分布式发电对配电网继电保护的影响

霍兰茹

(延安职业技术学院，陕西 延安 716000)

1 引言

分布式发电(DG)又称为分散式发电或分布式供能，一般是指将相对小型的发电装置分散布置在用户(负荷)现场或用户附近的发电(供能)方式。主要包括:以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、光伏电池、风力发电、生物质能发电等多种形式。

由于分布式电源的引入，使得配电系统从传统的单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络，改变了配电网中短路电流的大小、流向及分布。同时，DG的不可控性如光伏发电受日照和时间等条件影响都给继电保护的配置和整定带来了难度。

2 DG对配电网电流保护的影响

继电保护的配置与网络状况直接相关。DG通常接入10～110kV公共配电网络，配电网通常为单侧电源、辐射状网络，在线路上发生故障时，只有系统侧的电源向故障点提供故障电流，因此保护装置装设在线路系统侧。一般配置三段式电流保护，即瞬时电流速断保护、定时限电流速断保护和过电流保护。瞬时电流速断保护按照躲过线路末端故障产生的最大三相短路电流的方法整定，不能保护线路全长;定时限电流速断保护按照线路末端故障有灵敏度并与相邻线路的瞬时电流速断保护配合的方法整定，能够保护本线路全长;过电流保护按照躲过线路最大负荷电流并与相邻线路的过电流保护配合的方法整定，作为相邻线路保护的远后备，能够保护相邻线路的全长。除此之外，对非全电缆线路，配置三相一次重合闸，保证在线路发生瞬时性故障时快速恢复供电。对于不需与相邻线路配合的终端线路，为简化保护配置，一般采用瞬时电流速断保护加过电流保护组成的二段式保护，再配以三相一次重合闸的保护方式，其中，电流速断保护是按照本线路末端短路有足够灵敏度的原则整定，能保护线路全长。

配电网中并入DG后，系统的潮流将重新分布，发生短路故障时，故障电流的大小和流向也会发生变化，给继电保护正确可靠动作造成一定的影响。图1为某典型10kv配电网示意图，由两条馈线组成，B1～B5为保护装置，以DG从D母线处接入配电网为例分析DG接入对配电网电流保护的影响。

图1 并入DG后配电网系统

2.1 保护的误动

(1)本线路下游保护影响:如DE线路末端k4点发生故障，DG引入前，故障点短路电流仅由系统提供，DG引入后，DG和系统都对k4点提供短路电流，因此，流过保护4的短路电流将增大，如果该数值大过保护4的第Ⅰ段动作电流值，则保护4的第Ⅰ段会误动作。如果保护4的下一级线路发生故障，如k5点，则流过保护4的短路电流也会增加，保护4的Ⅱ段、甚至Ⅰ段可能发生误动;

(2)相邻线路上游保护影响:如相邻馈线1始端k1点发生故障，DG将通过线路AD向故障点提供反向短路电流，可能会引起保护3的误动作。

当馈线1上发生故障时，流过保护1的短路电流增加，由于DG的助增电流作用，使馈线1上的电流保护失去选择性，如k2点故障时，保护1的Ⅰ段可能会误动，如BC线路末端k2'点故障时，保护1的Ⅰ段、Ⅱ段可能误动。

2.2 保护的灵敏性降低

当k3点发生故障时，DG及下游线路将形成孤岛，失去与系统侧联系，系统要向故障点供给短路电流，DG不仅向负荷供给电流，还要向短路点供给短路电流。流过保护3的短路电流比并入DG前k3点发生短路时流过保护3的故障电流要小，从而使得保护3的灵敏性降低，严重时保护3甚至会拒动。当k4点发生故障时，流过保护3的短路电流虽仅由系统提供，但此故障电流比并入DG前k4点发生短路时流过保护3的故障电流要小，因此，保护3的灵敏性将降低。

2.3 保护可能无法识别故障

图1中的AD线路发生故障，如果仅在A侧装有断路器，此时在短路点右侧DG将持续供给短路电流，故障无法被隔离。对于DG接入配电网末端的情况，如图2所示，短路发生在距离DG较远的位置时，如k1点发生故障，短路电流可能小于最大负荷电流，故障无法被切除。

