考虑电流保护可靠性的分布式电源准入容量研究

吴立杰，陈星莺，2，徐石明，余昆，2，马越

（1. 河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 210098；2. 江苏省配用电与能效工程技术研究中心，江苏 南京 210098；3. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061）

分布式电源的接入改变了配电网络的物理结构，电网潮流分布和短路电流将发生根本性变化。为了保证配电网的安全可靠运行，分布式电源的接入受到各种条件限制，在满足一定的技术指标下，系统能够接受的分布式电源（Distributed Generation，DG）最大容量称为分布式电源接入电网的准入容量[1]。DG容量的不同会对传统继电保护方案造成不同程度的影响，在保证继电保护可靠动作前提下配置分布式电源是推广应用分布式电源的模式之一，其中的关键是研究分布式电源的准入容量，该问题已成为当前研究的一个热点。

目前，国内外已有文献从不同角度考虑某一约束条件研究分布式电源的准入容量。文献[1]从节点电压不越限、支路潮流不过载两个方面考虑系统的静态安全约束，结合二分法和枚举法研究单DG和多DG情况下的准入容量。文献[2]仅研究节点电压不越限情况下的DG准入容量。文献[3-4]从保障配电网内现有继电保护装置可靠动作的角度研究不同类型DG的准入容量。文献[5-6]研究了DG接入配电网后可能存在的“非正常孤岛”问题对DG准入容量的影响。文献[7]分析分布式电源的接入位置和接入容量对网络损耗的影响，研究不同节点的注入容量。

本文考虑到含DG的配电网一旦发生故障，分布式电源的注入电流将直接影响原有继电保护装置的准确动作[8]，选择以电流保护可靠性为约束研究分布式电源的准入容量。首先分析分布式电源的接入点和故障点的相对位置对电流保护装置灵敏度的影响，然后建立分布式电源模型对实际配电系统接入DG进行仿真分析，并给出提高分布式电源准入容量的措施。

1 分布式电源对配电网电流保护的影响

10 kV配电线路通常配置三段式电流保护[9]，其中，Ⅰ段无时限电流速断保护按躲过被保护线路末端最大短路电流整定，Ⅱ段限时电流速断保护按下一条相邻线路故障情况下无时限电流速断保护整定值的1.1倍进行整定，Ⅲ段定时限过电流保护通常作为本线路主保护的后备保护或相邻线路的远后备保护，按躲开流过本线路的最大负荷电流整定。根据上述的整定原则，Ⅱ段限时电流速断保护的保护范围是本线路的全长，Ⅲ段定时限过电流保护则可保护本线路和相邻线路全长。由于Ⅲ段定时限过电流保护的动作时限较长，分布式电源对Ⅲ段定时限过电流保护的影响较小，故本文主要讨论分布式电源对Ⅰ段和Ⅱ段电流速断保护可靠性的影响。

1.1 分布式电源下游线路发生故障

如图1所示，若分布式电源下游线路f1处发生故障，分布式电源将减小保护K1检测到的故障电流大小，从而使保护K1的灵敏度降低，甚至可能导致保护K1拒动。针对这种故障情况，为了保证保护K1准确动作，须保证其检测到的最小短路电流I1应能使保护K1的限时电流速断保护可靠动作。由于DG所在下游线路末端发生短路故障时，检测到的短路电流I1最小，故

式中，IⅡK1为保护K1的限时电流速断保护整定值。

图1 DG下游线路故障示意图Fig. 1 A fault occurs at the downstream line of DG

若图1中f2处发生故障，由于分布式电源的接入将增大保护K2检测到的故障电流大小I2，且容量越大，检测到的I2越大；如果分布式电源容量过大，检测到的故障电流I2有可能超过保护K2的整定值，造成保护误动。针对这种情况，短路电流I2应该满足：

式（2）中，IⅠK2为保护K2无时限电流速断保护整定值。

1.2 分布式电源上游线路发生故障

如图2所示，若分布式电源上游线路f2处发生故障，根据选择性要求应由保护K1动作进行故障隔离和重合闸恢复供电，且期间保护K2不应该动作。如果此时分布式电源仍并网运行，则会向保护注K2入电流，为保证保护K2的可靠动作，要求此时保护K2检测到的短路电流I2应小于其限时电流速断保护整定值，即

式（3）中，IⅡK2为保护K2的限时电流速断保护整定值。

图2 DG上游线路故障示意图Fig. 2 A fault occurs at the upstream line of DG

1.3 分布式电源所在线路的相邻线路发生故障

如图3所示，若分布式电源所在线路的相邻线路中f1处发生故障，分布式电源将通过母线向故障点转送短路电流。由于传统三段式电流保护无方向识别功能，当分布式电源容量足够大时有可能引起保护K1、K2误动，导致分布式电源所在的正常线路停电。因此要求当分布式电源所在线路的相邻线路故障时，DG所产生的最大反向电流不能引起保护K1、K2的误动，即保证不会引起保护K2动作。由于相邻线路的出线端（即母线处）发生三相短路故障时，DG所产生的反向短路电流最大，故此时保护K2监测到的故障电流I2应满足：

