陳國(guó)忠

(國(guó)華(通遼)風(fēng)電有限公司,內(nèi)蒙古通遼 028000)

關(guān)于分布式電源接入對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響研究

陳國(guó)忠

(國(guó)華(通遼)風(fēng)電有限公司,內(nèi)蒙古通遼 028000)

介紹常規(guī)配網(wǎng)的保護(hù)設(shè)置和分布式電源接入模式下的保護(hù)設(shè)置,包括分布式電源接入模式和繼電保護(hù)裝置的配置原則。通過(guò)對(duì)這些模式的研究和探討,以及對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響研究,為分布式電源接入到配電網(wǎng)提供了理論依據(jù)和合理方案。

分布式電源 配網(wǎng) 繼電保護(hù) 影響

隨著新能源發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)框架問(wèn)題、就地消納問(wèn)題、電力調(diào)峰問(wèn)題、電量交易政策問(wèn)題、省間地方保護(hù)、大規(guī)模新能源電源點(diǎn)集中布置等問(wèn)題也在逐漸顯露出來(lái)，為了能夠解決這些問(wèn)題，分布式電源接入電網(wǎng)成為至關(guān)重要的事。分布式電源作為發(fā)電的一項(xiàng)，能夠解決新能源進(jìn)一步發(fā)展中的一部分問(wèn)題。本文將分析分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)于繼電保護(hù)所產(chǎn)生的影響，并從這個(gè)影響中探討一種最佳方案。

1 配電網(wǎng)繼電保護(hù)的傳統(tǒng)設(shè)置方法介紹

我國(guó)的配電系統(tǒng)電壓大部分是中低壓配電，且采用較為簡(jiǎn)易的單側(cè)電源輻射型網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，為了能夠簡(jiǎn)單有效地控制和保護(hù)系統(tǒng)電路，通常將保護(hù)裝置配置在靠近母線饋線斷路器處。對(duì)于斷路器處配置的保護(hù)裝置，主要是進(jìn)行三段式電流保護(hù)裝置，即電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。對(duì)于終端線路來(lái)說(shuō)，通常采用電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)這兩種方法進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)于非終端線路來(lái)講，則是采用三段式電流保護(hù)裝置與其他保護(hù)裝置并用的方法進(jìn)行電流保護(hù)。

對(duì)于三段式電流保護(hù)裝置，其一電流速斷保護(hù)，可以切斷電流實(shí)現(xiàn)零秒動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)和判斷線路終端處有短路情況時(shí)，能夠躲過(guò)線路末端故障產(chǎn)生的最大三相短路電流，適用于不需要與相鄰線路配合的終端線路，但由于其運(yùn)行方式變化較大，不能夠用于保護(hù)整條線路，存在弊端。其二定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)需要延時(shí)切除故障，通常與上一種方法聯(lián)用，能夠彌補(bǔ)電流速斷保護(hù)不能保護(hù)全線路的缺陷，與其形成完整的保護(hù)系統(tǒng)。其三過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限按“階梯型”原則進(jìn)行整定，動(dòng)作電流按躲開(kāi)本線路最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定。這三種方法作為傳統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)置，存在著諸多不足和弊端，但在適合分布式新能源電源布置建設(shè)的地方，這種保護(hù)配置使用的普遍需要不斷進(jìn)行改進(jìn)。

2 分布式電源的特點(diǎn)和產(chǎn)生影響的原因

2.1 分布式電源的特點(diǎn)

作為新產(chǎn)業(yè)的分布式電源，接入配電網(wǎng)進(jìn)行電能資源保護(hù)、改善電網(wǎng)環(huán)境，有四大特點(diǎn)：第一：分布式電源不同于一般電源，可以四散分開(kāi)，這樣就可以靠近用電戶接地消納，節(jié)省了長(zhǎng)距離輸送的線路費(fèi)用，也不會(huì)在長(zhǎng)距離的線路上過(guò)多損耗電量。第二：分布式電源具有聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種方式。既能提高本身的供電可能性，還能為大電網(wǎng)提供輔助性服務(wù)。第三：分布式電源由于其具有隨機(jī)性等特點(diǎn)，因其靠近用戶而不集中在一起，這樣就無(wú)法聯(lián)合在一起檢測(cè)其投切時(shí)間；第四：分布式電源會(huì)受到風(fēng)力、水力、潮汐等外界條件的影響，不同種類(lèi)的分布式電源有不一樣的電力輸出容量。分布式電源的特點(diǎn)給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)帶來(lái)新的問(wèn)題，需要不斷探索。

