智能配电网建设与10 k V分布式光伏电源并网运行保护配合初探

2015-03-17朱利宏

通信电源技术 2015年3期

朱利宏

（云南石林供电有限公司，云南石林652200）

1 概述

石林地区是昆明市太阳辐射资源较好的地区之一，年平均日照小时数为2 193.1 h，年平均辐射量约5 355.44 MJ／m2。2010年5月25日，设计装机容量位列亚洲第一的昆明石林太阳能光伏并网实验示范电站一期20兆瓦项目正式并网发电。石林太阳能光伏并网实验示范电站总装机容量为166兆瓦，日前二期90兆瓦项目土建及安装工程也已完成招标，启动工程建设。

电站运行多年来，环保等方面的社会效益显著，并获得了大量的建设和运行经验，也充分显示出光伏电站的各项特点和优势。随着国家明确将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，各项扶持措施不断强化，地处高海拔、低纬度、具有丰富太阳能资源的云南，将面临前所未有的发展机遇，光伏发电产业前景广阔。

另一方面，城市建筑高层化，太阳能作为热源的应用受到限制，将使得太阳能的电源应用，从最初在边远地区和缺电地区的使用逐渐转移到城市的使用，从简单的安装太阳电池板，到把太阳能电池板和建筑进行较好结合，使光伏发电得到更广阔的发展空间。云南省昆明国家高新技术产业开发区屋顶太阳能光伏发电项目工程（石林部分），已经通过方案审批，计划通过10 k V电压并网接入110 k V路南变电站10 k V小滑坡线7.8号电缆分支箱，并网变压器容量达1 000 k VA（SCB10-1000-10.5／0.27 k V），分布式屋顶太阳能发电并网项目正逐步走向实用化。

光伏发电与建筑物集成化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）的概念于1981年正式提出，近年来光伏建筑一体化及并网发电得到了快速发展。光伏建筑一体化是太阳能光伏与建筑的完美结合，属于分布式发电的一种，能够减少电网用电，减轻公共电网的压力，是解决电力工业可持续发展问题的理想突破。

2 光伏发电上网对配电网保护配置的影响

光伏分布式发电应用前景广阔，尤其是光伏大厦、光伏厂房等，就其发电容量、分布位置、负荷需求而言，更适合在10 k V配电网并网运行。但是，其并网对配电网的运行存在诸多不良影响，如：输出功率不稳定、潮流分布复杂化、电压和频率波动、谐波污染、孤岛效应及对电网冲击、电能计量模式等。

当分布式光伏电站（Distributed Generation，DG）大规模上网时，对配电网的负荷特性、配网规划、调度、调度自动化将产生影响，尤其对配电网保护配置的影响较大。

2.1 中低压配电网保护

目前，我国的10 k V中低压配电网主要包括不接地（或经消弧线圈接地）单侧电源、辐射型供电网络，环网、“手拉手”方式也是分段运行。因此，其一般配置传统的三段式电流保护，即：瞬时电流速断保护、定时限过电流保护和Ⅲ段过电流保护。且继电保护装置一般装设在供电变电站10 k V出线断路器处，保护整条线路。主馈线上装设自动重合闸装置，支路上装设熔断器或产权分界点断路器。

传统的三段式电流保护不仅保护原理简单易懂而且可靠性较高，一般的故障都能快速、可靠地切除。因此，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。但是传统的三段式电流保护存在受系统运行方式和线路接线方式影响的缺陷。

配电网中引入少量分布式发电单元（如DG）时对整个电网不会构成太大的影响，但高比例DG的引入使得配电网从传统的单电源辐射状网络变成双端甚至多端网络，从而改变故障电流的大小、持续时间及其方向，结果可能会导致断路器保护误动、拒动及失去选择性。DG自身的故障也会对系统的运行和保护产生影响。另外，当DG系统抗孤岛保护功能时间不能与自动重合闸等装置协调配合时，就会引起非同期合闸。

2.2 DG对线路三段式电流保护的影响

图1为三段式电流保护范围示意图

图1 三段式电流保护范围示意图

2.2.1 DG上游故障

DG上游K1点发生短路故障时，保护R3在另一条馈线上，因此保护R3的保护动作和DG的存在与否无关。

但由于K1短路故障，系统S和DG相当于并联运行，DG存在着分流作用，因此造成了保护R1的灵敏降低，严重情况下保护R1还有可能拒动，也无法有效地配合DG形成孤岛，难以隔离故障区。

