分布式发电接入电网继电保护研究

张　尧　晁　勤　李育强

(新疆大学电气工程学院1，新疆 乌鲁木齐　830047；新疆工程学院2，新疆 乌鲁木齐　830052)

分布式发电接入电网继电保护研究

张尧1,2晁勤1李育强1

(新疆大学电气工程学院1，新疆 乌鲁木齐830047；新疆工程学院2，新疆 乌鲁木齐830052)

摘要：常规电源与分布式电源的差异使得分布式电源接入电网时，传统继电保护受到很大影响。先从分布式电源的类型、分布式电源容量方面，介绍了对电流保护的影响，得出分布式电源容量越大、短路电流越大的结果。然后从分布式电源接入位置及测量电压电流特性方面，介绍了对距离保护的影响，得出分布式发电带来助增电流、频率偏差等是影响距离保护的主要因素。通过改变整定值、分区隔离、附加分量和逻辑等途径，改进电流距离保护方案。最后展望了自适应保护是保护发展的重要方向。

关键词：分布式发电大电网继电保护电流保护距离保护整定节能减排

0引言

20世纪90年代，全球性的电力改革浪潮宣告了一个新的电气时代的诞生，即采用大电网和分布式发电相结合的方式，以节省投资、降低能耗，并提高电力系统的可靠性和灵活性。分布式电源主要指基于可再生能源的太阳能发电、风力发电、水力发电和生物质能发电等。分布式电源的引入对原有配电网络中的潮流分布、短路电流、电能质量和系统保护等产生一系列的影响。

针对分布式电源接入电网引起电流保护、距离保护误动拒动等问题，寻找消除这些影响的具体措施是学者们越来越关注的问题。首先从分布式电源的类型和分布式电源容量角度，介绍了分布式发电对电流保护的影响，得出不同电源提供的短路电流可达额定电流的100%～1 000%范围。分布式电源接入容量越大，短路电流越大。其次从分布式电源接入位置及接入后测量的电压、电流特性方面，介绍了分布式发电对距离保护的影响，得出分布式发电接入后带来的助增电流、频率偏差、测量阻抗变化是影响距离保护的主要因素。然后通过改变整定值、分区隔离、附加分量和逻辑等途径，改进电流距离的保护方案。最后对保护的研究前景进行了展望。

1分布式发电对电网保护的影响

随着节能减排、环境保护和可持续发展的大力倡导，大规模应用分布式发电及并网是大势所趋。随着分布式发电并网容量的不断提高，分布式发电给电网的运行与保护带来的影响越来越不容忽视。

1.1对电流保护的影响

1.1.1分布式电源类型影响

文献[1]提出的分布式发电(distributed generation,DG)概念的引入，使得配电系统从传统的单电源辐射型网络变成双端甚至多端网络，从而改变故障电流的大小、持续时间及其方向。分析了不同类型的分布式电源对故障电流的影响:①换流器型DG，故障电流注入能力为100%～400%，持续时间取决于控制装置；②同步电机型DG，故障电流注入能力达到500%～1 000%，逐渐衰减到200%～400%；③感应电机型DG，故障电流注入能力达到500%～1 000%，在10个周波内衰减至可忽略。最后得出，对电流保护的影响主要体现在以下3方面：①导致本线路保护动作的灵敏度降低，严重时甚至拒动；②由于原保护没有方向元件，在DG容量足够大的情况下，流过本线路的反向电流会使保护误动作；③导致相邻线路的瞬时速断保护误动作，失去选择性。

文献[2]研究了在最大最小运行方式下，风电电源提供的短路电流分别对风电场接入处的下级保护及上级保护产生不同影响，结论同文献[1]。

1.1.2分布式电源容量影响

文献[3]分析了光伏系统不同接入位置、不同容量对电网短路电流的影响。由此得出，同容量光伏系统距离故障点越远，短路电流增加越明显。同一点接入光伏系统，容量越大，短路电流越大。理清这些影响关系，有助于提高配电系统的安全可靠运行以及并网光伏发电的普及。

文献[4]提到风电场投入运行机组数、输出有功功率、故障类型、故障点这些因素的改变都会对短路电流产生不同影响。由此得出，风电场有功出力相同的情况下，投运的机组越多，故障电流越大。根据故障类型不同，风电场提供的短路电流也不同，三相短路电流约为稳定运行电流的8倍，两相故障和单相故障的短路电流约为稳定运行电流的4～5倍。

1.2对距离保护的影响

1.2.1分布式电源接入位置影响

文献[5]研究了自适应接地距离保护，分析了助增电流对距离II段阻抗继电器测量的影响。由此得出，助增电流增大了测量阻抗，降低了保护装置的灵敏度。

文献[6]把分布式电源与原配电网看作双侧电源，分析了分布式电源接入配电网对并网联络线保护的影响。由此得出，在最小运行方式下，由于分布式电源归算至并网变110 kV母线侧的阻抗过大，当并网联络线发生故障时，近分布式电源的距离保护有可能拒动，这样会威胁到变压器的绝缘安全。

文献[7]分析了分布式电源接入对变电站距离保护的影响。由此得出，非系统电源进线段故障时，分布式机组的正向助增电流使距离保护II段范围缩小，可能降低其灵敏度，但不会使其失去选择性。

1.2.2测量电压电流特性影响

文献[8]对双馈式风电场测量到的电压、电流进行分析。由此得出，电压、电流的频率有所差别，会对基于傅氏相量算法的距离元件产生很大误差。

文献[9]分析了风电系统距离III段保护的动作特性。以异步发电机为研究对象，计算表明其呈现负电阻、正电抗特性，使得线路远风电场节点的测量阻抗接近反向故障。当输入机械功率增加和定子电压降低时，将减小异步风力发电机阻抗模值，降低风电场近线端距离III段保护的动作裕度。