2.2 分布式電源接入對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響的原因

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)具有流向單一、輻射性等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了配電網(wǎng)裝置的保護(hù)裝置也適應(yīng)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的模式，如若分布式電源接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)的流向?qū)⒉辉賳我欢嵌喾N多樣，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的保護(hù)裝置將不再適用于分布式電源接入下的配電網(wǎng)。傳統(tǒng)的保護(hù)裝置以三段式電流保護(hù)為主，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)及時(shí)進(jìn)行切斷保護(hù)，而分布式電源也會(huì)因故障而進(jìn)行短路保護(hù)，系統(tǒng)和分布式電源都會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流，改變了配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)短路水平，因而影響配電網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行。分布式電源又因其不確定的特點(diǎn)，造成了電網(wǎng)方向流入不一，保護(hù)裝置無(wú)從選擇以及配電網(wǎng)運(yùn)行困難等問(wèn)題，這些都是分布式電源接入配電網(wǎng)之后，將會(huì)對(duì)繼電保護(hù)措施產(chǎn)生影響的主要原因。

圖1 DG支路接入配網(wǎng)饋線非末端母線時(shí)對(duì)繼電保護(hù)的影響

圖2

3 DG不同接入位置對(duì)配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

當(dāng)DG接入到配電網(wǎng)時(shí)，對(duì)于配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，系統(tǒng)與分布式電源都有可能對(duì)線路提供短路電流，導(dǎo)致保護(hù)措施進(jìn)行誤動(dòng)作，保護(hù)系統(tǒng)紊亂。因此分布式電源的接入對(duì)繼電保護(hù)措施影響很大，當(dāng)不同的分布式電源接入位置不同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生不一樣的效果。所以，本文就以不同接入位置為主，簡(jiǎn)單介紹在這些情況下，DG接入對(duì)于配網(wǎng)繼電保護(hù)所產(chǎn)生的影響。

3.1 DG支路接入配網(wǎng)饋線首端

當(dāng)分布式電源接入在配電網(wǎng)饋線首段A母線處時(shí)，并不會(huì)對(duì)保護(hù)線路產(chǎn)生大的影響。因?yàn)榉植际诫娫唇尤朐陂_(kāi)端時(shí)，對(duì)于整個(gè)線路來(lái)講，僅僅是增大了系統(tǒng)的電量容量，而沒(méi)有對(duì)保護(hù)線路產(chǎn)生不一樣的影響。因此在各個(gè)線路處發(fā)生故障時(shí)，分布式電源都不會(huì)對(duì)保護(hù)措施產(chǎn)生影響，所以各個(gè)保護(hù)裝置和方向元件等都不需要進(jìn)行改變。

3.2 DG支路接入配網(wǎng)饋線非末端母線

當(dāng)分布式電源接入配網(wǎng)饋線非末端母線時(shí)，在不同的供電區(qū)間發(fā)生短路時(shí)，分布式電源接入對(duì)該線路繼電保護(hù)配置和整定值都有影響。下面將對(duì)四種短路故障進(jìn)行分析：(圖1）

F1發(fā)生故障：如上圖1所示，以安裝在線路首端的保護(hù)1為例，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可能對(duì)保護(hù)1的靈敏度造成影響，保護(hù)2、3、4將不會(huì)受到任何的影響。原因?yàn)椋悍植际诫娫碊G接入之前，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)1感受到的故障電流僅由系統(tǒng)S提供，當(dāng)分布式電源DG接入后，當(dāng)F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，故障電流不僅由系統(tǒng)S提供，分布式電源DG也會(huì)向F1點(diǎn)提供故障電流，而對(duì)保護(hù)1來(lái)說(shuō)，它能夠感受到的電流僅為系統(tǒng)S提供，因此，DG的接入將起到助增作用，導(dǎo)致保護(hù)1的靈敏度降低。并且，當(dāng)接入的分布式電源DG容量越大，提供給F1的故障電流越多，對(duì)保護(hù)1的靈敏度影響越大，其動(dòng)作越緩慢，最嚴(yán)重的情況下，可能導(dǎo)致保護(hù)1在F1故障時(shí)出現(xiàn)拒動(dòng)。

