分布式电源对配电网继电保护的影响分析

唐锐

（南京工程学院，南京 211167）

分布式电源对配电网继电保护的影响分析

唐锐

（南京工程学院，南京 211167）

简要介绍传统配电网的3段式电流保护原理，根据配电网网络结构具体分析分布式电源接入导致配电网继电保护误动和拒动的可能，以及分布式电源对重合闸的影响，总结减少分布式电源接入对配电网继电保护影响的主要方法。同时对接入分布式电源后的配电网继电保护提出完善措施和建议。

分布式电源；配电网；继电保护

0 引言

近年来，随着能源危机的加剧，世界各国对风能、太阳能、朝汐能等新能源利用的关注度越来越高。中国已成为全球风电装机增速最快、新增风电装机容量最大的国家，2003年全国风电装机仅400 MW，到2012年末，我国并网风电装机已超过75 000 MW，预计到2015年风电装机将超过1.4亿kW。大量清洁能源的利用能有效缓解资源匮乏和环境压力，但清洁能源以DG（分布式电源）方式接入电网将对配电网继电保护产生一定的危害。

传统配电网大多是单电源辐射网络，电流流向单一，采用3段式电流保护可以迅速有效地切除故障。接入DG后，配电网由原先的单侧电源结构变成了多端电源结构，此时配电网故障电流有多个流向，故障电流的大小也发生了相应变化。如果按照以前整定的保护电流值来设置断路器的动作电流，可能会造成保护装置拒动或者误动，进而使配电网故障影响整个电力系统的运行[1]。

根据国家电网Q/GDW 480-2012《分布式电源接入电网技术规定》的要求，当发生故障时必须全部隔离DG，让配电网回到原来单侧电源辐射模型，使保护装置能正确动作。该方法虽然能有效切除故障，但一定程度上造成了DG资源浪费。对此，本文就DG对配电网保护的影响进行分析，给出了接入DG的配电网的保护方案及其完善措施和建议。

1 传统配电网结构及保护方法

传统配电网大多是单侧电源供电模式，配电网中的电流始终是从电源流向用户。对于如图1所示的单侧电源供电网络，正常运行时，离电源侧越远的线路，流过的电流越小。当图中无论是故障点F1，F2还是F3处发生短路故障，利用3段式电流保护，保护装置都能有效切除故障。

3段式电流保护的工作原理如下：

（1）电流速断保护：反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断保护。为了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。如图1所示，当F1点发生短路故障时通过电流速断保护使断路器P1动作，当F2点发生短路故障时电流速断保护不能使断路器P1动作。

（2）限时电流速断保护：由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此可以考虑增加一段带时限动作的保护，用来切除本线路速断保护范围以外的故障，同时也可作为速断保护的后备，这就是限时电流保护。如图1所示，当F2点发生短路故障时，限时电流速断保护能使断路器P1动作。

（3）定时过电流保护：作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护，一般采用过电流保护。过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护，当电流的幅值超过最大负荷电流值时启动。如图1所示，当F2点发生短路故障时，定时过电流保护能使断路器P1动作。

在实际运行时，为了保护整条线路，可以将电流速断保护和定时过电流保护结合起来，或将限时电流速断保护和定时过电流保护结合起来，也可以将三者结合起来使用。

图1 单侧电源供电网络

图2 接入DG的配电网结构

2 DG对配电网保护的影响

2.1 DG导致保护拒动和误动

以上所述3段式电流保护利用线路发生短路时的电流幅值增大特性来区分故障与正常状态，以动作电流的大小和动作时限长短配合来保证有选择性地切除故障[2]。当DG接入配电网时，配电网结构如图2所示，即不再是单纯的单侧电源供电网络，而是两端电源甚至多端电源供电网络。此时若发生短路故障，流过配电网各支路的电流大小和方向都发生了相应的变化，如果依然按照单侧电源供电网络模型对保护装置动作电流进行整定，显然不能满足多端电源网络的要求。线路发生短路故障时将出现以下几种情况：

（1）当馈线1上F1点处发生短路故障时，P2和P4无故障电流流过，所以不动作；流过P1的短路电流由电源S和DG共同提供，P1动作切除故障；此时P3感受到了由DG产生的短路电流，如果DG容量足够大，流过P3的短路电流将增大至超过P3的动作电流，导致P3误动。如果P3断开，此时DG理论上有2种工作状态：一是继续向馈线2右端供电，该状态下将形成孤岛效应，由DG向孤岛用户提供的电能质量难以保证；第二种是处于与孤岛效应相对应的反孤岛运行状态，即DG从系统中自动解链。实际运行时，为了避免孤岛效应对系统和用户的影响，往往采用第二种方式。

