方法需要實現(xiàn)電流數(shù)據(jù)分布式計算，保護裝置只有在獲得對應(yīng)區(qū)域電流數(shù)據(jù)時才能保證動作正確，造成配電保護過度依賴通信系統(tǒng)，保護的選擇性遭到了削弱[4]。一些學(xué)者提出在IEC 61850分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用IEEE1588協(xié)議，借助以太網(wǎng)低成本、技術(shù)成熟等優(yōu)勢實現(xiàn)電源線路過渡電阻短路電流的同步計算，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加強算法學(xué)習(xí)，從而根據(jù)過渡電阻類型變化完成在線實時分析，達到實現(xiàn)距離保護自適應(yīng)調(diào)整的目標[5]。但就目前來看，采用該方法需要完成復(fù)雜在線整定計算，對計算機提出了較高容錯性和智能化要求。未來伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，可以借助計算時完成小波變換分析或正序故障分量計算，從而實現(xiàn)高頻暫態(tài)分量自適應(yīng)保護。然而就現(xiàn)階段來看，還要提出切實有效的方法解決含分布式電源的配電網(wǎng)保護問題。

綜合考慮各方面要求，還應(yīng)加強自適應(yīng)速斷保護的利用，結(jié)合分布式電源短路特性完成故障信息測算，從而根據(jù)等效阻抗完成故障判定，將得到數(shù)據(jù)帶入到自適應(yīng)整定公式中[6]。通過確定相應(yīng)的動作閾值，可以直接通過軟件升級加強自適應(yīng)保護，使得傳統(tǒng)保護方案硬件資源得到充分利用的同時，加強線路全方位保護[7]。經(jīng)過上述分析可知，可以根據(jù)配電網(wǎng)故障電流特性和分布式電源特性提出科學(xué)的自適應(yīng)保護方法。具體來講，就是由于配電網(wǎng)原有保護靈敏性將隨著分布式電源輸出功率變化而變化，所以根據(jù)接入的分布式電源的容量實現(xiàn)保護整定值調(diào)整，能夠通過對各支路三相短路電流進行計算加強保護自適應(yīng)整定[8]。

2.2 三相短路電流確認

在實際分析過程中，假設(shè)配電網(wǎng)發(fā)生三相故障，故障點電流為If，系統(tǒng)側(cè)電勢和等效電源分別設(shè)為E和G，分布式電源接入位置母線電壓為U，在分布式電源容量為S，采取PQ控制方法的情況下，可以得到如下電路原理：

式中：I1為供給側(cè)短路電流；I2為分布式電源提供的短路電流；ZL為分布式電源接入位置到短路點等效阻抗。

實際在接入配電網(wǎng)過程中，多采用逆變類分布式電源，在控制策略影響下故障后輸出電流不超過1.2～2 p.u.。受過渡電阻、故障位置等各種條件影響，限制最大輸出電流策略可變。在PQ控制策略下，分布式電源會出現(xiàn)瞬時功率增大的情況，并在1～2個周期后恢復(fù)至給定值，可以得到：

結(jié)合各式，可以得到：

2.3 自適應(yīng)保護分析

按照配電網(wǎng)原有保護方案，需要在系統(tǒng)最大運行狀態(tài)下，根據(jù)線路末端三相短路電流與對應(yīng)可靠系數(shù)完成電流速斷保護整定值的計算。實現(xiàn)分布式電源的接入，還要考慮到自然因素給電源接入容量帶來的影響[9]。在分布式電源容量不斷變化的情況下，短路電流也將隨之改變，從而導(dǎo)致配電網(wǎng)保護無法適應(yīng)。針對這一問題，采用自適應(yīng)保護方法還要在分布式電源接入位置的上游加強保護配置。具體來講，就是在電路結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，采取雙電源供電保護方法。考慮到接入位置下游也將受到分布式電源影響，因此同樣需要完成保護整定自適應(yīng)調(diào)整分析。

（1）主保護整定。針對保護3的主保護，在自適應(yīng)調(diào)整時還要將系統(tǒng)側(cè)等效阻抗設(shè)定為Zsmin，此時系統(tǒng)運行方式最大；在運行方式最小時，可以得到等效阻抗Zsmax。在最大運行方式下，將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到最大故障電流，從而得到：

（2）后備保護整定?？紤]到如果接入位置下游保護3拒動，上游保護2還應(yīng)起到后備保護的作用。結(jié)合之前分析可知，在分布式電源的分流作用下，保護2只能進行較小短路電流感受，可能因靈敏性下降出現(xiàn)無法切除DE故障的問題，因此需要重新進行保護整定。具體來講，就是在系統(tǒng)運行方式最大的條件下，將系統(tǒng)側(cè)等效阻抗設(shè)定為Zsmin，得到相應(yīng)的等效阻抗Zsmax。再將Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到得到：

