分布式电源对配电网保护的影响分析及改进方案

王树东，钱其三

(兰州理工大学电信学院，兰州 730050)

分布式电源对配电网保护的影响分析及改进方案

王树东，钱其三

(兰州理工大学电信学院，兰州 730050)

介绍了分布式电源(DG)的概念、传统配电网结构特点及保护配置情况。以含DG的配电网为模型分析不同位置引入分布式发电后，当DG上游、下游地区及相邻馈线发生故障时，对短路电流、保护装置产生的影响。对重合闸动作方式做了改进，以保证故障时DG能快速与系统裂解，检同期自动重合闸合闸后DG能并网稳定运行。针对DG对配电网产生的影响，概括了含DG的配电网继电保护的研究方向并同时提出改进方案。

分布式电源;配电网;继电保护

目前采用的超高压远距离输电、大电网互联的集中式供电存在跟踪负荷变化不灵敏、调峰性能差、损耗大等缺点，难以满足更高的安全可靠性要求以及多样化的电力需求。针对电力市场发展和解决能源危机问题的需要，相关技术领域把研究重点转向清洁无污染的新能源——分布式发电。分布式发电(distributed generation，DG)通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。将传统电网和分布式发电相结合是节能降耗、提高系统安全性和灵活性的主要方式，也是21世纪电力工业的发展方向［1］。

分布式电源因其容量较小，一般经配电系统接入电网。大量分布式电源的引入使传统配电系统由单源辐射网络变为多源复杂网络，各支路中潮流不再单向流动，因此DG的接入会对整个电网产生深刻的影响［2］。当电网中发生短路故障时，DG必然影响短路电流的大小、方向以及持续时间，给继电保护的配置和动作值的整定带来一定难度，极有可能造成保护不能正确动作［3］。传统的继电保护配置已经难以满足电网安全运行的要求，因此，必须对目前基于单源网络而设计的保护和自动重合闸进行相应的改进以适应新的变化，否则会使保护出现拒动、误动导致其不能准确及时地切除故障而造成故障的进一步扩散，从而影响保护的选择性、灵敏性以及电网运行的安全可靠性。

1 传统配电网特点及保护配置

配电网主要有放射式、树干式和环网式3种拓扑结构，在配网规划时选择何种接线形式则由供电可靠性决定。我国中低压配电网多数为单源辐射结构，这种接线方式简单可靠，便于扩充，而且保护整定容易，继电保护配置也相对简单。

配电网中一般配置保护有三段式电流保护(电流速断保护、定时限流和过流保护)，反时限电流保护［4］以及距离保护等。

线路故障80%为瞬时性故障［5］。为提高供电可靠性，非全电缆线路还需装设三相一次重合闸配合电流保护以便在馈线故障时快速切除故障短时恢复供电。对于终端线路，需要装设电流速断保护和过电流保护组成两段式保护和前加速重合闸。

2 分布式发电对配网继电保护的影响

三段式电流保护简单可靠，一般能满足快速切除故障的要求，但易受电网接线和系统运行方式变化的影响，其灵敏度和保护范围无法符合要求。DG接入配电网会影响潮流的分布，当发生故障时，系统电源和DG可能同时对故障点注入电流，影响短路电流的大小与方向，从而对配电网原有继电保护的正常运行带来影响［6－7］。DG对短路电流产生的具体影响与其装机容量、接入点的位置密切相关［8］，下面结合图1所示的典型配电网结构进行具体分析。

图1 含DG典型配电网结构

2.1 分布式发电通过母线B接入系统

如图1所示，DG通过母线B接入系统，馈线1变为双源供电模式。

1)当DG上游f1点故障时，流过保护P1的电流与DG未接入时一样，故P1能可靠动作切除故障。但是DG会对故障点持续注入短路电流，有可能使故障点电弧持续燃烧，造成线路重合闸失败，扩大停电事故。保护P2、P3、P4、P5均不受DG的影响，能正确动作。

2)当DG下游f2点故障时，系统电源和DG会同时对故障点注入短路电流。流过保护P1的电流仅由系统电源提供。由于DG的分流作用，使流过P1的故障电流减小，降低其灵敏度，严重时甚至会使P1拒动［9］。系统电源和DG共同作用使流过保护P2的电流增加，扩大其电流速断保护的保护范围，与限时电流速断保护配合产生矛盾。

