分布式电源接入对配电网继电保护的影响分析

王红燕 张丽珍

（山西电力职业技术学院电力工程系）

0 引言

分布式电源 （DistributedGeneration，简称 DG）作为一种新兴的发电形式［1］，是指小型化、模块化、容量较小的发电装置。从地理位置上距离负荷较近，一般分布在负荷附近。分布式电源具有清洁、环保的特点，比如光伏、风电和小水电。考虑到分布式电源的特点以及整合电源的成本，目前分布式电源应用主要以分散形式接入配电网络为主。

配电网络是主网与负荷之间的连接通道，起到分配电能的作用，传统配电网都是潮流流向固定的单电源网络。分布式电源接入配电网后，抵消一部分负荷后势必改变配网潮流的分布。当系统发生短路故障时，DG还会向故障点注入短路电流，改变了配电网的节点短路水平，故而影响配电网继电保护［2］装置的可靠动作。DG的类型、安装位置和容量等因素都将对继电保护整定值造成影响。

本文介绍了目前配网中应用范围较广的三段式电流保护［3］和距离保护［4］，通过故障时分布式电源向故障点注入短路电流的流通路径来分析DG接入后对继电保护拒动、误动、保护整定以及重合闸［5］的影响，并给出了几条完善接入DG的配电网的保护方案的措施和建议，为更多地利用分布式能源奠定了基础。

1 配电网保护配置

我国的配电网都是闭环设计，为了限制短路电流实际中多数为开环运行。配电网的潮流是一种自上而下的流通形式，不存在潮流的双向流动，如图1所示等效的单电源供电配电网络。再考虑到配电网电压比较低，所以比较于主网，配网配置的继电保护相对比较简单。我国配电网应用比较广泛的继电保护有三段式电流保护和距离保护等。

1.1 三段式电流保护

配电网中最常用的保护就是电流保护，当发生故障时故障电流超过保护整定值，电流保护可靠动作，一般设置一二三段：电流速断保护、限时电流速断保护和定时过电流保护。三段电流保护整定值不同，保护范围不同，动作时限也不同，三者相互配合共同保护配网系统。

1.1.1 电流速断保护

故障电流超过保护整定值零延时动作。为了保证四性中的选择性，速断保护的整定值比较高，通常按照躲过相邻线路出口处短路保护不动作来设定，保护范围较小，一般保护线路全长的85%～90%。如图1所示，当发生f1故障时，故障电流超过了电流速度保护的整定值，电流速断保护跳开关S1。当发生故障f2和f3的时候，故障电流达不到开关S1处安装的电流速断保护的整定值，所以该处保护不动作。

图1 辐射型配电网

1.1.2 限时电流速断保护

为了弥补电流速断保护不能保护线路全长的不足，增加了限时电流速断保护，同时也作为速断保护的后备保护。该保护的整定值比速断保护低，保护范围为线路全长以及相邻线路的一部分。如图1中的f2故障，f2并不在开关S1和S2的速断保护范围内，二者均不动作，此时由开关S1的限时电流速断保护动作跳开开关S1。

1.1.3 定时限过电流保护

定时限过电流保护是按照躲过线路最大负荷电流整定的，其整定值相对较低，动作延时较长，保护范围也最长。定时限过电流保护能够保护本线路以及相邻线路全长，可作为本线路保护的近后备保护，也可以作为相邻线路的远后备保护。如图1中故障f3，故障f3会启动开关S2的三段保护，同时也会启动开关S1的定时限过电流保护。当开关S2跳不开时定时限过电流保护会跳开关S1。在实际配网运行中，通常是将三段式电流保护结合起来。遇到故障时各开关保护启动情况如表1所示。

表1 故障时各保护启动情况

1.2 距离保护

随着用电负荷的快速增长以及重要负荷数量的增加，配电网的安全可靠性也越来越重要。考虑到目前我国配电网存在网架薄弱的问题，所以电流保护在某些重要的复杂配电网络中灵敏度越来越不能满足要求，而且电流保护受系统运行方式影响比较大。为了解决上述问题，在35kV及以上重要的配电网中，一般把距离保护作为线路的主保护。