2电流保护的改进方案

电压等级在35 kV及以下的配电网的主保护一般采用电流保护。分布式电源的接入改变了配电网的短路电流的大小及方向，必须改变传统的配电网电流保护，才能保证短路时正确切除故障。

2.1整定值改进

文献[2]在整定原则上作改进。在原来的电流速断整定公式中增加了故障类型系数Kd，系统的等效电势和系统阻抗根据风电场接入容量和故障位置的不同，实时在线计算。

文献[10]和文献[11]也是改进电流整定公式，具体方法同文献[2]。

文献[12]提出对故障时刻前电压电流值实时采样，利用短路电流计算公式估算故障电流值，并依此来确定电流继电保护的整定值。由于估算故障电流是实时更新并且估算出来的误差也不大，故该方法可以作为工程上进行整定计算的一个依据。

2.2非正序分量改进

文献[13]提出利用序分量得到的综合值作为保护定值，该方法也是在空载情况下成立的。文献[14]提出将定值和短路电流全部采用故障分量来消除负荷电流影响的方法，但因电压分量是忽略负荷电流的影响，因而灵敏度仍然受负荷电流的影响。

2.3自适应整定值改进

文献[15]考虑了负荷电流对两相短路电流的影响，提出将实测的两相短路电流归算为同一点的三相短路电流，然后再与定值进行比较。这样可以去除目前自适应保护定值里的故障类型系数Kd，克服了目前电流保护普遍存在的由于受负荷电流的影响而使保护在两相故障时灵敏度降低的缺陷。

文献[16]将分布式电源等效为注入电流，将保护背侧网络用等值阻抗表示，利用戴维南等值模型求得电压和等值阻抗，仍然保留故障类型系数Kd，从而确定了自适应电流保护的整定值。

文献[12]研究了逆变型分布式电源功率输出与流过保护的故障电流的关系。由此得出，当逆变型分布式电源容量在0～50 MVA范围内变化时，它与短路电流呈正比例关系。因此，提出根据DG功率输出变化而反映故障电流变化的自适应保护。

2.4分区隔离改进

文献[17]提出将DG上游、下游电流保护I段构成一个通信单元，依据这两级保护动作结果判断故障并将其隔离在最小范围内。该方案在较高程度上依赖于通信单元，一旦通信失效，保护也随之失效。

文献[18]把分布式电源接在原电网的母线处，提出分区的概念，在分布式电源的上游区域配置方向纵联保护和弱馈保护，下游区域仍保留过电流保护。

3距离保护的改进方案

在110～220 kV的配电网中，往往采用距离保护作为主保护，它比单一反应电流的电流保护灵敏度高。但是距离保护的保护范围也受运行方式变化的影响，所以应对传统距离保护作适当的调整，才能有效避免故障。

3.1附加分量自适应改进

文献[19]提出了自适应接地距离保护的整定公式。该公式考虑了保护安装处到短路点的线路正序阻抗，还考虑了由于两侧电势相位差和过渡电阻引起的附加分量。该距离保护的动作特性随着系统运行方式的变化作出相应的校正。

3.2附加逻辑改进

文献[7]针对分布式电源接入配电网使分布式电源侧距离保护拒动这一问题，提出在联络线两侧加装必要的逻辑构成允许式方向纵联保护，在分布式电源侧加装弱馈保护。

3.3附加阻抗改进

文献[20]针对我国西北大规模风电基地输送采用可控串补和可控电抗器的实际情况，提出一种考虑风电波动性的基于附加阻抗的输电线路纵联保护新原理。仿真结果表明，该原理具有较好的性能，适用于对风电送出联络线的保护。

4结束语

分布式电源接入电网对距离保护和差动保护还有待于学者进行更深入全面的探讨。尤其是影响距离保护正确动作的过渡电阻、电压互感器、电流互感器的误差、电力系统振荡等因素，影响差动保护正确动作的电流互感器的误差和不平衡电流、导引线的阻抗和分布电容、感应过电压等因素，可以通过寻找新的算法、新的保护装置、新的技术来排除这些因素的影响。

目前，自适应保护是保护发展的重要方向，自适应行波保护将是自适应保护发展的重要方向。对故障信息的研究和充分利用是发掘继电保护新原理的基础。利用小波变换，尤其是利用二进小波变换实现故障检测、行波检测和识别，为自适应行波保护提供了实现的可能。

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Research on the Relay Protection for Distributed Generation Accessing to Power Grid

Abstract：The traditional relay protection is greatly affected by the difference between conventional power supply and distributed power supply at the time that the distributed power is connected to the power grid.Firstly,from the types of distributed power supply and the capacity of distributed power,the influence on the current protection is introduced,it is concluded that the larger the distributed power capacity is,the higher the short-circuit current is.Then,the influence on the distance protection is introduced from the accessing location of the distributed power supply and the characteristics of measurement voltage and current,and the conclusion is that the assisted increasing current produced by distributed generation and the frequency deviation are the main factors affecting the distance protection.By the ways of changing the tuning value,zoning isolation,and additional component and logic,etc.,the current and distance protection scheme is improved.Finally,the research prospect that adaptive protection is the important direction of protect development.

Keywords:Distributed generationLarge power gridRelay protectionCurrent protectionDistance protectionTuningEnergy-saving and emission-reduction

中图分类号：TH-3;TP2

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605003

国家自然科学基金资助项目(编号：51367017)；

科技部国家国际科技合作专项基金资助项目(编号：2013DFG61520)。

修改稿收到日期：2015-11-27。

第一作者张尧(1982-)，女，现为新疆大学电力系统及其自动化专业在读博士研究生；主要从事继电保护方向的研究。