储能电站接入对配电网保护的影响分析

洪 亮，陈 旸，戴人杰

(1.国网福建省电力公司福州供电公司，福州 350000；2.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

储能电站接入对配电网保护的影响分析

洪 亮1，陈 旸2，戴人杰2

(1.国网福建省电力公司福州供电公司，福州 350000；2.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

储能系统接入配电网会对配电网运行及保护带来很大影响。储能系统既可以作为电源向电网输送功率，也可以作为负荷从电网中吸收功率，其运行具有很大的随机性，储能系统与配电网之间传输功率的大小也是不确定的。基于配电网传统保护基本原理，分别在储能系统作为负荷和作为电源两种状态下，分析了储能系统接入对配电网运行及保护的影响。针对储能系统作为电源状态接入配电网，分别分析了储能电站接入对接入点下游线路和上游线路两个方向的影响。最后，针对影响情况提出相应的保护改进方案。

储能系统；反时限过电流保护；电流速断保护

近年来，储能电站已成为配电网削峰填谷、提高运行稳定性及实现需求侧管理的一种有效手段[1]。大型储能电站作为分布式电源接入配电网，势必会改变配电网络的拓扑结构和潮流方向，使原来简单的单电源辐射型网络变成复杂的多电源网络。同时，由于逆变器最大输出电流一般为其额定电流的1.2～2.0倍，因此对传统配电网保护的影响较大[2-3]。另外，由于部分支路的保护可能会出现误动、拒动情况，重合闸元件可能检无压失败、无法成功重合等，会影响配电网继电保护装置的正常运行[4]。

文献[5]探讨了电流保护、距离保护等在配电网中的应用，仿真分析了分布式能源接入对距离保护灵敏度的影响，但没有研究分布式电源的故障特性，也缺乏分布式能源接入的有效解决方案。文献[6]提出了一种含分布式电源的配电网距离保护自适应方案，但没有考虑逆变型电源输出电流的限制特性，因此其结论不够完备。文献[7]分析了距离保护在含分布式电源接入配电网中的运用，并结合实际数据论证了距离保护的可行性，但没有考虑到逆变型电源的非线性输出特性，对分布式电源接入的影响分析也不够深入。

本文基于配电网传统保护基本原理，分别在储能系统作为负荷和作为电源两种状态下，分析储能系统接入对配电网运行及保护的影响。

1 储能系统负荷状态对配电网保护的影响

当配电网本地负荷水平较低并且系统负荷处于波谷时，电池储能系统(BESS)作为负荷接入配电网并吸收功率。配电网线路一般配置反时限过电流保护和电流速断保护[8]，因此着重研究BESS作为负荷接入后对这两种保护带来的影响。

1.1 反时限过电流保护

反时限过电流保护以系统正常运行时的最大负荷电流作为计算启动电流的基础。当BESS以负荷状态运行时，会增大接入点上游线路的正常工作电流。若BESS从电网中吸收功率较小，则线路过负荷情况不严重，原有的保护定值仍然适用；而当BESS吸收功率较大时，线路的工作电流可能大于线路反时限过电流保护的启动电流，正常运行时可能导致保护误动。

BESS负荷状态下对配电网保护的影响如图1所示。若BESS充电功率较大，则线路1、2、4可能过载，线路电流值超过反时限过电流保护的整定值，若持续运行则会导致保护4误动。

图1 BESS负荷状态下对配电网保护的影响

1.2 电流速断保护

配电网中的架空线路可能装设电流速断保护，BESS作为负荷运行时，对电流速断保护的影响和对反时限过电流保护的影响基本相同，即当BESS充电功率很大时，会导致接入点上游线路过载，严重时将会超过电流速断保护的整定值，导致上游线路保护误动，引发较大面积停电事故[9-10]。

1.3 影响分析及改进措施

BESS以负荷状态运行时，对配电网保护的影响主要是负荷量过大导致的线路过载，导致保护误动作。这种情况是BESS充电功率过大的极端运行状态，此时BESS需要从配电网吸收比较多的电能。在不改变BESS接入方案的前提下，要保证BESS在不同充电功率状态运行，配电网线路都不会过负荷误动，可以考虑在BESS接入点上游可能过载的线路装设自适应保护，即保护能够根据BESS充电功率自动的调整定值，保证在小负荷时定值较小，出现故障可靠动作；大负荷时定值变大，正常运行时保护不误动。

