配电网引入分布式电源对继电保护的影响

李毅然 李 杰 李旭晖

（1.三峡大学，湖北宜昌443000；2.国网技术学院，山东泰安271000）

0 引言

随着化石能源的日益枯竭、环境污染愈发严重，传统能源发电的负面影响也逐步显现，全世界能源领域专家都在积极研究开发清洁环保、可替代的一次能源作为常规电能供应方式的有效补充。目前，太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能等新能源均有不同程度地应用到电力系统中，参与电能供应。这类位于用户附近，所发电能就地利用，以10 kV及以下电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不超过6 MW的资源综合利用发电项目，通称为分布式电源（Distributed Generation，DG）。根据分布式电源容量小、随机性大、类型多的特点，基于电力系统运行经济性与稳定性的考虑，分布式电源需要并网运行才能发挥其最大的作用。然而其应用在配电网后，改变了原网络的潮流，增加了运行控制的难度，对电网的安全防御带来了新的挑战。

分布式电源以不同的装机容量和电压等级形式引入配电网，由此对配电网的工作状态造成了一定的影响。在此，以某地10 kV中压配电网为例（图1），在未接入分布式电源时，为一辐射状网络，电源经系统由10 kV母线接入配电网，馈线直接连接末端负荷。保护配置为三段式电流保护，断路器装设自动重合闸，无方向闭锁，分布式电源经逆变器后通过升压变压器与配电网联络。

图1 10 kV中压配电网

1 分布式电源对断路器行为的影响

1.1 系统侧馈线或母线发生故障

在未接入分布式电源时，系统侧馈线K1处出现短路故障，系统与配电网连接断路器断开，配电网侧断路器由于没有故障电流流过，不会动作。当接入分布式电源后，电源会通过断路器QF2向K1提供故障电流，由于QF2没有方向判别元件，保护不具有方向性。当分布式电源容量足够大时，故障电流超过QF2整定值，会引起其误动，失去可靠性，有可能造成分布式电源供电的正常线路断电。

1.2 分布式电源下游发生故障

当K2发生短路故障时，若系统无分布式电源，为一简单辐射状网络，故障电流由系统提供，经断路器QF2流向K2，根据故障位置，QF2的电流保护Ⅰ段或Ⅱ段跳开断路器，切除故障。由于分布式电源存在，会对故障点提供短路电流。同时，若分布式电源容量足够大，对网络提供的功率会明显提升接入点电压，使流过QF2的故障电流减小，QF2灵敏度降低，保护范围减小甚至拒动，故障无法正常切除。

K3发生短路故障时，正常工况下应断开断路器QF6进行保护。系统和分布式电源的故障电流均经过QF6，对QF6工作没有影响，但是该电流同时流经QF4，其检测到的故障电流会增大，QF4很有可能发生误动，扩大停电范围，使保护失去选择性。

1.3 分布式电源上游发生故障

无分布式电源时，K4发生故障，断路器QF2可配置前加速跳开故障，随后自动重合闸瞬时性故障。当存在分布式电源时，两电源之间部分由单端供电变为两端供电，需要配置后加速确保选择性。在K4发生故障时，有选择性跳开断路器QF2，断路器QF4不应跳开。在重合闸之前，应当确保分布式电源跳开配电网。若分布式电源没有脱离网络，则由故障电流流经QF4，当大于整定值时，QF4会误动，使馈线停电。

1.4 同一母线上其他馈线发生故障

另一馈线K5处发生故障，在不计分布式电源时，故障电流由系统提供，断路器QF1动作跳开故障。当分布式电源存在时，其故障电流流经断路器QF2。由于系统电源存在，QF2检测到的故障电流会减小，QF2灵敏度降低，甚至电流会低于整定值而保护拒动，而QF4的定时限电流速断保护或过电流保护有可能误动。

2 分布式电源对自动重合闸行为的影响

电力系统故障中，瞬时性故障的比重很高，采用自动重合闸，可以大大提高供电的可靠性，减少负荷停电次数。然而，当引入分布式电源后，如果不对重合闸配置进行调整，不仅不能提高系统稳定性，还很有可能对系统产生更大的冲击，或者使瞬时性故障转化为永久性故障。