F2發(fā)生故障：當(dāng)F2發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)4并不會(huì)受到影響，發(fā)揮正常作用，而保護(hù)2則在分布式電源流入范圍之內(nèi)，這就導(dǎo)致保護(hù)2線路上流過(guò)的電流會(huì)明顯地增強(qiáng)。保護(hù)2線路上流過(guò)的故障電流增強(qiáng)之后，假設(shè)這個(gè)短路處電流為26．5KA，抗阻1050歐姆，這時(shí)保護(hù)2的靈敏度就會(huì)隨之增強(qiáng)，不僅如此，保護(hù)2的保護(hù)范圍也會(huì)加大，甚至有可能會(huì)增長(zhǎng)到保護(hù)3的范圍之內(nèi)，擾亂保護(hù)3的保護(hù)秩序。這樣以后，整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)有可能會(huì)發(fā)生混亂，同時(shí)分布式電源接入容量不斷增大時(shí)，更有可能會(huì)增強(qiáng)短路電流，造成線路毀壞等問(wèn)題。分布式電源除了對(duì)保護(hù)2線路有增強(qiáng)作用，還對(duì)保護(hù)1線路上的電流存在一定的削弱作用。不同于增強(qiáng)時(shí)，有可能導(dǎo)致保護(hù)1靈敏度下降，保護(hù)范圍縮小，若是影響較大的話，更有可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)1失去保護(hù)作用，整個(gè)線路都處于不安定的狀況下，情況嚴(yán)重時(shí)就會(huì)釀成禍端。此時(shí)，保護(hù)1的限時(shí)電流速斷保護(hù)就不再能夠作為下游相鄰線路的后備保護(hù)措施，而需要另外進(jìn)行保護(hù)裝置的配置。因此需要對(duì)保護(hù)1，2，3的整定值重新進(jìn)行修改，而保護(hù)1，2，3處繼電保護(hù)配置不需重新配置。

F3發(fā)生故障：當(dāng)F3發(fā)生故障時(shí)，與F2發(fā)生故障時(shí)一致，對(duì)于保護(hù)4并不會(huì)受到影響，仍發(fā)揮正常作用，此時(shí)的分布式電源對(duì)于下游處線路的故障電流具有增強(qiáng)作用，保護(hù)2的靈敏度都會(huì)增加，保護(hù)范圍隨之?dāng)U大。保護(hù)2方向感缺失，不再具備選擇性保護(hù)能力。對(duì)于保護(hù)1的電流削弱作用，保護(hù)1靈敏度降低，保護(hù)范圍縮小，失去保護(hù)的作用。在這些方面，F(xiàn)3與F2發(fā)生故障時(shí)情況幾乎是相同的，所以對(duì)于繼電保護(hù)的裝置配置不需要進(jìn)行重新整定，而需要對(duì)保護(hù)1、2、3的整定值進(jìn)行重新判定，重新進(jìn)行選擇。

F4發(fā)生故障：當(dāng)F4發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2、3并不受到影響，仍能發(fā)揮其正常作用。而保護(hù)1則會(huì)受到影響，因其分布式電源提供的反向故障電流而產(chǎn)生誤導(dǎo)，做出錯(cuò)誤的動(dòng)作。當(dāng)分布式電源的電量逐漸增大時(shí)，保護(hù)1的措施會(huì)失去作用，甚至產(chǎn)生反效果，往反方向提供故障電流。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)在保護(hù)1處添加方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。同時(shí)，為了加固保護(hù)措施，在此處還應(yīng)當(dāng)加設(shè)一個(gè)保護(hù)裝置，與方向元件聯(lián)用，形成雙重保障。

