新能源电源规模化分散接入的配电网保护与自动重合闸技术

金巍昊

（山东黄金电力有限公司，山东 莱州 261441）

1 新能源电源接入对配电网保护和自动重合闸带来的影响

1.1 配电网保护

按照分布式电源接入技术规范，可以采取专线、T接以及开关站等方式来接入配电网。以新能源电源通过专线接入配电网结构（图1）为例，分析新能源电源专线接入对本线和相邻线保护带来的影响。

图1 专线接入配电网结构示意

在相邻线路存在短路故障时，例如F4部位存在故障，新能源电源经过所在馈线向邻近馈线流出短路电流，电源接入点上游会发生保护，K1、K2位置发生保护而产生反向短路电流，此电流值大于保护整定值时会引起保护误动作。若电源容量比较大，则会使K4位置短路电流变大，Ⅰ段存在保护误动作。

如果本线路出现短路故障，例如F2位置存在故障，接入点上游K1位置保护的Ⅰ段不会受到影响，Ⅱ段保护和下级线路共同配合保护，当接入双馈型电源并采取撬棒保护动作时，接入电源类似于异点电动机负荷而形成外汲电流，易引发Ⅱ段保护失配而产生误动作。由于存在电源馈出短路电流，Ⅲ段保护会因远后备灵敏度不够而拒动[1-4]。

新能源电源接入配电网会产生诸多影响，影响程度、影响范围均与接入位置和电源容量具有直接关系，要采取有效的应对措施来进行准确保护。对于反向短路引起的保护误动作，可以采取增设方向元件的方式来确保动作的正确性。对于电源接入形成的助增电流或外汲电流，可以通过优化整定计算来解决。新能源电源故障具有复杂性，会使Ⅰ段电流保护范围变小，保护整定变得愈发困难，无法达到足够的灵敏度且保护动作时间变长，这是因为电流保护采取就地测量方式，可利用的配网故障信息较少，无法进一步提升保护性能[5,6]。

1.2 自动重合闸

采取重合闸前加速保护方式，如果相邻线路存在故障，例如F2或F3位置，本线保护不会出现跳闸现象和重合闸，而相邻线路为单电源辐射结构，不会对重合闸产生影响。如果本馈线出现故障，例如F4位置，馈线出口K1部位断路器会瞬时跳闸保护，双馈电源或逆变电源会向故障部位流出短路电流，不能将故障点电弧消除，重合闸会失败。在该种重合闸方式下，馈线中电源要确保同时跳开且退出，可以有效消除故障部位电弧，但需要合理延长重合闸时间，在配电网出现瞬时故障时可靠恢复。

采取重合闸后加速保护方式，如果相邻线路存在故障，电源接入点不会对重合闸产生任何影响。在本线出现故障时，如果故障点发生在电源接入位置下游，就不会对重合闸产生影响。在电源接入点上游出现故障时，F4位置馈线出口K1部位存在断路器跳闸，电源在励磁调节情况下向故障点输出短路电流，故障点电弧无法消除，无法成功实现重合闸。在采用该种重合闸的方式下，每个位置点出现保护并跳闸，需要将下游电源接入切除，才能保证重合闸准确动作。

2 区域信息网络化保护模式与原理

2.1 网络化保护系统构建与功能

中心决策单元以通信方式接收就地单元上传的实时数据信息，根据拓扑结构、电源接入位置以及故障信息矩阵发送主备、后备保护控制指令，用于实现电流保护和重合闸功能。结合故障位置对自动重合闸造成的影响，制定科学、合理的重合闸控制方案，根据计算和决策结果向就地单元发送控制指令。就地单元应用于变压器等部位，对交流量和开关量进行采集，对数据进行处理后上传至中心决策单元，获取决策单元的下发指令。通过过流、方向和启动元件来识别出配电网故障，向中心决策单元提供数据支持，在电压恢复不理想或异常孤岛运行时可以在出口部位准确动作来切除电源。通信系统是中心决策单元与就地单元信息交互的枢纽，可通过以太网按照IEC61850规约与就地单元进行通信。

2.2 保护原理

配电网供电范围广、就地单元数量较多，因此多采取集中式差动保护，每个节点将采集到的信息都上传至中心决策单元，通信系统网络负荷会变大，对保护信息实时性带来影响，同时采样数据同步误差还会影响差动保护。为降低通信系统负担和摆脱对同步技术的依赖，采取新能源电源接入保护，结构如图2所示。

图2 新能源电源接入保护结构

就地单元采集故障电流大小、方向等数据信息，中心决策单元对故障信息进行综合分析处理，确定相应的配电线路和区段，对故障点进行准确切除，可实现主备与后备保护，不再要求不同就地单元的同步采样。

