分布式发电对10 kV电网继电保护的影响

章忠+郑健睿+王曜飞+康子森

摘 要：介绍了DG对继电保护生成影响的原因，且对其三个方面影响进行了简要描述：孤岛及对自动重合闸产生的影响、对故障电流产生的影响、对线路保护产生的影响。

关键词：分布式发电 配电网 继电保护

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0103-02

分布式发电（Distributed Generation）作为新兴一种发电技术，它具有环保、高效的特点。尤其是在近几年中，电力市场对降低室温气体的排放、节能减排与开放上都做了严格要求，分布式发电，特别是以新型生电方式为代表的发电方式获得了快速发展并取得了广泛应用。DG在减少环境污染，降低终端用户费用等方面具有相当明显的优势，与此同时又有灵活性、高效性、能源来源多样化等的优点。

DG是指一种新型发电形式，对于一些比较特殊的客户需求，根据原有的配电网在经济运行上进行专门的设计安装，并且在用户处或者其他的附近小型发电机组、使得符合供电可靠性和电能质量均得到明显增强配置在用户附近的发电形式。DG按照所用到的技术不同，可分为：水力发电、风力发电、光伏发电、燃料电池发电和燃气轮机发电等。DG引入配电网以后，将深刻影响到配电网的结构，且改变配电网短路电流的分布，从而对配电网继电保护带来一定难度。近些年来，DG在配电网系统中的应用越加频繁广泛，适当的调整保护系统是有必要的，这样就可以讨论分析其对配电网保护装置的影响。

1 DG对继电保护产生影响的原因

DG引入配电网以后，传统的放射式的无源网络，即单电源辐射型网络转变成一个电源混合分布的，且中小型的有源电网，这样就使得潮流不会在从变电站母线上流向各个负荷。配电网作为一个电量传输的渠道，是不准其中含有电源向负荷供电的。配电网潮流具有的不确定性，也会导致电力系统继电保护的设置和动作值的整定增加一定的难度。相对于配电网来说，大量的DG具有不可控和不确定性，如光伏发电在日照和时间不同的条件下，生成的电能质量大小也会有所不同、生物质发电受原材料的影响，不同的材料发电程度质量会有所不同。在传统的保护系统中，假设配电系统处于放射状态条件下，进行设计，且与配电网中的DG相互的渗透，而保护系统的设计基础也同向发生变化，这样就使配电网中的各个机理与保护定制发生变化。

同时，因为配电网在自我保护方面较弱，在配电网保护装设时通常不考虑引入DG安装的，给定的分配网络的电压水平通常较低，通常，电流保护的具有成本效益的优势，一般均以电流保护为主，并没有配备定向元件。薄弱保护配置很难承受DG引入带来的挑战。

2 DG对配电网继电保护产生的影响

为了充分展现DG引入对继电保护生成的影响，保护配置和整定均按照DG投入前的情况。一般的情况为例，典型的网络及保护配置如图1（图1中L1，L2，L3为10 kV线路）。

在变电站内，线路保护装置一般安装在靠近母线线路断路器那里。一般情况下，都是选择三段式电流保护来进行配置的（即L1、L2），也就是过电流、定时限电流速断及瞬时电流速断这三种保护。其中，瞬时电流保护依照逃脱路线来说，故障端部所产生的最大调谐三相短路电流的方法，且它不能保护到全长的线路。定时限电流速断保护按照故障线路的端部具有灵敏度和速度的瞬时电流断路器保护与邻近的调谐方法，保护线路的全长。过电流保护电路，根据躲过最大负载电流和过电流保护方法与相邻线路调整，尽量保留相邻线路的后备，以保护相邻线路的长度。此外，非全电缆线路，依托三相一次重合闸配置，以确保当时间线的瞬态故障时，也能够迅速地恢复供电。一般与相邻线路配合的终端线路（如L3）不存在问题，为了简化保护配置，通常以三相一次重合闸的保护方式与瞬时电流速断保护加过电流保护组成的二段式保护，电流速断保护按照线路末端故障有灵敏度的方法整定，能够保护全线。

引入DG后，从单电源进线双电源线线L1，该行的其余部分仍然采用单电源供电。DG引进保护后，对原配置影响主要有以下几点。

2.1 孤岛和对自动重合闸的影响

在DG引入之前，配电网为辐射式结构，瞬时性故障线路在自动重合闸恢复供电时，配电网系统不会受到任何形式的冲击和破坏。DG引入之后，一旦系统与DG的连接线路（如图1中L1）发生故障时且被跳开，DG将在电网中形成由其独自供电的电力孤岛。这些孤岛保持了功率和电压在额定值附近的运行。只是这些电力孤岛会给自动重合闸埋下隐患。