3.3 DG支路接入配網(wǎng)饋線末端

當(dāng)分布式電源接入配網(wǎng)饋線末端時(shí)，在不同的供電區(qū)間發(fā)生短路時(shí)，分布式電源接入對(duì)該線路繼電保護(hù)配置和整定值的影響。下面將對(duì)四種短路故障進(jìn)行分析。

F1發(fā)生故障：如圖2所示，當(dāng)F1發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)1和保護(hù)4應(yīng)該發(fā)揮正常作用，不受到分布式電源的影響。保護(hù)2和保護(hù)3則會(huì)檢測(cè)到分布式電源提供的反向故障電流，護(hù)能夠感受到的故障電流將增大，保護(hù)靈敏度變大，在故障時(shí)可能導(dǎo)致保護(hù)2、3的誤動(dòng)作。當(dāng)分布式電源的電量不斷增大時(shí)，保護(hù)2、3往反方向提供故障電流，產(chǎn)生反效果，失去保護(hù)作用。此時(shí)，需要在保護(hù)2、3處添加一個(gè)方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。同時(shí)，為了加固保護(hù)措施，在此處還應(yīng)當(dāng)加設(shè)一個(gè)保護(hù)裝置，與方向元件聯(lián)用，形成雙重保障。除此以外，為了確保發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)和分布式電源不會(huì)不斷給故障線路提供短路電流，所以需要在AB線路處，特別是靠近B線處增加方向元件和保護(hù)裝置，當(dāng)F1發(fā)生故障時(shí)，能夠準(zhǔn)備報(bào)故障，進(jìn)行故障切斷修復(fù)。

F2發(fā)生故障：當(dāng)F2發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2并不會(huì)受到影響，發(fā)揮正常作用，保護(hù)1、2、4不會(huì)受到分布式電源的影響，依然能行駛其正確的措施。而保護(hù)3線路則會(huì)檢測(cè)到分布式電源提供的反向故障電流，誤導(dǎo)保護(hù)3的動(dòng)作。當(dāng)分布式電源的電量不斷增大時(shí)，假設(shè)此時(shí)的電流為66KA，抗阻為550歐姆，那么此時(shí)的短路線路電流很大，而保護(hù)3卻往反方向提供故障電流，產(chǎn)生反效果，失去保護(hù)作用。此時(shí)，需要在保護(hù)3處添加一個(gè)方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。同時(shí)，為了加固保護(hù)措施，在此處還應(yīng)當(dāng)加設(shè)一個(gè)保護(hù)裝置，與方向元件聯(lián)用，形成雙重保障。除此以外，為了確保發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)和分布式電源不會(huì)不斷給故障線路提供短路電流，也為了能夠電源持續(xù)進(jìn)行母線線路的供電，所以需要在BC線路處，特別是靠近C線處增加方向元件和保護(hù)裝置，當(dāng)F2發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2還能正常工作，能夠準(zhǔn)備報(bào)故障，進(jìn)行故障切斷修復(fù)。

F3發(fā)生故障：當(dāng)F3發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3不會(huì)受到分布式電源的影響，發(fā)揮正常作用，而且保護(hù)1、2、3、4都不會(huì)受到分布式電源的影響，能夠維持原有的工作模式。但是為了增加安全起見(jiàn)，為了確保發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)和分布式電源不會(huì)不斷給故障線路提供短路電流，也為了能夠電源持續(xù)進(jìn)行母線線路的供電，需要在CE線路處，特別是靠近E線處增加方向元件和保護(hù)裝置，當(dāng)F3發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3還能正常工作，能夠準(zhǔn)備報(bào)故障，進(jìn)行故障切斷修復(fù)。