3)当相邻馈线f3点故障时，系统电源和DG提供故障电流叠加后使流过保护P4的故障电流增加。该值若小于P4动作值则有利于其快速动作切除故障，若该值大于其动作值则会延长其保护范围。DG提供的反向故障电流经保护P1流向故障点，若DG的容量足够大，流过保护P1的反向故障电流达到其动作值时，必然引起保护P1误动作。

2.2 馈线1末端引入分布式发电

如图1所示，DG通过馈线1末端接入系统，馈线1变为双侧电源供电模式，馈线2仍为单侧电源供电。

1)当AC段任何地点发生故障时，系统电源和DG共同提供短路电流。当f1点故障时，保护P1不受DG影响，保护P2受DG影响。若DG的容量足够大，流过保护P2的反向故障电流达到其动作值时，保护P2快速动作切除故障，同时DG与系统解列形成电力孤岛。因此在系统故障发生时，如何合理地裂解，使DG在不失稳的情况下实现正常的孤岛运行是亟需解决的问题。

2)当AD段任何地点发生故障时，馈线1的所有保护均受DG影响。若DG容量足够大，反向故障电流大于速断和过流保护的动作值，将使馈线1保护误动作。流过保护P4的电流是系统电源和DG提供故障电流的叠加值，若故障馈线为终端线路，则保护更加灵敏;若故障馈线为非终端线路，则须重新整定瞬时速断保护的动作值，保证其可靠躲过线路末端故障产生的最大三相短路电流，否则保护可能失去选择性。

3 含DG配电网重合闸的动作方式

配电网80%的故障为瞬时性故障，装设自动重合闸(auto－reclosing，AR)不仅能快速恢复供电，提高系统暂态稳定和并列运行的稳定性，还能纠正断路器或保护误动作。发生故障时，继电保护装置首先动作跳开断路器，待故障点电弧熄灭介质绝缘强度恢复后故障便可以自行消除。电力系统运行资料统计表明，自动重合闸重合成功率一般可达60%～90%。

IEEE Standard.1547标准规定:故障情况下DG应停止向电网供电，并在自动重合闸动作前立即断开与电网之间的连接。当分布式发电并网后，断路器因线路故障跳闸后，若DG不能及时退出运行将产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的威胁，使AR合闸失败。同时，故障后形成的孤岛系统与主网一般不能保持同步，AR动作时还可能形成非同期重合闸，从而对电网和DG造成巨大冲击。因此，AR动作时必须考虑两侧保护的时间配合和电源同步问题才能提高AR合闸成功率以及DG并网运行的稳定性。

如图2所示，在系统电源和DG之间安装检无压及检同步自动重合闸装置。PT为电压互感器，PT1、PT4分别测量A、B侧母线电压，PT2、PT3测量线路电压;“U＜”为低电压测量元件，用来检测线路是否无电压;“U－U”为检同步元件，用来判断母线电压与线路电压是否同步。

图2 检无压及检同步自动重合闸动作原理图

当AB段f点发生瞬时性故障时，线路两侧的保护装置动作跳开断路器DL1、DL2，切除系统电源，同时DG与系统裂解形成孤岛系统。f点故障消除后，母线A侧的低电压元件检测到线路上失去电压后，重合闸发出命令重合上断路器DL1;当DL1合闸后，母线B侧检测到线路上已带电，B侧同步检测单元开始检同步;当断路器两侧电源满足同步条件时，合上断路器DL2，DG开始并网运行同时线路恢复供电。若B侧在检同步时再次出现故障，则A侧的继电保护动作再次跳开断路器，断路器DL2不再合闸。

当f点发生永久性故障时，DL1、DL2均跳闸切除故障，A侧检测到线路无电压后重合DL1。由于是永久性故障，A侧的后加速保护会立即动作再次跳开DL1，B侧的DL2始终不再合闸。

4 继电保护新方案

各种形式的DG并网是未来电网的发展趋势。但大量DG并网使保护出现灵敏度降低、拒动以及误动等问题，l因此需要对原有保护进行改进或研究新的保护方案才能适应电力系统发展的要求。目前国内外主要通过以下途径对含DG配电网的保护进行研究:①对传统的电流保护加以改进，如加装方向元件，采用自适应保护原理等;②将线路成熟的保护原理、方案应用于配网中，通过多端信息交换来提高保护性能;③以智能设备和通信技术为基础的新型保护方案。

