某市分布式太阳能光伏发电接入对配电网保护的影响分析

张添明

摘 要：配电网是指电力系统中以高、中压变压器的高压侧为分界点（高压侧的断路器和隔离开关不属于配电网）的中、低压电网以及深入其中的高压电网，与电力用户连接。

关键词：太阳能；光伏发电；电网保护

1 某市配电网的结构及故障特点

配电网的主要功能是分配电能，配电网能否安全可靠运行直接影响到电力用户能否安全可靠用电。其常见特点是：（1）配电网的故障率高，且绝大多数为瞬时性故障。（2）单相接地短路的故障比例高，且短路电流小。（3）故障电弧不稳定。

2 配电网的传统保护配置

配电网的单端电源辐射型供电方式使得短路时的电流和功率是同一方向，这样配电网的保护比较简单，不像主网那样需要判别故障方向，配网中配置三段式的电流保护，即无时限的电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护，再配置三相一次重合闸装置已能满足需求。

2.1 无时限的电流速断保护

反应短路电流幅值突然增大而瞬时动作的电流保护，称为无时限电流速断保护。无时限电流速断保护按躲开下一条线路出口处的最大三相短路电流整定，一般只能保护线路的一部分。

2.2 限时电流速断保护

由于无时限的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此需要增加一段带时限动作的保护，用来切除线路上电流速断保护范围以外的故障，同时作为无时限电流速断保护的近后备保护，这就是限时电流速断保护。限时电流速断保护要求能够保护本线路的全长，这样它的保护范围肯定会延伸到下一条线路，为了满足在下一条线路发生故障时，下一条线路的无时限电流速断保护优先切除故障，所以限时电流速断保护必须和下一条线路旳无时限电流速断保护配合整定。

2.3 过电流保护

过电流保护的保护范围延伸到下一条线路的全长，主要作为后备保护。它是按最大负荷电流整定，与发生故障的短路电流大小无关，其动作时限从负荷到电源端必须满足阶梯状的动作时限，所以越靠近电源侧，虽然短路电流越大，但是过电流保护的动作时限越长，这是过电流保护的一个主要缺点。

3 DG接入配电网后对保护的影响分析

分布式电源（distributed generation， DG）的定义一般是指利用各种规模不大的可再生或非可再生能源进行发电构成的独立的小型发电系统（发电容量一般在50～100MW之间）。DG按发电技术原理分类，有光伏发电，风力发电，太阳能发电，生物质能发电，微型燃气轮机组发电和燃料电池等。

DG与大电网联合运行，供电灵活，能够提高电网的安全可靠性，还具有削峰填谷、降低网络损耗、提高现有设备利用率和解决边远地区供电问题等经济效。但是，DG大量接入配电网改变了配电网原来单一电源、辖射型的结构，原有的配电网馈线电流保护的选择性、灵敏性、可靠性和保护范围都将受到影响，其后果是造成保护装置误动、拒动，直接威胁到配电网安全稳定运行。为了解决上述问题，本章提出了一种含DG的配电网自适应电流保护的新方案。该方案先根据配电网系统的运行方式和拓扑结构，利用替代原理对保护背侧的DG网络进行等值变换，得到其戴维南等值模型。然后在发生短路故障时，当保护检测到的短路电流大于整定值时先启动保护装置的启动元件，再立即向故障侧的相邻保护发出短路功率方向信号，同时接收对侧的短路功率方向信号，通过比较本保护和相邻保護的短路功率方向信号相同与否决定是否动作。该保护方案的电流速断保护能够保护本线路的全长。

4 含DG的配电网保护的仿真研究

根据《某市分布式太阳能光伏发电应用示范项目报告》提供的数据，该工程平铺组建装机容量约为50MWp，光伏电站建成后，全年理论发电量约等于：7334.42万kWh。光伏发电系统总效率为：74.183%，全年理论上网电量约等于：7334.42万kWh×74.183%=5440.89万kWh。年发电等效利用小时数为：54408900kWh÷51768.7kW=1051h。

4.1 主要发电设备

某市分布式太阳能光伏发电应用示范项目由以下几个主要部分构成：

（1）光伏组件阵列：其作用是利用光生伏特效应将太阳辐射的能量转换为直流电，系统向电网输送的所有电能均由其提供。

（2）并网光伏逆变器：其作用是将光伏组件阵列输出的直流电通过电力电子转换装置转换成50Hz，0.4kV的交流电。

（3）升压变压器：将并网光伏逆变器产生的交流电能直接升压为10kV电压，并通过10kV汇流柜送入高压电网。

（4）10kV配电及计量：并网光伏发电系统中配有直流汇流箱及直流配电柜、交流配电柜、发电/市电计量柜、监控系统等设备。

（5）公共电网：其作用是吸收并网光伏逆变器产生的电能，通常可以将其看作一个无限大的交流储能装置。

4.2 现状继电保护配置情况

（1）110kV#1站、#2站监控系统，采用深圳南瑞继保设备，由站控层和间隔层两部分组成，并用分层、分布、开放式网络系统实现连接，站控层与间隔层均采用双以太网。

（2）110kV#1站侧10kV IM#1线、#2线、#3线、#4线、10kV IIM#5线、#6线共6回线路均配置10kV线路保护测控装置，采用深圳南瑞继保设备：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站侧10kV IM#7线、#8线、#9线，配置10kV线路保护测控装置，采用深圳南瑞继保设备：ISA-351F型。9套装置均具备过流速断保护、零序过流保护、过流加速保护和零序加速保护、过负荷保护（报警或者跳闸）、具备低周减载功能和三相一次重合闸功能。

