分布式电源对配电网继电保护的影响研究

2024-05-13王闻杰张艺明

通信电源技术 2024年4期

王闻杰，张艺明

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西延安 716000）

0 引言

在当前的能源转型背景下，分布式电源正日益成为全球电力系统的重要组成部分[1-4]。分布式电源，如太阳能、风能和小型水电，由于其可再生性、灵活性和对环境的低影响，正在逐渐改变传统电网的运行方式。然而，这种变革给配电网的继电保护系统带来了前所未有的挑战。继电保护作为电力系统安全和稳定的关键组成部分，其适应性和可靠性在分布式电源日益增多的环境中受到考验[5-8]。因此，深入研究分布式电源对配电网继电保护的影响，不仅对于保障电网的稳定运行至关重要，还是推进能源转型和实现可持续发展目标的关键[9-10]。本文旨在探讨分布式电源接入对配电网继电保护系统的具体影响，以提高电网在面对这些新挑战时的性能和可靠性。

1 分布式电源概述

分布式电源指的是接近用电点的小型发电设施，通常包括太阳能光伏、风能、小型水力发电、燃气轮机以及燃料电池等多种形式，能够有效减少能源传输过程中的损耗，提升电网的能效和可靠性。不同于传统的集中式大型发电站，分布式电源通常以小规模、分散布局的形式存在于电网各处，直接在消费地点或其附近发电。这种布局使得电网能够更加灵活地响应负载变化，同时减少对中心电站和长距离传输线路的依赖。除此之外，分布式电源的发展也受到环境保护和可再生能源政策的推动，成为全球能源转型的重要力量。然而，分布式电源的广泛接入也给电网的管理和保护带来了新挑战，特别是在继电保护系统的设计和运行方面。为了保证电力系统的稳定性和安全性，理解分布式电源的特点及其对配电网的影响至关重要。

2 配电网继电保护技术概述

配电网继电保护技术主要依靠继电保护装置来监测电力系统的运行状态，一旦检测到异常情况（如短路故障、过载、电压不平衡等），即刻，切断故障部分，保护电网设备和用户的安全。配电网继电保护技术包括过电流保护、短路保护、接地保护等多种形式，每种保护方式都有其特定的应用场景和保护原则。

3 具体影响

分布式电源的接入，虽然在一定程度上提高了电网对故障点的定位能力，但同时也给配电网的继电保护系统带来了显著的负面影响。首先，分布式电源的不确定性和间歇性特点要求继电保护系统必须具备更高的灵活性和适应性。这意味着保护系统需要进行更频繁的检测和维护，以确保其在动态变化的电网环境中仍能可靠运行。其次，分布式电源的分散接入改变了电流的流向和幅度，可能会干扰传统保护系统的工作，如误判故障或延迟故障响应。例如，当电源从多个点注入电网时，传统的基于电流方向或大小的保护策略可能不再有效。最后，分布式电源的接入还可能影响电路的原有结构和配置，需要对现有的保护装置进行调整或升级。这不仅增加了电网运维的复杂性，也提高了运营成本。

3.1 影响电流保护机制

在传统的配电网络中，电流保护是确保系统安全的基本机制。这一机制通过监测流经继电器的电流是否超过设定阈值来工作。一旦电流超过继电器的额定电流，继电器便会执行断路操作，从而完成对配电网的电流保护。因为电流的流向和大小相对稳定，所以这种保护策略在没有分布式电源干扰的情况下通常表现良好。然而，随着分布式电源的广泛接入，这一传统的电流保护机制面临着前所未有的挑战。分布式电源的接入改变了电网的负载分布和电流的流向，可能导致继电器对电流的敏感程度降低等。由于分布式发电可能在不同的时间和地点以不同的功率注入电网，使得继电器难以准确判断电流是否超过安全阈值。因此，传统的电流保护策略可能无法有效地应对由分布式电源引起的电流波动，从而影响整个配电网的安全性和可靠性。

3.1.1 减小继电器对电流变化的敏感性

分布式电源的接入对配电网继电保护系统带来的一个重要影响是减小继电器对异常电流变化的敏感性，进而可能导致保护拒动现象。在传统的配电网中，继电器的设计旨在对超过预设阈值的电流做出快速反应，以此来保护电网免受过载或故障的影响。然而，在分布式电源广泛接入的情况下，电网的电流模式发生了显著变化。分布式电源，如太阳能和风能，产生的电流不仅波动性强，而且往往与传统电源的电流特性不同，使得继电器更难以区分正常的电流波动和真正的故障信号。这种情况下，继电器可能会出现保护拒动，即在实际发生故障时未能及时断开故障电路，导致故障电流持续流动，增加了系统损坏和安全事故的风险。当分布式电源在故障发生时仍向电网注入电流，继电器可能无法识别这种异常，从而未能激活断路器。这不仅影响了电网的可靠性，还可能对设备造成长期损害。

从图1 可以看出，故障发生时会对分布式电源产生影响，导致经由这些电源的电流迅速增加。这种变化反映在共同耦合点处的电压异常上，从而影响整个系统对电流变化的感应能力。随着电流的急剧增大，原有继电保护系统的有效作用范围显著缩小，对电网的保护能力因此受到限制，具体可以表示为

