含分布式电源的配电网保护改进方法

2013-03-19杨炳元

电气技术 2013年10期

连洁杨炳元

（内蒙古工业大学，呼和浩特 010080）

1 分布式电源对配电网继电保护的影响

图1为典型结构的含分布式电源的配电网结构图，分布式电源由D点接入配电网，如图中上游线路f1点发生短路故障时，系统电源和DG都向短路点提供短路电流，但流过保护1的故障电流只有系统电源提供，分布式电源对保护1无影响,保护1正常动作切除其保护范围内的故障。DG向短路点f1提供的反向短路电流会流过保护2和3，由于传统的三段式电流保护没有方向性元件，并且保护3的带时限电流保护整定值小于保护2相应的保护整定值。所以当分布式电源的容量增大到一定值时，其提供的反向的故障电流会超过保护3带时限电流速断保护的整定值，导致保护3的电流Ⅱ段发生误动。

图1 分布式电源接入系统配电网运行结构图

当下游线路f2点发生故障时，由于分布式电源的接入，对流过下游线路保护的短路电流起了助增作用，使保护4的电流速断保护范围将增大，保护区有可能延伸到线路DE段的末端或者下一级线路EF段。这样，当线DE段的末端发生短路或者当下一级线路EF段发生短路故障时，保护4的电流速断保护误动作，不能确保选择性。

当相邻支路的f3点发生短路故障时，保护6中流过系统电源和DG提供的短路电流，同样，分布式电源起了助增作用，使得相邻馈线中保护6的速断保护的保护范围可能增大至线路AG段的末端甚至延长至线路GH段，可能造成保护6的带时限电流保护发生误动作或者下一级线路的保护7的速断保护可能发生误动，而失去选择性。同时，分布式电源提供的反方向的短路电流可能导致保护2和3的电流Ⅱ段发生误动。

2 两段式电流保护的原理

传统的三段式电流保护中，电流Ⅰ段能瞬时动作，没有动作时延，但不能保护线路全长。电流Ⅱ段能保护本级线路的全长，但是为了与下一级线路的电流Ⅰ段配合达到选择性的要求，需要通过动作时限来完成，通常保护的动作时限为0.5s。电流Ⅲ段的动作电流值是按照躲过本线路的最大负荷电流值来整定，保护的动作时限则按照阶梯原则来进行。本文将配电线路配置为两段式电流保护，其原理如下。

两段式电流保护及原理：

将原有的三段式电流保护的电流Ⅰ段去掉,保留原有的电流Ⅱ段，并且保持原有保护电流Ⅱ段的整定值不变，保护范围仍然是本级线路的全长。但是，保护的动作时限改变为瞬时动作[3]。经过这样改变后作为两段式电流保护的电流Ⅰ段，为了与原有三段式电流保护的电流Ⅰ段相区别，下文称为电流a段。保留原有的三段式电流保护中的电流Ⅲ段，其保护的动作电流值仍然按照躲过本线路的最大负荷电流来整定,动作时限按照阶梯原则来进行。将原来的电流Ⅲ段作为两段式电流保护的电流Ⅱ段，同样仍然是后备保护。为了以示区别，下文称为电流b段。

可见，两段式电流保护中的电流a段可以保护本级线路全长，并且没有时间延时，保护瞬时动作。但是，由于其保护范围是本级线路的全长，所以在下一级线路的出口处发生短路时，本级线路保护的电流a段与下一级线路保护的电流a段都将动作，无法满足选择性的要求。所以需要依靠通信系统发出闭锁信号来实现相邻保护的电流a段之间的配合，达到选择性的要求。因此，两段式电流保护中电流a段的保护动作时间要按照大于通信系统发出闭锁信号和检测闭锁信号的时间来设置。

