分布式电源对配电网三段式电流保护的影响

朱雪凌，王振亚，辛自立，方 珊，黎 霞

(华北水利水电大学，河南 郑州450045)

一般认为，分布式电源(Distributed Generation，DG)是指在靠近用户现场配置的功率为数千瓦到50 MW 的小型、能够独立输出电能、与环境兼容的发电系统［1－2］.相比于集中式大电网，分布式电源可以有效配置在负荷区，具有增强供电可靠性、提高能源利用率、改善电网峰谷性能、投资少、污染小等优点，是对大规模电力系统的有力补充和有效支撑［3－4］.虽然，将大电网和分布式电源相结合的供电系统是未来智能配电网的发展方向［5］，但是，分布式电源的并网使原来的单电源辐射型网络变为双端或多端有源网络，对配电网短路电流产生助增、外汲和反向短路电流等方面的影响，进而影响到配电网电流保护的选择性、可靠性与灵敏性.

1 传统配电网继电保护配置现状

目前，我国的中低压配电网通常采用三段式电流保护［6］.其中，瞬时电流速断保护和限时电流速断保护相互配合，共同构成线路的主保护，定时限过电流保护同时作为线路故障的近后备保护和相邻线路故障的远后备保护. 除此之外，对非全电缆线路，配置三相一次重合闸. 对于不存在与相邻线路配合问题的终端线路，则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(前加速)的保护方式，其中瞬时电流速断保护按照线路末端故障有灵敏度的方法整定，能够保护线路全长［7－8］.

2 分布式电源对配电网三段式电流保护的影响

含DG 的10 kV 配电网的接线及等值电路如图1所示. 系统电源的电势为ES，等效电抗为XS. DG的电势为Eg，等效电抗为Xg.线路L1，L2，L3，L4，L5的等效电抗分别为X1，X2，X3，X4，X5. DG 在距离线路L3首端x(占线路L3的百分比)处接入配电网.

2.1 DG 接入位置和容量对保护P3 的影响

1)使保护P3 灵敏度降低，保护拒动.如图1所示，若线路L3末端k3 点短路，在DG 并网前，流过保护P3 的短路电流为

在DG 并网后，流过保护P3 的短路电流为

图1 含DG 的10 kV 配电网接线及等值电路图

显然，当k3 点发生短路故障时，DG 对流过保护P3 短路电流的外汲作用，使P3 感受到的短路电流减小，从而缩小了P3 的保护范围，保护灵敏度降低.当故障发生在P3 的保护范围内时，如果DG 容量足够大且接入位置适当，就可能使流过P3 的短路电流小于P3 电流保护整定值，保护P3 拒动.

2)使流过保护P3 的故障电流反向，保护误动.如图1所示，若线路L1首端k1 点短路，在DG 并网前，流过保护P3 电流为0，P3 不会动作.在DG 并网后，流过保护P3 的短路电流为

对基于三段式电流保护无方向元件的保护P3，短路电流将由D 流向A，流至短路点.如果DG 容量足够大且DG 接入位置靠近短路点，就可能使流过保护P3 的短路电流大于P3 瞬时电流速断保护的整定值，保护P3 失去选择性，发生误动.

2.2 DG 接入位置对保护P4 的影响

如图1所示，若线路L4末端k4 点短路. 在DG并网前，流过保护P4 的短路电流为

在DG 并网后，流过保护P4 的短路电流为

显然，当k4 点发生短路故障时，DG 对流过保护P4 短路电流的助增作用，使P4 感受到的短路电流增大，从而扩大了P4 的保护范围，保护灵敏度升高.如果DG 容量足够大且接入位置靠近短路点，就可能使P4 瞬时电流速断保护的范围延伸至L5段，与L5段的瞬时电流速断保护冲突，使保护P4 失去选择性而发生误动.

2.3 DG 接入对保护P1 的影响

如图1所示，DG 并网后，若线路L2上k2 点发生短路，由于DG 对流过保护P1 短路电流的助增作用，使P1 感受到的短路电流增大，从而扩大了P1 的保护范围.如果DG 容量足够大且接入位置靠近短路点，就可能使P1 瞬时电流速断保护的范围延伸至L2段，与P2 的瞬时电流速断保护冲突，保护P1 失去选择性，发生误动.

3 算例分析

以图1所示的10 kV 配电系统为例，通过MATLAB 仿真，研究分布式电源的接入对配电网三段式电流保护的影响.取基准容量SB=100 MVA，基准电压UB=10.5 kV，流过线路ADE 的最大负荷电流IL.max=250 A.其他变量均以标幺值表示，系统电源的等效电抗XS=1，DG 的等效电抗Xg=3，线路的等效电抗X1=X2=1.5，X3=X4=6.整定系数取

3.1 DG 接入位置和容量对保护P3 的影响

1)使保护P3 灵敏度降低，保护拒动. DG 并网前，保护P4 的Ⅰ段保护整定值为

保护P3 的Ⅰ段，Ⅱ段，Ⅲ段保护整定值分别为

保护P3 的Ⅰ段保护最大保护范围为

由于DG 电势与系统电源电势几乎相同，因此在UB=10.5 kV 的前提下，DG 电势与系统电源电势的标幺值都可近似为1，即ES=Eg=1.

