分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护影响的机理分析

苏适，王斌，罗征洋，徐宏，赵静，李雪梅（.　云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明　6507；.　玉溪供电局，云南玉溪　65399）

分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护影响的机理分析

苏适1，王斌2，罗征洋2，徐宏2，赵静2，李雪梅2
（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217；2.玉溪供电局，云南玉溪653199）

摘要：从本质上研究了分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护的影响，并结合数值仿真进行验证。此外，在满足继电保护可靠动作的前提下，分析了配电网允许分布式电源侧的接入最大短路容量与并网位置、并网变压器中性点接地阻抗的关系。结果表明：分布式电源接入可能导致保护动作失去选择性、误动或拒动；在不同并网位置情况下，合理的设置并网变压器中性点接地阻抗值，可以减小分布式电源接入对配电网保护带来的影响，从而可增加允许分布式电源侧的接入最大短路容量。

关键词：分布式电源；小电阻接地；零序电流保护；接入短路容量

本文引用格式：苏适，王斌，罗征洋，等．分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护影响的机理分析[J]．新型工业化，2015，5（7）：47-56

Citation:SUShi,WANGBin,LUOZheng-yang,etal.MechanismAnalysisontheInfluenceofDistributed GenerationonZeroSequenceCurrentProtectioninLowResistanceGroundingSystem[J].TheJournalofNew Industrialization,2015,5（7）:47-56.

0　引言

随着越来越多的分布式电源（DistributedGeneration，DG）[1]接入配电网，配电网的继电保护[2-11]、电能质量[12-13]、可靠性[14]等将受到较大影响。其中，国内外学者已对DG给配电网继电保护带来的影响做了大量有价值研究，并对光伏等分布式能源接入配电网所造成的配电网电压降落等问题进行了深入讨论[15]。文[3-5]分析了DG接入对配电网短路电流分布和继电保护的影响，其分析结果表明分布式电源的接入将可能导致配电网保护动作失去选择性、误动或拒动。此外，文[6-7]主要从DG的接入容量分析了其对配电网电流保护的影响。在满足继电保护可靠动作的前提下，文[8-9]还对DG的准入容量进行定量的研究。针对DG给配电网传统继电保护带来的影响，文[10-11]还提出含分布式电源的配电网保护新方法。然而，这些研究都仅对配电网发生相间短路时作了讨论，并没有对小电阻接地系统发生单相短路时进行相关的分析。

由于配电网中电缆线路增多而使得对地电容电流增大，不少配电网采用中性点经小电阻接地方式[16，17]。同时在所有的短路类型中，单相短路占大多数[18]，并且与三相短路不同，单相短路还考虑了负序与零序网络，不能简单地分析。因此，有必要分析分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护的影响机理。

分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护影响的研究还比较初步，缺乏完整的理论推导和机理分析。本文通过严格的数学推导以及仿真分析研究分布式电源接入对零序电流保护的作用机理，从而分析其对配电网零序电流三段保护[19]的影响。此外，由于接入短路容量相对接入容量更能直接衡量分布式电源接入对继电保护的影响。因此，本文还分析了分布式电源的接入最大短路容量与并网位置、并网变压器中性点接地阻抗的关系。

图1　典型配电网模型及正序等效电路图Fig.　1　Typical　distribution　network　model　and　the　positive　sequence　equivalent　circuit　diagram

1　分布式电源接入配电网等效模型

1.1分布式电源侧模型

分布式电源模型可以通过戴维南等效成一个理想电压源串联一个阻抗来表示[3]。其中，分布式电源短路容量的大小直接决定其阻抗的大小，也代表其故障电流的注入能力。

分布式电源一般通过并网变压器并网，该并网变压器的主要功能并不是为了实现电压的变换，而是为了避免直流电流注入电网、防止3k（k=1，2，…）次倍谐波注入电网、保证分布式电源测察觉系统故障、限制系统故障电流、防止谐振过电压和工频过电压等方面的需要[20]。对于小电阻接地系统，并网变压器应采用“Yg/Δ”联结方式[20，21]，其中系统侧为“Yg”联结，其中可以适当设置变压器的中性点接地阻抗大小来控制零序故障电流的大小。