通信模块中的发信机向上一级保护的通信模块发出闭锁信号，需要的时间为150ms，通信模块检测闭锁信号的时间为8ms[4]。如果需要向下一级线路保护发出跳闸信号，则启动通信模块的发信机连续发出150ms的跳闸信号，命令相应的保护直接跳开对应的断路器，保护跳闸的动作时间大约为10ms[4]。据此，需要将保护电流a段的动作延时设置为0.2s。

无论是分布式电源接入点的上游线路，还是其下游的线路，在配电网中，分布式电源所在馈线上的每一级线路上都配置两段式电流保护。并且与原来的三段式电流保护相同，两段式电流保护只装设在每一级线路的系统电源侧。另外，分布式电源接入点上游的线路保护还需要加装功率方向继电器，使保护具有方向性。接入点下游的线路保护不需要加装方向原件。

3 通信系统的构成原理和动作原则

1）通信系统的构成原理

将本级线路保护的电流a段与下一级线路保护的电流a段构成一个通信单元。依次类推，每两个相邻的保护装置构成一个通信单元。每个通信单元由通信模块和通信通道组成。通信模块配置于每一段线路的保护装置中，由通信通道将通信模块两两连接起来。

其中，系统电源与分布式电源之间的线路，其结构发生了变化，相当于双端供电系统。分布式电源向短路点提供的短路电流，使得故障点的电弧不能完全熄灭，导致重合闸失败甚至导致永久性故障，因此，要求从两端将故障切除。并且正如上文在两段式电流保护的整定中提到的：由于电流a段的保护范围是本级线路全长，所以在下一级线路的出口处发生短路时，本级线路保护的电流a段与下一级线路保护的电流a段都将动作，无法满足选择性的要求。所以需要依靠通信系统发出闭锁信号来闭锁上一级线路保护的电流a段，从而实现相邻保护电流a段之间的配合，达到选择性的要求。

综上，在本文的通信系统中，通信模块根据通信系统的动作原则向上一级线路保护的通信模块发送闭锁信号，向下一级线路保护的通信模块发送跳闸信号。所以，DG上游保护配置的通信模块包括通信模块A和B两部分。通信模块A接收和发出闭锁信号，通信模块B接收和发出跳闸信号，本级保护的通信模块A和上一级保护的通信模块A连接，通信模块B和下一级保护的通信模块B连接[4]。保护通道可以选择目前电力系统配网中常用的几种通信方式，例如配电线载波通信、光纤通道等。

分布式电源接入点下游的线路仍然是单电源辐射型供电的方式，不需要从两端切除故障，所以，接入点下游的保护中配置的通信模块只有通信模块A，发出和接收闭锁信号。除了解决相邻线路保护电流a段之间的配合、满足选择性以外，更重要的是，可以避免在DG的下游线路发生短路时，可能发生的电流Ⅰ段误动作的情况。

2）通信系统的动作原则

每一个通信单元中，如果本级线路保护的电流a段不动作，则本级线路保护的通信模块A不会向上一级保护的通信模块A发送闭锁信号。如果本级线路保护的电流a段动作，那么本级保护中的通信模块A需要向上一级保护的通信模块A发送闭锁信号。上一级保护的通信模块A检测到闭锁信号，将保护闭锁。

当本级线路保护的电流a段动作并且收不到下一级保护的通信模块A发送的闭锁信号时，判定为本级线路内部发生短路故障。此时，本级线路的保护动作，断路器跳闸。同时，启动通信模块B中的发信机向本通信单元中的对侧保护装置，即向下一级保护的通信模块B连续发出150ms的跳闸信号，命令下一级线路的保护直接跳开其对应的断路器，保护跳闸的动作时间大约为10ms。

分布式电源接入配电网后，线路发生短路时，目前大多采用允许分布式电源孤岛运行的方式，故障时要求分布式电源不与系统电网断开，不退出运行。所以，在DG接入点上游的线路中，与分布式电源接入点最邻近的一段线路，需要在其线路的末端加装保护装置、断路器和功率方向继电器。这样，就避免了这段线路的保护与分布式电源出口处的保护装置及断路器构成一组通信单元。否则，当这一级线路发生短路故障时，线路和分布式电源出口处的断路器都跳闸，如果这样，分布式电源就被切除而退出运行了。

