含分布式电源配电网的相间短路故障分析

张旭敏 赵晓芳

摘要：随着电力系统的快速发展，越来越多的分布式电源接入配电系统，因此，配电网结构越来越复杂。当配电网发生故障时，准确高效地找出故障点或区域是快速隔離和尽快恢复供电的前提条件，对提高配电系统可靠性具有重要意义。分析分布式电源对不同地点电网短路电流的贡献，从系统监测目的出发提出电流互感器的装设位置和选型原则，并研发了一种含分布式电源配电网的故障电流监测系统及其数据中心分析软件。

关键词：配电网;分布式电源;故障诊断;故障定位

引言

目前，国内配电网系统大多是单侧电源、辐射型网络，在现有保护配置下，如果在配电网中接入DG，将会对配电网的保护产生较大的影响如图1所示，当DG下游发生故障时，对于DG下游的保护1和保护2，DG的接入增加了流过它们的电流，对过电流保护动作有利，但是有可能会使2处的电流速断保护范围延伸到下一条线路，从而使速断保护动作失去选择性;对于保护2和保护3，由于保护2处的过电流保护检测到的短路电流增大，保护3处检测到的短路电流减少，使得保护2处的过电流保护动作灵敏性增大，保护3处的灵敏性降低，因此，DG的接入将更有利于保护2处和保护3处的过电流保护的协调。当DG上游发生故障时，对于保护3和保护4，其感受到的故障电流只由系统提供，故DG的接入不会对其构成影响。当相邻馈线发生故障时，DG供出的反向短路电流有可能导致DG上游的保护误动作，从而中断健全线路的正常供电。根据DG接入的数量以及DG接入点和故障点位置的不同，文献[2]还详细分析了其他一些情况下DG对保护的影响。

1分布式电源对配电网故障电流的影响及其监测点的选择

1.1分布式电源的短路电流特性

分布式电源多通过并网变流器并网发电，当电网发生短路故障时，分布式电源提供的短路电流特性主要取决于并网变流器的额定容量和控制策略。在幅相控制策略下，并网变流器输出的短路电流约为其额定电流的5倍，主要取决于串联电抗器的电抗率;在当前普遍采用直接电流控制策略下，并网变流器具有限流功能，其输出的短路电流常被限制在额定电流的1.5倍以内。并网变流器输出短路电流的暂态过程很短，一般可控制在10ms之内，在工程计算中可忽略。为此，并网变流器型分布式电源输出的短路电流可表示为：

式中，ISC.DG为分布式电源输出的短路电流;IN.DG为分布式电源的额定电流;kOC为分布式电源的允许过电流倍数。

1.2分布式电源对配电网短路电流的贡献

配电网的结构复杂多变，分布式电源接入配电网的形式和位置也是根据具体情况而定的，没有统一的模式。就某个分布式电源而言，其对配电网短路电流的贡献与分布式电源的容量、接入配电网的位置、短路点的位置等密切相关。

1.3分布式电源对配电网继电保护的影响

分布式电源接入配电网后，显著影响了短路点的短路电流和流过保护元件的短路电流，进而对配电网的继电保护有着一定程度的负面影响或正面作用。这种影响可归结为如下几点：（1）增大了短路点的短路电流;（2）增大了相邻支路短路点（如k2）上游保护元件（如P2和P3）中的短路电流，一方面有助于提高保护元件P3的灵敏度，但另一方面可能导致保护元件P2无选择性地误动作;（3）短路点电流增大引起短路点电位升高，进而降低分布式电源上游短路点（如k3）上游保护元件（如P4）中流过的电流，导致P4的保护灵敏度下降、拒动风险增大;（4）增大了分布式电源下游短路点（如k4）上游保护元件（如P5）中流过的电流，提高了P5保护的灵敏度。

