分布式电源并网继电保护自适应整定方法研究

李 刚，刘世林

（国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东 枣庄 277000）

0 引 言

随着能源结构的转型和分布式电源的大规模接入，配电网的结构和运行特性发生显著变化，给继电保护的配置和整定带来新的挑战。传统的继电保护整定方法在分布式电源并网条件下可能会面临一些问题，如灵敏度降低、误动作等。因此，在分布式电源并网条件下实现继电保护自适应整定具有重要的现实意义。自适应整定方法可以根据电网的运行状态，实时调整保护装置的整定值，以适应配电网的动态变化。在分布式电源并网条件下，自适应整定方法可以解决由于电源结构变化带来的保护问题，提高保护装置的运行性能。然而，分布式电源的引入给继电保护带来了新的挑战。例如，分布式电源的接入可能会改变故障电流的大小和方向，使传统的电流保护和距离保护的整定变得更加复杂。此外，分布式电源具有随机性和间歇性，可能导致电网的运行状态发生变化。因此，在分布式电源并网条件下实现继电保护自适应整定具有重要的研究价值[1]。

1 分布式电源并网条件下继电保护自适应整定方法设计

1.1 分布式电源并网接入对配电网继电保护的影响

分布式电源主要包含光伏发电、风力发电2 种发电形式。接入分布式电源可以使配电网从单个电源向多电源网络转变，使电网潮流分布、谐波等发生改变，导致继电保护装置无法正常工作[2]。分布式电源经网侧变换器接入有源配电网络，因此可以将PQ控制策略应用在网侧变流器中，其故障特征用公式表示为：

式中：pref、qref分别为网侧变流器输出的有功、无功参考值；Iw、Ie分别为分布式电源的有功电流、无功电流；Imax为网侧变流器的输入电流上限；U为并网点的电压。

此时，故障状态下分布式电源并网接入配电网的输出电流为

式中：θ为并网点的电压相角。

分布式电源的接入改变了配电网的故障电流分布，导致保护装置误动作或不动作，影响故障的隔离和处理[3]。

在式（1）中，Imax可取2.5 ～3.0 倍的额定电流，pref、qref可取0 ～1 倍的额定容量，但其他参量会随Q 的工作模式而改变。在故障过程中，配电网的运行模式会发生较大的变化，极有可能出现误动或拒动。由于故障电流可能来自多个方向，传统的故障定位方法可能无法准确地确定故障的位置，需要采用更先进的故障定位算法和技术，以实现快速准确的故障定位[4-5]。同时，分布式电源的接入可能使配电网中保护装置之间的配合变得更加复杂，因此需要重新评估和调整保护装置之间的配合关系，确保各级保护装置能够协同工作，实现快速有效的故障隔离和恢复供电。

1.2 设计分布式电源并网条件下的继电保护方案

在配电网中接入分布式电源后，不仅会改变配电网的故障电流分布，还会对各个节点的电压产生一定的影响。特别是在高渗透率条件下，配电网的输出功率会发生急剧变化，导致原配电网的自适应能力下降，甚至无法准确识别和分离故障。如果在发生故障时，能在较短的时间内切除全部断路器，则系统侧的保护装置就能及时隔离故障。然而在配电网中，50%的故障是瞬时故障，大规模切除断路器会导致电网电压急剧下降，损伤用电设备，且频繁的切除会对配电网本身造成损伤。因此，需要在充分把握故障特征的前提下，研究并优化保护工作原理和算法，以便在发生故障时快速、高效地进行继电保护动作。

分布式电源通常通过专用线路或者“T”型接线方式接入公用配电网线路进行并网。对于通过专用线路接入的分布式电源，其线路保护可按照双电源供电方式进行配置。在系统侧和并联点上，保护整定应避开两端故障的最大短路电流，或者在各侧加装方向元件，使两侧都按照单电源馈线的方式进行整定。