增加保护装置、断路器和方向元件，配置于与分布式电源接入点最邻近的一段线路的末端。当本级线路保护的电流a段动作并且线路末端加装的方向元件的功率方向为正时，判定为本级线路故障，本级线路系统侧的保护和加装在线路末端的保护都

动作，断路器跳闸，从两端将故障切除。

4 举例说明线路保护的动作方式

1）系统电源与分布式电源接入点之间线路保护的改进

如图2所示，分布式电源从E点接入配电系统，配电线路上配置两段式电流保护，并且分布式电源接入点上游的保护2、3、4都加装功率方向继电器，使保护具有方向性，并且按照常规将母线指向线路的方向规定为正方向。

图2 系统电源与DG接入点之间的线路保护的改进图

与分布式电源最邻近的上游线路DE段的末端，加装保护装置和断路器10以及功率方向继电器。这样线路保护4与10组成一个通信单元。如果DE段短路故障时，保护4和保护10都动作、断路器跳闸，达到从两端切除故障。

系统电源与分布式电源之间的线路保护1、2、3、4上都分别安装通信模块，并且每一个通信模块又包含通信模块A和通信模块B，线路保护10仅安装通信模块B。每两个相邻的通信模块A之间相互连接，相邻的通信模块B两两互相连接。每一级线路的电流保护a段与下一级线路的电流保护a段构成一组通信单元，如图2中的保护1与保护2，保护2与3，保护3与4，保护4与10分别构成通信单元。

图2中，系统电源与分布式电源之间的线路AE段相当于双端供电系统，当故障点位于线路AE段时，分布式电源会向短路点提供反方向的短路电流，功率方向为负。由于保护2、3、4都加装了方向元件，所以不会造成DG接入点上游的保护发生误动作。

当故障点位于线路AB上时，保护1的电流a段和保护2的电流a段组成一个通信单元，由于保护2加装了方向元件，分布式电源提供的短路电流功率方向为负，保护2不会出现误动作。根据通信系统的动作原则，保护2不动作，那么保护2的通信模块A不会给保护1的通信模块A发送闭锁信号，保护1的通信模块A检测不到闭锁信号，保护1的短路电流由系统电源提供，所以经过0.2s的时间延时，保护1的电流a段动作，断路器跳闸。与此同时，起动保护1中通信模块B的发信机向保护2的通信模块B连续150ms发送跳闸信号，命令保护2直接跳开相应的断路器，保护跳闸的动作时间约为10ms，实现将故障从两端切除。

同理，线路CD段发生短路故障时，在保护3和4组成的通信单元中，保护4加装了方向元件，因此，分布式电源提供的反方向的短路电流不会造成保护4出现误动作。保护4不动作，根据通信系统的动作原则，保护4上的通信模块A不会向保护3上的通信模块A发送闭锁信号。保护3上的通信模块A检测不到闭锁信号，系统电源提供的短路电流功率方向为正，所以保护3动作，断路器跳闸。此时，保护3动作并且收不到闭锁信号，判定为线路CD段内部故障，所以保护3动作的同时，启动保护3的通信模块B向保护4的通信模块B发出跳闸信号，命令保护4直接跳开其断路器。这样，通过保护3和保护4都动作，将故障从两端切除。

同时，在保护2与保护3构成的通信单元中，保护3动作，所以保护3的通信模块A向保护2的通信模块A发出闭锁信号。保护2的通信模块A检测到保护3发送的闭锁信号，闭锁保护2的电流a段。因此，保护2不会动作。这样，即使在线路CD段的出口处发生短路时，保护3的通信模块发送闭锁信号的时间为150ms，保护2的通信模块A检测是否收到闭锁信号的时间为8ms。两段式电流保护的动作延时为0.2s。所以，确保了保护2不会误动作，达到了选择性要求。

