分析分布式电源接入对配电网电流保护的影响

李蕾帆 杨燕翔 阮文涛 宣海峰

（1.西华大学电气信息学院，成都 610039；2.大邑供电有限责任公司，成都 611330）

分布式电源包括风能、太阳能、生物质能、地热能等多种可再生能源，容量一般为几十kV至几十MV。DG接入配电网后，会使原来的单电源辐射网络变成多电源网络，影响网络结构和潮流分布。当含有DG的配电网发生故障时，系统电源和DG可能同时向短路点提供短路电流，从而使短路水平发生变化。这些变化会影响原来配备的继电保护，DG的存在会使这些保护出现误动、拒动，使保护失去选择性，降低灵敏度。本论文通过在Matlab中建模仿真，从DG接入配电网的位置和DG容量的变化来分析DG接入配电网后对传统电流保护的影响。

1 分析DG 接入配电网后对电流保护的影响

图1为分布式电源接入配电网的网络示意图，从研究继电保护而言，分布式电源模型可以用一个电源串联电抗的模型来表示，在配网中所带的负荷为综合性负荷。由于短路后电网电压下降，负荷电流较短路电流小很多，因此在本论文中按最简单和粗略的近似方法处理综合性负荷，即不计负荷。这种情况在短路前按空载情况决定次暂态电动势，短路后电网依旧不接负荷。

图1 含DG 的配电网示意图

在图1标示中，以故障发生在馈线2 末端f1为例，ES为系统等效电势，EDG为DG 等效电势，ZS为系统等效阻抗，ZDG为DG 等效阻抗，Z1为母线A到接入DG 的阻抗值，可以反映出DG 接入点与系统的相对位置关系；Z2为母线A 到故障点的阻抗值，可以反映出DG 接入点与故障点的相对位置关系。在分析中，以短路最严重的情况三相短路为例来分析DG 接入配电网后对电流保护的影响，ZS为定值。现在就通过DG 的容量大小ZDG、DG 的接入位置Z1和故障点位置Z2来分析DG 接入配电网后，对配电网电流保护产生的影响。

在接入DG 前，一般在10kV 输电线路装设三段式电流保护，对于与相邻线路相配合的线路采用电流速断保护、限时电流速断保护作为主保护，过电流保护为后备保护，对于不与相邻线路配合的终端线路采用电流速断保护和过电流保护。电流速断保护的可靠系数Krel’=1.2，限时电流速断保护可靠系数Krel“=1.1，这里将过电流保护整定值近似为电流速断保护整定值的0.5，在所配的保护中，电流速断保护只能保护线路全长的80%，限时电流速断保护线路比下一条电流速断保护高出0.5s 的时间段。所有数据采用标幺值，以电网侧为基准侧，取

本论文从故障发生在馈线1 和馈线2 的不同的位置来分析DG 接入配电网后，对电流保护产生的影响。故障与接入点的相对位置以及故障在接入点上游或下游，都会使保护处检测到的短路电流有所不同。

1.1 故障发生在接DG 的馈线2 上

1）故障点发生在DG 的下游

（1）故障点与接入点不在同一线路上

如图1所示，短路f1发生在馈线2 的AD 线路10%处，即故障发生在DG 的下游（故障点与接入点不在同一线路上），接入点从A 向C 移动。当有DG接入发生短路时，保护1 和保护2 处检测到的短路电流是由系统S 和DG 两部分电源共同提供的为

DG 对下游保护有助增电流的作用，使保护1处检测到的短路电流增加，断路器能迅速断开，影响程度较小，但相邻线路BC 保护2 处感受到的电流也会增大，易使保护2 在一定范围内发生误动作；保护3 处故障电流由系统S 提供，但是比未接入DG时所感受的故障电流小，而且随着DG 容量的增加，发生短路时，保护3 处感受到的故障电流越小[1]；保护4 和保护5 处感受不到故障电流，因而保护动作情况不受DG 接入的影响。在这种情况时，主要分析相邻线路保护2 处的影响。DG 接入前，保护2处的整定值

