考虑新能源接入的配电网继电保护研究*

王献志赵宇皓周雪青张卫明郭少飞严敬汝

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄 050021)

继电保护装置是维护电力系统安全稳定运行的重要基础，当系统出现故障时，若继电保护装置无法正确可靠动作，则会严重威胁系统运行的安全性与可靠性[1-3]。因此，全方位研究电力系统在不同运行环境下的继电保护动作特性，找到合理有效的继电保护控制策略，对提升电力系统稳定运行具有重要意义[4-6]。

国内外研究学者对电力系统继电保护相关特性展开大量研究工作。王义平[7]研究了继电保护整定计算的适应性以及重合闸装置投切的合理性，给出了配电网继电保护以及重合闸装置的保护整定投切原则。陈为化等[8]应用继电保护隐性故障的概率模型，对保护装置引起电力系统风险的影响特性及其在连续故障中的作用机理进行分析，进而对电力系统发生连续故障的概率进行评价，并进一步提出了相应的防范控制措施；谢俊等[9]充分应用多代理体系结构的智能化特点，设计了一种继电保护定值在线校核告警系统，工程应用算例充分证明了该系统在实时采集电网信息的智能性，能够显著提升计算速度。林超[10]、潘仁军[11]等基于现有110 kV环网运行过程中尚存在的缺陷，提出了一种新的环网运行保护整定计算原则，验证结果证实了所提出的整定原则在降低故障工况下保护拒动的概率以及提升供电可靠性方面的重要作用。肖繁等[12]考虑双馈风电感应机组低电压穿越运行的影响，分析了双馈风电感应机组的短路电流特征以及对变压器差动保护的影响，通过仿真分析为双馈感应发电机组接入后的电网继电保护配置提供了参考依据。杭晨辉等[13]分析新能源的大规模接入对中国传统电力系统运行过程造成的影响，并简单分析了新能源接入对继电保护及安自装置的影响特性。王增平等[14]分别就超/特高压输电环境下以及网络拓扑发生改变时，继电保护的变化特性进行探究，分析继电保护的几个关键研究方向以及新形势下研究应用广域保护的重要意义，并分析了广域保护的概念、功能定位以及系统构成模式。薛风华等[15]基于MATLAB 仿真，分析了光伏电源并网后配电系统电源及光伏电源所在馈线不同位置发生短路故障时，继电保护的动作特性。

上述研究文献从系统隐性故障、智能化信息系统接入、网络拓扑变化、新能源系统接入等多个方面对继电保护动作特性展开研究，给出了相应的继电保护控制策略，但对于新能源系统接入传统电网这一工况，鲜少从电路理论基本特性出发，探究其对传统电网的影响，并提出相应的继电保护策略。为此，对新能源电源接入对传统配电网保护的影响特性展开研究，根据不同新能源接入条件探究继电保护的动作特性，包括:不同新能源电源的接入位置、不同新能源电源容量大小等，提出了适用于新能源电源规模化接入的配电网继电保护策略。

1 新能源电源接入对传统保护性能的影响

如图1 所示，新能源电源经专线接入的典型配网。配网原有线路采取三段式电流保护方案，假设新能源电源DG1 所在线路F2 处发生短路故障，DG1 为双馈型电源，对新能源接入传统电网后继电保护的变化特性进行分析。

1.1 DG1 上游线路

新能源接入上游线路的电流Ⅰ段保护的动作性能不受影响；电流Ⅱ段保护与线路L2 保护相配合，DG1 电源会产生外汲电流作用，可能造成Ⅱ段保护失配误动；电流Ⅲ段保护可能受到DG1 馈出的短路电流影响，导致远后备灵敏度不足而引起保护拒动。

1.2 DG1 下游线路

图1 含新能源电源接入的配电网典型结构示意图

新能源接入下游线路的各段电流保护均会受到影响。对于电流Ⅰ段保护，DG1 的接入会使得K2处保护的测量电流增大，引起保护Ⅰ段超越误动；对于电流Ⅱ段保护，可能造成保护失配误动；电流Ⅲ段保护，DG1 馈出的助增电流可能导致远后备灵敏度降低。而对于未接入新能源电源的其他相邻馈线保护的动作性能也可能会受到新能源电源馈出短路电流的影响而导致保护误动。

综上分析，新能源电源的接入对传统配网继电保护造成多种影响，这与新能源电源接入位置以及电源容量直接相关。因此，需要对其特性进行分析，以采取适当措施，保证继电保护动作的正确性。