本文讨论的分布式电源接入短路容量定义为在并网点（并网变压器高压侧）发生三相短路时，分布式电源侧提供的短路电流与并网点处的平均额定电压的乘积。

1.2系统侧模型

由于配电网存在多种接线模型，所以需对分布式电源接入对配电网保护的影响归类总结。本文将其影响分为三种情况[9]：①对相邻馈线保护的影响；②对上游线路保护的影响；③对下游线路保护的影响。

本文主要以图1所示配电网示例模型，其中配电网上一级变压器的低压母线短路容量大小决定了系统电源等效阻抗ZS的大小。图中编号1～6分别表示线路L1～L6各自的保护，都配有零序电流三段保护。ES为系统等效电源相电动势，Em为分布式电源等效相电动势，本文取ES=Em。Z1～Z6为各线路阻抗，ZT为并网变压器的短路阻抗，Zn为并网变压器的中性点接地阻抗，Zm为分布式电源的等效阻抗，系统侧中性点阻抗假定为0；α1～α6分别为各线路短路点到各自母线的距离占该段线路总长度的百分比，以上参数均取标幺值。此外，在本文分析中，线路、电源的正负零序阻抗分别用下标I、II、0表示。

2　对零序电流三段保护的影响

在计算故障电流时，不同于三相短路故障时系统侧与电源侧可以独立计算或直接叠加，单相短路故障还要考虑负序与零序等效阻抗，不能简单的独立计算。下面所述故障都假定为单相短路故障。

2.1相邻馈线发生故障

2.1.1对相邻馈线保护的影响

由于分布式电源的接入对流过相邻馈线保护装置的故障零序电流产生助增作用，提高其保护动作的灵敏性，同时其保护范围扩大，可能导致相邻馈线各零序电流保护动作失去选择性。

2.1.2对上游线路保护的影响

上游线路的保护装置将有反方向故障零序电流流过，可能引起上游线路保护的误动作，使得分布式电源进入非计划孤岛运行状态，扩大停电范围。

2.1.3对下游线路保护的影响

下游线路没有故障零序电流流过，所以不会对下游线路的保护产生影响。

2.1.4示例说明

当线路L5发生故障（f5）时，流过保护5、1、2的零序电流大小为：

式中，正负零序等效阻抗分别为：

然而，在分布式电源接入前，线路L5发生故障（f5）时，流过保护5、1、2零序电流大小为：

1）保护5灵敏性将提高，正确动作切除故障。

2）若流过保护1和保护2的电流均小于其各自的零序保护III段整定电流值时，则保护1、2不会误动作，本馈线正常工作。

3）若流过保护1或保护2的电流大于其各自的任一零序电流保护整定值，并且其动作时间小于保护5的动作时间，则保护1或保护2就将误动作。

4）若流过保护1或保护2的电流大于其各自的任一零序电流保护整定值，但其动作时间大于保护5的动作时间，则保护1、2不会误动作，本馈线正常工作。

与线路L5故障零序电流计算原理一样，线路L6发生故障（f6）时，设流过保护5和保护6的零序电流大小为：

式中，正、负零序等效阻抗分别为：

然而，在分布式电源接入前，线路L6发生故障（f6）时，流过保护5和保护6的零序电流大小为：

式中，正负零序等效阻抗分别为：

（1）保护5和保护6的灵敏性都将提高。

（2）若Ik5.0小于保护5零序电流保护I段的整定电流值，保护6正确动作切除故障。

（3）若Ik5.0大于保护5零序电流保护I段的整定电流值，保护5和保护6的零序电流保护I段动作将失去选择性。

（4）由于零序电流III段保护是按躲过下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流整定且选择性要求应与下一线路的电流III段以延时的方式互相配合，所以保护5和6的电流III段的灵敏性均提高，而且不存在失去选择性的问题。

可能导致保护1、2误动作的影响分析与线路5发生故障分析类似。

2.2上游线路发生故障

2.2.1对相邻馈线保护的影响

相邻馈线没有故障零序电流流过，所以不会对相邻馈线保护产生影响。

2.2.2对上游线路保护的影响

流过故障点的上游线路保护装置的故障零序电流将产生变化，可能导致其保护拒动或动作失去选择性；分布式电源接入点与故障点之间的保护装置将有方向故障零序电流流过，可能导致其保护动作。