（1）非同期重合闸。在系统电源跳开到自动重合闸动作的这段时间内，DG加速或者减速运转的可能性很大，自动重合闸动作时，电网和孤岛不能保持同步，两者之间会形成一个很大的相角差。当两者间形成的相角差达到某个值时，非同期重合闸会引起极大的冲击电流或电压，如图2所示。在生成的冲击电流作用下，线路保护方面有很大可能会误动，使得重合闸失去了迅速恢复瞬时故障的能力。同时，冲击环流也有很大可能对电网及DG单元中的设备带来致命冲击。

（2）故障点电弧重燃。系统侧电压消失后，故障点电能可能并不会消失，DG有可能继续对其供电，重合闸发生时，DG提供的故障电流阻止了故障点电弧熄灭，引起故障点电弧重燃。此时，原本的瞬时性的故障变成了永久性的故障。长时间电弧的存在会给所有设备的维护带来极大困难。

因此，由于DG接入，会对自动重合闸恢复瞬时性故障产生极大的影响。DG侧应安装低周、低压解列装置。同时，配电网和DG设备会受到非同期重合闸的冲击，为避免这种情况，系统侧重合闸继电器需要检线路无压，DG侧检同期。

2.2 对故障电流的影响

在故障发生时，由于DG引入配电网，必然会对故障点提供故障电流，故障电流的水平将会受到不同程度的影响。我们所关心的问题是故障发生时DG能够提供多大的故障电流。不同类型的DG，电抗值不同，它代表着此电源的故障电流注入能力。Barker etal对此进行了研究，如图3所示。endprint

2.3 对线路保护的影响（如图4）

（1）若线路BC中间的任意位置引入DG时，D1是A面和DG故障之间的任何一点：DG引入前，引入短路故障电流只是由系统提供；DG引入之后，由叠加定理可知，在系统所有方向DG将提供电流，统和DG共同来提供此故障点D1总电流，线路BC上的线路保护只能够感受到由系统提供的故障电流，小于故障点D1的实际电流值时，将提高D1处保护的灵敏度，线路BC保护动作的灵敏度则会被降低，严重时甚至导致其拒动。

（2）D2为系统侧AB上任一故障点：DG引入之前，本线路由AB上的保护R1动作于跳闸，DG引入之后，系统和DG共同提供故障点D2的总电流，此时DG提供的故障电流将被线路BC的保护R2感受到，只是R2处保护不经方向闭锁，电流一旦超过了整定值，将会导致其保护误动。

（3）当10 kV母线不含有DG其他线路上一点D3处发生故障时：在DG引入前，系统提供的故障电流受到故障线路保护；DG引入之后，将会增大故障线路保护感知的电流。如果故障线路是终端线，将会使得原保护更加的灵敏。如果故障线路是非终端线，则此时相邻的故障线路下一级保护感受到的故障电流会增大，可能导致它的速断保护无法躲开线路故障从而失去选择性。

综合以上分析，仅仅考虑引入DG对故障电流的变化不涉及电流继电器的内部特性，所以熔断器和反时限电流继电器的保护也有类似的性质。值得注意的是，自动重合闸受到DG的影响，仅仅限于DG与系统连接线路上，如图1所示的线L1，而线路保护的影响，可能与相邻的线有所牵连，图2中直线L2。

3 结论

本文着重讲述了分布式发电并入配电网运行后给继电保护带来的一系列问题，从文中可以看出：当前电网继电保护装置对DG接入带来的挑战很难承受，电网继电保护的最主要问题问题表现在适应性差，且两者间缺乏有效配合。DG接入电网的数量逐渐增多，开发具有自适应功能继电保护，加强DG保护与电网保护的相互配合，将是未来发展的一大趋势，值得深入研究。

参考文献

[1] 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（8）.

[2] 黄伟，雷金勇.分布式电源对配电网相间短路保护的影响[J].电力系统自动化，2008，32（1）：93-97.

[3] 杨文宇，杨旭英.分布式发电及其在电力系统中应用研究综述[J].电网与水力发电进展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齐利.继电保护缺陷微机化管理及其应用探索[J].电网与水力发电进展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 对线路保护的影响（如图4）

（1）若线路BC中间的任意位置引入DG时，D1是A面和DG故障之间的任何一点：DG引入前，引入短路故障电流只是由系统提供；DG引入之后，由叠加定理可知，在系统所有方向DG将提供电流，统和DG共同来提供此故障点D1总电流，线路BC上的线路保护只能够感受到由系统提供的故障电流，小于故障点D1的实际电流值时，将提高D1处保护的灵敏度，线路BC保护动作的灵敏度则会被降低，严重时甚至导致其拒动。