2 不同新能源接入条件下的继电保护特性

系统短路电流值的大小与并网点、新能源电站以及系统电源三者间的等值阻抗强相关，新能源电站接入配电网位置的不同，其影响也会有所差异。以图2 所示馈线网络结构图为例，图中各线路均安装了电流保护，对新能源电站经专线接入不同位置下配电网的故障特性进行分析。

图2 新能源电站接入配电网馈线网络结构图

当新能源电站经专线接在母线B 处时，若线路BC 段发生故障，则会对保护2 流过的故障电流产生助增作用，使得保护2 的电流速断保护范围延长，影响其与保护3 的配合性，无法保证保护动作的选择性。

当新能源电站经专线接在母线C 处时，若线路AB 段出现故障时，新能源电站将向保护2 输出反向的故障电流，当故障电流小于保护动作电流时，仅保护1 故障跳闸而保护2 不动作，此时故障无法完全切除，所以应在线路AB 的末端装设保护装置，同理，BC 段也应如此。

当新能源电站经专线接在母线C 处时，若线路CD 段发生故障，则新能源电站将对保护2 流过的电流具有分流效用，降低了该处电流Ⅱ段保护的灵敏度，若接入的新能源电站容量较大，则起到的分流效用更加显著，严重时甚至会造成保护2 处的电流Ⅱ段保护发生拒动。

综上所述:(1)若新能源电站接入的位置处于在线路上游，而故障发生在电站接入的下游线路时，由于新能源电站会对故障电流产生助增作用，使得故障线路保护装置检测到的故障电流增大，极大概率引起本线路的电流速断保护发生越级动作，从而使继电保护失去选择性。若根据新能源电站接入的情况对保护进行整定，则新能源电站切除后会引起保护灵敏度降低，造成保护拒动。(2)若新能源电站接入的位置处于在线路下游，而故障发生在电站接入的上游线路时，新能源电站会向故障线路保护装置输出反向故障电流，极大概率造成故障不能完全切除。(3)若新能源电站接入的位置处于在线路下游，且故障发生在电站接入的下游线路时，新能源电站会对故障线路的故障电流产生分流效应，使得故障电流减小造成保护灵敏度降低，甚至会引起保护拒动。

3 新能源接入后的继电保护策略

目前，在我国中低压配电网中电流保护的应用较多，所以优先考虑在不改变或少改变原有保护装置前提下，对新能源接入后的继电保护配置进行探究。距离保护较之电流保护，不仅能够符合大型配电网络迅速断开故障器件的选择性要求，且Ⅰ段保护不易受系统运行方式的影响。此外，具有方向性的阻抗测量器件能够确保保护的方向性要求，且改造的成本较低。因此，在含有新能源的配电网中可以考虑将距离保护和原有的电流保护相结合，提出一套适合新能源接入的配电网继电保护配置与整定方案:

(1)当新能源电源接入后，原有电流保护仍能符合灵敏度要求的，仍然按照原有的三段式电流保护整定方案进行整定，确保满足保护的选择性与灵敏性要求，并且能够躲过线路最大负荷电流。电流速断保护根据避开线路末端故障时的最大短路电流进行计算；限时电流速断保护通常避开相邻线路瞬时电流速断保护的最大动作电流进行计算；过电流保护通常避开线路最大负荷电流进行整定计算。

(2)当新能源电源接入后，原有电流保护方式无法满足灵敏度要求的，则将其替换为距离保护。同样，距离保护也遵循三段式配置原则:距离Ⅰ段保护需避开本线路末端故障时的测量阻抗进行计算；距离Ⅱ段与相邻线路的距离保护Ⅰ段或是相邻变压器保护配合进行计算并取最小值；距离保护Ⅲ段与下级线路的保护Ⅱ段/保护Ⅲ段、相邻下级变压器的电流/电压保护或是避开正常工况下的最小负荷阻抗进行计算，取三者中的最小值。

(3)新能源接入点的上游线路需要根据实际情况考虑在线路末端装设保护装置，确保无论故障发生在线路的哪个位置，保护都能将故障完全切除。此外，新能源接入点上游线路的保护安装处需加装继电保护方向器件，谨防发生保护反向误动。

4 算例分析

4.1 继电保护特性仿真分析

基于PSCAD/EMTDC 仿真软件对研究结论进行验证，仿真系统结构图如图3 所示。图中，系统电源电压为11 kV，最大运行方式下系统阻抗xsmin＝0.091 Ω，最小运行方式下系统阻抗xsmax＝0.126 Ω。AB、BC 和AF 段线路的长度分别为2 km、2 km、4 km，其线路电阻r1＝0.27 Ω/km，线路电抗x1＝0.347 Ω/km。CD、DE 和FG 段线路的长度分别为7 km、8 km、6 km，其线路电阻r2＝0.259 Ω/km，线路电抗x2＝0.093 Ω/km。系统采用恒阻抗负荷模型，馈线1 上所带负荷阻抗为ZLD1＝30+14.5j，馈线2 上所带负荷阻抗为ZLD2＝31.7+10.4j，图中保护1 处、保护2 处、保护3 处、保护4 处、保护5、保护6 处均安装了电流保护，假定接入的新能源电站为风电站，站中所有发电机组均为双馈型风力发电机，单台双馈型风力发电机的容量为1.5 MW，风电场1 和风电场2 各有30 台双馈型风力发电机，对第2 节的研究内容进行仿真验证，探究新能源电站容量变化以及位置变化对保护安装处检测到的短路电流的影响。