（2）当馈线1上F2点处发生短路故障时，P1和P2流过的短路电流由电源S和DG共同提供，P2可以动作切除故障；如果DG容量足够大，P1感受到的由DG提供的短路电流较大，此时流过P1的电流大于其动作电流，导致P1误动；同样，如果DG容量足够大，将导致P3误动。

（3）当馈线2上F3点处发生短路故障时，P1，P2和P4中没有短路电流流过，断路器不动作；P3感受到电源S提供的短路电流，由于DG的存在，P3中流过的短路电流比没有接入DG时要小，且DG功率越大流过P3的短路电流越小，如果DG容量足够大，流过P3的短路电流可能小于P3的动作电流，从而导致P3拒动。

（4）当馈线2上F4点处发生短路故障时，P1和P2中没有短路电流流过，断路器不动作；P3感受到的短路电流来自电源S，比接入DG前感受到的短路电流值小，P3不动作；P4流过的短路电流由电源S和DG共同提供，其值大于P4动作电流，断路器正常动作。

由上述分析可得出结论：在图2所示的配电网结构中，4处故障中有2处可能会造成保护装置误动，有1处可能会使保护装置拒动，只有1处会使保护装置正常动作，可见DG的接入将对配电网继电保护产生巨大影响。

2.2 DG对重合闸的影响

由于配电网中有些故障是瞬时的，例如因风中摇摆的树叶触碰线路导致配电网短路，在线路跳闸后，可以进行重合闸操作，尝试恢复供电。传统配电网中，重合闸操作可以有效避免瞬时故障造成的停电，但当配电网中接入DG时却产生了新的问题，主要有以下2点[3]：

（1）当发生故障、DG从系统中解链形成孤岛后，DG的电源频率和相角有可能和系统的电压频率和相角失去同步，在这种情况下进行合闸会造成系统因失稳而发生振荡。

（2）当发生故障而DG却没有从系统中解链时，DG会向短路点提供持续的短路电流，导致故障点电弧持续存在，重合闸失败。

3 含DG的配电网保护方法

3.1 含DG的配电网保护思路

目前电力系统所实行的含DG的配电网保护方法是：只要含有DG的配电网发生短路故障，DG自动从系统中解链，使配电网重新恢复到单侧供电模式。该方法能较好地切除线路故障，但却造成了DG的功率浪费，因此目前正在探索更人性化、智能化的途径。

由于DG的接入使得配电网由单侧供电模式变为多端供电模式，从而使短路故障时仅由配电网单侧电源提供变成由配电网电源和DG共同提供短路电流，DG的接入改变了传统配电网短路故障电流的大小和方向。对此，研究者们主要从2个方面提出了改进措施：短路故障时减小DG提供的短路电流和重新整定保护装置动作电流并加装方向元件。

3.2 减小DG提供的短路电流

（1）通过限制DG容量来减小DG提供的短路电流。从图2所示接入DG的配电网结构图及可能出现的4种情况分析，造成保护装置拒动和误动的主要原因是DG的容量太大，因此只要减小接入配电网的容量即可使保护装置正确动作。此方法的缺点是限制了区域新能源的大规模发展。

（2）通过在DG处串联电抗器来减小DG提供的短路电流。如图3所示，当馈线1上F1点处发生短路故障时，P2和P4无故障电流流过，所以不动作；流过P1的短路电流由电源S和DG共同提供，P1动作切除故障；此时P3虽然感受到了由DG产生的短路电流，但由于串联电抗器的作用，流过P3的短路电流很小，P3不会误动。其他故障点的短路故障分析方法与2.1的（2），（3），（4）相同。虽然理论上该方法是可行的，但配电网正常运行时由于串联电抗器的存在，将在电抗器上产生较大压降，不利于电力系统的稳定运行。

图3 DG处串联电抗器的配电网结构

（3）利用逆变器限制故障短路电流[4]，其原理框图如图4所示。配电网正常运行时逆变器不动作。故障时,串联逆变器提供反相电压，抑制线路电流。该方法虽然理论上很完美，但真正实现还有一定困难。

图4 带限流逆变器的配电网络

3.3 定值调整并加装方向元件

“曼杜里亚的酒，个性非常鲜明，闻上去，你就可以从成千上万种酒中轻易辨别出来。它非常复杂，果香浓郁，但里面带点咸咸的感觉。很有意思的是，很久以前，人们以为海边不能长葡萄，不能酿酒，但这里四周都是海，我们的先辈们偏在海边的砂土上种上Primitivo，经过不停地发展、调整，如今它们已经非常适合我们的气候。你在酒中闻到的味道，便是我们的风土之味。”想了想，Adriano又补充道，“我们在加州曾经做过研究，Primitivo中的多酚含量，比任何其他葡萄酒的都要高，非常适合女性健康。”

