分布式电源接入对配电网故障定位及电压质量的影响分析

刘健，张志华，黄炜，魏昊焜，3(．陕西电力科学研究院，西安市70054;．西安科技大学电控学院，西安市70054; 3．西安理工大学自动化学院，西安市70048)

分布式电源接入对配电网故障定位及电压质量的影响分析

刘健1，张志华1，黄炜2，魏昊焜1，3
(1．陕西电力科学研究院，西安市710054;2．西安科技大学电控学院，西安市710054; 3．西安理工大学自动化学院，西安市710048)

为了解决分布式电源(distributed generation，DG)接入情况下对配电网故障定位及电压质量的影响，分析了各种类型分布式电源对短路电流的影响，得出了依靠故障电流分布进行故障定位的传统配电自动化系统的适应范围，提出了一种利用重合闸与分布式电源脱网特性协调配合的改进故障处理策略，以应对更大规模分布式电源接入的挑战。分析了分布式电源接入配电网后对电压偏差和电压波动的影响，提出了一种获得不必进行控制就能满足电压质量要求的判断条件，对于不符合该判断条件的分布式电源可以通过配电自动化系统进行监控以满足电压质量的要求。实例表明所建议的方法是可行的。

配电网;配电自动化系统;分布式电源(DG);故障定位;电压偏差;电压波动

0 引言

配电自动化是智能电网的重要组成部分，对于提高配电网的供电可靠性并改善运行质量具有重要意义［1-2］。近年来，国家电网公司和南方电网公司已经在100多个城市建设了配电自动化系统，并且在配电网运行管理中发挥了重要作用［3-4］。已经建成的配电自动化系统一般采用依靠短路电流在配电网上的分布来进行故障定位的“传统故障定位策略”［5］，并且没有考虑对分布式电源(distributed generation，DG)进行调控。分布式电源接入配电网会对其运行和管理产生一定影响，在这方面已经有大量研究成果。文献［6］分析了分布式电源对配电网的影响，文献［7-8］对分布式电源的并网特性提出了基本要求。文献［9-10］分析了各种风力发电型式并网后的短路电流特性。文献［11］对分布式电源接入后的配电自动化系统故障定位问题进行了深入分析。

分布式电源接入配电网后，会对配电网故障处理和电压质量产生什么影响?已经建成的配电自动化系统故障定位策略在多大的范围内能够适应?分布式电源接入后是否必须对其进行实时调控以确保配电网电压质量?如何在保护已有投资的情况下应对大规模分布式电源接入配电网的挑战?这些问题都有必要加以研究。

1 分布式电源接入对配电自动化故障定位的影响

1.1 分布式电源对短路电流的影响

分布式电源的接入不可避免地会改变配电网的短路电流水平和短路电流分布。但是，由于分布式电源种类很多，其对配电网短路电流的影响程度也不尽相同，因此在具体分析分布式电源对配电网短路电流的影响时，还需结合各类分布式电源的短路电流特性。

按照DG与配电网的接口方式不同，DG分为变流器类型电源和电机类型电源。

在并网点发生短路时，同步发电机输出的起始短路电流可达额定电流的7倍左右;鼠笼式异步发电机提供的起始短路电流约为额定电流的5～7倍，此后经过约3～10个周波逐渐衰减到0［9］;双馈发电机会产生8～10倍于额定电流的起始短路电流［10］，然后逐渐衰减，若在短路期间，双馈发电机的转子功率控制器仍维持有效，则双馈发电机会提供持续的短路电流，但其值会限制在略高于负荷电流，但若在发生短路时，crowbar电路起作用，将转子绕组短接，则双馈发电机的短路电流特性与鼠笼发电机类似，稳态短路电流趋于0。

接入到配电网运行的变流器类型电源基本上均采用三相电压源变流器(voltage source converter，VSC)，一般采用直接电流控制方式，在并网点发生短路时，DG向短路点提供的短路电流始终可以控制在设定的允许过电流范围(一般为1．2～1．5倍额定电流)之内。

1.2 配电自动化传统故障定位策略的适应性

1.2.1 传统故障定位策略

将由开关节点、电源节点和末梢点围成的、其中不再包含开关节点的子图称作最小配电区域(简称“区域”)，围成区域的开关节点、末梢点和电源节点称其为端点，最小配电区域是配电网中所能隔离的最小单元。