图3 配电网仿真系统结构图

4.1.1 不同新能源电源容量的影响

假定只有风电场1 接入系统，在F2 处设置三相短路故障，得到风场容量变化时短路电流的变化如图4 所示。其中，Iw为新能源电站输出的故障电流，I1为保护1 处测量的故障电流，I2为保护2 处测量的故障电流。

图4 风电装机容量变化时，短路电流的变化特性

基于图4(a)可知，随着投入的风机数量的增加，接入的新能源电源总容量增加，其输出的短路电流也随之增大。对比图4(b)和图4(c)来看，保护1检测到的短路电流随着接入新能源电源总容量的增加而减小，保护2 检测到的短路电流随着接入新能源电源总容量的增加而增加，这是因为保护1 位于新能源电源接入点上游，新能源电源的分流作用使得短路电流减小，而保护2 位于新能源电源接入点下游，新能源电源的助增作用使得短路电流增大。若不改变原保护整定值，当线路CD 出线短路故障时，以保护2 处的电流速断保护不发生动作为约束条件，求解得到当新能源电源的接入容量低于30 MW 时，保护2 不会因新能源电源的助增作用而发生越级动作。

4.1.2 不同新能源电源接入位置的影响

设定风电场1 的所有风机均投入，风电场2 未投入运行，在线路AB 末端F1 处设置三相短路故障。图5 为风场并网点处于不同位置下各处保护检测的短路电流值，其中，I3为保护3 处检测到的故障电流。从图5(a)来看，风场并网点位置越接近短路发生处(B 处)，检测得到的短路电流值越大；对比图5(b)、图5(c)、图5(d)来看，当接入的新能源风电场在线路AB 上移动时，I1先减小后增大，最小值所处位置与系统的等值阻抗有关，而I2与I3恒为0。当接入的新能源风电场在线路BC 上移动时，I1维持恒定值不变，I2在某一位置达到高峰之后开始不断减小，而I3从母线B 向母线C 移动的过程中不断增加。

综上所述，当接入的新能源电源容量达到一定程度时，无论接入线路的哪个位置时，均会对配电网继电保护造成显著的影响，使得原有的三段式电流保护不能再满足继电保护四特性的要求。

4.2 继电保护策略验证

仍以图3 所示配网系统为例，系统原有保护方式为三段式电流保护，风电场1 和风电场2 均投入运行，对新能源接入后的继电保护策略进行整定，假定三相短路故障分别发生在各线路末端，计算系统工作在最大运行方式下时的短路电流如表1 所示。

表1 最大运行方式下，各线路的短路电流

取电流速断保护的可靠系数为1.3，得到含风场接入时各个保护安装处的电流速断保护整定值以及最小保护范围如表2 所示。

表2 各线路指标计算结果

从表2 的结果来看，在风场接入后保护1、5、6处的电流保护最小保护范围均超过20%，能够符合要求，因此不改变原有继电保护方式。而保护2、保护3 和表4 的最小保护范围为负值，说明考虑风电场接入情况的电流速断保护已经无法保证保护范围，应将此3 处的电流保护配置修改为距离保护，整定配置规则如下:

图5 不同并网位置对短路电流的影响

(1)距离Ⅰ段保护:取距离Ⅰ段保护可靠系数为0.8，基于距离Ⅰ段整定保护计算公式，求解得到保护2、3、4 处的距离保护Ⅰ段整定值分别为0.712、1.538、1.757。

(2)距离保护Ⅱ段:应保证保护范围为整条线路，且不超过下一级线路的距离Ⅰ段保护，即与下级线路的Ⅰ段保护配合整定。对于保护2 和保护3 而言，距离Ⅱ段保护的可靠系数均为0.8，计算得保护2 的整定阻抗值及灵敏度分别为1.87 Ω 和2.12，保护3 的整定阻抗值及灵敏度分别为2.93 Ω 和1.55，两处保护均满足灵敏度要求。