4.3 分布式电源继电保护配置情况

根据调度要求，光伏电站及某厂区开关站侧发生短路故障时，需要0S切除故障点；当电网侧发生故障时，光伏发电侧逆变器孤岛保护及低频低压解列功能需0.6S内与系统解列。

4.4 110kV#1站、#2站侧

（1）主变保护

110kV#1站#1、#2主变和110kV#2站#1、#2主变已配置主变保护装置（#1站为深圳南瑞厂家设备，差动保护ISA-387GA，高后备保护ISA-388G，低后备保护ISA-388G，非电量保护ISA-361G。#2站为深圳南瑞厂家设备，差动保护ISA-387F，高后备保护ISA-388F，低后备保护ISA-388F，非电量保护ISA-361F），具有间隙保护功能，满足本期工程新增主变间隙的保护需要，本期只需增加保护间隙功能跳闸出口端子、出口压板及相应连接软导线。根据规定，主变间隙保护动作，需考虑切除小电源，因此本项目当110kV#1站#1、#2主变间隙保护动作时需提供跳闸信号至某厂区侧，跳开并网柜断路器。当110kV#2站#1、#2主变间隙保护动作时需提供跳闸信号至某厂区侧，跳开并网柜断路器。

（2）10kV线路保护

110kV#1站侧10kV IM#1线、#2线、#3线、#4线、10kV IIM#5线、#6线共6回线路均配置10kV线路保护测控装置，采用深圳南瑞继保设备：ISA-351G（DF）型。 110kV#2站侧10kV IM#7线、#8线、#9线共3回线路均配置10kV线路保护测控装置，采用深圳南瑞继保设备：ISA-351F型。9套装置均具备过流速断保护、零序过流保护、过流加速保护和零序加速保护、过负荷保护（报警或者跳闸）、具备低周减载功能和三相一次重合闸功能。本期工程#2站10kV#8线、10kV#9线需从1M调整至2M，#1站10kV#2线需从1M调整至2BM，因站内10kV线路保护属同一型号产品，调整后线路保护仍满足本项目要求，不需新增设备。

4.5 不同故障点的仿真研究

针对上述方案，我们进行数据优化，对其进行仿真分析，下面以图1含DG的配电网模型在Matlab中进行仿真分析，仿真模型如图2。系统电源采用10.5kV的理想电源，负荷额定功率均为1MV，DG接在母线C上，额定容量为10MVA。线路参数为r1=0.17Ω/km，x1= 0.38Ω/km，线路长度为AB = 10km ，BC = 15km ， CD = 8km， AE = 6 km。

首先通过比较DG接入前后不同位置发生三相短路故障时，保护安装处检测到的故障电流的变化，分析DG接入配电网对保护的影响。

（1）故障发生在DG的上游。当线路AB末端发生三相短路故障F1，流过保护2的电流波形如下：

未接入DG时，发生故障F1，流过保护2的故障电流为零，接入DG后，因为DG会给故障点提供电流，所以流过保护2的电流较大，容易使保护误动作。

（2）故障发生的DG的下游。当线路CD末端发生三相短路故障F2时，流过保护3的电流波形如下：

对比上面两个波形图，可以看出，DG接入后发生故障时流过保护3的故障电流明显增大很多，这在一定程度上能够提高保护3的灵敏度，但是也容易使保护3的保护范围延伸到下一级线路，失去选择性。

（3）故障发生在DG的相邻馈线。当线路AE末端发生三相短路故障F3时，流过保护1、2、4的电流波形如下：

从上面的波形图可知，当DG的相邻馈线发生故障时，和保护3的情况相同，流过保护4的电流明显增大，一方面能提高保护4的灵敏度，另一方面会失去选择性。而保护1因为有较大的反向电流流过容易造成误动作。

通过仿真计算表明，该方案能解决DG接入配电网引起的保护问题，且该方案的电流速断保护能够保护线路全长，解决了配电网短线路多，容易致使保护失去选择性的问题。

5 结论

由于配电网配置比较简单，主要以电流保护为主，其整定值是按照系统的最大运行方式进行计算。虽然这种计算方法能够保证系统在各种运行方式下保护都不误动作，但是容易缩小保护范围，甚至在某些严重情况下失去保护范围，尤其在配电网较短的线路中和分布式电源接入的配电网中。利用现代通信技术手段和高性能数字信号处理器DSP实现快速实时的在线计算电流整定值是实现本保护方案的关键。分布式电源接入配电网已经成为一个势不可挡的趋势，所以应该更加重视和研究更多的适用于含DG的配电网保护方案。

参考文献

[1]郭铭，艾芊.分布式发电接入對配电网继电保护的影响分析[J]. 供用电，2010，27（1）：1-3.

[2]崔红芬，汪春，叶季蕾，等.多接入点分布式光伏发电系统与配电网交互影响研究[J].电力系统保护与控制，2015，（10）：91-97.

（作者单位：广东电网有限责任公司中山供电局）