式（4）中，IⅡK2为保护K2的限时电流速断保护整定值。

图3 DG相邻线路故障示意图Fig. 3 A fault occurs at the adjacent line of DG

此外，f1处发生故障时，由于分布式电源对故障电流的助增作用，保护K3检测到的短路电流增大，有可能发生误动，此时，短路电流应该满足

式（5）中，IⅡK3为保护K3的限时电流速断保护整定值。

2 考虑电流保护可靠性的分布式电源准入容量分析模型

当电网发生短路故障时，同步电机型分布式电源的注入电流对系统短路电流大小和方向的影响最显著[10-13]。目前，研究分布式电源接入配电网对短路电流的影响时多采用电压源串联电抗的模型来代表DG的短路电流模型，且视同步发电机的暂态电抗和次暂态电抗为固定值，与容量无关，与实际情况不一致。本文利用DigSILETT/Powerfactory电力系统仿真软件的机电暂态功能计算同步发电机型分布式电源接入配电网后的短路电流。首先在DigSILENT中建立1 MW的小型同步发电机模型，然后通过增加并列机组数来改变分布式电源的容量，构成如图4所示的配电网结构。

图4 分布式电源接入10 kV配电网Fig. 4 DG accesses to the 10 kV distribution network

若单个DG接入2号母线，综合考虑因DG接入点和故障点的相对位置（上游、下游、相邻线路）的差异，对电流保护装置动作灵敏度造成的不同影响，建立配电网对分布式电源的最大准入容量的数学模型，以最大可接纳容量max SDG为目标函数进行分析。当故障发生在不同位置时，所配置的电流保护装置是否应该动作的逻辑如表1所示。

表1中，Ki（i=1，…，5）是配电网内5条线路所配置的电流保护装置。

3 仿真分析

3.1 算例分析

图4所示系统的线路阻抗为0.45+j0.368 Ω/km，每段线路长度均为4 km。假设外部电网短路容量为100 MV·A，根据三段式电流保护的整定原则对保护装置各段的动作电流及动作时限进行整定计算，并进行灵敏度系数校验，结果如表2所示。

表1 保护装置正确动作逻辑与故障点的关系Tab. 1 Relation of relay device and the fault point

表2 保护各段动作电流及时限Tab. 2 The action current of protection and time limit

为不失一般性，首先考虑分布式电源接入2号母线时，故障发生在不同位置时各电流保护装置的动作与否和分布式电源的最大准入容量，仿真结果如表3所示，其中“/”表示该保护装置对分布式电源的准入容量没有限制。

表3 DG接入母线2时的最大可接入容量Tab. 3 The maximum penetration capacity when DG accesses to the bus2

若分布式电源接入1号母线，经仿真分析得其最大可接入容量如表4所示。

表4 DG接入母线1时的最大可接入容量Tab. 4 The maximum penetration capacity when DG accesses to the bus1

由表4可知，若分布式电源接入1号母线，线路3～4之间或4号母线处短路，由于保护K2上游的分布式电源对流过保护K2的短路电流有助增作用，有可能使K2的保护范围延伸到下游线路而发生误动。在这种情况下为保证保护装置动作可靠性，最多可以接入1号母线17 MV·A的同步发电机。

同理可以计算得到分布式电源接入3～6号母线时，在保证电流保护装置可靠动作前提下，各母线对分布式电源的准入容量如表5所示。

表5 各母线对DG的准入容量Tab. 5 The penetration capacity of DG in each bus

由表5可以看出，1号母线（系统母线）对分布式电源的准入容量最大，在不改变现有三段式电流保护整定值的前提下，最多可以接入17 MV·A的同步电机型分布式电源，其次是5号和6号母线。其余母线对DG的准入容量有限，比如2号母线和4号母线分别仅有1 MV·A和3 MV·A。

3.2 提高分布式电源准入容量的措施分析

上述分析表明，在不改变现有配电网电流保护配置情况下，除变电站母线外都对分布式电源的接纳能力有限制，可通过改变保护定值和采用新的保护方式来实现分布式电源准入容量的提高。

1）重新整定保护装置的动作电流，提高分布式电源的准入容量。

算例中，2号母线对DG的准入容量仅1 MV·A。其主要原因是如果在2号母线处接入DG，4号母线处发生短路，从电流保护装置的动作可靠性角度来说，应该由K3动作隔离故障；但实际上分布式电源对流过保护K2的短路电流存在助增作用，接入容量过大会导致K2误动。假设将K2的限时电流速断保护的动作电流值从0.81 kA提高到0.83 kA，则2号母线对DG的准入容量可提高到2 MV·A。虽然重新整定保护装置的动作电流可以提高配电网对DG的准入容量，但从动作可靠性来说，这需要综合考虑对本段线路任一故障点的动作灵敏度和上下级线路保护的配合，不宜改动过大。

2）采用电流电压连锁速断保护，提高分布式电源的准入容量。

从分布式电源接入位置对电流保护的影响分析和仿真结果可知，3、4、6号母线对分布式电源的准入容量受反向电流的限制较大。如果在保护装置加装方向元件，可以减弱或消除这种限制作用。同时由于分布式电源对短路电流的外汲作用，如果以分布式电源接入后的短路电流水平整定保护装置的动作电流，则有可能缩小装置的I段无时限电流速断保护的范围，甚至没有保护区。此时可考虑采用电流电压连锁速断保护来提高装置的保护灵敏度和增大保护范围。