但这种极端情况的发生，是由于对BESS容量规划及接入位置等考虑不周造成的，可以通过合理计算BESS容量、配电网负荷水平，合理选择BESS接入配电网的位置来解决。在图1中，若Bus4所带负荷较小，则线路4负荷水平较低，保护整定值也会偏低。在这种情况下，如果BESS充电功率较大，则应该考虑将BESS接入上级母线，保证大功率充电时不会造成供电线路过载使保护误动。

由此可知，不合理的BESS规划设计和接入设计会对配电网保护带来不必要的影响，可以通过合理的设计方案来避免这种影响。

2 储能系统电源状态对接入点下游线路保护的影响

当配电网负荷水平较高，负荷处于波峰时，需要BESS向配电网输送功率，以满足配电网负荷需求。此时BESS相当于一个分布式电源接入配电网，会对配电网运行及保护带来多方面的影响。BESS接入对接入点下游线路和上游线路两个方向的影响也不同，需要分别进行研究。搭建如图2所示配电网结构，并设定BESS接入点为Bus3，研究BESS向配电网送电对下游线路4、6、8、9保护的影响。

图2 BESS电源状态对配电网下游保护影响

2.1 反时限过电流保护

BESS接入配电网后，对下游线路装设的反时限过电流保护影响较小。如图2所示，当BESS下游的线路4、6、8、9出现故障时，BESS会向故障点提供助增电流，使故障电流增大，加速保护的动作。分别以线路9末端、线路4首端三相短路为例，通过对BESS未接入和接入后的仿真对比，验证BESS助增作用对线路反时限过电流保护的影响。

2.1.1线路9末端故障

(1) BESS未接入。当线路9末端发生三相短路时，线路4、8、9流过故障电流，在反时限过电流保护作用下，线路9的继电器动作于跳闸，切除故障。当BESS未接入时，线路9末端0.2 s发生三相短路，线路流过电流和保护9的动作情况如图3所示。

图3 配电网2线路9电流及断路器9动作曲线

(2) BESS接入。当BESS向配电网送电时，线路9末端三相短路，在BESS的助增作用下，流过线路4、8、9的故障电流更大。线路4、8虽然有助增电流流过，但助增电流同样流过线路9，并且线路9的反时限整定时间最短，所以线路4、8的继电器在继电器9正确动作的前提下不会误动。线路9的继电器最快动作于跳闸，并且在助增电流作用下，比BESS未接入时更快动作切除故障。当线路9末端0.2s发生三相短路，BESS向配电网送电，线路9流过电流和继电器9的动作情况如图4所示。继电器9的故障切除时间见表1。

图4 配电网电流及断路器9动作曲线

表1 继电器9的故障切除时间

2.1.2线路4首端故障

(1) BESS未接入。当线路4首端发生三相短路时，线路4流过故障电流，上游线路1、2也会流过故障电流，在反时限过电流保护作用下，线路4的继电器动作于跳闸，切除故障。线路4首端0.2 s发生三相短路，BESS未接入时，线路2、4流过电流和继电器4的动作情况如图5所示。

图5 配电网2线路2、4电流及断路器4动作曲线

(2) BESS接入。当BESS向配电网送电时，线路4首端三相短路，线路1、2的故障电流不受影响。在BESS助增作用下，流过线路4的故障电流更大，继电器4比BESS未接入时更快动作跳闸。线路4首端0.2 s发生三相短路，BESS向配电网送电，线路2、4流过电流和继电器4的动作情况如图6所示。继电器4的故障切除时间如表2所示。

图6 配电网2线路2、4电流及断路器4动作曲线

表2 继电器4的故障切除时间

2.2 电流速断保护

BESS接入配电网后，对下游线路装设的电流速断保护有较大影响。如图1所示，当线路4、6、8、9发生故障时，BESS会向故障点提供助增电流，助增电流虽然不会使反时限过电流保护误动，但是却有可能造成电流速断保护的误动。以线路6首端发生三相短路为例进行仿真验证。

