浅析分布式电源对配电网三段式电流保护的影响

陈健斌

（佛山市南海景旺电力电器安装有限公司，广东 佛山528200）

1 分布式电源的概念及其应用优势

分布式电源（DG）是指为了用户的特殊需要或配电网的经济运行，发电设备以分散的形式布置在用户附近，发电功率为数千瓦到数十兆瓦不等的小型模块式、与环境兼容的独立电源。

在实际的应用中，DG相对于常规供电电源主要有以下几点优势：（1）成本低，适应性强，灵活性高；（2）可以有效地提高配电网的可靠性；（3）可以减少能量转化对环境的污染，提高能源的利用率；（4）可以最大限度地降低用户的成本。

2 DG对配电网的影响

（1）对配电网潮流的影响：传统的配电网是辐射形式的网络，线路的潮流一般由电源侧指向用户端，当配电网中含有DG时，线路潮流的大小和方向将受到DG接入位置和容量等因素的影响。

（2）对配电网电压和电能质量的影响：传统配电网在稳态状态下运行，其电压沿着馈线潮流方向逐渐降低。DG接入配电网后，首先，由于用户端出现了电源，会改变稳态电压的这种分布规律；其次，DG装置包含电力电子元件并以逆变的方式接入配电网，会造成电网电压的波动、闪变等电能质量问题。

（3）对配电网继电保护的影响：当传统配电网中线路故障时，短路电流是从电源端指向故障点的单一流向电流，因此主馈出线路上所配置的保护是无方向三段式过流保护、反时限保护或距离保护，另外还有重合闸装置。DG接入后短路电流的方向及水平将因受到DG的类型、接入位置及容量的影响而发生变化，可能导致原保护系统发生不正确动作。目前还未能很好地解决这一问题，这就需要在DG接入配电网后，重新考虑各方面的因素，进行继电保护的整定计算，尽力使系统不会因为原保护系统的不正确动作而频繁陷入故障。

（4）对配电网调度和运行控制的影响：我国大力发展分布式电源首先就要面临新能源特别是风电大量接入配电网后给电网带来的系统调峰调频、电网适应性／安全稳定性、电压控制等问题。另外，风力发电、光伏发电具有间歇性、波动性的特点。需要对配电网进行良好的统一调度和管理才能应对大量分布式电源和传统电源并存的情况，保障整个系统的稳定可靠运行。

3 DG对配电网三段式电流保护的影响

在配电网中，对设备来说，继电保护是一道非常重要的保护，直接关系到配电网设备运行的安全和稳定。在配电系统的继电保护中，传统的三段式电流保护应用非常广泛，可以说无处不在。但是传统的三段式电流保护也存在受系统运行方式和线路接线方式影响较大的缺陷。分布式电源并入配电系统后，配电网由单电源变成双电源或者多电源系统，因此其潮流分布发生变化，致使当系统发生短路故障时，故障的电流大小和方向也会发生改变。下面从理论角度分析DG以不同位置和不同容量接入配电网后对传统三段式电流保护的影响。

3．1 在配电网线路末端位置并入DG

由图1可知，馈线1变为双侧电源供电线路，馈线2仍然可视为单侧电源供电线路。假设参数：系统等值电动势为Es，输电线路的阻抗为Zi（i＝1，2，3，4），电源的阻抗为Zs，电子元器件中的变压器等效阻抗为ZT。AB、BC、CD和AE线路阻抗依次表示为Z1、Z2、Z3、Z4，当线路 AE、BC、AB和 CD 出现短路时，假设它们与母线的距离占这段输电线路的比例与线路阻抗等相关参数的比值相一致，则等效电路如图2所示。

图1 在配电网线路末端位置并入DG

图2 在配电网线路末端位置并入DG等效电路图

3．1．1 f1点处短路

f1点处发生短路时，在DG并入前后，流过节点1、2、3的故障电流全部来自本系统，电流数值不发生什么变化，所以DG对节点1处的电流保护不会产生任何影响，可以准确无误地切除故障线路从而保护输电线路。与此同时，节点2处电流保护受到DG的影响，电路的短路电流由节点3处线路提供。节点2处电流保护极有可能受到电流短路的影响，如果节点2处电流保护没有做好，会导致节点3处线路电流保护受到孤立，成为孤岛。所以需要想到DG承受电负荷能力以及系统的重合闸问题。这个时候流过节点1、2、3的短路电流可以由下面的公式表示：

3．1．2 f2点处短路

在f2点处发生短路时，情况与f1点处发生短路时类似，这里就不作具体分析了。

3．1．3 f3点处短路

在f3点处出现短路现象时，需要在电路靠近的母线D侧CD线路上安装保护电路的装置和电子元件，组成保护电流方向性的设置，这个时候流过节点1、2、3处保护装置的短路电流为：

3．1．4 f4点处短路

在f4点处发生短路时，DG向短路点提供反向故障电流，流过节点1、2、3的短路电流有可能造成这3个保护误动作，失去选择性，使故障范围扩大。而且DG所加载的短路电流对经过节点4的短路电流会产生助增的作用，导致保护4的安全范围拓展到下一个级段的线路，使选择性难以保证。这时经过节点1、2、3和4的短路电流可通过图3表示，其中I1表示了经过节点1与2以及3的短路电流和流过系统侧边的短路电流，I2表示流过节点4的短路电流。

图3 计算等值图

解得，流过节点1、2、3和4的短路电流为：

3．2 在配电网线路中间位置并入DG

如图4所示，在配电网线路中间位置并入DG。

3．2．1 f1点处短路

在f1点处发生短路时，节点1处的保护装置动作切除故障，但由于DG的存在，该动作会引起DG右侧的系统以孤岛方式进行运转，因为在故障点f1和母线B侧这段区域内无保护系统，所以故障点一直接收着来自分布式电源不断输送的电流，从而无法熄灭故障点区域的电弧，同时线路中的重合闸无法及时断开，进而无法及时避免停电范围扩大。

图4 在配电网线路中间位置并入DG

3．2．2 f2点处短路

若短路发生在f2点，从DG处流进短路区的电流在通过短路保护器时使保护电流增加，从而使其逐步流入CD处各线路间，使节点2和3之间的协调失衡，进而使得继电保护装置失去选择性。下面分析DG接入对节点1处保护装置的影响。按照式（4）的分析方法，可以得到如下公式：

因为短路电流在流动时具有很强的汲流效应，从而当DG中的短路电流流过节点1时，使流过节点3处的电流不断增强。当短路电流通过DG进入时，缩小了其保护区范围，同时使保护装置的灵敏度降低，拒动能力也得到了保护。而在状况不好时，其电流限时速断保护对节点1不再具后备保护的能力。在流过节点2处的电流增大时，节点2处的限时电流保护的速断区保护范围增大，可能与节点3处的Ⅰ段保护失去配合，无法保证继电保护装置的选择性。

3．2．3 f3点处短路

与3．1．4的情况类似，在此就不作详细说明。

4 结论

通过上述分析，可以得出配电网中并入DG对传统的三段式电流保护的影响主要有以下几点：（1）可能会导致非故障线路的其他线路保护的误动，从而使保护失去选择性以及事故影响范围扩大；（2）可能会导致本线路保护的灵敏度降低，严重时保护可能会拒动。另外可以看出：分布式电源接入配电网的位置及它的容量都对传统的三段式电流保护有影响，并入系统的分布式电源容量不应该太大。

［1］谢石骁，王乔来．混合储能系统在分布式发电系统中的应用．华东电力，2011，37（8）

［2］Jenkins N，Allan R，Crossley P，et al．Embedded Generation．The Institution of Electrical Engineers，2000