含分布式电源配电网距离保护理论分析

范鹏鹏 孙守文 张春明

1.山东理工大学 山东 淄博 255049 2.枣庄供电公司 山东 枣庄 277100 3.安丘市供电公司 山东 安丘 262100

0 引言

随着电力需求的增加和发电技术的不断进步，以燃料电池、风力、生物质能、太阳能等功率大小不超过50MW为代表的分布式发电 （Distributed Generation，DG）技术越来越引人注目，具有方便、高效、清洁的特点逐渐成为一种新的发电模式。

当前，我国35kV及其以下电压等级的配电网主要采用中性点不接地或经消弧线圈接地的单电源辐射式供电模式，通常以电流保护作为其主保护进行整定配置。DG的接入使得传统配电网单向潮流变为双向甚至多向潮流分布。故障时，系统电源和DG同时向短路点注入短路电流，会改变故障电流的大小、方向及其持续时间，影响系统保护的正常运行和正确动作。

因此DG的接入将会对配电网继电保护产生深刻的影响，主要包括以下几个方面：

a） 相邻下级线路故障时，保护误动作；

b） 保护灵敏度降低，甚至拒动；

c） 影响保护的配合整定；

d） 可能导致非同期自动重合闸；

e） 可能导致非计划性孤岛现象，影响系统的安全和供电质量。

1 配电网的特点

相对输电网，配电网具有自己的一些特性：

（1）不同分段的配电线路的截面积是不相同的，所以测量阻抗与故障点的距离不成正比线性关系；

（2）由于配电线路距离比较短，馈线分支较多，线损比较大，使得短路角比较小，负荷角和短路角的差别也就比较小；

（3）配电网的馈线分支较多，且各个分支负载也是不同的，使得整个配电线路的负荷呈不均匀分布状态；

（4）配电网的多种供电结构，可能使得不同位置故障时的测量阻抗相同；

配电线路的一些特点使得距离保护应用于配电网比距离保护应用于输电线路更加复杂、困难。需要考虑沿配电网馈线分布的负荷分接头和分布式电源对距离保护的影响。

2 距离保护在含分布式电源配电网应用

2.1 含分布式电源保护方案

分布式电源的容量大小、并网类型、接入地点等因素均会对系统继电保护产生影响。配电网运行方式的复杂多变，给配电网原有的电流保护的整定带来困难，有时根本无法按照要求正确整定，不能起到电流保护应有的作用。 针对上述问题，目前已提出两种配电网保护方案：一是改进配电网中采用的传统电流保护方案，以达到减少故障切除时间、增加保护灵敏性和可靠性、提高馈线电能质量的目的，在一定程度上满足DG接入配电网的保护要求；二是将距离保护、纵联保护等输电线路中成熟的保护原理、方案应用到配电网中，满足DG接入配电网的要求［3-4］。

相对于电流保护，距离保护性能更加完善，可以满足复杂网络快速、有选择性地切除故障元件的要求。此外，距离保护受系统运行方式变化的影响比较小，且其保护Ⅰ段、Ⅱ段的测量元件都具有方向性，因此适合采用距离保护应用到含分布式电源的配电网中。

2.2 距离保护概念

距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的这一特征，通过测量电压、电流的比值，反应故障点到保护装置安装处的距离而动作的保护。当故障点距离保护安装处越近，保护感受到的距离越小，保护的动作时限越短；反之，当故障点距离保护安装处越远时，保护感受到的距离越大，保护的动作时限越长，保证了选择性。

如图1所示，按照继电保护选择性要求，仅在线路MN内部故障时，安装在线路两端的距离保护装置才应该立即动作，将相应的断路器跳开，而在相应保护区反方向或本线路之外正方向短路时候，距离保护装置不应该动作。

图1 距离保护基本原理示意图

在距离保护中，测量阻抗Zm定义为保护安装处测量电压与的比值，即

根据测量阻抗Zm不同情况下相位和幅值的差异，区分系统发生故障情况及区内故障还是区外故障。比较测量阻抗Zm和整定阻抗Zset的大小，当Zm＜Zset时，是区内故障，当Zm＜Zset时，判断为区外故障。

2.3 距离保护的整定计算

同三段式电流保护类似，为了满足速动性、选择性和灵敏性要求，距离保护采用具有时限特性的三段式距离保护，即距离保护的Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。当在区内故障时，保护动作，区外故障时，保护拒动。