2.2.3对下游线路保护的影响

下游线路没有故障零序电流流过，所以不会对下游线路的保护产生影响。

2.2.4示例说明

当线路L1发生故障（f1）时，流入接地点以及流经保护1、2零序电流大小为：

式中，系统侧正负零序等效阻抗分别为：

然而，在分布式电源接入前，线路L1发生故障（f1）时，流入接地点以及流经保护1、2零序电流大小为：

护1保护范围缩小，灵敏性也下降。若Ik1.0小于保护1零序电流三段保护的所有电流整定值，则保护1拒动，系统电源将继续向故障点提供短路电流，否则保护1将正确动作切除故障。

保护2有故障零序电流流过，若Ik2.0小于保护2零序电流三段保护的所有电流整定值，则保护2不会动作，分布式电源将继续向故障点提供短路电流，否则保护2动作，分布式电源进入非计划孤岛运行。

当线路L2发生故障时，分布式电源对零序保护的影响与上面分析线路L1故障时原理一致，不同的是当流过保护1的零序电流小于保护1零序电流保护I段的整定电流值时，则保护2正常动作切除故障，否则保护1、2动作将去选择性。

2.3下游线路发生故障

2.3.1对相邻馈线保护的影响

相邻馈线没有故障零序电流流过，所以不会对相邻馈线保护产生影响。

2.3.2对上游线路保护的影响

流过上游线路保护装置的故障零序电流将产生变化，可能导致其保护拒动或误动。

2.3.3对下游线路保护的影响

由于分布式电源的接入对流过下游线路保护装置的故障零序电流产生助增作用，提高其保护动作的灵敏性，同时其保护范围扩大，可能导致下游线路各零序电流保护动作失去选择性。与前面L6发生故障时影响分析类似，此处不再详细示例说明。

2.3.4示例说明

如图1所示，线路L3发生故障（f3）时，流过保护3、1、2的故障零序电流大小为：

式中，正负零序等效阻抗分别为：

然而，在分布式电源接入前，线路L3发生故障（f3）时，流经保护1、2、3的故障零序电流大小为：比较式（12）～（14），I＞I，基于故障f和f分析，可知线路L3发生故障（f）时：

k3.0k3.0123

善电力系统运行的稳定性、动态可靠性一直是一项迫切而艰巨的任务[2，3]。电力系统是一个具有高度非线性的复杂系统，当系统的运行点偏离较大，采用近似线性化处理方法进行控制时，其控制效果不太令人满意，甚至会导致系统失稳。为此，非线性控制理论在电力系统中的应用研究意义显著，越来越受到人们的青睐[4]。

发电机励磁控制在电力系统稳定控制中一直发挥着重要作用，已被公认为是改善电力系统稳定特性最经济、最有效的措施。非线性励磁控制成为了研究的热点[5-9]。TCSC作为FACTS家族的成员之一，在提高电力系统的传输容量、改善电力系统阻尼比以及提高电力系统稳定性等方面扮演着重要角色[10]。发电机励磁与TCSC间的非线性协调问题也有大量的研究工作[11-13]。文献[11]基于耗散系统的概念，提出了TCSC与发电机励磁的鲁棒非线性协调控制策略。文献[12]基于最优变目标方法设计了发电机励磁与TCSC的非线性协调控制器。文献[13]是将含发电机励磁和TCSC的单机无穷大系统模型表示为Hamilton系统形式，利用系统的Hamilton结构直接实现两个控制策略间的协调。

上述文献所设计的协调控制器均在单机无穷大系统中进行研究，而在多机电力系统中的应用效果缺乏一定的说服力。本文利用非线性系统微分几何理论的直接反馈线性化方法将含TCSC的多机非线性数学模型进行精确线性化。该方法不需要进行复杂的数学推导，具有计算简单、物理概念清晰的优点，在工程应用上具有一定的优越性。最后的仿真结果也表明了本文所研究的最优控制律的正确性和有效性。