4 结论

本文以同步发电机型的分布式电源作为准入容量的研究对象，研究分布式电源接入点和故障点的相对位置关系对准入容量的影响。通过对10 kV配电系统的仿真分析结果表明，在不改变现有三段式电流保护的前提下，从分布式电源接入对配电网电流保护可靠性影响角度进行分析，不同母线对分布式电源准入容量的限制差异较大，系统母线对DG的准入容量大大高于普通线路母线对DG的准入容量，甚至在某些母线处接入很小容量的分布式电源都有可能引起保护装置误动或拒动。最后提出可以通过重新整定保护装置的动作值和采用电压电流连锁速断保护来提高分布式电源的准入容量。

[1] 夏成军，崔弘，王强，等. 考虑静态安全约束的分布式电源准入容量计算[J]. 电网技术，2009，33（16）:96-100.XIA Chengjun，CUI Hong，WANG Qiang，et al. Penetration capacity calculation for distributed generation considering static security constraints[J]. Power System Technology，2009，33（16）: 96-100（in Chinese）.

[2] JOHAN MORREN，SJOERD W H. DE HAAN. Maximum penetration level of distributed generation without violating voltage limits[C]. CIRED：20th International Conference on Electricity Distribution：271.

[3] 王江海，邰能灵，宋凯，等. 考虑继电保护动作的分布式电源在配电网中的准入容量研究[J]. 中国电机工程学报，2010，30（22）: 37-43.WANG Jianghai，TAI Nengling，SONG Kai，et al. Penetration level permission of for DG in distributed network considering relay protection[J]. Proceedings of the CSEE，2010，30（22）: 37-43（in Chinese）.

[4] SIRISOPHONWATTANA S，CHAITUSANEY S. Maximization of distributed generation with consideration of fuserecloser coordination[C]//Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecommunications and Information Technology（ECTI-CON），2011 8th International Conference on.IEEE，2011: 857-860.

[5] 江南，龚建荣，甘德强. 考虑谐波影响的分布式电源准入功率计[J]. 电力系统自动化，2007，31（3）: 19-23.JIANG Nan，GONG Jianrong，GAN Deqiang. Computing the maximum penetrating level of distributed generators in distribution network by taking into account of harmonic constraints[J]. Automation of Electric Power System，2007，31（3）: 19-23（in Chinese）.

[6] 耿波，陈琳，王康. 考虑孤岛检测盲区的分布式电源准入功率计算[J]. 电网与清洁能源，2011，27（8）: 44-49.GENG Bo，CHEN Lin，WANG Kang. Penetration level calculation of distributed generators with consideration of island non-detection zone[J]. Power System and Clean Energy，2011，27（8）: 44-49（in Chinese）.

[7] 钟嘉庆，叶治格，卢志刚. 分布式发电注入容量与接入位置的优化配置分析[J]. 电力系统保护与控制，2012，7（40）：49-55.ZHONG Jiaqing，YE Zhige，LU Zhigang. Analysis of optimal allocation of penetration level and interconnected location of DG[J]. Power System Protection and Control，2012，7（40）: 49-55（in Chinese）.

[8] 尚瑨，邰能灵，刘琦，等. 考虑分布式电源的配电网保护改进方案研究综述[J]. 电力系统保护与控制，2012，24（40）：40-45.SHANG Jin，TAI Nengling，LIU Qi，et al. New protection method for distribution network with DG[J]. Power System Protection and Control，2012，24（42）:40-45（in Chinese）.

[9] 何仰赞，温增银. 电力系统分析[M]. 武汉: 华中科技大学出版社，2010.

[10] 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）: 156-161.FENG Xike，TAI Nengling，SONG Kai，et al. Research on the impact of DG capacity on the distribution network current protection and countermeasure[J].Power System Protection and Control，2010，38（22）:156-161（in Chinese）.

[11] 陶顺，郭静，肖湘宁. 基于电流保护原理的DG准入容量与并网位置分析[J]. 电网技术，2012，31（3）：19-23.TAO Shun，GUO Jing，XIAO Xiangning. Analysis on allowed penetration level of distributed generation and its grid-connected position based on principles of current protection[J]. Power System Technology，2012，31（3）: 19-23（in Chinese）.

[12] 高研，毕锐，杨为，等. 分布式发电对配电网继电保护的影响[J]. 电网与清洁能源，2009，25（4）：20-23.GAO Yan，BI Rui，YANG Wei，et al. Effect of distributed generation on relay protection in distribution system[J].Power System and Clean Energy，2009，25（4）：20-23（in Chinese）.

[13] 周卫，张尧，夏成军，等. 分布式发电对配电网继电保护的影响[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（3）：1-5.ZHOU Wei，ZHANG Yao，XIA Chengjun. Effect of distribution generation on relay protection of distribution system[J]. Power System Protection and Control，2010，38（3）: 1-5（in Chinese）.