图1 配网情况1

式中：iset表示继电器的固定设定值，它不会随着配电网结构的变化而改变；isc表示在不接入分布式电源时，故障点的短路电流水平；iDER表示分布式电源提供的短路电流值。当分布式电源被接入后，可以观察到继电器对电流异常的灵敏度下降。这种现象导致保护拒动的可能性显著增加，使得电路更易于出现故障。

3.1.2 增加系统误动作的风险

在配电网中，由于故障线路周围通常布置有多条相互接近的母线，分布式电源的接入增加了保护系统在这些复杂网络中产生误动作的风险，如图2 所示。当发生故障时，继电器的任务是识别并隔离故障线路，以保护电网的其余部分。然而，在多条母线紧密布置的环境中，分布式电源的接入可能导致继电器难以准确判断故障的具体位置。这种情况下，继电器可能错误地判断与实际故障线路相邻的健康线路为故障状态，从而进行错误的保护动作。这不仅导致非故障线路的不必要切断，还可能引起更广泛的电网稳定性问题，如不必要的电力中断和负载转移，甚至可能触发更大范围内的连锁反应。

图2 配网情况2

在进行了定性和定量的分析后，可以总结出配电网出现保护误动的前提条件为iDER＞iset。即当分布式电源提供的短路电流超过电流保护设定的整定值时，就可能引发电流保护的误动作。通过分析可以得出减少电流保护误动的有效策略。其中一个关键方法是控制分布式电源的电容量，保持其在一个合理的范围内，以减少对电流保护系统的干扰。此外，结合使用能够控制电流方向的电学元件也是降低保护误动发生概率的有效手段。通过这些调整，可以有效减少因分布式电源导致的电流保护误动，进而提高配电网的整体稳定性和可靠性。

3.1.3 超出断路器的断流能力

在配电网中，断路器的一个重要功能是在电流超过其遮断容量时快速切断，以防止设备损坏和电网故障的扩散。然而，分布式电源的接入可能导致电流在某些情况下超过断路器的设计遮断容量。这通常发生在分布式电源注入的电流与电网中其他电流源合并时，尤其是在短路或其他故障情况下。当电流超过断路器的遮断容量时，断路器可能无法有效地切断电流，导致持续的电流过载。这不仅增加了电网设备，如变压器和线路的损坏风险，还可能引发火灾或其他安全事故。在分布式电源普遍接入的现代电网中，这种情况尤为严重，因为传统的断路器可能未被设计为处理这种新型负载模式。这种故障的发生条件可以归纳为ibr＜isc+iDER。其中，ibr表示断路器的最大开断电流值。即故障发生时，系统和分布式电源提供的短路电流总和超过了断路器的最大开断电流能力。为了防止这种情况，可以采取几种措施：一是调整分布式电源的容量，确保其产生的电流在断路器的处理范围内；二是提升断路器的额定电流，增强其处理过载的能力；三是安装故障限流器，以减少故障电流对电网的影响。这些方法有助于保护配电网免受过大电流的损害，并提高整个系统的稳定性和安全性。

3.2 对自动重合闸的影响

自动重合闸作为配电网中的关键保护措施，主要目的是在发生故障后迅速恢复电网正常运行，以最大限度地减少停电时间并提升电网可靠性。然而，分布式电源的接入为电网带来新的运行挑战，特别是其不确定性和动态变化特性。在分析分布式电源对自动重合闸影响时，需关注几个核心因素：一是分布式电源可能引起电网瞬态和持续过电压，直接影响自动重合闸的触发条件和响应时间，要求对分布式电源的电压波动特性及其与重合闸的互动进行深入研究；二是分布式电源的功率波动可能影响重合闸的灵敏度和可靠性，特别是在电网运行中可能出现的功率输出突变，要求评估功率波动对重合闸性能的潜在影响；三是分布式电源并网对电网短路电流水平和路径的影响，给重合闸的动作特性带来挑战，研究这些电流特性及其与重合闸的相互作用对优化继电保护系统至关重要。

3.3 对保护协调性的影响

保护协调性是指在电力系统中，各级别的保护装置能够按照预定的先后顺序动作，以确保在发生故障时，最接近故障点的保护装置先动作，而远离故障点的保护装置后动作或不动作，从而实现故障的有效隔离和系统的最小影响范围。分布式电源的接入，尤其是在配电网的中低压层级，改变了电流的流向和分布，可能会破坏原有的保护协调性，导致过保护或欠保护的情况，影响系统的可靠性和安全性。分布式电源接入后，可能会导致原有保护设定值不再适宜，保护装置的选择性和动作时间延迟可能需要重新评估和调整。例如，分布式发电的并网运行可能减少了从上级电网流向故障点的故障电流，使得原本设计来响应这些故障电流的远端保护装置无法在预期时间内动作，或者使得近端保护装置过于敏感，导致不必要的系统分断。针对该问题，可以引入自适应保护技术，能够根据电网运行状态和分布式电源的输出实时调整保护装置的动作特性和设定值，有效解决保护协调性受影响的问题。