对于单电源点配电网，在发生短路故障时，其只有在故障点和电源点之间的路径上的开关会流过短路电流，配电自动化传统故障定位策略即依据短路电流的这种分布特征来进行故障区域定位:如果一个区域的一个端点上报了短路电流信息，并且该区域的其他所有端点均未上报短路电流信息，则故障在该区域内;若其他端点中至少有1个也上报了短路电流信息，则故障不在该区域内。

1.2.2 分布式电源接入变电站10 kV母线的情形

对于分布式电源接入变电站10 kV母线的情形，无论接入数量多少，分布式电源不会对母线所带其他馈线的故障定位产生不利影响;对于分布式电源接入线路本身，在满足刚性系数要求的前提下，因为由主电源流向故障点的短路电流远大于由分布式电源流向故障点的短路电流，所以根据短路电流信息依靠传统故障定位策略也能实现故障定位。

1.2.3 分布式电源接入馈线的情形

对于分布式电源接入馈线的情形，只要来自主电源供出的短路电流比来自分布式电源的短路电流明显大，能够设置1个恰当的短路电流上报阈值，将主电源供出的短路电流与分布式电源供出的短路电流加以区分，则仍可以根据短路电流信息依靠传统故障定位策略进行故障定位。

(1)最不利条件。

1)分布式电源可能提供的最大短路电流。

设分布式电源可能提供的最大短路电流为IDG，∑，对于辐射状网，IDG，∑即为本馈线上所有分布式电源在其出口处短路时的等效短路电流之和;对于环状网，IDG，∑即为本馈线和转带馈线上所有分布式电源在其出口处短路时的等效短路电流之和。

2)主电源可能提供的最小短路电流。

对于辐射状网，在馈线最远端发生两相相间短路故障时主电源供出的短路电流最小。对于N-1环状网，则是在一条馈线转带对侧馈线负荷的运行方式下，在转带馈线的最远端发生两相相间短路时，主电源供出的短路电流最小。

但是同时还需考虑到由于分布式电源接入以后，有可能会导致分布式电源接入点上游开关流过的主电源供出的短路电流有所减小，降低程度ΔISC最多为馈线上所有分布式电源的等效短路电流之和IDG，∑，也即考虑分布式电源接入以后，最不利情况下主电源提供的最小短路电流为

式中ISC为不考虑分布式电源条件下馈线末端(N-1环状网时包括转带馈线的延伸段)的三相短路电流。

(2)给定分布式电源接入容量下馈线的最大容许供电半径。

设馈线的额定载流量为IC，无论什么类型的配电网架，在满足N-1准则情况下，当一条馈线转带对侧馈线的部分(对于多分段多连接、多供一备网)或全部(对于“手拉手”环状网)的最严酷情形，所供出的负荷电流最大不能超过IC。

1)变流器类型DG。

假设馈线上变流器类型DG总容量占馈线额定容量的比率为γ，根据第1．1节，在配电网发生短路时由变流器类型DG供出的短路电流最大不超过变流器类型DG额定电流的1．5倍，因此，可得:

再考虑一个可靠系数Kk(可取Kk=2)，此时只要能够保证I″SC不低于KkIDG，∑，就可使各个开关处的配电终端，在流过主电源供出的短路电流时上报短路电流信息，而流过DG供出的短路电流时不上报短路电流信息，从而根据短路电流信息依靠传统故障定位规则就能进行故障定位，整理可得:

根据式(3)，就可以计算出给定变流器类型DG容量情况下，各种电缆和架空馈线所对应的能够采用传统故障定位规则的最大供电半径(注意:对于环状网，最大供电半径为本馈线与所转带负荷馈线的供电距离之和)，表1所示为变流器型DG容量比率γ=25%时满足传统故障定位规则的N-1环状网供电半径。

2)电机类型DG。

同样假设馈线上电机类型DG总容量占馈线额定容量的比率为γ，根据1．1节分析，在配电网发生短路时由电机类型DG供出的短路电流一般不超过电机类型DG额定电流的5倍，据此对式(2)、(3)进行修正，并代入式(1)，整理得到:

表1 变流器型DG容量比率γ=25%时满足传统故障定位规则的N-1环状网供电半径Table 1 Power supply radius of N-1 ring network to meet traditional fault location rules of inverter based DG with 25%penetration

根据式(4)，就可以计算出给定电机类型DG容量情况下，各种电缆和架空馈线所对应的能够采用传统故障定位规则的最大供电半径(注意:对于环状网，最大供电半径为本馈线与所转带负荷馈线的供电距离之和)，表2所示为电机类型DG容量比率γ= 25%时满足传统故障定位规则的N-1环状网供电半径。

