分布式电源容量对配电网保护的影响分析

李　晶，李　鑫，马　越，薛秀梅

（1.沈阳工程学院，沈阳　110136；2.河南省电力公司商丘供电公司，商丘　476000；3.沈阳铁路局沈阳电务段，沈阳　110032）

分布式电源容量对配电网保护的影响分析

李晶1，李鑫2，马越3，薛秀梅2

（1.沈阳工程学院，沈阳110136；2.河南省电力公司商丘供电公司，商丘476000；3.沈阳铁路局沈阳电务段，沈阳110032）

配电网中短路电流大小流向及分布发生的变化，使得含分布式电源的配电网中的各种保护发生了剧烈的改变，可能造成漏电保护及自动装置误动或拒动。本文通过仿真分析分布式电源对配电网电流保护的影响，验证了分布式电源的接入将影响继电保护的准确动作。

分布式电源；配电网；继电保护；误动

分布式电源作为一种新兴电力电源技术[1-2]，因其具有规模小、高效灵活和经济环保等特点成为电力工业的发展趋势[3-4]。随着大量分布式电源并入配电网后，改变了配电网原有潮流分布[5-6]，对电力系统继电保护及安全自动装置的配置和动作整定带来一定难度[7-8]，可能造成继电保护及安全自动装置误动或拒动等，严重影响配电网的供电可靠性[9-12]。为保证含分布式电源的配电网在故障消除后能及时智能地恢复供电，含分布式电源的配电网对继电保护和控制提出了新的要求。

针对含分布式电源配电网保护问题，近年来国内外学者提出了一些解决方案[13-15]。但这些方案执行时均存在一些弊端。

本文首先论述了分布式电源接入对传统的配电网保护的影响，并利用Matlab建立分布式电源和配电网模型，根据仿真结构分析了分布式电源的容量和接入位置对配电网保护的影响。

1　DG对配电网电流保护的影响

1.1保护误动

如图1所示，保护B2所在线路末端发生短路故障时，由于DG的接入，保护B2检测到的电流IB2将增大；且DG的容量越大，IB2越大，IB2有可能大于电流保护I段整定值，造成保护误动。

图1　DG对本线路下游保护的影响Fig.1　DG impact of the downstream of line protection

保护B1和B2的无时限电流速断保护整定值为

式中:Zdg为分布式电源和变压器阻抗；SB为系统基准容量；Sdg为分布式电源容量。

由图2可见，BC线路末端发生三相短路故障，当DG容量大于6 MVA时，保护B2检测到的故障电流将大于其速断保护整定值，引起保护误动。

图2　BC末端短路时B2检测到的故障电流随DG容量的变化Fig.2　B2 detects the fault current changes with DG capacity in the BC terminal short-circuit

保护的误动还有另外一种情况。如图3所示，当相邻线路发生三相短路故障时，保护B1将检测到DG提供的反向电流，此时保护B1可能误动，切除DG所在线路。

图3　相邻线路故障时，DG对本线路上游保护的影响Fig.3　DG impact of the upstream of line protection in the nearby line fault

式中，λ为分支系数。

取前面参数值，Z4为AD段线路阻抗，取值1.2。

由式（6）可知，Sdg已知情况下，λ越小，IB1越大。考虑Sdg影响，故障点离母线越近，短路电流越大，保护越有可能发生误动，取λ=0.001。

由图4可知，相邻线路离母线较近的位置发生三相短路故障时，由于DG的作用，本线路保护可

图4　相邻线路短路时B1检测到的故障电流随DG容量的变化Fig.4　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the nearby line short-circuit

1.2保护的灵敏度降低

图1中线路BC发生短路故障，与原配电网相比，在接入DG的情况下，保护B1检测到的故障电流 IB1减小，灵敏度将变低。考虑两相短路，

考虑DG对保护B1灵敏度的影响，λ越大，灵敏度越低，因此取λ=1。由图5知，随着DG容量的增大，B1检测到的故障电流迅速减小，过电流保护灵敏度将明显降低。当DG容量超过55 MW时，B1处故障电流小于其过电流保护整定值，此时如果B2速断保护故障，B1将拒动，故障无法隔离。

图5　BC末端两相短路时B1检测到的故障电流随DG容量的变化Fig.5　B1 detects the fault current changes with DG capacity in the two-phase short circuit of BC terminal

2　DG对配电网继电保护影响仿真分析

2.1仿真模型参数

1）系统电源参数

系统侧电压选取10 kV配电网的额定电压为10.5 kV，系统最大运行方式和最小运行方式的系统阻抗 值 分别为 ：Xs,min=0.091 Ω ；Ls,min= 0.000 29 Ω；Xs,max=0.126 Ω；Ls,max=0.000 4 Ω。

2）线路参数

包括架空线路和电缆线路。一般电缆线路故障多为永久性故障，故全电缆线路上不装设重合闸装置，只装电流保护装置。对于架空线路，一般装设三段式电流保护和前加速自动重合闸装置。

选取架空线路参数为：R=0.27 Ω/km；X=0.347 Ω/km。

选取电缆线路参数为：R=0.259 Ω/km；X=0.093 Ω/km。

如图6所示，模型为含分布式电源的配网图，馈线末端为负荷。AB、BC段各为2 km的架空线路，CD、DE段分别为7 km、14 km的电缆线路。分布式电源从母线C接入电网。馈线2由两段线路组成，AF为4 km的架空线路，FG为6 km的电缆线路。结合单位线路参数，可以得出各段线路的参数如表1所示。