若距离线路L3首端0.7L3处发生三相短路故障，则

通过MATLAB 仿真，随着DG 接入位置的不同，短路电流I'k3的变化轨迹如图2所示.

图2 距离线路L3首端0.7 L3处短路DG 接入点不同时I'k3的变化曲线

从图2可以看出，在P3 的I 段保护范围内距离线路L3首端0.7L3处发生三相短路故障时，不管DG从何处接入，故障电流均减小. 当DG 在x∈(0.00，0.63)范围内接入时，I'k3小于，P3 的I 段保护将无法动作，只能通过延时利用Ⅱ段或Ⅲ段保护切除故障.

随着DG 容量的改变，在同一地点发生三相短路故障时，短路电流的大小也会改变.由于

式中:x″g为DG 次暂态电抗的标幺值;Sg为DG 容量，MVA.

因此，DG 的等效电抗可以间接反映它的容量，DG 的容量越大，其等效电抗值越小. DG 容量变大后短路电流I'k3的变化曲线如图3所示.从图3可以看出，随着DG 容量的增大，DG 在x∈(0.07，0.44)范围内接入配电网时，I'k3将同时小于和，P3的Ⅱ段和Ⅲ段保护都不会动作，此时发生故障会使保护P3 拒动.这种情况对电网的危害极大.

2)使流过保护P3 的故障电流反向，保护误动.若线路L1首端k1 点发生三相短路故障，则

通过MATLAB 仿真，随着DG 接入位置的不同，短路电流I'k3的变化轨迹如图4所示.

图3 改变DG 容量(Xg =1.1)对I'k3的影响

图4 线路L1首端k1 点短路时I'k3的变化曲线

从图4可以看出，当DG 在x∈(0.00，0.47)范围内接入配电网时，保护P3 检测到的I'k3将大于P3 的I段保护的整定值，此时保护P3 将发生误动.

3.2 DG 接入位置对保护P4 的影响

若线路L4末端k4 点发生三相短路故障，则

通过MATLAB 仿真，随着DG 接入位置的不同，短路电流I'k4的变化轨迹如图5所示.

图5 线路L4末端k4 点短路时I'k4的变化曲线

从图5可以看出，DG 并网后P4 感受到的短路电流I'k4最小为0.078 43，无论DG 从何处接入，I'k4均大于DG 并网前P4 感受到的短路电流Ik4，使P4 的I段保护范围增大，灵敏度升高.当DG 在x∈(0.47，1.00)范围内接入时，I'k4大于IIset.4，P4 的I 段保护范围将延伸至L5段，与L5段的I 段保护冲突.保护P4失去选择性，发生误动.

3.3 DG 接入对保护P1 的影响

DG 并网前，保护P1 的I 段保护整定值为

DG 并网后，若距离线路L2首端y(占线路L2的百分比)处发生短路，保护P1 检测到的电流为

取x=0，Xg=1，则

通过MATLAB 仿真，随着线路L2上故障位置y的变化，短路电流I'k1的变化轨迹如图6所示.

图6 短路电流I'k1随故障位置y 的变化曲线

从图6可以看出，当故障发生在距离线路L2首端y∈(0.00，0.06)范围内时，保护P1 检测到的短路电流大于P1 的I 段保护的整定值，P1 的I 段保护将会瞬时动作.而故障本身却处于保护P2 的I 段保护范围内，因此保护P1 误动，失去了选择性.

4 结 语

从以上分析可以看出，DG 并入配电网，在DG下游发生短路故障时，对DG 下游的保护检测电流有助增作用，当DG 容量足够大且接入位置靠近短路点，就能引起下游保护误动;对DG 上游的保护检测电流有外汲作用，当DG 容量足够大且接入位置适当，就能引起上游保护拒动.在相邻线路发生短路故障时，DG 对相邻线路上的保护检测电流有助增作用，当DG 容量足够大且接入位置靠近短路点，就能引起相邻线路保护误动;同时，DG 上游将产生反向短路电流，当DG 容量足够大且接入位置靠近短路点，就能引起上游保护误动.

［1］徐青山.分布式发电与微电网技术［M］. 北京:人民邮电出版社，2011.

［2］吴素农，范瑞祥，朱永强，等.分布式电源控制运行［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［3］张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［4］周卫，张尧，夏成军，等.分布式发电对配电网继电保护的影响［J］.电力系统保护与控制，2010，38(3):1－2.

［5］汪莹.含分布式电源的配电网继电保护研究［D］.保定:华北电力大学，2012.

［6］胡成志，卢继平，胡利华，等.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:自然科学版，2006，29(8):36－38.

［7］张超，计建仁，夏翔. 分布式发电对配电网馈线保护的影响［J］.继电器，2006，34(13):9－10.

［8］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):12－13.