基于此，文章以某市区配网中一条10 kV 公用线路上采用“T”型接线方式的垃圾填埋气电场为例，设计继电保护方案。分布式电源的上一次故障不会对电网侧的保护产生影响，而下一次故障会使系统侧的保护灵敏度下降，因此需要确保分布式电源侧在特定点上能够可靠动作，确保故障能够及时被切除。为确保在线路发生故障时保护能够有选择地动作，并保证在故障发生后分布式电源能够承载一定的线路负载进行孤网运行，因此需要在T 点的两侧安装开关和保护装置。

1.3 继电保护的自适应整定

继电保护的自适应整定指根据电网的实时运行状态和故障情况，动态调整保护装置的整定值，以适应配电网的动态变化。由于风力、光伏发电等分布式电源均采用最大功率追踪模式，故障瞬间可被视为其输出保持恒定。因此，分布式电源提供的故障电流并不一定等于逆变电源的额定电流。同时，分布式电源的故障电流和电压之间存在相互影响，且这种关系是非线性的。

首先，将每次故障前的电流作为迭代初值，计算故障时各个节点的电压；其次，将节点电压与当前的电流表达式相结合，得到一次迭代后的故障电流；最后，将故障电流代入节点电压方程，进行新一轮的迭代计算。反复进行迭代计算，当连续2 次迭代结果之间的差值小于给定的误差范围时，停止迭代，并将其作为收敛性的判断准则，得到各个节点的电压和输出电流。为实现继电保护的自适应整定，需要计算各支路的电流，计算公式为

自适应整定的核心是根据电网的运行状态和故障情况调整保护装置的整定值。在调整整定值时，需要确保保护装置的灵敏度和可靠性，以免发生误动作和拒动作。以某一特定的保护装置为例进行分析，该线路中的电流定值按照线路末端的故障电流进行整定。当该保护装置与相邻保护装置之间发生故障时，流经该保护装置的电流主要由配电网系统侧提供。因此，可以计算得出该保护装置的电流定值，计算公式为

式中：Ih,1表示特定保护装置的电流自适应整定数值；Uf表示配电网的系统母线电压；z1表示系统侧的电抗；η表示故障类型系数；z2表示被保护线路的阻抗；μ表示可靠系数。其中，相邻保护装置电流作为后备保护，仍按照常规的过流保护实现整定，即根据不含分布式电源并网时的最大负荷进行整定。每种继电保护装置的各区段定值，其作用时间和数值都是协调一致的。综上，继电保护的自适应整定是一种先进的保护策略，能够提高继电保护装置的适应性和可靠性。通过实时监测和算法设计，自适应整定能够根据电网的变化动态调整保护装置的整定值，为配电网的安全、稳定运行提供有力保障。

2 实验测试与分析

2.1 实验准备

为验证文章提出的分布式电源并网条件下继电保护自适应整定方法在实际应用中的可行性，针对该方法的研究过程，对其进行实验测试。选用MATLAB软件作为此次测试的仿真平台，该平台中的电网模型参数如表1 所示。

表1 电网模型参数

分布式电源容量为15 MVA，本次测试以母线中1 点的三相短路故障为例，分别验证基于改进花授粉算法的配网继电保护整定优化方法（以下简称传统方法）、文章所提方法的电流整定数值与实际故障切断电流数值是否一致。

2.2 实验结果与分析

基于实验准备，进行相关测试，测试结果如表2所示。

表2 测试结果

在实验中，采用实际配电网的运行数据，模拟故障情况和运行状态，验证文章提出的自适应整定方法的可行性和有效性。实验结果表明，提出的自适应整定方法能够快速准确地检测故障问题，帮助工作人员切除故障。同时，根据电网的变化动态调整保护装置的整定值，显著提高保护装置的性能。

分布式电源并网条件下继电保护自适应整定方法的实验结果表明，该方法能够提高继电保护装置的性能，减少误动作和拒动作的风险，为配电网的安全、稳定运行提供有力保障。

3 结 论

在分布式电源并网条件下，继电保护自适应整定方法的研究对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。文章通过深入分析分布式电源对继电保护的影响，以及自适应整定方法在应对这些影响方面的优势，为相关领域的研究提供一定的理论支持和实践指导。在未来研究中，应重点研究如何提高自适应整定方法的性能，以更好地应对分布式电源并网带来的挑战，从而制定更有效的保护策略。