分布式电源接入下的配网故障定位研究

王新健

（国网浙江台州市路桥区供电有限公司）

0 引言

分布式电源指的是以再生能源作为发电能源的电源，具有容量小、分散就近、供电便捷、对环境影响较少等应用特点，因此被广泛应用在了部分地区的供电体系中。但是分布式电源的应用改变了原有的配网体系，因此会对供电体系的运行造成一定冲击，尤其是在出现故障后，故障位置的电流和方向都会出现大幅度变化，进而影响供电的安全性和稳定性。

1 分布式电源在故障不同位置的值阻抗变化

1.1 分布式电源在故障上端的值阻抗变化

分布式电源在故障上端如图1所示，故障位于CD位置处，在图中，C点表示的是分布式电源。考虑到无分布式电源接入后继电器的保护性能，需要确保电流速断保护动作的选择性，这表示B点的保护整定动作电流需要超过C点最大短路电流，这样当CD位置出现故障之后，C点的保护整定动作才能够确保B点的保护整定动作的顺利进行。

在此基础上，在无分布式电源接入后，分布式电源（华为系统电源） 会向C点下端位置输送电流，能够得到如下公式：IB+IS=IC1+IS=IC2。当CD位置出现故障之后，C2点检测的短路电流不会受到无分布式电源的影响，能够得到如下公式：I′B+I′S=I′C1+I′S=I′C2|I′B|＜|I′C2|。

此时，B点的保护整定动作电流超过了C点的最大短路电流，表示BC作为非故障阶段的电流没有超过B点的保护整定动作电流，因此应用传统的配网故障定位方式便能够确定故障区域和非故障区域。

1.2 分布式电源在故障下端的值阻抗变化

分布式电源在故障下端如图2所示，故障位于BC位置处，在图中，C点表示的是分布式电源，线路AC为双电源供电模式，其他线路为单电源供电模式。在此基础上，当BC位置出现配网故障后，分布式电源会向故障位置输送电流。但是对于B点来说，只要BC位置出现配网故障，无论故障位置是在上端还是在下端，B点能够检测到的电压、阻抗、电流都是由分布式电源提供的；这表示在发生配网故障后，分布式电源会向故障位置输送电流这一操作并不会影响B点检测到的电压和电流数值。总结起来便是，分布式电源接入之后，无论是否发生配网故障，B点检测到的电压、阻抗、电流数值都和没有分布式电源接入之前相同，因此，在配网故障发生之后，B点的电压会下降，电流会增加，从B点以下的配网线路，阻抗数值便会下降。

在此基础上，设定ZDG为分布式电源的阻抗，当分布式电源处于正常运行状态下时，用UC1、IC1表示BC位置中的C1测量到的电压、电流数值，用U′C1、I′C1表示配网故障发生后BC位置中的C1测量到的电压、电流数值。因此，配网故障发生前C1测量到的阻抗数值计 算 公 式 如 下： ZC1=UC1/IC1， Z′C1=U′C1/I′C1。

在BC位置配网故障发生前，由于分布式电源接入，线路BC为双电源供电模式，结合叠加原理，C点测量到的电压、电流数值要超过分布式电源接入前；在BC位置配网故障发生后，由于分布式电源的汲流特性，无论故障位置是在上端还是在下端，均能够得到如下公式： |UC1|＞|U′C1|， |IC1|＜|I′C1|。此时，结合故障发生前后C点测量到的电压、电流数值，能够得到如下公式： |ZC1|＞|Z′C1|。

此时，由于配网故障的位置在C点上端，从C点以下的配网线路，线路CD、线路DE依然为单电源供电模式，但是检测点检测到的故障位置的阻抗与非故障位置的阻抗没有明显变化。

2 分布式电源接入下配网线路电压电流仿真分析

2.1 分布式电源模型

一般的分布式电源可以等效为1个电压源、1个阻抗的串联模型，但是分布式电源阻抗值数值则和故障所处的阶段有关（稳态阶段、暂态阶段、次暂态阶段）。逆变型的分布式电源应用的并网方式需要借助电力电子装置，因此不能用1个电压源、1个阻抗的串联模型来做等效处理。逆变型的分布式电源调节方式有3种，一般应用的是恒功率调节方式，具体是通过调节电力电子装置的输出电流，来调节分布式电源的输出有功功率和无功功率。