图6　含分布式电源的配电网模型Fig.6　Model for distribution network with distributed generation

表1　模型参数阻抗Tab.1　Impedance of model parameters

3）负荷参数

配电网中负荷参数选取的依据为限制每条馈线上电流有效值不超过200 A。本文采用恒阻抗模型代替负荷：ZLD=30+j15.7 Ω，相当于单条馈线上所带负荷约为4 MVA。

2.2DG模型的建立

分布式电源采用受控电流源等效，如图7所示，对Irefa、Irefb、Irefc加以PQ控制，即可满足分布式电源特性的要求。将分布式电源机组用一个模块封装起来，其中CTRL为将分布式电源控制中所需的Ea、Eb、Ec采集作为输入信号输入到模块中，Eout为该模块的输出信号。

分布式电源PQ控制如图8所示，为实现机组输出的相位与外部电网一致，采用锁相环电路。

图7　分布式电源仿真模型Fig.7　Simulation module of distributed power

图8　分布式电源PQ控制仿真电路Fig.8　Simulation circuit of PQ control with distributed power

3　DG接入对继电保护影响仿真结果分析

首先考虑无分布式电源的情况。对于三相短路故障，可完全用正序参数进行计算分析。计算系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流，如表2所示。

表2　系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流Tab.2　Fault current occuring three-phase short-circuit fault at the end of each line in the maximum system operation mode

根据表2得出的故障电流按照电流保护整定公式进行各保护的电流速断保护整定（可靠系数KK=1.2）。由于电流保护的保护范围随系统运行方式的变化而变化，按系统最小运行方式下两相短路来校验保护范围，可得出各处保护电流速断保护整定值及保护范围，如表3所示。

限时电流速断保护用来切除本线路上电流速断保护范围以外的故障，并与下一段电流速断保护相配合。另外，为能够保护线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时具有足够的反应能力灵敏度。本节所用系统模型各处保护限时电流速断保护整定值（可靠系数KK=1.1）及灵敏度如表4所示。

表3　配电网电流速断保护整定值Tab.3　Setting values of current interruption protection of distribution network

表4　配电网限时电流速断保护整定值及灵敏度Tab.4　Setting values and sensitivity of limit current quick break protection of distribution network

由以上分析看出：无分布式电源的情况下，算例模型进行的保护配置满足了对保护选择性和灵敏性的要求。

下面考虑分布式电源不同容量、不同接入位置的情况下对配网继电保护影响。

1）d1（AB末端）发生三相短路

C点接入DG后，在d1发生三相短路时的电流如表5所示。在d1故障时，保护1和保护2都应该动作以分别切除系统电源和分布式电源对故障点提供的短路电流。但由表5的仿真数据可知，在Sdg<57.6 MVA时，分布式电源提供的短路电流不足以使保护动作；当Sdg≥57.6 MVA时，保护2的限时电流速断才动作（≥2.228 kA）。因此应对保护2加装方向元件并重新设定整定值。

表5　d1发生三相短路时的短路电流Tab.5　Short-circuit current of d1 three-phase shortcircuited

2）d3（AF末端）发生三相短路

C点接入分布式电源后，在d3发生三相短路时的电流如表6所示。根据第3.1节分析，d3发生故障时，分布式电源会对保护1和保护2提供反向电流，如果此反向电流超过保护1、2的整定值可能造成误动。根据表4～表6的数据分析，在DG容量从0到40 MVA的变化过程中，I1（=I2）随之逐渐增加，当分布式电源容量增到37.47 MVA以上，I2≥Iact.2，保护2的电流保护H段将会误动作。另一方面，保护4的故障电流是减小的，这是因为分布式电源是接在线路的非末端而不是末端。当分布式电源接在末端时肯定会向保护4提供助增电流，但当接在非末端时电流的分配将受整个配网阻抗参数的影响。由表6可知，随着分布式电源容量的增加，ES是减小的，因此I也会减小而不会造成误动。

表6　d3发生三相短路时的短路电流Tab.6　Short-circuit current of d3 three-phase shortcircuited

4　结语

DG的位置及容量因素将影响配电网保护的准确动作。DG的接入可能导致流过其上游保护的短路电流减小，保护灵敏度降低；DG所在线路的相邻线路发生故障时，本线路的保护可能会误动，DG的接入增大了流过其下游保护的短路电流，下游保护可能误动。

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Analyse on the Capacity of Distributed Generation on Distribution Network Protection

LI Jing1，LI Xin2，MA Yue3，XUE Xiumei2
（1.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China；2.Henan Power Company of Shangqiu Power Supply Company，Shangqiu 476000，China；3.Shenyang Railway Bureau of Shenyang Electrical Section，Shenyang 110032，China）

All protection contained in distributed generation(DG)is radical changed by the alteration of short-circuit cur⁃rent flows,size and distribution.Then it would occur that the leakage protection and automatic device might malfunction or refuse to move because of the changes.Through the simulation,the impact on the current protection of the distribution network by DG is analyzed,and the paper has verified that the accurate action of relay protection is affected by DG access.

distributed generation（DG）；distribution network；relay protection；unwanted operation

TM773

A

1003-8930（2016）02-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.016

李晶（1964—），女，本科，副教授，研究方向为电力系统自动化。Email：494581440@qq.com

李鑫（1968—），女，本科，工程师，研究方向为调控及继电保护。Email：1242114177@qq.com

马越（1992—），女，本科，助理工程师，研究方向为电气工程。Email：yma10@sina.com

2015-07-23；

2015-08-26