2.2.2 DG下游故障

DG下游K2点发生短路故障时，保护R3在另一条馈线上，因此保护R3的保护动作和DG的存在与否无关。

系统S和DG一起提供保护R2的短路电流，因此，R2电流较无DG时大，R2装置能迅速且可靠地动作以切除故障。

2.2.3 其他馈线故障

同一母线的其他馈线K3点发生短路故障时，因为保护R2所在的位置是同一母线不同馈线上的，因此保护R2的保护动作和DG的存在与否无关。

系统S和DG提供的短路电流都流过保护R3，电流比无DG时增大，所以保护R3能可靠动作切除短路故障。而R1的故障电流仅由DG提供，随着DG容量的增大，保护R1可能会误动而切除本线路。

2.2.4 保护的方向性

配电网是单端电源供电，因此配电网的继电保护没有方向元件。在接入DG之后，配电网某些部分将变为双端电源供电。在DG节点上游线路发生故障时，由DG提供的故障电流是从负荷侧流向系统侧，这意味着在保护装置下游接有分布式电源时，在保护的下游和上游发生故障，都有故障电流流过保护。由于没有方向元件，一旦故障电流超过整定值，保护将动作而失去选择性。因此，需要在配电网的继电保护装置上安装方向元件，以保证继电保护能够正常工作

2.3 DG对线路其它保护的影响

2.3.1 对距离保护的影响

DG和系统都会对故障点提供故障电流，这将使测量阻抗发生变化，致使距离保护的动作范围变化，保护灵敏度也发生变化。

2.3.2 对纵联差动保护的影响

若线路发生故障，则该段线路上的所有DG都将向故障点提供短路电流，导致故障点处的短路电流值极大。然而由于两端保护只能监测到系统侧提供的故障电流，因此检测到的故障电流值要小于故障点实际值，当检测值过小时，保护可能会无法启动。

2.4 DG对线路重合闸的影响

由于配电网中70%以上的故障是瞬时性的，重合闸对提高供电可靠性相当重要，然而DG接入配电网后，若线路发生故障并跳闸，有可能产生不同期的结果。

（1）DG可能继续向故障点提供短路电流，使瞬时故障发展成永久故障，造成重合闸失败。

（2）形成由DG单独供电的孤岛时，重合闸可能造成非同期合闸。传统的配电网馈线重合闸一般没有检同期和检无压功能，因此在主电源跳开到自动重合闸动作前这段时间内，DG与电网不能保持同步，导致非同期合闸。

2.5 案例小结

通过上述分析，配电网中并入DG对传统的三段式电流保护的影响主要表现如下：（1）可能会导致非故障线路的其他线路速断保护误动，从而使保护失去选择性以及事故影响范围扩大；（2）可能会导致本线路速断保护的灵敏度降低，严重时保护可能会拒动；（3）同样地，定时限电流保护和过电流保护也会出现失去选择性的问题；（4）DG上游发生故障时，难以配合DG形成孤岛。

因此，DG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应有所限制。

同时，对距离保护、重合闸等也存在不同形式、不同程度的影响。

3 配电网实现网络化智能保护的必要性

3.1 常规保护的改进

面对DG接入配电网引起的一系列问题，国内外的专家学者提出了许多解决方案。

3.1.1 运行方式

目前主要有切源方案和孤岛方案两种。

（1）切源方案

在任何故障发生时，先断开所有的DG，然后采取原来的保护措施。IEEEStandard1547标准要求：如果故障发生在DG所在馈线，DG应当停止向配电网供电。在DG所在馈线的自动重合闸动作前，DG必须跳离配电网，这就要求DG并网断路器动作时限与馈线主供电源侧出口断路器重合闸时限配合，馈线断路器保护还需要具备检无压功能。

（2）孤岛方案

当故障发生时，由DG装置独立地向负荷供电。当配电网发生故障时，在保证电力系统安全稳定运行的前提下，将配电网分成若干个孤岛运行，以充分利用DG来减小停电面积和提高发电效率。但是在孤岛方案下，原有的保护装置并不能直接应用在含有DG的配电网中，需要对原有的保护原理和保护方案进行改进，或者是提出新的保护原理与保护方案。

3.1.2 继电保护的改进

专家对电流保护的改进方案，如：

（1）通用性强、容易计算、经济的继电保护逻辑方案。

（2）在包含DG的环网结构中使用TCM（Time Coordination Method）法，即在故障时，通过各个继电器在时限上的配合找到故障切除时间短、供电可靠性高的保护最优配合方案。