表2 电机型DG容量比率γ=25%时满足传统故障定位规则N-1环状网供电半径Table 2 Power supply radius of N-1 ring network to meet traditional fault location rules of generator based DG with 25%penetration

由表1、表2可见，配电自动化系统的传统故障处理策略对于分布式电源的接入具有很大的适应范围，并且电缆馈线比架空馈线的适应范围大，逆变器并网型分布式电源比电机并网型分布式电源的适应性强。

(3)给定馈线供电半径下分布式电源的最大容许接入容量。

在给定馈线半径的条件下，可以计算出不考虑分布式电源条件下馈线末端的短路电流ISC，将ISC代入式(3)、(4)，结合馈线的额定容量IC，可以分别计算出在给定馈线半径的条件下，变流器类型DG或电机类型DG允许接入的最大容量以及最大比率。

(4)配电终端故障信息上报阈值的整定。

对于直接判断出满足最不利情形进行核算的适应性范围之内，可以采用传统故障定位规则的情形，考虑一定的灵敏度系数Ksen(Ksen一般可取1．2～1．3)，则配电终端的故障电流信息上报阈值Iset可整定为:

1.3 应对更大容量分布式电源接入的配电自动化系统改进故障定位策略

Q/GDW 480—2010《分布式电源接入电网技术规定》规定，非有意识孤岛的分布式电源必须在馈线故障后2 s内从电网脱离。据此，提出一种利用分布式电源脱网特性与重合闸配合来消除短路电流中分布式电源影响的改进配电网故障处理策略，具体如下:

(1)馈线开关采用负荷开关，只有变电站出线断路器具备过流保护和一次快速重合闸功能，重合闸延时时间为2．5～3．5 s;

(2)故障发生后，变电站出线断路器过流保护动作跳闸;

(3)2 s后，该馈线上的分布式电源全部从电网脱离;

(4)变电站出线断路器跳闸后经2．5～3．5 s延时进行重合，若是瞬时性故障则恢复全馈线供电，分布式电源逐步并入电网，若是永久性故障，则变电站出线断路器再次跳闸，此时配电自动化系统二次采集到的故障信息就排除了分布式电源的影响，可以根据短路电流依靠传统故障定位规则进行正确的故障定位。

上述改进策略对于接入任意容量的分布式电源的情形都适用，并且不必改变配电自动化系统的硬件，只需在故障处理应用软件中略加改动即可。

重合闸与分布式电源脱网特性配合故障定位法的缺点是必须要有一次重合闸。

2 分布式电源接入对配电网电压质量的影响

2.1 含分布式电源馈线建模

为了不失一般性在整条等效馈线中设置n个节点，每个节点均接有负荷和分布式电源，若该节点不存在分布式电源或负荷时，可将相应的功率设置为0。0号节点代表配电母线，Rk+j Xk代表第k段馈线的等值阻抗，PL．k+j QL．k代表第k个节点的负荷功率，PDG．k+j QDG．k代表第k个节点上的分布式电源功率。设第k个节点配电变压器的额定容量为SNT．k，其无功损耗幅值占SNT．k的比率为αk，负荷功率因数为φ1，分布式电源的功率因数为φ2，负荷有功功率占SNT．k的比率为βk。

根据上述符号定义，有:

总负荷功率和总分布式电源功率为

2.2 分布式电源对配电网电压偏差的影响

通过2．1节中所建立的模型可以得到在分布式电源未接入的情况下节点k的电压偏差ΔUk%，即

然而当分布式电源接入电网后，其输出的有功功率与无功功率将减少线路上的电压损失，其潮流方向与负荷潮流方向相反。那么接入分布式电源后的k节点的电压偏差ΔUk%为

将式(7)和(8)代入式(14)后整理得到

为了便于研究负荷功率和分布式电源容量在各种分布情况下的电压偏差和电压波动，设馈线上负荷有功功率沿馈线长度x的分布函数为pL(x)，分布式电源有功功率沿馈线长度x的分布函数为pDG(x)，馈线总长度为L。

由式(15)可知，负荷和分布式电源各种分布条件下，馈线上距母线距离为lk处的电压偏差为

为了保证用户电压偏差在合格范围内，并其中ΔUDG．S下%和ΔUDG．S上%分别表示电压偏差国家标准值下限和上限，则分布式电源接入配电网应满足以下2个条件:

