含分布式电源的城市电网故障分析方法研究

2020-01-05崔文祥令狐冰波

通信电源技术 2020年10期

崔文祥，令狐冰波

（1.中国铁塔股份有限公司西安市分公司，陕西西安 710075；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310051）

1 分布式电源的基本定义与优势

1.1 定义

当前，在电力行业的现代化发展过程中，分布式电源在很多领域得到了广泛应用。国际分布式能源联盟将分布式电源的定义为：安装于用户端的高效冷/热电连供系统，能够在消费地点或者其辐射区域内实现发电的循环系统。在该系统内，发电过程中产生的热和电能够得到有效利用。现场端包含可再生能源系统，实现了废气、废热与多余压差的合理利用，实现了这些废能向电能资源的有效转化。在国内外发展中，分布式电源的发展与应用水平有所差异，我国分布式电源尚处于发展的初期阶段。

从分布式电源的应用来看，主要包含以下两种。一种是将冷/热电系统以小规模、小容量、模块化与分散式的方式直接安装在用户端，能够有效实现冷、热、电能的独立输出控制，适用于太阳能、风能等多种能源。另一种是安装于用户端的能源系统，一次能源主要为气体燃料与可再生能源，而二次能源主要是冷、热、电联产，其他能源供应系统发挥着辅助作用。这种能源形式有效实现了电力、热力与制冷、蓄热技术等的结合，满足了用户的多种电能使用需求，能源能够实现梯级利用[1]。

以中国铁塔公司为例，其分布式电源的应用水平相对较高，利用锂电池与FSU监控等产品满足了用户的全天候、不间断供电需求，形成了“备电+监控”的电力服务结构，为金融网点、ATM机、交通信号以及医疗服务机构等提供了良好的电力服务。

1.2 优势

分布式电源在城市电网中的应用具有能效合理、电力损失小、污染少、运行灵活、系统经济等优势。首先，分布式电源主要分布安装在需求侧，能够在系统运行中实现能源的梯级利用，提高资源的综合利用率。由于用户对电能资源需求量、要求等有着不同的要求，能够在分布式电源的应用中使得温度与供应电源直接对接，进而将能源输送中的损耗量降至最小[2]。其次，分布式电源下，资源与环境效益最优。在电网系统的构建过程中，能够以终端的电源利用为基础来确定其规模。再次，分布式电源结构下，能源转换技术是重点技术。此技术的应用能够有效降低污染物的排放量，使得排放趋于分散化，能够被周边植物吸收。由于分布式电源下的排放量相对较少且排放密度较小，能够利用相应的技术实现排放物的资源利用，如排放产生的气体能够被作为肥料加以使用。最后，信息化技术是分布式电源的核心技术，各种信息化技术的应用使得电网系统能够实现智能化管理与控制。

2 分布式电源对城市电网保护的影响

2.1 对重合闸的影响

现阶段，在城市电网中自动重合闸已经得到了广泛应用。城市电网中原有的含有DG的配电网在运行出现故障时，常常会表现出以下特征：配电网处于孤岛运行状态，其中的部分负荷会直接由DG进行供电，如果在此种状态下实施自动重合闸控制，可能造成重合闸的失效；DG在馈线断路器跳闸后依旧维持持续的供电状态，这种情况下故障点的电弧无法及时熄灭，同样会造成自动重合闸的失败。如果在城市电网运行过程中出现了瞬时性故障，自动重合闸的存在能够使得在此类故障发生的过程中依旧维持快速恢复供电的状态。但是，在DG接入配网后，配电线路会发生明显改变，呈现出双侧电源供电的状态，这时重合闸动作需以两次保护时间、两侧电源的同步等相协调。

2.2 潮流方向

在城市电网中如果接入分布式电源，可能会使得整个电网系统内出现逆向潮流现象。一旦DG装机容量较大，超出本地消耗的电能限制，整个配网的潮流方向将会发生明显变化。传统的城市配网中，主要采用单端辐射状网络结构。在此结构体系下，潮流方向具有固定性，一旦出现了短路故障，相关人员也能够及时发现故障电流的方向。而DG接入城市电网后，配电网无法保持原先的拓扑结构，而拓扑结构的变化同样引发了配网潮流方向、运行方式等的变化，使得潮流方向具有不确定性。

