太阳能分布式光伏电站接入配电网继电保护配置研究

宁夏大学新华学院 戴 瑞

太阳能分布式光伏电站主要是通光伏组件将太阳能直接转换为电能的一种分布式光伏电站系统，其接入配电网继电保护配置研究的必要性主要体现在两方面：一是从2020年1月开始国务院、能源局、发改委以及国家电网等部门都在一定程度上给予扶持政策，能在一定程度上减缓部分地区用电紧张的局面，其次分布式光伏电站主要是利用太阳能来发电，其环保效益较高，也有利于减缓环境污染等问题；二是太阳能分布式光伏电站的介入会对配电网内部结构存在较大影响，由原来的放射性结构转变为多电源结构，此时继电保护配置如不进行优化会存在较大安全隐患，影响整体的用电安全。

1 继电保护装置的基本要求

选择性。如图1，当K1短路，保护1、2动，跳1QF、2QF；如图2，当K2短路，保护5、6动，跳5QF、6QF；如图3，当K3短路，如保护7拒动或7QF 拒动，保护5动、跳5QF，有选择性。如保护7正确动作和7DL 跳闸，保护5动、跳5DL，则会越级跳闸、非选择性。通过以上分析所得：选择性就是故障点在区内选择动作，在区外选择不动作。当主保护无动作时由近后备或远后备进行故障切除，从而使停电范围控制在最小。

图1 K1短路

图2 K2短路

图3 K3短路

速动性。一般情况下作用于断路器跳闸保护都要求动作迅速，其速动性可有效提高系统运行的稳定性，减少在低电压下工作的时间，减少故障元件的损坏程度以及避免故障进一步扩大。

灵敏性。主要体现在当出现故障时系统对故障反应及处理能力，一般用灵敏系数来衡量，表示为Ksen。对反应数值上升而动作的过量保护、如电流保护：Ksen=短路时故障参数的最小计算值/保护动作参数=Ik.min/Iset；对反应数值下降而动作的欠量保护、如电压保护：Ksen=保护动作参数/短路时故障参数的最大计算值=Uset/Uk.max。

稳定性。影响系统稳定运行的原因较多，如元器件的质量、制造水平、运行维护及安装调试等。判断其稳定性主要是通过在发生故障时，能否按照设定计划既不发生拒动也不发生错动：正确动作率=正确动作次数/动作总次数×100%。

2 太阳能分布式光伏电站并网后对配电网继电保护的影响分析

传统继电保护根据配电网单流行、放射式的结构进行配置，是一个单端的电源网络，但是太阳能分布式光伏电站并入电网后会打破原有的配电网络结构，形成一个多电源的网络结构。传统配电网络一般不安装方向元件，以阶段式电流保护为主，当光伏电站并入后形成多个电源，使原来的结构网络更加复杂化，流向也更加的多变化。当系统出现故障时，原来的配电网系统和新并入的光伏电站系统都朝向故障点进行提供短路电流，在这样的情况下，既改变了原来电流的大小也改变了电流的流向，导致了配电结构网络的继电保护装置不能正常发挥其作用[1]。

受保护的范围缩小。在分布式光伏电站并入配电网后，继电保护配置在未进行优化时，因功能不能完全体现会造成保护范围缩减；使重合闸失败。分布式光伏电站并入配电网后，当与系统进行相连时或在进行其他工作时发生线路故障、且分布式光伏电站的切除时间比重合闸时间晚，会引起电弧重燃，导致最后的重合闸不成功，影响整体的安全性能。

降低灵敏度或拒动。太阳能分布式光伏电站并入配电网后会降级继电保护的灵敏度，甚至会导致拒动。图4中当分布式光伏电站下游出现故障点K1处，分布式光伏电站接入会造成流入下游保护电流增大，在其上游A 处点位的电流会变小，这时如保护定值没有进行调整会导致系统工作失常，进而导致上游保护的灵敏度降低，严重情况下会发生拒动现象[2]。