1）距离保护Ⅰ段作为速动保护段，距离保护Ⅰ段测量元件的整定阻抗应该躲过本线路末端短路时的测量阻抗，整定阻抗为：

式中：Zl为线路的正序阻抗；为可靠系数，一般取

由于距离保护Ⅰ段只能够保护本线路全长的80%～85%，为了必须采用距离保护Ⅱ段才能切除本线路末端15%～20%范围内的故障。

2）距离保护Ⅱ段的整定应当按照以下两个原则整定：

a）与相邻下一级线路的距离Ⅰ段保护相配合，保证下一级线路发生故障时，上一级线路保护的Ⅱ段不至于越级跳闸，Ⅱ段的整定阻抗为：

b）与相邻下一级线路始端的变压器快速保护相配合，保证动作范围不超过变压器的保护范围，设变压器的的阻抗为ZT，Ⅱ段的整定阻抗为：

3）距离保护Ⅲ段的整定应当按照以下两个原则整定：

a)按照与相邻下级线路距离保护Ⅱ段或Ⅲ段配合整定，其Ⅲ段的整定阻抗为：

如果和相邻下一级线路的保护Ⅱ段不符合灵敏度要求，那么应和下一级线路的Ⅲ段保护配合。

b)按照躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定，其整定值为：

3 分布式电源对距离保护的影响

相对于电流保护，具有明确的方向性距离保护性能更加完善，适合应用到含分布式电源的配电网络中。

我国大多数配电网仍采用以放射式结构供电模式，图2为距离保护应用于含DG的放射式结构的配电系统。

图2 含DG的放射状配电网

当DG接入保护的距离Ⅰ段范围内，分析DG对距离保护Ⅰ段的影响；然后分析DG接入保护的距离Ⅱ段范围内时，对距离保护Ⅱ段的影响。

3.1 分布式电源接入距离Ⅰ段保护范围

图3为DG接在距离保护Ⅰ段的保护范围的典型等效电路示意图。其中，用表示距离保护Ⅰ段的整定阻抗，即距离Ⅰ段的保护线路范围；分布式电源可以用电压源和阻抗的串联等效，ZDG为分布式电源等效阻抗，用α表示在距离Ⅰ段保护范围内，分布式电源接入点到保护安装处的距离，有0＜α＜1；同时用β表示在距离Ⅰ段保护范围内，短路点到保护安装处的距离，有0＜β＜1。

图3 含DG放射状配电网典型等效图

（1）当距离保护Ⅰ段范围内k2点短路时，短路点处在DG和保护的下游，k2处的故障电流为系统电源S和DG共同提供，即Ik2＝Is＋IDG，参照其等效电路图3（a）所示，可以计算出保护1的测量电压:

进而得出分布式电源接入时，保护1的测量阻抗：

根据式(8)可得，DG接在距离保护Ⅰ段范围内，在保护和DG下游发生短路故障时，由于β>α使得距离保护Ⅰ段的测量阻抗大于分布式电源未接入系统时距离保护Ⅰ段的测量阻抗，造成距离Ⅰ段的保护范围缩小。

（2）当距离保护Ⅰ段范围内k1点短路时，短路点位于保护安装处和DG接入点之间，k1处的故障电流仅为系统电源S提供，即Ik1＝Is，参照其等效电路图3（b）所示，可得保护安装处的测量电压：

进而得出分布式电源接入时，保护1的测量阻抗：

根据式（10）可得，DG接在距离保护Ⅰ段范围内，在保护和DG之间发生短路故障时，距离保护Ⅰ段的测量阻抗不受分布式电源接入的影响，保持不变。

3.2 分布式电源接入距离Ⅱ段保护范围

分析分布式电源接入距离保护Ⅱ段范围时，对距离保护的影响，和分布式电源接入距离保护Ⅰ段范围时的距离保护影响情况类似，只需把图3中分析距离保护Ⅰ段的整定阻抗变为本线路全长Zl来进行分析；用α表示在距离Ⅱ段保护范围内，分布式电源接入点到保护安装处的距离，有0＜α＜1；同时用β表示在距离Ⅱ段保护范围内，短路点到保护安装处的距离，有0＜β＜1；其等效电路结构不变，和图3类似。然后根据故障点的位置不同，即位于保护安装处和DG下游或位于保护安装处和DG之间位置，得出的距离保护1的距离Ⅱ段测量阻抗来判断DG接入对距离保护的影响。

4 结束语

分布式电源接入传统配电网后，将会改变传统配网的拓扑结构、潮流分布以及继电保护的正确动作性［5］。当DG渗透密度达到一定程度时，因此需要采用更加灵活的拓扑结构来代替传统配电网的单一辐射式结构，相应的也需要采用一种满足继电保护要求新的保护方案替代不适应与传统配网电流保护。本文选择输电网应用成熟的距离保护方案作为含分布式电源的配电网中新的保护方案，然后从理论上分析DG接入对配电网距离保护的影响。实际情况中，对于DG渗透率更高、电网结构更加复杂的配电网中，可以采用灵活多变的保护方案。

［1］梁有伟，胡志坚.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述［J］.电网技术，2003，27（12）：74-75，88.

［2］J.I.Marvik，A.Petterteig，H.K.Hoidalen.Analysis of Fault Detection and L-ocation in Medium Voltage Radial Networks with Distributed Generation ［J］.PowerTech 2007：1191-1196.

［3］于春光，潘贞存，陈青.包含DG的配电网保护研究现状［C］.中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会，2008.

［4］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［5］Power Technologies Internation， Embedded Generation on Actively Ma-Naged Distribution Netwoeks ［R］.En-gland:ET-SUK，2001.