2.2.1 网络拓扑关联矩阵

在条件允许的情况下，新能源电源可以有计划地采取孤岛方式运行，有效提升供电可靠性，缩小停电范围。如果故障位置在电源接入位置下游，如图3中的F3位置，馈线故障线配置的K6可以对故障进行切除，不会引起孤岛运行。如果故障出现在电源节点上游，如F4位置，K9、K10断开以后，DG2与L3线路用户为孤岛运行状态，新能源电源也可向接入点用户供电，需要结合网络拓扑能源和电源接入位置形成正序与反向2种关联矩阵。

将配电保护区间的每个断路器视作单元节点并进行编号，电源侧断路器的编号生成矩阵为DgL，电源出口断路器的编号生成矩阵为Dg，中心决策单元形成电源接入位置的正向关联矩阵T1和反向关联矩阵T2，存在n个节点单元的配电保护区域，正向和反向矩阵都为n×n形式的矩阵。采用正向关联矩阵可以同时满足主备和后备保护。当配电网存在故障时，故障点下游电源可能存在孤岛运行情况，而反向关联矩阵可以为后续故障点的下游保护提供依据。断路器以单电源辐射进行配置，也就是在系统侧线路端来配置断路器，用于构造反向关联矩阵时，后备保护由距离主保护断路器最近的断路器来实现。如果配电网不允行孤岛运行，则需要切除电源，避免对配电网可靠性带来影响，通过建立防孤岛反向关联矩阵进行保护。

2.2.2 故障信息矩阵

中心决策单元获取就地单元故障信息来进行决策并确定故障线路，控制相关断路器来进行故障隔离。为降低信息传送量，就地单元对故障进行识别，将逻辑信息上传至中心决策单元。

就地单元故障上传公式为

其中，正方向为电流从系统侧流向馈线末端或电源。中心决策单元结合就地单元上传的故障信息，形成正向故障信息矩阵F1和反向故障信息矩阵F2。F2中电流侧就地单元信息为-1，电源侧信息也改为-1。如果配电网不可以孤岛运行，则构建防孤岛反向故障信息矩阵F3。馈线存在就地单元故障信息-1的上游节点，此节点下游所有电源侧就地单元信息改为-1，其他节点为0。相邻馈线故障时，馈出故障电流会使就地单元出现过流和反向信息，易引发误动作，要结合每个馈线出口就地单元故障信息形成修正矩阵H。修正处理后的正向故障信息矩阵、反向故障信息矩阵以及防孤岛反向故障矩阵为

2.2.3 故障跳闸方案

当P1=0时，断路器线路无故障；当P1=1时，断路器线路存在故障，断路器主保护跳闸；当P1=2时，断路器相邻线路故障，后备保护断路器动作。

当P2=0时，断路器相连的上级配电线路无故障；当P2=1时，断路器上级相邻线路故障，后备保护断路器动作。

当P3=0时，断路器不动作；当P3=1时，电源接入点上游故障，在配电网禁止孤岛运行条件下断开电源出口断路器。

3 基于区域信息的自动重合闸

根据正向故障跳闸矩阵P1和反向故障跳闸矩阵P2，构建后加速重合闸矩阵为

式中：k为断路器编号。如果Rk=1，控制中心延迟t1set对断路器k发送采用检无压方式形成的重合闸命令，时间可设置为0.3～0.5 s；如果Rk=2，控制中心延时t1set后对断路器发送采用检同期方式形成的并网控制命令。如果配电网故障是瞬时性故障，上游断路器会合闸成功，下游孤岛采用过检同期方式来进行平滑并网，配电网恢复正常供电。如果配电网出现永久性故障，上游保护采取检无压方式完成重合闸。重合故障发生后，就地单元重启，正向跳闸矩阵发送跳闸命令，用于切除故障。下游断路器如果允许配电网孤岛运行，采用检同期方式来完成并网，断路器不能重合，故障下游配网会以孤岛方式运行。如果配网禁止孤岛运行，则用防孤岛反向故障跳闸矩阵P3取代矩阵P2。

4 结 论

新能源电源大规模分散接入配电网会给就地保护和自动重合闸带来新的挑战，影响程度、范围与电源接入点位置、容量有着直接关系。基于区域信息网络保护，充分利用就地单元故障电流的过流和方向信息，通过集中决策来确定故障线路，可以用于主后备保护，也可以兼顾电源孤岛。自动重合闸结合网络化保护创建正向故障跳闸矩阵、反向故障跳闸矩阵、孤岛反向故障跳闸矩阵，形成重合闸矩阵用于断路器合闸控制，可以防止电源不必要退出，避免非同期重合闸带来的冲击。