分布式电源的高渗透率对配电网继电保护的影响

张喜平，梅柏杉

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

分布式电源一般定义为从数千瓦到数兆瓦的电源，并接入变电站、配电网或用户负载，它包括光伏、风电、燃料电池、蒸汽轮机、燃汽发电机和内燃机[1，2].输电和配电的费用在逐步提高，而分布式电源的技术成本却在降低，因此将分布式电源并入配电网比扩大输电网更经济.

将分布式电源并入配电网时应尽量靠近负荷，这样就可以减轻电源的压力.同时，配电网系统不会是辐射状网络，而是一个多电源的不平衡系统.由于熔丝和传统的电流保护均没有感知方向的能力，从经济角度考虑，如果把配电网中所有的熔丝和继电保护装置都换成带有方向特征的保护器件是不现实的.

因此，有必要对分布式电源的高渗透率引起熔丝与熔丝配合、熔丝与电流保护配合的变化进行详细的分析，从而提出一种方案以解决因容量不同、数量不等的分布式电源注入不同地点对配电网的影响所产生的问题[3，4].

1 传统配电网的保护模式

目前，我国的中低压配电网主要采用不接地(或经消弧线圈接地)单侧电源、辐射型供电网络，且地区之间的继电保护水平很不均衡，整体水平不高.由于辐射状配电网的潮流是单向流动的，其80%～90%的故障都是瞬时的，所以传统配电网络的保护设计通常是在变电站处安装基于3段式电流保护的断路器，主馈线上装设自动重合闸，支路上装设熔断器.根据“故障后仅断开故障支路，对瞬时故障进行自动重合闸”的原则[5]，使自动重合闸装置与断路器及各侧支路上的熔断器相互协调，而每个熔断器又分别与其直接相连的上、下一级支路上的熔断器协调配合以实现整个网络的保护，这种保护不具有方向性.分布式电源一般通过10 kV馈线接入配电网系统，因此我们以10 kV馈线的保护为例，配电网模型如图1所示.

图1 10 kV配电网模型

2 分布式电源对配电网继电保护的影响

2.1 对电流保护的影响

图2为一个含有9个节点的配电网接入主电网的结构示意.

图2 分布式电源接入配电网示意

分布式电源在节点3和节点4接入该配电网中.其中，分布式电源由6台1.5 MW的风力发电机组组成，出口电压为690 V，通过变压器接入10 kV配电网.

分布式电源可以安装在保护装置的上游或下游，通常上游是指分布式电源对保护装置的相对电势的方向与根节点相同，即与主电源出口方向相同，下游则相反.

图2中，当分布式电源从节点4接入时，该分布式电源在保护装置B3和B4的上游，如果此时节点6或节点7发生短路故障，则流过B3的短路电流要比分布式电源未接入时大，B3能够可靠动作，在这种情况下分布式电源的接入提高了保护装置的灵敏度.如果节点7发生短路故障，这时应该由B4动作，但是当分布式电源由节点3或节点4接入后，如果此时流过B3的电流大到超过其设定值，B3就会误动作，此时必须校验其速断保护的整定值.

分布式电源的接入可能会引起保护装置误动作.例如，在图2中，当分布式电源由节点3接入时，如果在B2上游发生三相短路故障，则分布式电源提供的反向电流流过B2，此时若节点2和节点3之间的阻抗太小或分布式电源接入的容量太大的话，通过B2的短路电流就可能会超过其整定值，从而造成保护装置误动作.反向电流引起的保护装置误动作还有另一种情况.在图2中，当分布式电源从节点3接入时，假设短路故障发生在相邻线路保护装置B5的下游，如果流过B2的反向短路电流超过其整定值，也会引起B2的误动作.因此，为了防止反向电流引起的保护装置误动作，必要时应考虑为B2加装方向元件.

2.2 对重合闸与熔断器的影响

当分布式电源接入配电网时，可能会破坏熔断器与熔断器之间，以及熔断器与重合闸之间的时间配合关系，其具体影响如图3所示.

图3 分布式电源的接入对重合闸和熔断器的影响示意

由图3a可以看出，当风力发电系统未接入网络中时，熔断器F1与F2相互配合.当风力发电系统接入后，若母线B的负荷不大，故障Flt1或Flt2发生时，流过熔断器F1和F2的电流基本相等.对于故障Flt1来说，继电保护的选择性要求F1比F2率先动作;而对于故障Flt2来说，继电保护的选择性要求F2比F1率先动作，此时切除F1的下游部分，母线B不会断电.

由图3b可以看出，在风力发电系统接入前，负荷侧发生的瞬时性故障可以由自动重合器快速动作切除，熔断器的熔丝不会熔断.由上述分析可知，当风力发电系统接入后将会导致负荷侧故障时流经熔断器的电流增大，而流过重合器的电流减小，在瞬时性故障发生时，熔断器的熔丝可能会比重合器动作要快，这样就会破坏重合器和熔断器的原有配合.如果保护方案没有改变，只有断开风力发电系统才能保证保护装置的协调，才能使该系统恢复原有的配置.但这就意味着即使是暂时性故障也要将风力发电系统断开.对于图3b所示的熔断器-重合闸配合，需要通过计算分布式电源接入后的短路电流来重新选择不同参数的熔断器和重合闸，才能实现该方案新的配合.

