分布式电源对配电网电流保护的影响

王训哲，曹昂，盛逸标

（1.武汉大学 电气工程学院，武汉430072；2.新南威尔士大学电气工程与通信学院，悉尼2032）

0 引 言

能源是当代人类物质文明发展的根基。过去的几个世纪中，以煤炭、石油、天然气等化石燃料为核心的能源结构对人类文明的发展做出了十分突出的贡献。随着化石能源日益的枯竭，如何更多的利用可再生的清洁能源进行发电，减少化石燃料的消耗，改善能源结构单一的现状，已经成为世界范围内电力领域研究的热点问题。

目前我国的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统，而大电网由于自身固有的缺陷，已经无法满足当今时代发展对电力行业越来越高的需求。随着当前负荷种类的增加，负荷的变化将变得更加迅速，大的电网难以追踪这种变化，当负荷的峰值与谷值之间的差距越来越大时，电网中的相关设施的利用率会下降，减少经济效益。发达国家的相关经验可以证实：以超高压和特高压为构架的大型电网系统，辅之以风能、太阳能等为主的分布式发电系统，能有效增加能源利用效率，提高电力系统安全性以及灵活，也将是未来电力行业的发展趋势［1-3］。

分布式发电系统通常是指容量在几千瓦至数十兆瓦之间的、以分散方式布置在用户附近的、为环境兼容并且较为节能的发电装置。DG主要用以提高供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害情况下维持重要用户的可靠供电。此外DG还具有提高能源利用率、调峰、减少温室效应、节省输电走廊等效益。DG接入到已经存在的配电网中，将改变系统的固有结构，原有的单辐射供电网络因分布式电源的接入会改变为双端或者多端的网络，可能会引起原有的继电保护误动或者拒动，降低了供电可靠性［4-6］。

1 分布式电源的建模

目前，国内外学者针对逆变型分布式电源的研究，关注的重点是逆变型电源输出响应速度上的差异［7-9］。在分布式电源的外部发生故障时，变流装置会对外部的故障迅速做出反应，分布式电源在故障后输出的有功及无功在极短时间内能够很快的恢复到正常值。在次暂态过程中，由于有冲击电流的存在，分布式电源输出的有功和无功与故障前相比都会有所增加。但是次暂态过程存在的时间较短，在暂态和稳态过程中，可以将逆变型分布式电源假定为恒功率模型。在系统正常运行的情况下，电网的潮流确定其电压、电流值；发生故障时，保持故障前后的输出功率不变，由于故障原因，IIDG接入点的电压将下降，而电流将与电压成反比例的关系。因此，本文将使用一个可控电流源来对逆变型的分布式电源进行等效处理［10-11］。

在PSCAD仿真软件中，具体的模型如图1所示。

图1 分布式电源的恒功率等效模型Fig.1 Constant power equivalent model of DG

逆变型的分布式电源在发生短路故障前后，对外输出的功率可以看作是恒定的，因此本文所采纳的模型是三相受控电流源，用三个独立的正弦信号发生器构成该受控电流源的三相，如图2所示。

图2 可控电流源的模型图Fig.2 Controlled current source model diagram

对于ABC三相而言，初始相角定义为可调的。ph I为初始相角，phA为 90°，phB为 210°，phC为-30°，彼此相差 120°，如图3所示。

图3 可控电流源的相位控制Fig.3 Phase control of controlled current source

在图4中，首先通过实时电压测量器Epv得到分布式电源接入点的电压值。仿真中分布式电源的容量设定为10 MVA，利用除法器得到该受控电流源输出的电流值。由于正弦发生器输入的电流值Ipvm是电流的幅值，而Epv所测量的结果是三相受控电流源的线电压，因此由除法器S/Edg所得到的结果乘以得到受控电流源的幅值Ipvm。

图4 可控电流源的幅值控制Fig.4 Amplitude control of controlled current source

2 DG对三段式电流保护影响的理论分析

分布式电源位于不同的位置，会给继电保护带来不同的影响。本文对以下三种情况进行了理论分析，分别是：分布式电源位于故障点的上游，分布式电源位于故障的下游和分布式电源位于故障的相邻馈线。

2.1 DG位于故障的上游

如图5所示，当在母线f2处发生短路现象时，分布式电源会和大电网同时向短路点流过短路电流，这样会导致流过保护R2的短路电流值较之无分布式电源时有所增加。当DG容量较大或DG与保护越近时，有可能会造成保护R2的瞬时电流速断保护误动。保护R1检测到的电流值将减小，当保护R2不能动作而由保护R1动作切除故障时，由于检测到电流值的减小，可能会造成保护的拒动。

图5 DG位于故障的上游Fig.5 DG is upstream of the fault

2.2 DG位于故障的下游

如图6所示，当在母线f2处发生短路现象时，分布式电源会和大电网同时向短路点流过短路电流，这样会导致流过保护R2的短路电流值较之无分布式电源时有所增加。当DG容量较大或DG与保护越近时，有可能会造成保护R2的瞬时电流速断保护误动。保护R1检测到的电流值将减小，当保护R2不能动作而由保护R1动作切除故障时，由于检测到电流值的减小，可能会造成保护的拒动。

图6 DG位于故障的下游Fig.6 DG is downstream of the fault

2.3 DG位于故障的相邻馈线

如图7所示，当保护R5出口附近的fl母线发生短路现象时，分布式电源和大电网同时向短路点流过短路电流，这样会导致流过保护R4的短路电流值较之无分布式电源时有所增加。当分布式电源的容量很大时，有可能会使其大于电流保护的动作值，从而造成保护的误动。