当线路DE段发生短路故障时，线路保护4的电流a段动作。同时，分布式电源也向短路点提供故障电流，功率方向是母线指向线路，即线路DE段末端的功率方向继电器检测到的功率方向为正。所以判定为DE段线路内部故障，断开保护4和10，将故障从两端切除。

相邻馈线2和3上发生短路时，分布式电源接入系统所产生的影响仍然是DG提供反方向的短路电流使得上游线路保护的带时限电流保护发生误动作，所以上述措施也适用，分析方法同理。

2）下游线路保护的改进措施

配电线路配置为两段式电流保护，电流a段的保护范围是本级线路的全长。下游线路故障时，分布式电源接入系统对流向短路点的短路电流起助增作用。所以，电流a段的保护范围将延长到下一级线路中。但是，可以利用通信系统向上一级线路保护发送闭锁信号的方法来避免由于分布式电源接入系统造成的上一级线路保护电流a段发生误动作的情况，从而保证选择性。又因为接入点下游的线路仍然是单电源供电网络，短路电流的方向不会发生改变，所以下游的线路保护不需要加装方向元件。

仍然是如图2中的典型配电网，如果分布式电源从D点接入配电系统，则如图3所示。

图3 DG下游线路保护的改进

如图3所示，将接入点下游的线路DE、EF、FG都分别配置两段式电流保护，因为分布式电源接入点下游的线路仍然是单电源辐射状供电方式，所以，下游线路的保护4、5、6都不需要加装功率方向继电器。又因为接入点下游线路发生故障时，不需要从两端切除故障，因此，下游的线路保护不需要配置通信模块B来向下一级保护发出跳闸信号。所以，只需要配置通信模块A，向上一级保护的通信模块A发送闭锁信号，来确保保护的选择性即可。如图3所示，在保护4、5、6上都配置通信模块A，相邻的两个模块相互连接。在下游保护中，相邻两个线路保护的电流a段构成一个通信单元。保护4的电流a段与保护5的电流a段、保护5的电流a段与保护6的电流a段分别构成通信单元。

如图3所示，分布式电源从D点接入系统，当接入点下游线路EF段发生短路时，DG向短路点提供的故障电流方向与系统电源提供的短路电流方向相同，对短路电流起到了助增作用。所以当线路EF段发生短路时，由于上一级线路DE段保护4的电流a段的保护范围本身是线路DE段全长，分布式电源的接入使得保护4电流a段的保护范围会延长至线路EF段。所以线路EF段故障时，保护4会发生误动作。

并且，如果故障点位于线路EF段的出口处，那么由于护4的电流保护a段可以保护线路DE 的全长，下一级线路EF出口处短路时，保护4的电流a段和保护5的电流a段都将会动作，保护4与保护5的电流保护a段之间将失去选择性。也会出现保护4误动作的情况。

因此，需要利用通信系统来解决：由于分布式电源的接入，使得上一级线路保护的电流保护a段保护范围增大，造成保护误动作的问题以及下一级线路出口处发生短路时，本级保护的电流a段发生误动作的问题。

如图3所示，线路EF段发生短路故障时，保护5的电流a段可以保护线路EF段的全长，所以保护5的电流a段动作。保护6不动作，根据通信系统的动作原则，保护6的通信模块A不会向保护5的通信模块A发送闭锁信号。在保护4与保护5构成的通信单元中，保护5的电流a段动作，所以保护5的通信模块A向上一级线路保护4的通信模块A发送闭锁信号，保护4的通信模块A检测收到闭锁信号，则保护4的电流a段不动作。这样，利用通信系统实现了线路EF段发生故障时，保护4不会误动作。

利用通信通道来连接两个信号模块。目前电力系统配网中实现通信通道的常用通信方式主要配电线载波通信、光纤通道、微波通道等。