3 算例分析

3.1 不同容量的风电系统在不同位置接入后的短路电流计算

在电力系统仿真软件ETAP上，按图2所示的9节点配电网搭建仿真模型，配电网电压为10 kV，分布式电源的装机容量为9 MW.通过仿真计算得到，可靠系数取1.2时各保护装置的电流速断保护整定值如表1所示.

表1 未接入分布式电源时配电网电流速断保护的整定值 A

当分布式电源未接入配电网时，在节点1，3，4，6，7设置三相短路故障，流过各保护装置的短路电流如表2所示.在节点3和节点4分别接入额定容量为3 MW的风力发电机组后，流过各保护装置的短路电流如表3所示.

表2 未接入分布式电源时的短路电流 A

表3 在节点3和节点4分别接入分布式电源时的短路电流 A

当分布式电源接入配电网时，若分布式电源处于短路点的上游，则会对短路点的电流有助增作用.此时，若保护装置处于分布式电源的下游，流过保护装置的电流就会增加，则此保护装置的灵敏度就会提高;若保护装置处于分布式电源的上游，流过保护装置的电流就会比未接入分布式电源时小，则保护装置的灵敏性就会降低.在仿真模型中，对节点4接入额定容量分别为2 MW，3 MW，6 MW的分布式电源，并在节点7设置三相短路故障的情况进行了仿真，结果如表4所示.

表4 在节点4接入不同容量分布式电源时的短路电流

3.2 算例中的影响分析

3.2.1 接入位置对电流保护的影响

图2所示的线路结构中，在节点3与在节点4接入分布式电源的情况相似，但由于线路阻抗的原因，在节点3接入时对分布式电源上游贡献的电流值比从节点4接入时的大;在节点4接入时对分布式电源下游贡献的电流值比从节点3接入时的大.可见，当分布式电源处于保护装置的上游，故障点处于保护装置的下游时，分布式电源对此故障点的短路电流有助增作用，同时，电流速断保护的灵敏度也会提高，而分布式电源的接入容量越大，助增电流也会越大，保护的灵敏度也变得更高.但当在节点4接入容量为3 MW的分布式电源、且节点7短路时，保护装置B3处的短路电流为1 907.8 A，超过其整定电流1 611.3 A，使得B3动作，而此时应由B4动作，B3不应动作.由此可见，分布式电源的接入对电力系统的保护产生了不良影响.因此，分布式电源接入配电网后必须校核其速断保护的整定值.

当从节点4接入时，分布式电源处于保护装置B1和B2的下游，若节点1发生短路故障，比较表2和表3可知，分布式电源到短路点的距离越近，对短路点的短路电流贡献越大;当从节点3接入、且节点3处短路时，保护装置B2处的电流为3 577.8 A，稍小于未接入分布式电源、且节点3处短路时B2的动作电流3 991.5 A.如果节点2和节点3之间的线路阻抗再小些或风电的接入容量再大些，则B2处的电流很可能会超过其整定值而动作，导致故障切除后线路失去放射形状.因此，分布式电源接入后应适当调整B2的整定值.

如果从节点4接入、且节点3处短路时，故障点处于保护装置和风电系统中间，虽然短路点的短路电流增加明显，但是流过B2的电流3 991.6 A与未接入风电系统时流过B2的电流3 991.5 A相差不大，此时流过保护装置的电流主要由根节点提供，分布式电源的接入对B2的影响不大.如果分布式电源从节点3接入、且节点6发生故障时，故障点处于风电系统的下游，流过B1和B2的短路电流比不接入风电系统时要小，此时保护装置的保护范围和灵敏度都会降低.

3.2.2 容量对电流保护的影响

随着分布式电源接入容量的增大，流过配电系统下游保护装置的电流持续增加，提高了B3和B4的灵敏度和保护范围.如果容量增加到一定值，非终端线路上的保护装置B3的保护范围将会延伸到下一级线路，这样就会引起误动作而失去保护装置的选择性.例如，当从节点4接入3 MW的分布式电源、且节点7短路时，保护装置B3处的短路电流为1 907.8 A，大于B3的整定电流1 611.3 A，B3动作，此时风电系统的接入使配电网中的保护装置失去了选择性;当节点4接入2 MW分布式电源、且节点7短路时，B3处的短路电流为1 600.3 A，不会使B3误动作，而保护装置B4在线路的最末端，不会对下一级保护装置产生影响.可见，不同容量风电系统的接入也会对保护装置的动作产生不同的影响.

4 结语

本文分析了分布式电源接入后对配电网电流保护装置和配电网自动化装置的影响，分布式电源的接入会提高或降低电流保护的灵敏度，扩大或缩小其保护范围，使保护装置产生拒动或误动，从而破坏重合器-分断器型馈线自动化方案和熔断器-熔断器型馈线自动化方案原有的配合，使基于FTU的环网供电网络不能判断故障发生的地点，无法及时处理故障.

[1]梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术，2003，27(12):71-76.

[2]王敏，丁明.含分布式电源的配电系统规划[J].电力系统及其自动化学报，2004，16(6):5-8.

[3]KAUHANIEMI K，KUMPULAINEN L.Impact of distributed generation on the protection of distribution networks[C]//Developments in Power System Protection，2004:315-318.

[4]温阳东，王欣.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].继电器，2008，24(7):12-14.

[5]石振刚，王晓蔚，赵书强.并网光伏发电系统对配电网线路保护的影响[J].华东电力，2010，38(9):1 405-1 408.