(1) BESS未接入。当线路6首端发生三相短路时，线路4、6流过故障电流，而按照电流速断保护的整定原则，故障点位于断路器4的电流速断保护区外，由继电器6的电流速断保护瞬时动作切除故障。线路6首端0.2 s发生三相短路，BESS未接入时，线路4、6流过电流和继电器4、6的动作情况如图7所示。

图7 配电网2线路4、6电流及断路器4、6动作曲线

(2) BESS接入。当BESS接入，并向配电网送电时，线路6首端三相短路，在BESS的助增作用下，流过线路4的故障电流会变大，可能导致断路器4的电流速断保护的误动。线路6首端0.2 s发生三相短路，BESS向配电网送电，线路4、6流过电流和继电器4、6的动作情况如图8所示。从图8中可以看出，BESS接入后，线路4、6流过的故障电流都变大，在继电器6动作电流速断保护跳闸的同时，继电器4的电流速断保护也误动作，使得故障范围扩大，Bus4上所带其他负荷失电。

图8 配电网2线路4、6电流及断路器4、6动作曲线

2.3 影响分析及保护改进措施

2.3.1影响分析

从BESS接入系统对反时限过电流保护和电流速断保护影响的分析和仿真结果可以看出，BESS接入对接入点下游线路的反时限过电流保护影响不大，助增电流的存在会加速故障时继电器的动作，但不会引起上游保护误动。BESS接入容量的变化会改变助增电流的大小，但都能保证故障线路继电器加速动作，并且不会引起区外保护误动。

对于电流速断保护，BESS接入容量的变化直接影响保护的可靠性。当接入容量较小时，助增电流也较小，故障时电流增大量较小。对图2所示的配电网，当线路6在30%处发生三相短路时，若BESS接入容量较小，则线路4短路电流增大也较少，保护4不会发生误动。而当BESS接入容量较大时，助增电流也较大，就有可能使故障线路相邻上一线路故障电流过大，超过其电流速断保护定值，引起误动，扩大故障范围，带来不必要的停电损失。

2.3.2改进措施

从影响分析可以看出，对接入点下游线路，主要是电流速断保护会受到助增电流的影响，可能误动，针对这一点。BESS下游线路可以尽量不采用电流速断保护。在BESS下游，建议直接在所有线路设置反时限过电流保护，可以较好地适应BESS接入后对配电网保护带来的影响。

3 储能系统电源状态对接入点上游线路保护的影响

搭建如图9所示配电网，并设定BESS接入点为Bus3，研究BESS向配电网送电对上游线路 1、2、3保护的影响。BESS接入后，对上游线路，系统和BESS之间线路由原本的单端电源供电，变为双端电源供电，线路潮流可能反向，对配电网原有保护会造成较大影响。

图9 BESS电源状态对配电网上游保护影响

3.1 反向故障电流引起保护误动

如图9所示，当线路2发生故障时，BESS会向故障点注入反向故障电流，但是不会影响配电网原有保护2的可靠动作。当线路1或3发生故障时，BESS都会经线路2向故障点提供故障电流，线路2流过的反向故障电流会对线路2的保护带来很大的影响，可能使线路2保护误动。以线路1末端三相短路为例进行仿真验证。

(1) BESS未接入。当线路1末端发生三相短路时，线路1流过故障电流，继电器1的反时限过电流保护可靠动作切除故障，故障消除后，对断路器1进行重合，恢复整个配电网的供电。线路1末端0.2 s发生三相短路，线路1、2流过电流和继电器1、2的动作情况如图10所示。

图10 配电网3线路1、2电流及断路器1、2动作曲线

(2) BESS接入。当BESS接入并向配电网送电时，线路1末端三相短路，BESS经线路2向故障点提供反向故障电流，反向电流过大可能导致继电器2的保护误动。线路1末端0.2 s发生三相短路，BESS以送电状态接入时，线路1、2流过电流和继电器1、2的动作情况如图11所示。

图11 配电网3线路1、2电流及断路器1、2动作曲线

从图11中可以看出，BESS接入后，0.2 s发生故障时，线路2的短路电流由原来的基本为0，变得很大，该故障电流即BESS向故障点提供的反向故障电流，这一电流造成了继电器2保护的误动。在恢复供电时，如果仅对断路器1进行重合，则不能完成区域供电，必须同时考虑断路器2的重合，才能保证整个配电区域的供电。