距离保护反映的是故障点到保护安装处的距离，用测量阻抗来表征。各母线处的母线相电压和流经该线路的电流之比为该处保护的测量阻抗如式 （1）所示。当系统处于正常运行时，保护测量的阻抗值较大。当发生短路故障时，由于电压降低电流增大，所以测量阻抗值会变小。故障点距离保护安装处越近，测量阻抗越小。

配网中安装的距离保护也是分为三段。同样地为了保证选择性，距离Ⅰ段的保护范围在本线路内，其阻抗整定值应小于线路全长的阻抗值，一般保护范围为线路全长的80%-85%。距离Ⅱ段的保护范围超过本线路全长，并不超过相邻线路距离Ⅰ段的保护范围。距离三段是按照躲过最小负荷阻抗值整定。保护范围最大。三段式距离保护及其时限特性如图2所示。

图2 三段式距离保护及时限特性

2 分布式电源接入对保护的影响

2.1 对电流保护的影响

三段式电流保护是检测线路电流是否突然增大来判断是否发生故障，并以故障电流大小和时限配合有选择性地切除故障，从而达到保护系统的目的。分布式电源接入后，改变了系统结构同时也影响了系统潮流的分布，含DG等效的两馈线配电网如图3所示。根据分布式电源的安装位置与故障发生点的相对位置，分为三种情况来讨论：DG电源侧故障，DG负荷侧故障和相邻馈线故障，如图3所示的故障f1、f2和f3。

图3 含分布式电源的两馈线配电网

2.1.1 DG电源侧故障

当分布式电源上游发生故障，如图3中故障f1，系统电源和分布式电源都会向故障点f1注入短路电流。从而故障电流会比没有DG的配网系统要大，再考虑到接地点接地电阻的存在，所以电流增大会抬高f1点的电压，系统电源向故障点注入的短路电流会有所降低。如果降低得比较大，流过开关S1的故障电流达不到整定值，开关S1可能会拒动。开关S2上会流过DG向故障点注入的短路电流，所以开关S2可能会误动，其他开关受到的影响不大。

2.1.2 DG负荷侧故障

当分布式电源下游发生故障，如图3中故障f2，系统电源和分布式电源都会经过馈线A向故障点f2注入短路电流。同样的由于故障点电压抬高，系统经过开关S1和开关S2注入的短路电流会降低。但是对于故障f2，开关S1和开关S2本就不应该动作，但是故障电流减小会降低这两处后备保护的灵敏度。开关S3上流过的故障电流会增大，保证S3可靠跳开，提高了开关S3的灵敏度，其他开关不受影响。

2.1.3 DG相邻馈线故障

当分布式电源所在馈线的相邻馈线发生故障，如图3中故障f3，系统电流会经过馈线B向故障点注入短路电流，DG会经过所在的馈线A再经开关S5和S6向故障点注入短路电流。如果分布式电源容量足够大，开关S1和开关S2上流过DG提供的故障电流可能导致开关S1和开关S2误动作。流过开关S5上的故障电流会比无DG系统有所增大，导致S5也存在误动作的可能性。开关S6流过的故障电流增大，灵敏度提高，保护可靠动作。其他开关不受影响。

三种情形下开关受影响的情况如表2，综合以上三种情况可以看出，分布式电源接入后对DG所在位置的下游故障保护的影响比较小，对上游开关以及相邻馈线开关影响比较大。这单单只是考虑了单个DG接入的情形，当DG接入数量较多时，受影响的开关数量会更多，情形会更加复杂。

表2 DG接入对开关的影响

2.2 对距离保护的影响

分布式电源向故障点注入的短路电流与其自身容量的大小有关，容量越大注入的短路电流越大，容量越小注入的短路电流越小。另外还与DG至故障点的阻抗与DG至系统电源的等效阻抗有关。本节分成DG正向助增和反向助增两种情况来分析对距离保护的影响。