图2 DG接入配电网末端

由以上定性分析可知，单DG接入配电网，其对配电网电流保护的影响如下:DG可能导致其上游保护灵敏度降低，DG可能使其下游保护误动，DG所在线路的上游分支线路短路时，DG向其上游保护提供的反向电流可能导致其误动。

在DG对于继电保护产生的影响中，有两个因素显得尤为重要:(1)DG容量。如DG容量很小，由于继电保护本身及整定都考虑到了一定的裕度，则DG并不会对继电保护产生太大影响;当DG容量大到某种程度，则必将对负荷电流与故障电流产生影响，从而对继电保护的性能产生影响。(2)DG接入位置。DG接入位置不同，所带来的影响不同。接入点为配电网末端节点，DG的影响主要是其上游分支线路短路时可能导致的保护误动，而对配电网中间节点，DG的影响还包括其对下游保护可能产生的误动。因此，相对于配电网末端节点，DG接入点位于中间位置时，DG容量对保护的影响更明显。

3 DG容量与短路电流的关系

中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障电流。从研究继电保护的角度而言，分布式电源可用一个电源串联电抗的模型来表示。对不同类型的分布式电源，其模型的电抗值也不同，如表1所示，它代表着该电源的故障电流注入能力。

表1 不同类型DG的故障电流注入能力

分布式电源属于小电源，故障电流衰减较慢且与配电网保护的电气距离很近，因此，分布式电源的等效阻抗在配电网故障时取次暂态电抗。以图1为例，做系统的等值电路如图3所示，ZS为系统电源的等值阻抗，Z1～Z5为各线路等值阻抗，DG一般通过变压器接入配电网，变压器容量与所接分布式电源的容量匹配，Zdg为分布式电源和变压器等效阻抗，以同步电机作为分析依据，取DG的次暂态电抗为0.25，则Zdg=0.25×SB/Sdg，其中 SB为系统容量，Sdg为 DG 容量，Zdg的变化会直接影响到短路电流的大小和方向。DG容量通过影响Zdg的形式对短路电流产生影响。同样，DG接入位置的不同也是通过影响电网拓扑和阻抗的形式对短路电流产生影响。

图3 并入DG后配电网系统等值电路

4 DG对配电网自动重合闸的影响

配电网的故障80%～90%的部分是瞬时性的。自动重合闸能显著提高系统供电可靠性、减少线路停电次数，特别是对单侧电源供电的单回线路效果尤为显著，因而自动重合闸在配电网中获得了广泛应用。前加速重合闸主要用于35 kV以下由发电厂或重要变电所引出的支配线路上，配电网电压等级较低，故主要装设前加速重合闸。如图4所示，假设两条馈线始端均装设前加速自动重合闸。

图4 DG对自动重合闸的影响

当馈线2上任意一条线路(如k3、k4、k5点)发生故障，保护3都应无延时的动作切除故障，之后重合闸装置起动，保护3重合。在并入DG前，自动重合闸在重合于发生瞬时性故障线路的断路器时，不会对系统造成太大的冲击，故障线路一般能恢复正常供电，可以很好地保证电网的可靠性。但当配电网中并入DG后，线路发生瞬时性故障时，DG很有可能在故障后并没有脱离线路，而是继续向故障点提供故障电流，当重合闸进行重合时，由于电网电源的作用，可能引起故障电流跃变，引起故障点电弧重燃，导致绝缘击穿，使瞬时故障发展成永久故障。

DG的接入还有可能造成非同期合闸。含DG的配电网发生故障后，DG与其附近的负荷可能形成电力孤岛，如k3点发生故障，保护3动作后变为分布式电源的孤岛供电，孤岛频率与电网频率出现偏差，电力孤岛很难与电网保持完全同步。在电网电源跳开后至重合闸动作时的这段时间内，两者之间的相角差可能出现在0～360°之间的任何一个位置。非同期合闸会带来很大的冲击电流和暂态过电压，对DG机组和电网设备都有很大的损伤。所以应在DG侧装设低周、低压自动解列装置，重合闸动作前，将DG从故障线路中切除，同时为避免故障点持续电弧的影响，重合闸的动作时限应适当延长，一般设定在故障后1s以上。

