电动汽车接入充放电对配电网电流保护的影响分析

摘  要：由于电动汽车接入配电网时其充放电的时间、地点以及容量的随机性和电动汽车处于电源还是负荷特性的不确定性，将会改变配电网原有的网络结构、电源结构和负荷结构，并且使潮流水平及方向变得复杂，给配电网原有的继电保护配置与整定造成很多影响。本文以中低压配电网为例，分析了电动汽车接入对电流保护的影响，并分析了现有的一些解决方案。

关键词：配电网;电动汽车;电流保护

中图分类号：TM77      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）22-0036-03

Abstract：Because of the randomness of charging and discharging time，place and capacity when the electric vehicle is connected to the distribution network and the uncertainty of whether the electric vehicle is in power or load characteristics，the original network structure，power structure and load structure of the distribution network will be changed，and the power flow level and direction will become complex，which will have a lot of impact on the original relay protection configuration and setting of the distribution network. Taking the medium and low voltage distribution network as an example，this paper analyzes the impact of electric vehicle access on current protection，and analyzes some existing solutions.

Keywords：distribution network;electric vehicle;current protection

0  引  言

在生態环境保护、可持续发展的背景下，发展电动汽车（Battery Electric Vehicles，BEV）是改善环境恶化和资源枯竭等问题的有效手段。由于国家对新能源汽车的政策支持，使得电动汽车发展也有了越来越广阔的前景。

考虑对于电动汽车接入的配电网，BEV具备负荷和电源的双重特性，当BEV充电时，可以视为配电网的随机负荷;当BEV放电时，可以视为配电网的分布式电源。对配电网而言，不同的电动汽车使用者由于上下班时间基本相同，因此往往表现出相同或者类似的使用习惯，同时受汽车充电桩的限制，会导致电动汽车集中大规模地充放电，因此在下班高峰期，很可能面临电动汽车聚集充电的情况。当负荷高峰时刻，受当日行驶里程和激励电价等多种原因影响，大规模的用户可能将已储满电的电动汽车接入配电网，进行放电。这些时候的电动汽车接入的容量很大，它的充放电行为对潮流水平和方向的影响就更加大。

1  影响分析

当前我国中低压配电网的网络结构如图1所示，一般配置的是三段式电流保护。下面先对三段式电流保护的常规整定原则和电动汽车接入配电网后对电流保护的影响进行分析。

1.1  瞬时电流速断保护

为了保证选择性，瞬时电流速断保护的任务是快速切除本线路首端部分的短路故障，因此速断保护的动作电流IOP1按大于最大运行方式下，本线路末端B母线上KB点三相短路时流过保护装置的短路电流这个原则整定，即：

电流速断保护的灵敏性根据保护范围的大小来衡量。我们一般要求速断保护在最小运行方式下发生两相短路时的保护范围应大于线路全长的15%～20%，这时装设瞬时电流速断保护才有意义。

影响分析：

假设此时BEV处于支路末端并处于充电状态，如图1所示。假如此时d1点发生短路故障，由于分支线路的分流作用，相邻馈线的短路电流减小，瞬时电流速断保护的电流整定值相对比较大，因此可能当d1发生故障时，短路电流可能未达到速断保护的动作电流值，从而使保护1有可能拒动。为了解决这个问题，如果为了保证保护的可靠性，提高速断保护的动作整定值，那么将会降低了电流保护1、2的灵敏度，动作电流越大，保护范围越小，以致达不到最小保护范围。

当DE线路首端d3点短路时，系统S与BEV同时向提供短路点提供短路电流。此时，仅按单侧电源线路配置的保护4则不足以将故障切除，这时要改变保护配置，在DE线路中E母线侧增加断路器并配置电流保护，并且均应配置方向电流保护，CD线路亦然。

1.2  限时电流速断保护

限时电流速断保护要求能弥补瞬时电流速断保护的死区，保护本线路的全长，但又要求保护范围不超出相邻线路Ⅰ段速断保护的保护范围，因此它的动作电流   应该整定为大于相邻线路的Ⅰ段速断保护的动作电流，即：