3　仿真研究

3.1仿真模型

仿真模型如图1所示，本文使用Simulink进行建模仿真研究。其中模型各项参数如下：

1）系统电源：输出电压10.5kV，短路容量为100MVA，电阻电抗比R/X=1/7；

2）线路：最大传输容量为14000kVA，正、负序电阻为0.01273Ω/km，零序电阻为0.3864Ω/km，正、负序电抗为j0.2933Ω/km，零序电抗为j1.2963Ω/km，正、负序电容为12.74×10-12F，零序电容为7.751×10-12F。其中：L1～L4长度分别为2km，L5与L6长度分别为3km；

3）分布式电源：输出电压0.4kV，短路容量为10MVA，电阻电抗比R/X=1/7；

4）并网变压器：容量为2MVA，变比为0.4/10.5，空载损耗为4300W，负载损耗为13000W，短路阻抗为6%，空载电流为6%；

5）线路末端发生单相短路时，零序故障电流最大，线路正常最大不平衡电流取为最大载流量的50%，保护整定值的可靠系数取为1.25。

6）故障发生时间为0.02s。

3.2故障零序电流比较仿真

3.2.1线路5首端发生故障

图2（a）给出了流过保护5的零序电流比较示例图，图2（b）给出了流经保护1、2的反向零序电流比较示例图。从两图中均可以看出零序电流明显增加，与三相短路结果类似[6]。

3.2.2线路1末端发生故障

图3给出了流过保护1的零序电流比较示例图，从图中均可以看出零序电流明显下降。而在三相短路时，流过保护1的故障电流是不变的[5]。

图2　L5首端单相短路时零序电流比较Fig.　2　Compare　of　zero　sequence　current　when　singlephase　short　circuit　at　the　head　of　L5

3.2.3线路3末端发生故障

图4（a）给出了流过保护3的零序电流比较示例图，图4（b）给出了流过保护1、2的零序电流比较示例图。从图4（a）中可以看出L3零序电流明显增加，与三相短路结果类似[6]。同时，在给定参数下，从图4（b）中可以看出流过保护1、2的零序电流明显减小。

图3　L1末端单相短路时零序电流比较Fig.　3　Compare　of　zero　sequence　current　when　singlephase　short　circuit　at　the　end　of　L1

3.3接入最大短路容量仿真分析

由前文分析可知，分布式电源接入可能导致配电网零序电流保护动作失去选择性，也可能导致上游线路零序电流保护误动或拒动。此外，从前面分析可知，决定其影响大小的主要因素是等效阻抗Zm+ZT之和的大小、并网变压器中性点接地阻抗Zn的大小以及并网位置（并网点至母线1的距离）。本文主要用接入短路容量来衡量Zm+ZT之和的大小。

与文[8]确定最大接入容量类似，本文的接入最大短路容量的确定方法是：在不同并网位置及不同并网变压器中性点接地阻抗情况下，逐渐增加接入短路容量的大小，直至配电网零序电流保护动作失去选择性、误动或拒动。

3.3.1确保保护动作不失去选择性

根据前文分析结果，为确保相邻馈线保护动作不失去选择性，当线路L6首端发生故障（f6）时，流过保护5的故障电流应小于其保护I段整定值。从图5（a）可以看出并网位置越大，接入最大短路容量就越大，其中，并网变压器中性点接地阻抗越大，并网点最大短路容量就越大，这也说明了Zn对相邻馈线零序电流的限制作用。

图4　L3末端单相短路时零序电流比较Fig.　4　Compare　of　zero　sequence　current　when　single-phase　short　circuit　at　the　end　of　L3

为确保上游线路保护动作不失去选择性，当线路L2首端发生单相短路（f2）时，流过保护1的故障电流应小于其保护I段整定值。从图5（b）中可以看出接入短路容量在很大范围内都不会使得流过保护1的故障电流大于其整定值。从图5（c）中可以看出，Zn对流过上游线路零序故障电流有贡献作用，而且随着接入短路容量的变化，零序故障电流并不是呈现一直上升的趋势，而且先下降后上升。

为确保下游线路保护动作不失去选择性，当线路L4首端发生故障（f4）时，流过保护3的故障电流应小于其保护I段整定值。从图5（d）中可看出并网位置越大，接入最大短路容量就越小。其中，并网变压器中性点接地阻抗越大，接入最大短路容量就越大，这也说明了Zn对下游线路零序电流的限制作用。