（3）在弱配电网中接入DG，虽然可能会对原有保护产生影响，但是可以通过改变保护的定值来消除，只要合理的设定保护定值，原有保护设备仍可发挥作用。

（4）利用对称电流分量检测的方法，通过对比零序电流和负序电流分量的门槛值去启动主保护，并且结合传统的过电流保护，可满足DG接入后对保护的新要求。

（5）基于配电网电流正序分量相位变化的方向过流保护方案。

3.1.3 距离保护的改进

与三段电流保护相比，距离保护性能更加完善，受系统运行方式影响较小，理论上适合将其应用到含有DG的配电网中。目前，四边形特性的距离继电器开始广泛应用在微机线路的保护中，它具有测距、方向判别和躲负荷的功能，不仅要求整定三段式电抗定值，还要求整定电阻分量。虽然这在一定程度上可以满足DG接入配电网的要求，但是这方面的运行整定经验仍然很欠缺，需要进行更多的研究和探索。

3.2 含DG配电网保护的新方案

随着计算机及通信技术的应用不断深入，出现了继电保护与这些技术进行结合的新保护方案，如自适应保护。

自适应保护是指能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护自身性能、特性或定值的保护。但现有自适应保护尚未充分利用计算机的潜在智能和电力系统固有的分布性来构筑保护系统。针对DG引入配电网对保护引起的问题，有专家提出了一种自适应保护的解决方案，将配电网分成几个区域，区域之间以带有检同期装置的断路器相互连接。安装在变电站侧的主保护则在对配电网数据进行接收、存储和计算分析后，确定故障类型、位置，并最终提出合适的保护命令，清除故障恢复供电。

4 智能型配电线路保护方案初探

根据上述自适应保护设想，本节探讨一种基于IEC61850 GOOSE通信机制的网络化、智能型的配电线路保护方案。

4.1 系统构成

如图2所示，各线路断路器、各DG配置网络型智能保护装置，并经IEC61850 GOOSE光环网连接为一个统一、完整的智能保护系统，实现网络化、智能型的各项保护功能。

图2 智能三段式保护方案

4.2 系统主要功能

（1）线路保护功能

线路保护功能包括：自适应保护适配；自适应定值调整；线路纵差保护；三段电流保护；智能网络控制。

（2）DG保护功能

DG保护功能包括：逆变器基本保护；孤岛效应保护；线路纵差区间闭锁；智能网络控制。

4.3 系统工作原理

4.3.1 K1发生故障

若K1发生故障，R1、DG1、DG2、DG3保护跳闸，各DG切源运行。然后R1重合闸动作，若是瞬时性故障，则重合成功后对DG1、DG2、DG3送同期合闸信号，将各DG恢复上网。若是永久故障，则R2隔离跳闸，隔离故障区。

环网、“手拉手”线路则将下游负荷转移至对侧电源供电，并且对DG3送同期合闸信号，将DG3恢复上网。

辐射型供电线路，则对DG3送合闸信号，DG3孤岛运行。

4.3.2 K2发生故障

若K2发生故障，R2、DG3保护跳闸，DG3切源运行。由于属穿越故障，R1、DG1、DG2保护闭锁。然后R2重合闸动作，若是瞬时性故障，则重合成功后对DG3送同期合闸信号，将DG3恢复上网。

4.3.2 K3发生故障

若K3发生故障，R3保护跳闸，由于不在故障区，R1、DG1、DG2、DG3保护闭锁。然后R3重合闸动作，若是瞬时性故障，则重合成功。

4.4 方案特点

该方案智能网络保护的实质是把各保护采集到的电气量信息经光环网通信实现共享，从而确定故障区域和故障点。由于保护的快速性要求，该方案对通信的要求很高，因而采用GOOSE高速高可靠通信，其4 ms的通信周期能够满足保护的实时性要求，并且满足配电网点多、面广的实际，可以控制投资和易于维护。

该方案是以高速网络测量系统为基础的保护，采用GPS精确定时、光环网高速高可靠通信，对电力系统进行实时监测与控制，对电气量进行精确采集和分析计算。配电网引入DG后，由原来的单一电源形成了双电源甚至多电源供电，对保护的要求也变得十分苛刻，需要对系统中各个节点电压、电流等电气量进行精确采集，从而在整体上精确计算同一时刻的电气量。因此该方案的技术特点比较适合应用到含DG的配电网中。