文献［10］提出通过在DG上游区域装设方向纵联保护、过流保护装设方向元件来判断故障位置的保护方案。文献［11］提出采用主从式结构和查询式通信，通过对比不同方向元件动作情况来判断故障位置的区域纵联保护方案。文献［12］提出利用工频电流变化量幅值和相位比较法准确进行故障定位的多智能体(agent)新型分布式电流保护方案。文献［13］提出利用故障分量实现无通道线路保护的方案。文献［14］提出对保护背侧网络进行等值变换构造配电网自适应保护的新原理。

随着光纤技术的发展和制作成本的降低，光纤通信在电力系统中的应用越来越广泛，正成为电力通信网的主干网。采用能反映两端电气量比较的光纤分相差动保护将线路两侧的每相电流采样数据调制转化成光信号，通过光缆通道实时传送到对侧，然后解调后直接比较两侧每相电流的变化，再根据特定关系进行故障定位。对含DG的配电网，配置光纤分相差动保护作系统电源与DG间的主保护，过电流保护作后备保护;当故障发生在系统电源与DG以外区域时，保护装置动作值应随DG功率输出对电流所产生的助流或汲取作用重新整定。

5 结束语

分布式发电是智能电网建设的关键技术，大量DG并网对传统继电保护带来了挑战。本文分析了配电网中不同位置接入DG对三段式电流保护产生的影响，同时论述了DG接入对重合闸装置的影响以及重合闸相应的动作改进措施。针对DG给传统保护带来的影响，提出将光纤差动保护作为系统与DG之间的主保护。系统电源与DG间区域以外发生故障时，保护装置动作值按DG的功率输出对电流的助流或汲取作用重新整定。

［1］梁有为，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):71－74.

［2］王建，李兴源，邱晓燕.含有分布式发电装置的配电系统研究综述［J］.电力系统自动化，2005，29(24):90－95.

［3］庞建业，夏晓宾，房牧.分布式发电对配电网继电保护的影响［J］.继电器，2007，35(11):5－8.

［4］黄佳.反时限过流保护在配电网中的应用［J］.农电管理，2012(S1):99－101.

［5］孙鸣，余娟，邓博.分布式发电对配电网线路保护影响的分析［J］.电网技术，2009，33(8):104－107.

［6］ACKERMANN，ANDERSSON G，SODER L.Distributed Generation:A Definition［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2001，57:195－204.

［7］DOYLE M T.Reviewing the Impacts of Distributed Generation on Distribution System Protection［J］.IEEE Industry Applications Magazine，2002，5(1):103－105.［8］曲立楠，施涛.逆变型DG接入对保护的影响分析［C］//电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集.中国:出版者不详，2012.

［9］高研，毕锐，杨为，等.分布式发电对配电网继电保护的影响［J］.电网与清洁能源，2009，25(4):20－23.

［10］孙景钌，李永丽，李盛伟，等.含分布式电源配电网保护方案［J］.电力系统自动化，2009，33(1):81－84.

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［12］林霞，陆于平，王联合，等.含分布式电源配电网智能电流保护策略［J］.电网技术，2009，33(6):82－89.

［13］姚李孝，赵化时.分布式发电系统保护方法研究［J］.电网与清洁能源，2010，26(5):1－5.

［14］马静，王希，米超，等.含分布式电源配电网自适应保护新方法［J］.电网技术，2011，35(10):204－208.

(责任编辑 杨黎丽)

Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Im proved Protection Scheme

WANG Shu－dong，QIAN Qi－san
(College of Electric and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

The paper introduces the concept of distributed generation and the structural features and protection configuration of traditional distribution network.To contain the DG in the distribution network for themodel，it analyses the impact of DG on short－circuit current and protection devices when DG is connected to different positions and fault occurs in upstream and downstream regions of DG，and the adjacent feeder.Meanwhile，in order to ensure that DG can crack with system quickly and operate stably in the grid after the action of synchronous reclosingwhen fault occurs，it is proposed to improve the way of reclosing action.In view of the impact of DG on distribution network，the paper summarizes the research direction of relay protection of distribution network which includes DG，and puts forward the improved scheme.

distributed generation;distributed network;relay protection

TM77

A

1674－8425(2014)01－0087－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.017

2013－11－08

王树东(1965—)，男，教授，主要从事计算机自动控制技术、电网优化控制方面的教学与应用研究;钱其三(1986—)，男，硕士研究生，主要从事分布式发电优化控制与继电保护研究。

王树东，钱其三.分布式电源对配电网保护的影响分析及改进方案［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(1):87－90.

format:WANG Shu－dong，QIAN Qi－san.Analysis of the Effect of Distributed Generation on Relay Protection of Distributed Network and Improved Protection Scheme［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):87－90.