（2）D2为系统侧AB上任一故障点：DG引入之前，本线路由AB上的保护R1动作于跳闸，DG引入之后，系统和DG共同提供故障点D2的总电流，此时DG提供的故障电流将被线路BC的保护R2感受到，只是R2处保护不经方向闭锁，电流一旦超过了整定值，将会导致其保护误动。

（3）当10 kV母线不含有DG其他线路上一点D3处发生故障时：在DG引入前，系统提供的故障电流受到故障线路保护；DG引入之后，将会增大故障线路保护感知的电流。如果故障线路是终端线，将会使得原保护更加的灵敏。如果故障线路是非终端线，则此时相邻的故障线路下一级保护感受到的故障电流会增大，可能导致它的速断保护无法躲开线路故障从而失去选择性。

综合以上分析，仅仅考虑引入DG对故障电流的变化不涉及电流继电器的内部特性，所以熔断器和反时限电流继电器的保护也有类似的性质。值得注意的是，自动重合闸受到DG的影响，仅仅限于DG与系统连接线路上，如图1所示的线L1，而线路保护的影响，可能与相邻的线有所牵连，图2中直线L2。

3 结论

本文着重讲述了分布式发电并入配电网运行后给继电保护带来的一系列问题，从文中可以看出：当前电网继电保护装置对DG接入带来的挑战很难承受，电网继电保护的最主要问题问题表现在适应性差，且两者间缺乏有效配合。DG接入电网的数量逐渐增多，开发具有自适应功能继电保护，加强DG保护与电网保护的相互配合，将是未来发展的一大趋势，值得深入研究。

参考文献

[1] 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（8）.

[2] 黄伟，雷金勇.分布式电源对配电网相间短路保护的影响[J].电力系统自动化，2008，32（1）：93-97.

[3] 杨文宇，杨旭英.分布式发电及其在电力系统中应用研究综述[J].电网与水力发电进展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齐利.继电保护缺陷微机化管理及其应用探索[J].电网与水力发电进展，2008，24（5）：25-27.endprint

2.3 对线路保护的影响（如图4）

（1）若线路BC中间的任意位置引入DG时，D1是A面和DG故障之间的任何一点：DG引入前，引入短路故障电流只是由系统提供；DG引入之后，由叠加定理可知，在系统所有方向DG将提供电流，统和DG共同来提供此故障点D1总电流，线路BC上的线路保护只能够感受到由系统提供的故障电流，小于故障点D1的实际电流值时，将提高D1处保护的灵敏度，线路BC保护动作的灵敏度则会被降低，严重时甚至导致其拒动。

（2）D2为系统侧AB上任一故障点：DG引入之前，本线路由AB上的保护R1动作于跳闸，DG引入之后，系统和DG共同提供故障点D2的总电流，此时DG提供的故障电流将被线路BC的保护R2感受到，只是R2处保护不经方向闭锁，电流一旦超过了整定值，将会导致其保护误动。

（3）当10 kV母线不含有DG其他线路上一点D3处发生故障时：在DG引入前，系统提供的故障电流受到故障线路保护；DG引入之后，将会增大故障线路保护感知的电流。如果故障线路是终端线，将会使得原保护更加的灵敏。如果故障线路是非终端线，则此时相邻的故障线路下一级保护感受到的故障电流会增大，可能导致它的速断保护无法躲开线路故障从而失去选择性。

综合以上分析，仅仅考虑引入DG对故障电流的变化不涉及电流继电器的内部特性，所以熔断器和反时限电流继电器的保护也有类似的性质。值得注意的是，自动重合闸受到DG的影响，仅仅限于DG与系统连接线路上，如图1所示的线L1，而线路保护的影响，可能与相邻的线有所牵连，图2中直线L2。

3 结论

本文着重讲述了分布式发电并入配电网运行后给继电保护带来的一系列问题，从文中可以看出：当前电网继电保护装置对DG接入带来的挑战很难承受，电网继电保护的最主要问题问题表现在适应性差，且两者间缺乏有效配合。DG接入电网的数量逐渐增多，开发具有自适应功能继电保护，加强DG保护与电网保护的相互配合，将是未来发展的一大趋势，值得深入研究。

参考文献

[1] 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（8）.

[2] 黄伟，雷金勇.分布式电源对配电网相间短路保护的影响[J].电力系统自动化，2008，32（1）：93-97.

[3] 杨文宇，杨旭英.分布式发电及其在电力系统中应用研究综述[J].电网与水力发电进展，2008，24（2）：39-43.

[4] 高齐利.继电保护缺陷微机化管理及其应用探索[J].电网与水力发电进展，2008，24（5）：25-27.endprint