当出现配网故障之后，某一个瞬间会出现暂态状态，在这个过程中，逆变型的分布式电源的输出功率会突然变大，但是持续时间较短，这是因为逆变型的分布式电源的输出功率需要在有功功率和无功功率之间转换，这一过程结束后，逆变型的分布式电源的有功功率和无功功率便会保持稳定。当出现配网故障之后，分布式电源接入位置电压会降低，因此分布式电源输出的电流会增加，电压会降低。

在上述分析的基础上，发现能够将逆变型的分布式电源转变为一个电流源，这样电流源与逆变型的分布式电源的电流便能够维持三相平衡状态。为此，选择将逆变型的分布式电源转变为受控电流源，这是因为受控电流源的电流、相位都能够进行控制，这样在出现配网故障之前，分布式电源的电流、电压数值由配网潮流决定，此时逆变型的分布式电源的电压和电流数值呈现为反比关系，即电流会随着电压的降低而增加。主要应用的控制方式有如下两种：相位控制，逆变型的分布式电源接入点的相位决定了初始相位，基于图1和图2，A、B、C三个相位之间相差120°，因此A相位相加120°便能够得到B相位，A相位相减120°便能够得到C相位；幅值控制，逆变型的分布式电源应用的模型为恒功率控制模型，其容量为既定的，并且由Edg控制。

2.2 选择仿真系统参数

在仿真参数选择方面，选择的是10kV配网体系，将分布式电源接入到配网中，配网的基准电压为10.5kV，基准容量为500MVA，在最大功率运行方式下的阻抗为0.091Ω，在最小功率运行方式下的阻抗为0.004Ω，本次仿真设定配网体系在最大功率运行方式下运行。为了提高本次仿真测试的真实性和准确性，考虑到实际配网体系结构，既选择了架空线路（选择应用的是LGJ-120/25号线路，单位长度阻抗值为0.27Ω），又选择了电缆线路（单位长度阻抗值为0.259Ω）。

2.3 分析仿真结果

设定配网故障位置为BC线路，故障类型为金属性三相短路，配网体系在最大功率运行方式下运行，逆变型的分布式电源接入点为C点，分别测量不同故障条件下各个检测点的电压和电流数值，故障条件分别有没有故障、BC线路上端故障，BC线路下端故障，检测点分别有DG线路的输出电流、B点的电压和电流、C1点的电压和电流、C2点的电压和电流、D点的电压和电流。

通过不同故障条件下各个检测点的电压和电流的仿真结果，能够得到如下结论：对于非故障位置，无论故障位置是在上端还是在下端，故障发生前后的电压都小于故障发生前的电压，故障发生前后的电流都与故障发生前的电流没有明显变化；对于故障位置，当故障位置是在上端时，分布式电源能够提高C1、C2、D点的电压，这与上文中进行的理论分析结果一致。结合不同故障条件下各个检测点的电压和电流仿真结果，能够计算出不同故障条件下各个检测点的阻抗仿真结果。在此基础上，能够绘制不同故障条件下各个检测点的阻抗仿真结果曲线图。

通过不同故障条件下各个检测点的阻抗的仿真结果，能够得到如下结论：当没有配网故障发生时，C点下端的CD线路等效阻抗没有明显变化，C点下端的BC线路等效阻抗会随着布式电源输出电流的增加而降低。当BC线路位置出现配网故障之后，位于故障位置区间的B点和C1点的阻抗小于出现配网故障之前的阻抗；此时，非故障位置的C2点和D点的阻抗与出现配网故障之前的阻抗没有明显变化。

2.4 仿真结果总结

文章关于分布式电源接入下的配网故障定位的研究主要基于对分布式电源在故障不同位置的值阻抗变化的研究，并且进行了仿真分析，得到了如下结论：当分布式电源没有接入前，BC线路出现三相短路故障之后，B点的电压会下降，电流会增加，此时，B点下端线路的阻抗会降低，而C点下端的电压、电流、阻抗则没有变化；分布式电源接入对于配网并网的影响不大，当分布式电源接入之后，如果处于正常运行状态下，各个监测点的电压和电流会随着分布式电源接的输出电流的增加而增加。

3 结束语

分布式电源接入后会对原本的配网潮流分布结构造成影响，具体是将原本的单电源树状结构转变为了多电源树状结构，在这种运行模式下，配网故障的特征会出现不同，故障导致的电流电压变化也会不同，并且不遵循以往电源接入模式下的故障规律，这些都会给配网故障的定位造成难度，因此，检修人员需要采取针对有效的配网故障定位方式，实现精准故障定位。