3.2 潮流反向引起保护误动

在图9所示的配电网中，若BESS接入点为Bus4，则配电网结构如图12所示。当BESS向配电网输送功率较大，而接入点下游负荷水平较低时，线路4的潮流方向可能反向，若反向输送电量较多，则可能引起线路4反向潮流电流过大，断路器4的保护误动。以BESS接入Bus4，向配电网送电为例进行仿真，研究保护的动作特性。

图12 BESS电源状态对配电网上游保护影响

(1)BESS未接入。当BESS未接入时，线路4上流过的电流为下游负荷电流，线路4电流和断路器4动作曲线如图13所示。

图13 配电网4线路4电流及断路器4动作曲线

(2)BESS接入。当BESS接入，并向配电网送电时，会向上游负荷提供电能，在正常运行无故障时，该负荷电流反向流经线路4，可能导致断路器4误动。线路4电流和断路器4动作曲线如图14所示。从图14中可以看出，BESS接入后，流经线路4的电流有显著增大，即BESS经线路4提供的反向负荷电流，则在配电网未出现故障时，该反向负荷电流已超过断路器4反时限过电流保护的启动值，在此状态连续运行0.13 s左右，断路器4误动作。

图14 配电网4线路4电流及断路器4动作曲线

3.3 影响分析及改进措施

3.3.1影响分析

从两种BESS接入情况分析可以看出，对接入点上游线路，BESS对配电网原有保护带来的最大影响是反向潮流引发的保护误动。这种误动主要有两种情况。

(1)由于反向故障电流较大引起误动，即BESS上游线路故障，BESS反向从而向故障点提供短路电流，导致流经反向故障电流的线路的保护误动。

(2)反向潮流引起的反时限过电流保护误动，这种情况下BESS容量不同对保护的影响结果也不同。当BESS接入容量较小时，只有较少电量可以向电网输送，并不会向接入点上游反向供电，此时，相关保护不会误动。在BESS接入容量较大，并且接入点下游负荷很小的情况下，BESS可能向上游线路倒送电。而反时限过电流保护的启动电流是按照躲开线路最大负荷电流整定，因此BESS倒送电量至少需要达到线路最大负荷容量才能引起上游线路保护误动，即BESS输送功率至少为“下游最小负荷容量+下游最大负荷容量”，才可能引起接入点上游保护的误动。

3.3.2改进措施

针对反向故障电流。针对BESS提供反向故障电流使上游线路保护误动的情况，可有以下几种改进措施：

(1)装设方向电流保护。在BESS接入点上游线路发生故障时，BESS会反向向故障点输送故障电流，该故障电流过大，可能导致流过反向电流的线路保护误动。在可能流经反向故障电流的线路上装设方向电流保护，可以有效避免这种误动情况的发生。图9中，线路1、3故障，BESS都会经线路2向故障点输送故障电流，这一反向故障电流可能导致线路2保护的误动，图11中已经进行了仿真验证。如果在线路2装设方向电流保护，仅在流过正向故障电流时保护动作，流过反向电流时保护闭锁，可以很好地避免BESS反向故障电流误动的情况，装设方向电流保护后的仿真结果如图15所示。从图15中可以看出，当线路1末端0.2 s三相短路时，线路2流过了较大的反向故障电流，但是保护2没有误动作，而是由保护1动作切除故障。

图15 配电网3线路1、2电流及断路器1、2动作曲线

(2)装设差动保护。在可能流过反向电流的线路装设差动保护，图9所示的配电网在线路2上装设差动保护，可有效避免线路2的双向潮流问题，使得区外故障保护不误动。差动保护需要在线路两端加装测量元件，还需要加装通信线路，成本较高。但是对BESS上游线路，并不是所有线路都存在双向潮流问题。图9中，线路1、2、3都处于BESS上游，但仅有线路2会有反向故障电流流过，线路1、3都不存在这一问题。所以在进行保护改造时，可以先对整个配电网络进行分析，找出可能因潮流反向造成保护误动的线路，有针对性的对这些线路保护进行升级改造，提高改进方案的经济性，同时保证整个配电网保护的可靠动作。