图5　确保保护动作不失去选择性Fig.　5　Guarantee　the　correct　selection　of　protection　operation

3.3.2确保保护动作不误动或不拒动

为确保上游线路保护不误动，当线路L5首端发生故障（f5）时，流过保护1的故障电流应小于其保护III段整定值。从图6（a）中可看出并网位置越大，接入最大短路容量就越大。其中，并网变压器中性点接地阻抗越大，接入最大短路容量就越大，这也说明了Zn对上游线路零序电流的限制作用。

为确保上游保护动作不拒动，当上游线路发生单相短路时，流过保护1的故障电流应大于其保护III段整定值。从图6（b）可以看出接入短路容量在很大范围内都不会使得流过保护1的故障电流小于其保护III段整定值。

为确保上游保护动作不拒动，当下游线路发生故障时，流过保护1的故障电流应大于其保护III段电流整定值。从图6（c）中可以看出，接入最大短路容量随着并网位置的逐渐变大呈现先下降后上升的趋势，同时并网变压器中性点接地阻抗越大，接入最大短路容量就越大，这也说明了Zn对上游线路零序故障电流的贡献作用。

图6　确保保护动作不误动或不拒动Fig.　6　Guarantee　no　missing　or　mal　operation

通过综合上述各种情况的接入最大短路容量，就可以大致确定分布式电源侧的接入最大短路容量，保证在分布式电源接入后配电网继电保护仍能可靠动作。

4　结论

本文基于小电阻接地系统零序电流三段保护原理，首次通过严格理论推导完整地分析了分布式电源接入对配电网零序电流保护的影响机理，给出了分布式电源不影响原有配网保护可靠动作的边界条件，具体结论如下：

1）接入短路容量、并网位置以及并网变压器中性点接地阻抗都是分布式电源接入对配带电网零序电流保护影响的决定因素。

2）在不改变配电网的原有保护配置情况下，需对分布式电源侧接入短路容量进行限制，确保配电网继电保护可靠动作。

3）通过合理的设置并网变压器中性点接地阻抗值，可以减小分布式电源接入后对配电网零序电流保护带来的影响，从而可增加允许分布式电源侧的接入最大短路容量。

本文从小电阻接地系统的零序电流保护出发，分布式电源侧的接入最大短路容量分析过程及结果可以为DG接入配电网规划和设计提供了有借鉴价值的理论依据。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.008

基金项目：＊中国南方电网科技项目资助（No.0301XX2406）。

作者简介：苏适，男，硕士，高级工程师，主要从事方向为智能配电网与主动配电网，智能微网等；王斌，男，本科，工程师，主要从事研究方向：继电保护，安全管理及配网运行；罗征洋，男，本科，工程师，主要从事研究方向为电力营销管理；徐宏，男，硕士，工程师，主要从事研究方向为电能计量等；赵静，硕士，高级工程师，主要从事研究方向为电能计量、计量自动化等；李雪梅，本科，经济师，主要从事方向为行政管理。

Mechanism Analysis on the Influence of Distributed Generation on Zero Sequence Current Protection in Low Resistance Grounding System

SUShi1,WANGBin2,LUOZheng-yang2,XUHong2,ZHAOJing2,LIXue-mei2
(1. Electric Power Research Institute Co., Ltd. of Yunnan Power Grid, Kunming 650217; 2.Yuxi Power Bureau, Yuxi 653199)

Abstract:Thispaperfocusesontheinfluenceofdistributedgenerationonzerosequencecurrentprotectioninlow resistancegroundingsystem,verifyingwithmathematicalsimulation.Therelationshipbetweenthemaximumallowableshortcircuitcapabilityofdistributedgenerationandthegrid-connectedlocationortheimpedanceofgrid-connectedtransformer’s neutralground.Theresultshowsthatdistributedgenerationmayleadtotheloseofselectivityormissingoperation.Reasonable valuesofimpedanceofgrid-connectedtransformer’sneutralgroundcandecreasetheinfluenceofdistributedgenerationon thedistributionnetworkprotection,increasingthemaximumofshort-circuitcapabilityofdistributedgeneration.Thisworkis supportedbyScienceandTechnologyProjectsofChinaSouthernPowerGrid(Projectnumber:0301XX2406).

Keywords:Distributedgeneration;Lowresistancegrounding;Zerosequencecurrentprotection;Connectionshort-circuit capability