F4發(fā)生故障：當(dāng)F4發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)4并不受到影響，仍能發(fā)揮其正常作用。而保護(hù)1、2、3則會(huì)受到影響，因其分布式電源提供的反向故障電流而產(chǎn)生誤導(dǎo)，做出錯(cuò)誤的動(dòng)作。當(dāng)分布式電源的電量逐漸增大時(shí)，假設(shè)此時(shí)電流為56．5KA，而抗阻卻比較小，那么保護(hù)1、2、3的措施會(huì)失去作用，甚至產(chǎn)生反效果，往反方向提供故障電流，特別是保護(hù)3處，最有可能發(fā)生這類(lèi)問(wèn)題，需要嚴(yán)加提防。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)在保護(hù)1、2、3處添加方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。同時(shí)，為了加固保護(hù)措施，在此處還應(yīng)當(dāng)加設(shè)一個(gè)保護(hù)裝置，與方向元件聯(lián)用，形成雙重保障。

4 DG對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

在傳統(tǒng)的保護(hù)裝置中，除了上文提過(guò)的三段式電流保護(hù)以外，還有就是自動(dòng)重合閘類(lèi)的保護(hù)裝置。自動(dòng)重合閘通常與三段式電流保護(hù)并用，在非全電纜線路上起著至關(guān)重要的作用。在傳統(tǒng)的電路中，自動(dòng)重合閘的作用主要是在恢復(fù)瞬時(shí)性故障線路供電，使用自動(dòng)重合閘不易對(duì)電路產(chǎn)生大沖擊，線路一般都能夠及時(shí)恢復(fù)供電。而當(dāng)分布式電源接入到配電網(wǎng)中之后，對(duì)自動(dòng)重合閘產(chǎn)生了很大的影響。主要是有兩方面：第一就是非同期重合閘：當(dāng)分布式電源與系統(tǒng)分開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生的沖擊較大，非同期重合閘無(wú)法降低沖擊力度，電流或是電壓過(guò)強(qiáng)，就會(huì)對(duì)線路造成損害，因此帶來(lái)的危害不小。第二就是自動(dòng)供電，分布式電源接入后，在發(fā)生故障時(shí)，很可能會(huì)繼續(xù)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行電流輸送，自動(dòng)重合閘因此無(wú)法關(guān)閉，失去作用。所以，分布式電源的并入使得自動(dòng)重合閘對(duì)瞬時(shí)性故障恢復(fù)產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致其不能準(zhǔn)確進(jìn)行重合，失去原有的作用。在分布式電源接入的地方，需要安裝低周、低壓解列裝置，并在發(fā)生故障之后，及時(shí)切斷分布式電源對(duì)于故障點(diǎn)的電流輸送，使得自動(dòng)重合閘能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速地進(jìn)行重合。

5 建模分析

從前文可以得出，當(dāng)分布式電源接入到配電網(wǎng)的母線中時(shí)，分布式電源與接入線路上游的各個(gè)供電區(qū)的保護(hù)裝置都需要進(jìn)行重新配置，其整定值也需要重新計(jì)算，而下游的保護(hù)整定值也需要進(jìn)行重新計(jì)算?，F(xiàn)在將以兩個(gè)情況為例，建模進(jìn)行分析。

當(dāng)分布式電源接入配網(wǎng)末端時(shí)，需要在線路前段增加方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。而在線路后段，則需配置三段式電流保護(hù)措施，以及方向元件。而對(duì)于整定值來(lái)說(shuō)，只需要對(duì)線路后半段進(jìn)行重新修改，前半段不需要修改。當(dāng)分布式電源接入配網(wǎng)非末端母線時(shí)，需要對(duì)線路前端和末端進(jìn)行三段式電流保護(hù)，對(duì)于中間段則只需配置瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)的兩段式電流保護(hù)即可。而對(duì)于整定值來(lái)說(shuō)，線路前段整定值需重新計(jì)算，而線路末端整定值則因保護(hù)措施重置而需重新給出。

6 結(jié)語(yǔ)

分布式電源作為電力系統(tǒng)發(fā)展的前景產(chǎn)業(yè)，也依然存在著諸多不足。通過(guò)上文的分析，分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)其產(chǎn)生的影響，大量電流流入對(duì)于繼電保護(hù)所產(chǎn)生的影響都不容小覷。通過(guò)建模分析來(lái)計(jì)算最佳方案，對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)行和分布式電源接入電網(wǎng)都有著重要意義。

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陳國(guó)忠(1970—),男,內(nèi)蒙古通遼人,職稱(chēng):副高,研究方向:電氣設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)。