含分布式电源的配电网保护配置如图2所示。

2.1 馈线发生瞬时性故障

图2 含分布式电源配电网保护配置

当K1发生瞬时性故障（雷击线路绝缘子引起沿面闪络等），在未引入分布式电源的情况下，QF1断开后经自动重合闸消除瞬时性故障，相对于中压配电网，系统可以视为无穷大系统，未发生波动，可以可靠地继续供电。引入分布式电源后，若QF1跳开后，在自动重合闸之前，分布式电源脱离配电网，继续作为电源向负荷供电，则会形成单电源供电网络。由于负荷大小与类型改变，分布式电源很有可能加速或减速，与原系统存在频差。重合闸后，分布式电源与系统失去同步，有很大的相角差，网络产生振荡，形成很大的冲击电流。在此冲击电流的作用下，电流保护可能会再次动作，重合闸不再动作，导致馈线断电。同时，冲击电流会对电力设备、线路绝缘等造成严重伤害，缩短运行寿命。

2.2 分布式电源与配电网的联络线发生瞬时性故障

K2发生瞬时性故障，断路器QF5跳开。分布式电源如果没有停运，为维持额定功率和电压，会持续向故障处提供电流，使电弧难以熄灭，存在持续性电弧，最终导致瞬时性故障发展为永久性故障，自动重合闸失败，持续性电弧会威胁系统的稳定性，还有可能导致其他非电气量事故（如电弧作用于非金属性短路）。如果采用人工重合闸，由于DG退出系统，很有可能加速，重合后会出现冲击电流。

3 分布式电源引起电力系统不正常工作状态

除了引发或加强故障，分布式电源的不合理配置也有可能使配电网处于不正常工作状态。

3.1 抬高负荷节点电压，发生电压偏移

分布式电源往往是就近接入中低压配电网，电能传输距离短，在电力线路上，线路阻抗参数中，R≫X，线路呈现电阻特性。因此，有功功率对电压偏差的影响不能忽略，分布式电源的输出功率会造成馈线负荷节点电压升高。

3.2 自然条件影响分布式电源工作状态

不同的分布式电源，分别受到相关的自然条件影响，其出力、启停都具有波动性与随机性，随着分布式电源渗透率的提高，增加了系统控制的难度，同时也存在诱发系统发生不正常工作状态的可能性。

对于风电场来说，当风速低于切入风速或高于切出风速，风力发电机会退出运行。而雾霾、阴雨等则会影响光伏发电单元的出力；光伏阵列的大规模、长时间积污会损害发电单元。这些均有可能使电力系统出现振荡。

3.3 分布式电源的不协调运行

接入位置、接入容量与运行方式的不协调，会影响配电网的电能质量。传统辐射状网络中电压按照潮流方向逐步降低，引入分布式电源后，潮流分布会发生改变，在部分区域有可能出现潮流反向，不同接入位置对电压分布影响不同，多个分布式电源接入同一个负荷节点会明显影响潮流，改变电压分布。因此，不合理的接入位置、接入容量有可能会使电压偏差超限。

3.4 分布式电源引起三相电压不平衡

大容量的分布式电源单元往往是三相发电机，或经逆变后的三相平衡正弦波，对系统三相平衡的影响不大。然而，在馈线的末端，可能会接入小容量单相发电单元，在抬升末端电压的同时，由于其数量多、随机性高，会造成三相电压不平衡。

4 含分布式电源配电网的安全策略

为了减少分布式电源对配电网稳定性的威胁，降低对继电保护的不良影响，应该调整继电保护配置策略，同时对分布式电源进行限制。

（1）在分布式电源上游出现永久性故障时，系统和分布式电源均由两端向故障点提供电流，因此，需要在线路两端设置保护装置，并配置方向判断元件，保证切除故障具有方向性。

（2）在分布式电源下游出现永久性故障时，本级上游电流保护有可能拒动，或者下游电流保护误动，扩大停电范围。需要根据系统运行方式重新设置整定值，保证断路器正常动作。

（3）同一母线上其他馈线发生永久性故障时，上游断路器的定时限电流速断保护或过电流保护有可能误动，需要配置方向判别元件。

（4）针对瞬时性故障的恢复，配电网侧重合闸配置检无压装置，分布式电源侧配置检同期装置，在配电网侧接入点确保无压，待分布式电源与系统无频差、无相角差、无电压幅值差后投入并列。同时，分布式电源配置低压、低频解列装置。

（5）规划分布式电源接入位置、运行方式，限制接入容量，采取无功补偿措施，抑制电压偏差与故障电流，保证配电网处于正常工作状态。