图4 分布式光伏电站接入配电网络结构图

局部保护误动。在传统的配电网络中，由于是电流向放射结构，在配电网络继电保护装置中一般不会安装方向元件，这时当故障点位于分布式光伏电站上游时，如图1中K2处，分布式光伏电站的接入会造成下游流过的电流变大，图1中A 处在继电保护装置保护定值不变情况下会导致上游保护的误动，进而影响系统正常运行，影响发挥系统正常的保护作用。

3 太阳能分布式光伏电站10kV 电压等级并网接入方式

太阳能分布式光伏电站10kV 电压等级并网接入的方式，根据运营模式不同可分为统购统销模式下的T 接公用线并入系统和余量上网模式或自发自用模式T 接公用线并入系统两种接入方法。每一种模式又分为多种接入方式，如专线接入系统变电站、T 接公用线接入系统变电站、T接公共开关站及T接配电室等多种方式。本文主要针对两种比较典型的接入方式进行分析。

统购统销模式下的T 接公用线并入系统：在10kV 公共电网母线上加装并网点开关，通过并网点开关实现光伏电站电缆的并网接入，单个并网点装机容量为400kW～6MW（图5）；余量上网模式或自发自用模式T 接公用线并入系统：用户内部10kV母线加装光伏接入柜，通过光伏接入柜将光伏电站的电缆接入实现并网接入，单个并网点的装机容量400kW～6MW（图6）。

图5 统购统销模式下T 接公用线接入系统

图6 余量上网模式或自发自用模式T 接公用线并入系统

4 太阳能分布式光伏电站10kV 电压等级继电保护配置原则及整定原则

太阳能分布式光伏电站并入配电网络后需对配电网络中的继电保护配置进行全面升级优化，同时还需根据实际情况综合因素考虑经济性，在进行选材施工过程中，满足相关要求前提下优选经济性较高的产品。此外还需对光伏电站侧进行新的继电保护配置，在整个继电保护配置优化过程中，需遵循保证系统可靠性、简化光伏侧保护配置的原则。

4.1 统购统销模式下T 接公用线接入系统的保护配置

系统侧保护配置：110kV 以母线段为单位配置故障解列保护包含低压、低频、高压和高频保护，断路器、10kV 光伏电站联络线；配置阶段式方向过电流保护，方向元件可投退，不能避免反方向故障时须经方向闭锁；系统侧保护需具备三相一次重合闸功能，且重合闸时间需避开光伏站最大解列时间，此外还需具备检无压、同期等功能，避免出现非同期阶段进行合闸给系统带来冲击力；T 接点断路器需电业局根据现场实际情况进行配置，配置完成后需配置线路保护及重合闸功能，此重合闸还需具备检测线路无压等功能，以保障系统能正常运行。

光伏电站侧保护配置（图5）：在产权分界点位置配置阶段式方向过电流保护，电流方向指向变压器；过电流保护与限时速断电流保护结合，与QF1保护配合；产权分界点位置配置三相线路压变，配置故障解列装置，产生动作跳QF2；并网断路器需具备的功能：低周、高周、低压、高压解列功能，速断、带方向过电流保护、光纤差动保护及其他功能。对于一些计划外的孤岛，从发生到并网断路器跳开的时间一般不能超过2秒钟。

4.2 余量上网或自发自用模式T 接公用线并入系统

系统侧保护配置：与统购统销模式下T 接公用线接入系统的保护配置中的系统侧保护配置相同，此处不再重复阐述。

光伏电站侧保护系统配置（图6）：产权分界点位置配置阶段式方向过电流保护，动跳QF2，电流流向指向用户母线，与QF1配合作用；产权分界点位置配置故障解列装置，动跳QF3；QF3位置配置阶段式方向过电流保护，电流方向指向用户电压，与QF2整定配合；并网断路器需具备的功能：低周、高周、低压、高压解列功能，速断、带方向过电流保护、光纤差动保护及其他功能。对于一些计划外的孤岛，从发生到并网断路器跳开的时间一般不能超过2秒[3]；光伏电站决定QF3处开光保护跳闸或是产权分界点安全自动装置连切后，是否重合闸，重合闸应具备足够延时及加速跳闸功能[4]。