(1)分布式电源接入后馈线任意位置的电压偏差不超越额定电压的上限;

(2)分布式电源退出运行后馈线上任何位置处的电压偏差不跌落到额定电压的下限。

在分析过程中对于分布式电源接入或者退出电网，都应计算出电压偏差最严重的位置与母线的距离，只要在该位置满足电压偏差不越限，则能保证馈线上任何位置处的电压偏差都不会越限。

通过上述分析可以得到分布式电源接入电网满足电压偏差的约束条件:

2.3 分布式电源对配电网电压波动的影响

分布式电源接入电网在带来电压偏差的同时也会在输出功率受到外界环境变化的影响下产生明显的电压波动。这种明显的电压波动对电压的质量也会有严重的影响。通过2．1节所建模型并假设分布式电源的有功波动功率占其额定输出有功功率的比例为λ，且假设同一条馈线上的分布式电源功率同时波动。则可得到单纯由分布式电源引起的第k个节点的电压波动ΔdDG．k%为

由式(18)可知，分布式电源容量各种分布条件下，馈线上距母线距离为lk处的电压波动为

类似地，只要计算出电压波动最严重位置的电压波动值不超过允许限值，则可以满足馈线上任意位置处的电压波动都不会越限。其中ΔdDG．S%表示电压波动国家标准值。通过上述分析可以得到分布式电源接入电网满足电压波动的约束条件:

2.4 解决分布式电源引起的电压质量问题的措施

通过2．2和2．3节的分析可知，分布式电源接入电网后，对于负荷和分布式电源任意分布的情况，允许接入的分布式电源的容量必须同时满足式(17)和(20)则可以保证电压质量在合格范围之内。

对于配电网近似认为馈线的导线类型始终一致，r+j x为馈线单位距离的等值阻抗，则馈线的抗阻比Kz为

若忽略母线以上电源侧的系统阻抗，则距离母线lk处第k个节点的短路容量Slk近似为

可得到分布式电源接入电网不越电压偏差和电压波动的约束条件，也即图1中阴影所示。

对于容量落在图2阴影区域内分布式电源，不需要对其进行协调控制，也能满足电压质量的要求。

图1 分布式电源接入传统配电网的容量范围Fig.1 Allowed capacity of DG connected into traditional distribution network

对于容量超过图2中阴影区域之外的分布式电源，则需要借助配电自动化系统对其进行实时监测，一旦发现接入点电压质量不符合要求，则可由配电自动化主站分析得出相应的处理策略，并通过远程控制，对相应的分布式电源的有功功率或无功功率进行合理调节。

3 实例分析

情形1:假设某10 kV城市配电网线路采用“手拉手”结构，构成“手拉手”的2条馈线的供电距离各为3 km，线型均为LGJ-240导线，2条线路上各接有3 MVA的负荷，系统短路容量为500 MVA，现拟在该2条线路上各接入3 MVA的分布式光伏电源。

根据1．2节的公式(3)，对于分布式光伏发电属于逆变器型并网，考虑负荷转带后的线路最大供电距离为6 km，结合系统短路容量参数，可计算得到只要每条线路上接入的分布式电源容量不超过3．7 MVA，即可满足采用传统故障定位规则的要求，而不必对配电自动化系统软硬件配置进行任何改动。

采用第2章的分析方法，考虑分布式电源集中在馈线末端接入的最严重情形，对于分布式光伏电源的接入由大量实际观测结果表明:光伏输出功率的变化幅度一般不超过其最大输出功率的一半，即λ=2。其功率因数为-0．95～0．95，故在分析过程中可以近似的忽略无功影响，即将分布式光伏电源看作一个纯有功源。电压偏差和电压波动取国家电能质量标准限值，即ΔUDG．S分别取-0．07和+0．07，ΔdDG．S取0．03［12-13］。将上述数据代入式(23)，得到每条线路所能接入的极限分布式光伏容量为16．54 MVA。也即只要每条线路上分布式光伏电源接入容量不超过16．54 MVA，则不需要借助配电自动化系统进行协调控制，也能满足电压质量的要求。

综合上述分析，可以得出结论，对于实例情形1所述城市配电网线路，在给定分布式光伏电源接入容量(3 MVA)条件下，无须对配电自动化系统的软硬件进行升级改造，即可满足分布式电源接入后的故障定位和电压质量要求，但是配电终端故障电流信息上报阈值需按式(5)进行整定，经计算可得=