如图1所示，当BEV接入配电网的支路末端，作为分布式电源进行放电，此时如果d3点发生短路，短路电流由系统S和BEV共同提供，造成短路电流的增大，若BEV提供的短路电流足够大，有可能使得短路电流达到保护1电流Ⅱ段的整定值，造成保护1的电流Ⅱ段保护超越保护范围进行误动，从而失去了选择性。这样出现保护1与保护2电流Ⅱ段配合紊乱的现象，从而限制了BEV可以接入的容量。如果要保证BEV的接入容量，就要通过改变保护整定值来实现，但是受到BEV接入增大短路电流的影响，增大保护1Ⅱ段的动作电流整定值会导致保护范围减小，可能会使得不能与保护1的Ⅰ段配合保护AB线路的全长，或者选择与保护2电流的Ⅱ段配合，这样又不得不增加保护1电流Ⅱ段的延时。

1.3  定时限过电流保护

过电流保护的动作电流Iop要根据正常运行时过电流保护不动作来整定，因此动作电流应大于该线路上可能出现的最大负荷电流KssILmax，即：

式中：Kss为电动机自起动使线路电流增大的自起动系数。一般取1.5-3.0;ILmax为不考虑电动机自起动时，线路输送的最大负荷电流。

为了保证选择性，过电流保护的动作时限采用阶梯原则，即从线路末端到首端动作时限逐级延长一个时限级差。Δt为动作时限级差，一般取0.3s或0.5s。

按公式Ksen=进行灵敏系数的校验。作为近后备保护时，要求Ksen>1.3-1.5，Ikmin为最小运行方式下的本线路末端两相短路的短路电流;当作为相邻线路、元件的远后备保护时，要求Ksen>1.2，Ikmin为最小运行方式下，相邻线路、元件末端两相短路时的短路电流。

影响分析：

如图1所示，同样当BEV接入配电网的支路末端，正常运行时，电动汽车作为随机负荷在充电站的充电桩进行充电，相当于配电线路接入大量的负荷，流过线路的最大负荷电流会增大，极有可能使得负荷电流增大到保护整定的动作值，导致保护误动作。为了解决这个问题，可以增大相应保护的整定值，但是从灵敏度计算公式可以看出，一旦动作整定值Iop增大，该保护的灵敏度Ksen会变小，即保护灵敏性变差。

因此，从上面的分析可以看出，当电动汽车接入配电网，导致配电网的负荷电流、短路电流的流向、大小等都发生了变化，从而使得配电网原本配置的三段式电流保护可能发生保护范围缩小、灵敏度降低、拒动误动失去选择性、增大动作时限不利于快速切除故障等影响。

2  对策分析

针对电动汽车的接入对配电网的影响，很多专家学者都提出了自己的看法。文献[1]提出电流保护后备段整定值的计算根据一种灵敏度要求进行整定来改进三段式电流保护;文献[2]提出可以在配电网出现故障时切除BEV，从而恢复原有网络结构和保护配置;文献[3]则是分析电动汽车接入配电网后配电网的潮流的变化，通过改变保护配置解决问题，分析了故障前后电流变化，配置双侧电源的具有方向选择性的电流保护;文献[4]考虑加装限流器，限制BEV接入后导致短路电流增大的问题，调整流过保护安装处的电流水平，从而解决BEV对电流保护的影响。

3  结  论

从以上分析可以看到，电动汽车接入后的大规模的充放电行为对配电网络原有的网络结构、潮流的大小、方向等都造成了影响，使得原来单侧电源供电的配电网配置的电流保护在可靠性、选择性、速动性、灵敏性方面都受到影响。为了解决这些问题，提出了限制电动汽车接入或者加装限流器等限制短路电流等的措施。但是这些并不利于电动汽车的快速发展和配电网的稳定运行，因此在之后的配電网保护原理研究过程中，主要研究方向还将会是对原有保护原理加以改进或者提出新的保护原理等。

参考文献：

[1] 张伟波.考虑电动汽车随机负荷接入的配电网保护方案研究 [D].北京：华北电力大学，2018.

[2] 李振兴，田斌，尹项根，等.含分布式电源与随机负荷的主动配电网保护 [J].高电压技术，2017，43（4）：1231-1238.

[3] 刘凯，李幼仪.主动配电网保护方案的研究 [J].中国电机工程学报，2014，34（16）：2584-2590.

[4] 付文秀，范春菊，杨炼，等.配电网中分布式电源的选址定容和电流保护策略 [J].电力系统自动化，2014，38（10）：78-84.

作者简介：杨思斯（1983-），女，汉族，湖南长沙人，副教

授，硕士，研究方向：高职教育、电气工程。