4.3 分布式光伏电站接入配电网继电保护整定原则

电流速断保护，按照躲开线路末端故障时最大短路电流进行整定，其中可靠系数可取值1.3；限时电流速断保护，按躲过相邻线路的瞬时电流速断的最大保护动作电流进行整定，Ksen ≥1.3；过电流保护一般是按照躲过线路最大负荷电流进行整定。一般情况下，当系统中发生一般故障时，过电流整定时间从0～0.25秒。如发生高阻接地故障时，需对线路保护配置零序过电流方向保护，当线路中的零序电流超过整定电流且延时大于整定值时发生动跳。零序过电流方向保护在实际的运用中主要分为两段整定，一段整定时间0.3秒，二段整定时间0.6秒。为提高灵敏性可增设零序电流互感器。

5 案例分析

光伏电站装机容量1060kW，采用1000kVA 美式箱变压器通过10kV 母线接入用户10kV 光伏间隔，采用余量上网模式或自发自用模式T 接公用线并入系统（图7）。10kV 母线参数：JK-240架空1.126km，标幺值0.317每公里，阻抗max 为0.3943、min0.4476，变压器S11-1000/10，U=4.5%，互感器电流比75/5。

图7 光伏电站接入电气主线示意图

5.1 继电保护配置

用户系统侧更换具备阶段式过电流保护的装置；在产权分界点位置配置阶段式方向过电流保护，电流方向指向用户10kV 母线；在并网点处配置阶段式方向过电流保护，低压闭锁合闸，低周减载、低压减载，方向指向用户电源。

5.2 并网点处的整定计算

系统抗阻系统如图8。

图8 系统阻抗图

参数换算：设功率基准值Sd=100MV×A；基准电压 Ub=10.5kV；最大短路电流基准值I(3)B.max=SB/√3UB=100/1.732×10.5=5500A，最小短路电流基准值I(2)B.min=√3/2I(3)B.max=4763A，线路阻抗X＊1=p＊1L=0.317×1.126=0.356942，变压器阻抗X＊T=UK% /100×SB/SN=4.5/100×100=4.5。

第一阶段整定计算：根据已知参数可得系统短路最大电流计算Ik.max=i(3)k=5500/(X＊s.min+X＊1+X＊t)=1047.37A，动作电流计算IIset1=KrelIk.max=1361.58A，继电保护器的动作电流计算IIset1.r= IIset1/nTA=1361.58/15≈90.8A，其中继电保护器的动作时间可以计算为ti1=0s。

第二阶段整定调整计算：系统短路最小电流计算为Ik.min=i(2)k=897.91A，继电保护器的动作电流计算为I2set1.r=Ik.min/2nTA=897.91/2×15≈30A，其中继电保护器的动作时间可以计算为t21=0.5s。

低压、低周环境下的整定：根据国家相关规范规定，低压一般设置在60～70V 之间，电网频率低于48Hz 时，逆变器需在0.2秒内停止相应工作。在本方案设计中，低压闭锁值设置的是70V，低周减载延时设置成0.25秒，其设置主要是为了逆变器受其他影响，导致工作不稳定，在0.2秒内没有跳开光伏电站断路器时，并网点的断路器可在0.25秒时进行动跳动作[5]。

结论：太阳能分布式光伏电站特点及优势较为突出，目前已被大力推广，同时国家相关部门也给予了较大政策支持用以推动分布式光伏电站的完善和进步。在分布式光伏电站并入配电网络后会对原来的配电结构构成破坏，电源由单电源转变为多电源，电流方向也有单一方向转变为多方向，在这个基础上，传统的继电保护配置已不能有效保护系统正常工作，必须对其配置进行优化和改善，就目前情况来讲，因为分布式光伏电站的大力推广和运用，现有继电保护设备相对还不完善，随着科技的发展和进步相关技术还需不断的创新，以高质量服务于社会经济的发展和进步。