针对反向潮流在图12中，BESS从Bus4接入。正常运行时，BESS可能反向供电，流经线路4的反向供电电流过大，可能在正常运行时导致线路4的保护误动。图14对这种情况进行了仿真验证。这是一种配电网本地负荷小，并且BESS输出功率较大的极端运行状态。这种反向供电电流误动的情况，可以通过在可能存在双向潮流的线路上装设方向电流保护或差动保护，来避免反向电流误动的情况。这种极端情况的发生，同样是由于对BESS容量规划及接入位置，运行控制等考虑不周造成的，应该通过调整BESS设计方案、合理选择接入位置，合理安排运行状态来避免。

4 结语

BESS接入配电网中，会对配电网原有保护带来很大影响。基于配电网电流速断保护以及反时限过电流保护原理，分析了BESS对其带来的影响。将BESS接入分为负荷状态和电源状态两种情况，在电源状态下对上下游线路的影响也不尽相同，如表3、表4所示。

表3 BESS负荷状态对配电网保护影响

表4 BESS电源状态对配电网保护影响

表5 BESS接入配电网保护改进方案

本文研究内容能够为含BESS接入的配电网继电保护提供可靠性评价标准，并对BESS接入提供设计参考标准，具有一定的实用价值。

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InfluenceofEnergyStorageStationAccessonDistributionNetworkProtection

HONG liang1, CHEN Yang2, DAI Renjie2

(1. Fuzhou Power Supply Company; State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350000, China; 2. Songjiang Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201600, China)

Energy storage system access to power network will have a great impact on the operation and relay protection of distribution network. Energy storage system can be used not only as power supply to the grid , but also as a load to absorb power from the power grid, so its operation has a great randomness. Between energy storage system and distribution network, the size of the transmission power is uncertain. Based on the basic principle of traditional relay protection of distribution network, this paper analyzes the influence of energy storage system access on the operation and protection of distribution network under the condition of energy storage system as load and as power supply. In the case of the energy storage system as the power supply access to the network, the influence of the access of the energy storage power station on the downstream line and the upstream route of the access point is analyzed respectively. Finally, a corresponding relay protection improvement program is proposed for the influence.

energy storage system; inverse time over-current protection; current quick-break protection

10.11973/dlyny201705024

洪 亮(1981—)，男，工程师，从事电力系统运行与电力营销工作。

TM773

A

2095-1256(2017)05-0598-08

2017-08-13

(本文编辑：赵艳粉)

电力简讯

国家发改委明确垄断行业价格改革的五大重点

国家发展改革委日前公布关于进一步加强垄断行业价格监管的意见，并明确近期工作的五大重点，主要包括：(一)输配电价格。研究核定增量配电网和地方电网配电价格，加快形成完整的输配电价监管体系。研究制定输配电成本和价格信息公开办法以及分电压等级成本核算、归集、分配办法。研究建立电力普遍服务、保底服务的成本回收机制，妥善处理并逐步减少政策性交叉补贴。(二)天然气管道运输价格。依据已出台的定价办法和成本监审办法，深入开展跨省长途管道运输成本监审，合理制定价格水平，适时完善监管规则。强化省内短途管道运输和配气价格监管。(三)铁路普通旅客列车运输价格。依据已出台的定价成本监审办法，全面开展普通旅客列车运输成本监审，2017年底完成成本监审工作，提出完善普通旅客列车硬座硬卧票价形成机制的意见。(四)居民供水供气供热价格。制定完善居民供水供气供热成本监审办法、定价办法，力争2020年前实现全覆盖。强化供水成本监审，完善供水成本公开制度。优化居民用气阶梯价格制度，减少交叉补贴。推进北方地区清洁供暖，落实煤热、气热价格联动机制，开展供热成本监审，按照“多用热、多付费”原则，逐步推行基本热价和计量热价相结合的两部制价格制度。(五)垄断行业经营服务性收费。清理规范垄断行业经营服务性收费，取消违规不合理收费，推动降低偏高收费标准。保留政府定价管理的，要纳入收费目录清单，2017年底前统一向社会公示，接受社会监督。由企业依法自主定价的，要落实明码标价规定，明确收费项目名称、服务内容和收费标准。已通过价格回收的成本，不得另行收费补偿。加大执法力度，严禁利用优势地位强制服务、强行收费或只收费不服务、多收费少服务。

(本刊讯)