2.3 对短路电流的影响

在城市电网中，如果采用DG并网运行模式，即使潮流方向能够维持原状，在短路故障发生时，短路电流值也会随之受到一定影响，导致流经保护的短路电流值会出现明显变化，而这种变化趋势存在较大的不确定性，难以实现精准预测。在城市电网的运行过程中，由于故障位置、DG运行方式等都存在区别，流经保护处的故障电流值可能会增大也可能会减小。城市电网故障电流值的变化趋势会根据配网中接入的DG种类、数量等有所区别。

2.4 孤岛运行

通常，如果城市电网中出现故障，故障清除一般是由故障点距离最近的保护继电器实现的。如果在城市电网运行过程中故障发生在DG接入点的上游位置，那么DG会为已经从配电网中隔离出来的部分负荷提供一定的电能。如果DG容量不足，需要为其提供额外增加的负荷。在这种情况下，DG可能会出现过载、停机等现象。如果是与主电网隔离的孤立系统，负荷用电将全部由DG来完成供电，这种情况下也就是俗称的孤岛运行。城市电网中，孤岛运行的危害主要表现在两方面：一是维护人员极易存在误接入带电导体触电的情况；二是孤岛系统下的电源质量相对较差。

3 含分布式电源的城市电网故障处理

在城市电网中如果存在分布式电源接入，故障发生时主要包含以下几种处理策略。

3.1 配网故障时及时切除DG

分布式电源接入城市配网后，将会对整个电力网络系统的继电保护产生一定影响。为了彻底解决此类问题，当城市电网运行中出现故障后，要及时进行相应的处理，在故障发生的时间段内切除DG。当切断DG后，原有的城市配网基本不会受到影响。这种故障处理方式虽然对城市电网的改动相对较小且成本相对较低，但是依旧存在诸多问题。比如，故障发生后，DG单元需首先进行故障检测，检测完成后再退出。当前出台的一些标准中明确规定，并网DG在故障发生后、自动重合闸前，需要将DG及时从城市电网中切除。但是，在实际的电网管理中并不能够完全做到。

3.2 限制DG容量及接入位置

在城市电网运行与使用过程中，由于不能完全保障在故障发生后及时将DG从城市电网中及时切除，因此在一些城市电网中逐步采用了限制DG容量、改变DG接入位置的方式来加以调整，尽量减小DG接入对城市电网造成的不利影响。有关研究指出，在继电保护动作可靠的前提下，接入数量、位置、组合方式与线路参数等对准入容量产生影响。在保持城市电网原有保护配置的基础上，DG的准入条件会受到诸多因素的影响。因此，虽然在一定程度上限制DG容量、接入位置的方式能够实现故障处理，但同样存在诸多问题。

3.3 改变配电网的保护配置

改变配电网保护配置的方式同样是一种有效的故障分析与处理方式。在实际应用过程中，在原有保护的基础上安装相应的方向判别元件。这种情况下输电线路中相对成熟的保护原理与方案能够被应用于城市电网，在一些条件下还能够实现网络化的数字保护，最大程度降低DG对城市电网产生的不利影响。

3.4 引入故障限流器

如果在城市电网中引入分布式电源，为了减小分布式电源对城市电网造成的不利影响，可以在电网中使用故障限流器。当故障发生时立即引入FCL，能够最大程度上减小故障电流对整个电网所造成的不利影响。在城市电网的正常运行状态下，故障限流器的引入不会对系统的正常运行产生任何影响。比如，在城市电网的放生线路出现故障维持异常运行时，可以在此处接入限流装置，实现短路电流的控制。这种情况下，分布式电源的影响会随着线路阻抗的增大呈现逐步减小的趋势。此种故障处理方式下，分布式电源难以为系统提供可靠、稳定的支持。

3.5 自适应保护

在自适应保护理念下，要求在城市电网系统中尽量使得保护能够适应电力系统的变化情况，从而实现保护性能的优化与调整。在当前的发展过程中，在一些含有分布式电源的城市电网中逐步引入了自适应保护的方式，在自适应保护设备中能够有效存储相应的基准信息，采集线路中各个电气设备的相关数据来进行相应的计算、对比与分析，进而根据分析结果来锁定故障类型、故障范围，结合故障特征，提出此种故障应该采取的保护方案。在这种模式下，主要进行的是点信息的采集，由于城市电网的构成相对复杂，其覆盖范围极广，后期的运行维护相对困难，因此存在一定的局限性。在一些城市电网中，所采取的自适应保护方法是利用计算机系统来对电网运行情况开展全方位的监控，进而根据系统运行过程中运行状态的变化，来对相应的保护装置参数、定值等进行动态的调整与优化。