图2 f1处短路，ZDG=3 时保护2 处的Ik

图3 f1处短路，ZDG=1.5 时保护2 处的Ik

图2为当DG 容量（ZDG=3）不变，而DG 接入位置Z1变化时，保护2 处检测到的短路电流变化情况（横坐标为DG 接入点变化量，纵坐标为保护处检测到的短路电流标幺值变化量，与以下图横纵坐标参数相同）。由图中得出，接入点与故障点越近，保护2 处感受到的电流也增大， DG 在19.65～35 范围内接入，保护2 处的电流速断保护会发生误动作。图3为DG 容量变化对保护2 处检测到的短路电流变化情况，一般DG 电源等效阻抗值可以反映DG容量变化的，ZDG越小，DG 容量越大。由图3看出，随着DG 容量增大，保护2 处检测到的短路电流增大，DG 在18.42～35 范围内接入保护2 处的电流速断保护就会动作。可见，随着DG 容量增加，相邻线路电流速断保护的误动作范围就会变大，且DG接入点越靠近短路点，短路电流就越大。

（2）故障点与接入点在同一线路上

如图1，短路f2发生在馈线2 的线路BC末端，即故障发生在DG 的下游（故障点与接入点在同一线路上），接入点从B向C移动。当有DG 接入时，发生短路时，保护1、保护4 和保护5 感受不到故障电流，因而保护动作情况不受DG 接入的影响；保护3处的故障电流同故障发生在DG 的下游（故障点与接入点不在同一线路上）情况类似，比未接入DG 的情况故障电流小，保护3 不会发生误动作；本线路保护2 处的故障电流由系统电源S 和DG 共同提供为

由上式看出，接入DG 后，存在变化因子

对f(ZS+Z1)求导，f是递减函数，存在极大值此时保护2 处的感受到的短路电流最小。

图4 f2 处短路，ZDG=3 时保护2 处的Ik

图5 f2 处短路，ZDG=1.5 时保护2 处的Ik

图4为当DG 容量（ZDG=3）时，而DG 接入位置Z1变化时，保护2 处检测到的短路电流变化情况。图中看出，故障点与接入点在同一线路上时，在电流速断保护的范围内，随着接入点变化，短路电流的值小于电流速断保护的整定值，使电流速断保护无法动作，只能通过限时电流速断保护来切除故障。再如图5（DG 容量变化对保护2 处检测到的短路电流变化情况）所示，当DG 容量增大，会使DG 大约在5.84～28.66 范围接入配电网时，保护2 的限时电流速断保护也不能动作，当故障发生时，保护2 会产生拒动作。而且，随着DG 容量的增加，保护2 检测到的短路电流越小，保护拒动作的范围就越大。

2）故障点发生在DG 的上游

（1）故障点与接入点不在同一线路上

如图1所示，短路f3发生在馈线2 线路AB的末端，即故障发生在DG 的上游（故障点与接入点不在同一线路上），接入点从C向B移动。当f3处短路时，保护1、保护4 和保护5 处感受不到故障电流，保护动作情况不受DG 接入的影响；保护3处的短路电流由系统S 和DG 电源提供：

保护3 处的短路电流变化如图6所示。DG 对保护3 处有助增电流的作用，当DG 接入点向故障点靠近时，保护3 处检测到的短路电流会增大，保护会迅速动作，切除故障，影响较小。由式（6）可得，当DG 容量增加时，保护3 处的短路电流会增大。在DG 接入前，保护3 处的整定值为

图6 f3处短路，ZDG=3 时保护3 处的Ik

相邻线路BC 保护2 处也会检测到由DG 提供的电流

如图7所示，随着接入点越靠近短路点，检测到的短路电流越大。由式（9）可得，DG 容量增加，保护2 处的短路电流增大，可见由DG 提供给非故障线路电流，会使非故障线路保护发生误动作。