5 含DG的配电网继电保护对策研究

5.1 国内外的应对方案

面对DG接入配电网引起的一系列问题，国内外的专家学者提出了解决方案，目前主要有切源方案和孤岛方案两种。

(1)切源方案

指的是在任何故障发生时，先断开所有的DG，然后采取原来的保护措施。如果故障发生在DG所在馈线，DG应当停止向配电网供电。在DG所在馈线的自动重合闸动作前，DG必须跳离配电网。由于配电网发生瞬时性故障的几率较大，此种方案可能会导致DG频繁的投入与退出，也会大大降低继电保护的速动性和可靠性。

(2)孤岛运行方案

当故障发生时，由DG装置独立地向负荷供电的运行状态。当配电网发生故障时，在保证电力系统安全稳定运行的前提下，将配电网分成若干个孤岛运行，以充分利用DG来减小停电面积和提高发电效率。但是在孤岛方案下，原有的保护装置并不能直接应用在含DG的配电网中，需对原有的保护原理和方案进行改进，或者是提出新的保护原理与方案。

5.2 含DG的配电网保护新方案

(1)引入故障限流器技术

DG助增电流使得系统故障时故障电流升高，导致保护丧失选择性。为解决这一问题，可将故障限流器接入到DG系统，并根据系统的具体模型和参数合理设置限流器的阻抗值，有效降低分布式电源提供的故障电流，保证保护的灵敏性和选择性。该方法的实质是通过减少DG输出助增电流来减小DG对馈线保护的影响，关于短路限流器的故障监测和切换技术还正在研究中。

(2)改进方向电流保护

由于DG的引入，使得系统电源和DG之间的上游线路变成双侧电源线路。按传统方法考虑，需要在上游每条线路两端原有的电流保护基础上均加装方向元件，并借助两端通信的方法来满足选择性。一种方案是在现有方向电流保护的基础上，将DG上游每条馈线保护的Ⅰ段与其下一级馈线保护的Ⅰ段构成一个通信单元，依据新的整定原则及两级保护动作结果的综合判断将故障快速地隔离在最小范围内。另一种方案是利用广域网将每条线路末端方向元件检测到的功率方向信息和DG上游第1条出线上装设的电流保护的区段判别结果结合起来，精确地区分故障区段，保证上游保护的选择性和快速性。这两种方案不需要随DG的不断接入频繁更改定值，能在原电源与DG之间的所有线路上实现全线故障的快速切除。

(3)广域保护

广域保护系统(WAP)一般认为是以广域测量系统为基础的保护，它采用GPS精确定时的同步相量测量技术(PMU)来对电力系统进行实时监测与控制，对电气量进行精确采集和分析计算。配电网引入DG后，由原来的单一电源形成了双电源甚至多电源供电，需要对系统中各个节点电压、电流等电气量进行精确采集，从而在整体上精确计算同一时刻的电气量。在WAP中，PMU可以获得多点的电流电压量，因此广域保护的技术特点比较适合应用到含DG的配电网中。当前，Internet、光纤、卫星等通信方式在配电网中都得到了不同程度的应用，完全能够满足为区域电网提供实时快速、可靠的数据的要求。

(4)自适应保护

自适应保护指能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护自身性能、特性或定值的保护。自适应保护的实质是把采集到的电气量信息与计算机存储的信息进行对比，从而确定故障区域和故障点，由于保护的快速性的要求，其对通信的要求很高，这种方案还有待改进。

6 结论

本文在分析分布式发电对配电网继电保护所产生的影响的基础上，介绍了相关的一些保护技术和方案。随着大量DG逐渐接入电网，协调分布式发电对配电系统继电保护的影响，开发基于通信技术和计算机技术的具有普适性的配电网保护原理和方案，依然需要进行大量的研究。

［1］ 王海江，邰能灵，宋凯，等.考虑继电保护动作的分布式电源在配电网中的准入容量研究［J］.中国电机工程学报，2010，30(22):37－43.

［2］ 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，2008，36(1):12 －14.

［3］ 袁超，吴刚，曾祥君，等.分布式发电系统继电保护技术［J］.电力系统保护与控制，2009，37(2):99 －105.

［4］ 张勇.分布式发电对电网继电保护的影响综述［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22(2):145－151.

［5］ 唐昆明，王富松，罗建，等.含分布式电源的配电网继电保护方案研究［J］.华东电力，2010，38(6).

［6］ 胡成志，卢继平.分布式电源对配电网继电保护影响的分析［J］.重庆大学学报，2006，29(8):36 －39.