在實際接入分布式電源過程中，還應(yīng)認識到其具有隨機性，容量波動隨著時間變化而改變。想要加強自適應(yīng)保護，還要完成相應(yīng)整定判據(jù)的設(shè)定，以便在滿足設(shè)定要求時系統(tǒng)實現(xiàn)自適應(yīng)重新整定[10]。采取該種措施，能夠避免系統(tǒng)頻繁重新進行自適應(yīng)保護調(diào)整，因此能夠使系統(tǒng)可靠性得到提高。按照這一思路，可以提出配電網(wǎng)接入分布式電源后的自適應(yīng)保護流程。由于短路電容不變，配電系統(tǒng)短路電流將受分布式電源出力因素的影響，所以可以根據(jù)出力進行重新整定判據(jù)的設(shè)定。具體來講，就是在一開始，根據(jù)上次整定獲得的分布式電源出力S，對目前實時出力S′進行分析，完成相應(yīng)線路末端短路電流If和If′的計算。在變化數(shù)值超出[0，0.1]的范圍內(nèi)時，需要實現(xiàn)重新整定，使電源出力S=S′，然后重新進行整定判斷觀測。

3 算例分析

為驗證提出的自適應(yīng)保護方法的保護效果，還要結(jié)合實例展開分析。如圖2所示，為典型配電網(wǎng)的等效電路。采用該配電網(wǎng)為實驗系統(tǒng)，在PSCAD軟件中進行仿真分析計算。結(jié)合分布式電源并網(wǎng)特點，設(shè)定d1位置發(fā)生三相故障，在最大運行條件下，系統(tǒng)阻抗為0.6Ω，最小運行方式下則為0.1Ω。在線路參數(shù)Z為0.4Ω/km，長度為AB=BC=8 km的情況下，接入容量為15 MVA的分布式電源。

圖2 典型配電網(wǎng)的等效電路

按照提出的自適應(yīng)保護方法進行保護1和2的整定判斷，同時將傳統(tǒng)保護方案保護效果當成是對照，能夠使方法的有效性得到驗證。如表1所示，為容量變化情況下主保護整定值及保護范圍變化。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，配電網(wǎng)在分布式電源接入后受到了較大影響。在接入的分布式電源功率發(fā)生變化時，采用傳統(tǒng)保護方案的系統(tǒng)主保護將在1.2%～69.4%范圍內(nèi)波動，采用自適應(yīng)保護方法能夠使系統(tǒng)主保護維持在50.5%～69.4%范圍內(nèi)，波動幅度較小。采用相同方法對后備保護波動情況展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在0～15 MVA容量變化范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)保護方案的系統(tǒng)后備保護將在12.2%～35.1%范圍內(nèi)波動，采用自適應(yīng)保護方法能夠使系統(tǒng)主保護維持在35.1%～59.1%之間。相較于傳統(tǒng)方法，自適應(yīng)保護方法擁有相對簡單的調(diào)節(jié)方式，在實際應(yīng)用過程中具有較強經(jīng)濟性。由此可見，采用自適應(yīng)保護方法能夠有效進行配電系統(tǒng)保護整定值的調(diào)節(jié)，使分布式電源給配電網(wǎng)帶來的影響得到盡可能的降低。從整體上來看，經(jīng)過自適應(yīng)保護調(diào)整，配電網(wǎng)主保護性能可以得到提升，備用保護變化范圍也能得到縮小，因此能夠使配電網(wǎng)維持安全、穩(wěn)定運行。

表1 主保護整定值及保護范圍變化

4 結(jié)束語

利用分布式電源容量與配電網(wǎng)短路電流關(guān)系實現(xiàn)系統(tǒng)側(cè)電源和分布式電源短路電流計算，實現(xiàn)配電網(wǎng)保護整定值的自適應(yīng)調(diào)整，從而削弱分布式電源接入給配電網(wǎng)性能帶來的影響得，經(jīng)過算例分析后取得了較好結(jié)果。但在如下兩方面，仍存在改進空間：

（1）在控制方式不同的情況下，故障后電流大小不同，所以在實現(xiàn)保護整定值計算分析時，需要結(jié)合不同控制方式實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整分析，驗證方法的有效性。

（2）隨著接入配電網(wǎng)的分布式電源種類的變化，配電網(wǎng)故障瞬間短路電流也將得到提高，因此在自適應(yīng)保護方面還要尋求有效方法。