图7 DG位于故障的相邻馈线Fig.7 DG is on adjacent feeder of the fault

3 仿真分析

根据某10 kV配电网的实际参数，搭建了含DG的配电网模型，进行仿真验证。DG通过C母线连入配电网，三相短路故障发生在D母线，所搭建的含DG配电网仿真模型如图8所示。

在PSCAD中进行仿真分析，可以得到故障前后流过保护BRK1到保护BRK4的电流值。

图8 DG位于故障上游的配电网图Fig.8 Distribution network with DG upstream of fault

（1）无DG时和有DG时，配电网故障发生前后流过 BRK1的短路电流分别如图9（a）和图9（b）所示；

（2）无DG时和有DG时，配电网故障发生前后流过 BRK2的短路电流分别如图10（a）和图10（b）所示；

（3）无DG时和有DG时，配电网故障发生前后流过BRK3的短路电流分别如图11（a）和图11（b）所示；

（4）无DG时和有DG时，配电网故障发生前后流过BRK4的短路电流分别如图12（a）和图12（b）所示。

图9 BRK1的短路电流Fig.9 Short circuit current of BRK1

图10 BRK2的短路电流Fig.10 Short circuit current of BRK2

图11 故流过BRK3的短路电流Fig.11 Short circuit current of BRK3

图12 流过BRK4的短路电流Fig.12 Short circuit current of BRK4

当DG下游的D母线发生三相短路故障时，有DG时和无DG时流过保护1的短路电流基本相等。对于保护4，母线D发生短路故障时不会影响流过保护4的短路电流，因此重点是分析保护2和保护3在有无分布式电源时的情况。

对于保护2，由于分布式电源和大电网一起向短路点流过短路电流，大电网经保护2向短路点注入短路电流。由于DG的接入，使得保护2测量大电网提供的短路电流降低，当降低到保护2的整定值时，保护2将会拒动。对于保护3，大电网和分布式电源一起向短路点流过短路电流，此时保护3测量电流值将增大，保护的可靠性会提高，但有可能会造成保护3的误动作。在MATLAB中计算故障时流过保护2和保护3的基波电流的幅值。

对于保护2，在无DG和有DG的情况下，计算得到的基波短路电流基幅值如图13所示。

图13 BRK2的短路电流基波幅值Fig.13 Short circuit amplitude current of BRK2

对于保护3，在无DG和有DG的情况下，计算得到的基波短路电流基幅值如图14所示。

当D母线发生三相短路故障，即DG位于故障的上游，针对保护2和保护3，可以得出如下结果：

图14 BRK3的短路电流基波幅值Fig.14 Short circuit amplitude current of BRK3

（1）对于线路BC的保护2，在无 DG时的情况下，故障电流基波幅值为1.647 kA；在有DG时的情况下，故障电流基波幅值为0.746 4 kA，有DG时的短路电流小于无DG时的短路电流。当保护2作为后备保护时，有可能造成保护的拒动；

（2）对于线路CD的保护3，在无DG时的情况下，故障电流基波幅值为1.612 kA（有效值为1.14 kA），未超过整定值，电流I段保护不会动作；在有DG时的情况下，故障电流基波幅值为3.099 kA（有效值为2.19 kA），超过I段的整定值1.36 kA。因为故障发生在线路末端，在发生三相短路故障时，保护3的电流速断保护不会动作。但是在有DG接入配网的情况下，流过保护3的短路电流超过了整定值，因此保护3会发生误动，与理论分析相符。

通过在含DG的10 kV配电网中进行仿真验证，验证了理论分析的正确性。

4 基于本地信息量的自适应电流保护方案

提出了基于本地信息量的自适应保护方案，在接入恒功率的分布式电源后，已有保护不能满足继电保护动作可靠性的要求。自适应保护通过实时观测当前系统的故障状态信息，通过计算机对保护值进行在线的整定，改变保护原有性能以适应运行状态的变化，进一步改善保护的性能［12］。

通信技术的快速发展，使得基于通信信息的广域保护受到广泛研究。考虑到信息传输时延对系统响应的影响；其次，系统发生故障时，通信网络会传输大量的故障信息，如何保证可靠、迅速地传送关键的数据也是当前面临的难点；当通信系统出现故障时，基于广域信息的保护也将失效。因此，研究基于本地信息量的自适应电流保护具有重要且意义。例如可以通过本地变电站检测到的故障信息，区分潮流转移过负荷和保护区域内故障，对保护定值进行修改。基于本地信息的系统保护位于传统保护和稳控技术的结合区域，可以有效降低对通信网络和通信实时性的依赖程度［13-14］。

5 结束语

分布式电源作为现有大电网的有力补充，对增强原有电力系统的安全性、降低能源损失、改善环境质量和实现能源的永续利用方面，发挥着决定性的作用。当分布式电源接入到已经存在的配电网中，将改变系统的固有结构，原有的单辐射供电网络因分布式电源的接入会改变为双端或者多端的网络，对配电网的继电保护装置带来诸多不利影响。本文建立了分布式电源的恒功率等效模型，详细分析了DG并入配电网不同位置时对三段式电流保护动作行为的影响，在PSCAD中通过仿真验证了理论分析的正确性，并提出了基于本地信息量的自适应电流保护方案，为并入DG后的配电网继电保护算法研究提供了一定的理论依据。