(3)距离Ⅲ段保护:除了能够作为近后备保护保护本线路的全长，还能够作为远后备保护保护下级线路的全长。对保护4 处的距离Ⅲ段整定值进行计算，根据躲开正常运行负荷的要求进行整定，取电动机自启动系数为1.5，返回系统为1.15，可靠系数为1.2。采用方向阻抗继电器以确保保护不发生反向误动，最大灵敏角为被保护线路的线路阻抗角，求出正常工况下保护4 的距离Ⅲ段保护整定值为15.42 Ω，灵敏度为7。接着，对保护3 处的距离Ⅲ段保护定值进行计算，保护遵循避开正常运行负荷并与保护4 的距离Ⅲ段相配合的整定原则，计算得到保护3 处距离Ⅲ段的整定阻抗为13.87 Ω，近后备保护灵敏度为7.19，远后备保护灵敏度为3.36。最后，对保护2 处的距离Ⅲ段保护定值进行整定，由于其与保护3 的Ⅱ段配合时远后备灵敏度不符合要求，因而选择与保护3 处的Ⅲ段配合，得到保护2 处的整定阻抗为11.80，近后备保护灵敏度为13.41，远后备保护灵敏度为4.20。综上，在对保护方式进行改进后，保护各处的灵敏度均能满足要求，距离保护很好的解决了原有电流保护灵敏度不足的问题。

此外，保护1、5 处还应装设限时电流速断保护，取可靠系数为1.2，计算得到保护1 的限时电流速断保护整定值为3.19 Ω，灵敏度为1.74；保护5 处的限时电流速断保护整定值为2.96 Ω，灵敏度为0.99。由于系统中线路长度较短，要求灵敏度大于1.5，而保护5 的电流Ⅱ段保护与保护6 处的Ⅰ段保护配合时，灵敏度不满足要求，因而选择与下级线路的电流Ⅲ段保护配合。

定时限过电流保护基于避开最大负荷电流原则进行计算，不仅是本线路的近后备保护，保护本线路全长，还是相邻线路的远后备保护，保护相邻线路的全长。取自起动系数为1.5，返回系数为0.85，可靠性系数为1.2，基于各线路的最大负荷电流求解得到各保护的定时限过电流保护整定结果如表3 所示。

表3 定时限过电流保护整定结果

根据计算结果来看，当故障发生在线路AB 上时，短路电流太小无法引起保护2 动作，所以在线路末端装设保护7 以使得故障能够被完全切除。同理，在线路BC 末端加装保护8。将风场的等效模型视为电压源，分别计算得到两条线路首端发生三相短路时，保护7 流过的电流为4.60 kA，保护8 流过的电流为3.92 kA。根据电流速断保护的整定原则，求得保护7 的整定值为5.98 kA，保护范围为-176.6%；保护8 处的整定值为5.1 kA，保护范围为59.5%。可见保护7 处电流保护不能符合要求，应替换为距离保护。

如前所述，令保护7 距离Ⅰ段保护的可靠系数为0.8，距离Ⅱ段与保护5 的电流Ⅰ段进行配合，距离Ⅲ段与线路AF 末端故障时保护5 测得的短路阻抗进行配合，求解出保护7 处的三段距离保护整定阻抗值分别为:0.7 Ω、14.15 Ω、18.54 Ω，及相应灵敏度值分别为:16.08、21.07。由此能够发现，保护7处距离Ⅱ段与Ⅲ段保护的灵敏度较大，因此基于保护7 与保护5 间的配合关系对其进行调整，使得保护7 处的距离Ⅱ段整定阻抗为5.5 Ω，灵敏度调整为6.25；距离Ⅲ段整定值为1.76 Ω，灵敏度为1.71。

保护8 处可以装设电流保护，保护8 处的电流Ⅱ段和保护7 处的距离Ⅰ段进行配合，令可靠系数为1.2。电流Ⅲ段根据线路AB 首端故障时的灵敏度进行整定，令可靠系数为1.3，求解出保护8 处的电流Ⅱ段与Ⅲ段整定结果为:Ⅱ段整定阻抗为2.08 A，灵敏度为1.64；Ⅱ段整定阻抗为1.99 A，灵敏度为1.71。此外，为了防止保护1、8 发生反向误动，需要在这两处装设方向元件，对以上各保护动作时限进行整理，结果如表4 所示。

表4 保护的基本配置

5 结论

提出了一种适用于新能源电源规模化接入的配电网继电保护策略，通过对新能源电源接入对传统配电网保护的影响特性展开分析，分别探讨了新能源电源接入的不同位置以及不同的容量大小下继电保护的动作特性。最后，通过算例验证证明了所提策略能够满足含新能源电源接入后的配电网继电保护需求，保证配电网的安全稳定运行。