图7 f3 处短路，ZDG=3 时保护2 处的Ik

（2）故障点与接入点在同一线路上

故障发生在DG 的上游，短路点同时感受到系统S 和DG 两部分电源提供的电流。由式（6）可知，故障线路的短路电流较未接入DG 时，保护处检测到短路电流会增大，故障能被迅速切除。但是故障点与接入点在同一线路上时，当接入点不变，随着短路点靠近接入点，故障电流不是单调增加，而是先递减后增加，这是由于DG 接入位置和总短路阻抗会存在相反趋势影响的结果[5]。同故障发生在DG的下游（故障点与接入点在同一线路上）情况类似，存在变化因子。

如图1所示，短路f4发生在馈线2 线路AB 之间，DG 接在AB 线路的末端，即故障发生在DG 的上游（故障点与接入点在同一线路上）。当f4处短路时，保护1、保护2、保护4 和保护5 处感受不到故障电流，保护动作情况不受DG 接入的影响；保护3 处的短路电流是由系统S 和DG 电源，其电流变化情况如图8、图9所示。

图8 f4处短路，ZDG=3 时保护3 处的Ik

图9 f4处短路，ZDG=1.5 时保护3 处的Ik

1.2 故障发生在馈线1 上，对接DG 的馈线2 的影响

如图1所示，短路f5发生在馈线1 的AE线路5%处，接入点从A向B移动，保护3 处检测到的短路电流

故障发生在未接DG 的馈线上时，对接有DG的馈线会产生影响。从由图10，图11可以看出，会影响相邻线路保护3 的保护误动作，随DG 接入点靠近故障点，保护3 处感受到的短路电流越大；从图11得出，DG 容量越大，保护3 处的电流速断保护误动作的范围也就越大。

图10 f5处短路，ZDG=3 时保护3 的Ik

图11 f5处短路，ZDG=1.5 时保护3 的Ik

2 结论

本论文主要从DG 容量、DG 接入配电网的位置和故障位置等方面考虑分析了DG 对配电网的影响。从前面分析看出，对接有DG 的馈线2 相对于未接DG 的馈线1，DG 对馈线2 的影响比较复杂。在馈线2 上发生短路，对馈线1 影响比较小，基本不会使馈线1 上的保护出现误动作。但是馈线1 上出现短路故障，会使馈线2 上的保护出现误动作，因为此时DG 会向馈线2 上输送功率且随着DG 容量的增加或DG 接入点逐渐向短路点靠近，保护处检测到的短路电流会越大，保护误动作的范围就越广。

当故障发生在接有DG 的馈线2 上时，保护处检测到的短路电流不仅与DG 容量变化有影响，而且与故障点与接入点是否在同一条线路上以及两点前后位置有关系。

当故障点与接入点不在同一线路上时，故障发生在DG 下游时下游故障线路和故障发生在DG 上游时上游故障线路保护处检测到的短路电流都是由系统S 和DG 两部分电源提供，DG 对短路处有助增电流的作用，使保护处检测到的电流增大，保护能迅速动作，切除故障，影响相对较小。但是，对于相邻的非故障线路，会感受到DG 提供的短路电流，且短路电流随DG 容量的增加而增加，DG 的接入会影响相邻线路保护的误动作。当故障发生在DG下游时，上游保护处检测到的短路电流仅由系统S提供，但是故障电流相对于系统未接入DG 的情况要小，而且随着DG 容量的增加，故障电流减小。

当故障点与接入点在同一线路上时，短路电流不随接入点与短路点靠近而单调增加。故障发生在DG 下游时，故障线路随接入点靠近短路点，保护处检测到的短路电流先减小后增加，短路电流的值小于保护的整定值，保护会出现拒动作，随着DG容量增加，保护处检测到的短路电流减小，保护拒动范围增大。故障发生在DG 上游时，故障线路随短路点靠近接入点，故障电流是先递减后增加的，短路电流的值大于保护的整定值，随DG 容量增加，故障电流增加，对故障线路切除故障的影响不大。

从以上分析得出，在DG 接入配电网后，短路电流受DG 的容量、DG 接入点和故障点等影响。若采用传统的单电源辐射网络所配备的保护，则会使保护误动作、拒动作，失去选择性，降低灵敏性，扩大停电事故，给系统的稳定安全运行带来不可忽视的影响。

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