由于DG的接入改变了原有的短路电流大小，所以需要重新整定保护装置动作电流值才能使含有DG的配电网保护装置正确动作。文献[5]提出了IIDG（逆变型分布式电源）接入后的配电网保护新方案，整定值随IIDG出力自动调整。该方案中保护装置的电流动作值随DG容量变化而变化，可以很好地解决DG容量不固定的问题，但只适合某种特定结构下配电网的继电保护。

通过重新整定保护装置动作电流和加装方向元件，线路保护的效果将更加完善。加装方向元件的配电网结构如图5所示，图中P5为方向元件。

在此，将电流从电源S流向馈线的方向定为正方向，相反方向为负方向。首先重新整定P1，P3和P5的动作电流：P1的动作电流大于F2处短路时流过P2的电流，且小于F1处短路时流过P1的短路电流；P3的动作电流大于F4处短路时电源S提供的电流，且小于F3短路时由电源S提供的短路电流；P5的动作电流大于F1处短路时DG提供的电流，且小于F3短路时由DG提供的短路电流。只有当流过P1，P2，P3和P4的电流为正方向且大于动作电流值时它们才动作，只有当流过P5的电流为负方向且其值大于动作电流值时P5才动作[6]。

（1）当馈线1上F1点处发生短路故障时，P2和P4无故障电流流过，所以不动作；流过P1的短路电流由电源S和DG共同提供且方向为正，P1动作切除故障；此时P3虽然感受到了由DG产生的短路电流，但因为方向为负，所以P3不动作；P5感受到的电流小于其动作电流，不动作。

（2）当馈线1上F2点处发生短路故障时，P1和P2流过的短路电流由电源S和DG共同提供，P2可以动作切除故障；P1感受到的电流小于其动作电流，不动作；同理，P3，P4和P5也不动作。

（4）当馈线2上F4点处发生短路故障时，P1和P2中没有短路电流流过，断路器不动作；P3感受到的短路电流小于其动作电流，不动作；P4流过的短路电流由电源S和DG共同提供，其值大于P4动作电流，断路器正常工作；P5感受到的电流方向为正，不动作。

由上述分析可知，采用重新整定保护装置动作电流和加装方向元件相结合的方法能有效控制保护装置动作与否。文献[7]根据DG容量和负荷大小，预先将含DG的配电网络划分为若干能孤岛运行的区域，也是利用了定值调整并加装方向元件的原理，只不过范围更广而已。

3.4 含DG配电网重合闸的要求

关于因解链后DG电源的频率和相角与系统失去同步而造成振荡，以及由于故障后DG没有及时解链，将持续向短路点供电导致重合闸失败的问题，可以采取以下方法解决：配电网故障后DG迅速解链；系统和DG保持良好信息互换，使其在同步运行时，将DG投入系统。

图5 安装方向元件的配电网络

4 结语

从以上对含有DG的配电网保护改进措施的分析可知：重新整定保护装置动作电流并加装方向元件的优势更加明显，采用该方法不会影响配电网正常运行时的电能质量，且故障时保护装置能正确动作。但该方法仍有其局限性，例如配电网系统比较复杂时，将使各保护装置的动作电流整定较为困难。

[1]张勇军，任震.电力系统动态无功优化调度的调节代价[J].电力系统自动化，2005，29（2）∶34-38.

[2]张立梅，唐巍，赵云军，等.分布式发电对配电网影响的综合评估[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）∶132-135.

[3]冯希科，邰能灵，宋凯，等.DG容量对配电网电流保护的影响及对策研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（22）∶156-160.

[4]彭方正．变流技术在分布式发电和微电网上的应用[J].变流技术与电力牵引，2006，2（6）∶23-27.

[5]余琼，余胜，李晓晖.含分布式电源的配网自适应保护方案[J].电力系统保护与控制，2012，40（5）∶110-115.

[6]唐小波,孙晓韡,唐国庆.20 kV与10 kV配电电压的比较[J].电力设备，2008，9（9）∶6-10.

[7]唐志军，邹贵彬，高厚磊，等.含分布式电源的智能配电网保护控制方案[J].电力系统保护与控制，2014，42（8）∶9-14.

（本文编辑：龚 皓）

Influence Analysis of Distributed Generation on Relay Protection of Distribution System

TANG Rui
（Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

The paper outlines principle of three-section current protection of traditional distribution system; based on structure of distribution system，it elaborates on possibilities of maloperation and failure to operation in distribution system due to integration of distributed generation，as well as impact of distributed generation integration on switch reclosing.It also summarizes methods for reducing impact of distributed generation integration on relay protection of distribution system；meanwhile，it presents measures and suggestions to perfect distribution networks after integration of distributed generation.

distributed generation；distribution system；relay protection

TM773

A

1007-1881（2015）08-0013-04

2015-03-26

唐 锐（1990），男，电气工程硕士研究生在读，主要研究方向为电力系统运行以及新能源发电与利用。