2含DG的保护改进方案

针对DG接入后对传统保护造成的恶劣影响，国内外学者从不同角度提出了含DG的配网保护改进方案，可以分为以下5个方向：1）考虑经济性因素，限制DG的接入容量，从而沿用原有保护装置和方案;2）加装少量设备，采用改进的自适应保护方案，以灵活地适应DG对保护的影响;3）基于通信技术，根据多点信息实现保护动作判断;4）针对可能出现的不可控孤岛问题，采用孤岛检测技术快速检测孤岛，以降低不可控孤岛对电网的负面影响;5）在紧急情况进行孤岛划分，避免故障面积扩大，同时保障供电安全。

2.1限制DG的准入容量

为了确保配电网安全可靠运行，DG的接入要受到各种限制。国内外已有许多文献从不同的约束条件入手，对DG在配电网中的接入位置和准入容量进行了分析。如考虑继电保护动作、保护可靠性、谐波约束、保护间配合约束、电压约束和孤岛运行等条件对准入容量的影响。考虑DG接入配网的准入容量，能在保证供电质量的同时充分利用DG，对缓解供电压力、降低发电污染等都具有一定的意义。然而，当前准入容量的计算基本都只针对一个或几个约束条件，缺少综合全面考虑的方案。此外，当前对准入容量的研究都是以稳定正常运行状态作为前提，没有对DG并网过程、系统故障等特殊状态进行考虑，因此得到的准入容量多偏于乐观。值得指出的是，在不改变原有继电保护配置的前提下，DG的准入容量很小，适当选取其他保护改进方案，能极大提高准入容量，因此，有必要将其他保护改进方案与准入容量分析相结合，从而提高供电可靠性，同时提升DG的允许接入容量。

2.2基于通信技术的故障定位

当接入配网的DG容量较小、供电距离较短时，传统的故障定位规则仍能正确定位，但当接入容量较大、供电距离较长、电机类DG较多时，就需要对原有的故障定位规则进行改进。构造了故障区段定位的数学模型，并采用和声算法、粒子群算法、遗传算法等对其进行求解，从数学角度解决故障定位问题。通过馈线终端单元（FeederTerminalUnit，FTU）等通信设备进行信息交互，根据配网中的电流幅值相位、保护动作情况、功率方向信息以及单位故障距离来判断故障区段。利用基于配电网自动化的多代理系统（Multi-AgentSystem，MAS）对故障进行定位，并对不同位置的故障进行处理，提高了灵活性和可靠性。基于通信技术来实现故障定位，通过对多点信息的采集、传输、处理、应用，实现精准的故障处理过程。适应性和全面性极强，能较好地适应网络和DG运行方式的灵活变化，是未来配电网保护发展的大方向。然而，基于通信技术的故障定位也有其固有的缺点。首先，过于依赖通信技术，用于判断的信息越多，系统可靠性也可能随之下降;其次，信息的采集、传输、处理、应用过程都需要耗费时间，这无疑会对保护的快速性造成影响;最后，成本较高、经济性较差，在我国很难实现全面的普及推广。

结语

分布式电源越来越多接入配电系统已经成为未来电网的发展趋势，但是由于分布式电源的存在会影响到故障电流的大小和方向，解决分布式电源优化配置的传统优化算法大多局限在单目标的智能优化算法，利用权重系数的处理手段能有效提高算法的处理速度，但未能揭示各目标函数之间的内在联系，因此，未来方向建议从多目标的角度来优化DG配置问题。

参考文献：

[1]王守相，王慧，蔡声霞.分布式发电优化配置研究综述[J].电力系统自动化，2009，33（18）：110-115.

[2]乔明，王莹，杨波，等.含分布式电源的配电网保护技术[J].黑龙江电力，2016，38（2）：127-130.

[3]田书，刘颖，梅小丽.分布式电源并网对配电网电流保护影响的研究[J].工矿自动化，2011（10）：39-43.

[4]郭煜华，姜军，范春菊，等.改进的配电网反时限过电流保护[J].电力自动化设备，2015，35（10）：45-50.