2.2.1 DG正向助增

如图3中故障f2时，由于DG会向f2注入短路电路，所以DG会正向助增开关S2上的电流。开关S2处安装的距离保护，测量到电流会比无DG时有所增大，距离Ⅰ段动作不受影响，且灵敏度提高，保护范围也有所扩大。但对于上游的开关S2的距离保护Ⅱ段，由于DG的正向助增，开关S2处安装的距离保护检测电压值会变大，测量阻抗变大，导致此处的距离Ⅱ短保护范围减小。距离Ⅲ段因为是按照躲过最大负荷来整定的，所以受到的影响比较小。

2.2.2 DG发向助增

距离保护可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性，因此DG机组的反向助增电流对原有距离保护无影响。

2.3 对重合闸的影响

系统中很多故障都是瞬时的，断路器跳闸后电弧熄灭，导致故障的因素也随即消失。为了最大限度地减少停电时间，一般都会安装线路重合闸，对断路器发合闸指令恢复送电。配电网的线路重合闸能够提高配网的供电可靠性，当分布式电源接入后，可能会对重合闸产生影响：

（1）保护动作后，系统电源侧开关跳开。但是系统中的分布式电源会向故障点提供电流，导致故障处的电弧不容易熄灭。如果此时重合闸动作，开关重合于故障上，那么会造成重合闸失败，所以DG的接入降低了重合闸成功率。

（2）保护动作后，系统电源侧开关跳开。DG在解列之前会带着下游负荷继续运行，此时形成了DG的孤岛。没有了系统电源的支撑，再考虑到DG出力的不稳定性，孤岛的频率、电压以及相位等变化较大。重合闸动作，可能会对原有系统带来不小的冲击甚至引发系统震荡。

3 含DG的配电网保护改进策略

3.1 限制DG提供的短路电流

分布式电源接入配电网，改变了系统潮流分布的同时还会向故障点注入短路电流，影响原有继电保护的方案配置。消除分布式电源对继电保护的影响，首先要限制DG向故障点注入的短路电流。如果通过限制DG的容量来限制DG提供的短路电流，势必会造成电力资源的浪费，并不是一种切实可行的方法。通过研究发现，不同类型接入方式的DG提供短路电流的能力不同，如表3所示。

表3 不同类型DG提供短路能力

由表3可以看出，逆变型DG相较于旋转型DG注入的短路电流要小。所以对于旋转型分布式电源，如风力发电机，如果容量较大可以考虑通过整流逆变装置接入配电网，如图4所示。系统正常运行时，DG的电能通过逆变装置变成工频电流接入配电网。当系统发生故障时串联式逆变器［6］提供反向电压限制DG提供的短路电流。对于小型或者微型风力发电机，考虑到成本问题，可以直接接入配电网。

图4 DG通过逆变器接入配电网

3.2 更改保护定值

由于DG的接入改变了原有的短路电流大小，所以需要重新整定保护装置动作电流值才能使含有DG的配电网保护装置正确动作。对于三段式电流保护，主要是对DG所在馈线的相邻馈线以及上游馈线的保护定值进行调整，对于距离保护，主要是对DG有助增作用开关处的保护值进行调整。考虑到成本因素，可以在配网中一些特殊场合有选择性地加装方向元件，这样对于三段式电流保护和距离保护都会有更好的保护效果。

4 结束论

含分布式电源的配电网线路发生故障时，分布式电源的注入电流会导致配电网保护的误动或者拒动。本文介绍了电流保护和距离的基本原理，分析了DG对电流保护和距离保护以及重合闸的影响，并给出了配电网的保护方案完善措施和建议。主要结论如下：

（1）对装有三段式电流保护的配电网，DG对相邻馈线以及上游馈线的开关影响较大，需对其保护定值进行调整，才能保证系统保护的可靠动作。

（2）对装有距离保护的配电网，DG对有正向助增作用开关处的保护影响较大，需对其定值进行调整或者加装方向元件。对有反向助增作用的开关基本没有影响。

（3）对于旋转型分布式电源，成本允许的情况下，可以考虑通过整流逆变装置的形式接入来限制注入系统的短路电流。