1．4 kA，Ksen取1．2，则配电终端故障电流信息上报阈值最终整定为1．1 kA。

情形2:仍以情形1的配电网为例，若构成“手拉手”的2条馈线的供电距离都增加到10 km，同时拟在每条线路上接入的分布式光伏电源容量增加到6 MVA。

根据1．2节的公式(4)，考虑负荷转带后的线路最大供电距离为20 km，结合系统短路容量参数，可计算得到当每条线路上接入的分布式电源容量不超过1．17 MVA，才能满足采用传统故障定位规则的要求。

采用第2章的分析方法，考虑分布式电源集中在馈线末端接入的最严重情形，可以计算得到，只有当每条线路上分布式光伏电源接入极限容量不超过4．96 MVA时，才能确保不需借助配电自动化系统进行协调控制也能满足电压质量的要求。

综合上述分析可知:对于实例情形2所述城市配电网线路，在给定分布式光伏电源接入容量(6 MVA)条件下，配电自动化传统故障定位策略已超出其最不利情形下的适用范围，有可能失效，需采用改进的故障处理策略，例如本文1．3节论述的分布式电源脱网特性与馈线重合闸配合的改进配电网故障处理策略;同时需要借助配电自动化系统对电压质量进行实时监测和远程控制，对分布式电源的有功功率或无功功率进行合理调节。

4 结论

(1)配电自动化系统的传统故障处理策略对于分布式电源的接入具有很大的适应范围，并且电缆馈线比架空馈线的适应范围大，逆变器并网型分布式电源比电机并网型分布式电源的适应性强。

(2)为了应对分布式电源更大规模接入配电网的挑战，可以采用重合闸与分布式电源脱网特性相配合的改进故障处理策略，不需要改变已建成配电自动化系统的硬件，只需稍加改动软件即可。

(3)对于分布式电源的容量落在由允许的电压偏差下限、电压偏差上限和电压波动这3条曲线围成的区域之内的情形，不必对该分布式电源进行控制也可以确保接入点的电压质量;对于容量落在这3条曲线围成的区域之外的分布式电源，则需要通过配电自动化系统对其进行监控，以确保接入点的电压质量符合要求。

［1］刘健，沈兵兵，赵江河，等．现代配电自动化系统［M］．北京:中国水利水电出版社，2013．

［2］陈堂，赵祖康，陈星莺，等．配电系统及其自动化技术［M］．北京:中国电力出版社，2002．

［3］刘健，赵树仁，张小庆．中国配电自动化的进展及若干建议［J］．电力系统自动化，2012，36(19):12-16．Liu Jian，Zhao Shuren，Zhang Xiaoqing．Advances of distribution automation in China and some suggestions［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2012，36(19):12-16．

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［12］GB/T 12325—2008电能质量供电电压偏差［S］．

［13］GB/T 12326—2008电能质量电压波动与闪变［S］．

(编辑:张媛媛)

Influence of Distributed Generation on Fault Location and Voltage Quality of Distribution Network

LIU Jian1，ZHANG Zhihua1，HUANG Wei2，WEI Haokun1，3
(1．Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi'an 710054，China; 2．Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 3．Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

To solve the influence of distributed generation(DG)on the fault location and voltage quality of distribution network，the influence of various DGs on the short-circuit current were analyzed．The adaptation range of traditional distribution automation system was obtained，in which the faultlocation was based on the faultcurrentdistribution．An improved faultprocess strategy was proposed to meet the requirement of much larger amount of DGs connection，based on the coordination of the reclosing procedure and DG escaping after faults．The influences of DGs on the voltage deviation and voltage fluctuation of distribution network were analyzed．The judging condition to meet the requirements of voltage quality without the control of DG was proposed．The DG that could not accord with the judging condition could be monitored by distribution automation system to meet the requirements of voltage quality．The examples show that the proposed method is feasible．

distribution network;distribution automation system;distributed generation(DG);fault location;voltage deviation;voltage fluctuation

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0115-07

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.018

2014-11-14

2014-12-18

刘健(1967)，男，博士，教授，博士生导师，百千万人才工程国家级人选，国家电网公司科技领军人才，本文通信作者，主要研究方向为配电网及其自动化技术;

张志华(1987)，男，硕士，工程师，主要研究方向为配电网及其自动化技术;

黄炜(1989)，男，硕士研究生，主要研究方向为配电网及其自动化技术;

魏昊焜(1986)，男，博士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化技术。

国家电网公司科技项目(提高配电网故障处理能力的关键技术研究)(5226SX13044H)。