分布式电源接入对配电网保护的影响分析

摘要：介绍配电网保护配置情况，详细分析分布式电源并网时短路电流的变化，以及对配电网传统电流保护及重合闸的影响，并提出保护解决方案，为含分布式电源配电网的保护配置提供参考。

关键词：分布式电源；配电网保护；保护配置；自动重合闸

中图分类号：TV文献标识码： A

近年来，随着分布式电源（DG，distributedgeneration）在电力系统中的应用逐渐增加，其接入配电网以后使配电网传统的辐射型结构发生了变化，将变成一个双电源甚至是多电源系统。传统的配电网保护都是基于辐射型结构配置的，配电网络拓扑结构的变化改变了潮流的分布情况，会给传统的电流保护和自动重合闸带来巨大的影响，甚至可能导致其不正确动作。

1 配电网保护的配置

传统的配电网主要是放射式结构，潮流是固定单向流动的，且考虑到大部分的故障都是瞬时性故障, 所以为了简化保护配置，传统配电网主馈线保护一般采用电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护组成的三段式保护，并配置三相重合闸装置。传统的配电网电流保护依赖于当地信息及预设整定值，以时限配合来完成主、后备保护功能，其灵敏性、选择性及速动性都很难满足运行方式灵活多变的分布式电源接入配电系统的要求。其中电流速断保护按照最大运行方式下躲开本线路末端发生短路时的最大短路电流的方法整定，不能保护线路全长；限时电流速断保护在整定时需要与相邻下一条线路的电流速断保护进行配合，并要保证本线路末端短路有灵敏度，故其能保护线路的全长；定时限过电流保护按照躲开最大负荷电流来进行整定，一般它不仅能保护本线路的全长，还能保护相邻线路的全长，起到后备保护的作用；而对分支线路则采用高压断路器、熔断器保护。

2 分布式电源接入后短路电流分析

2.1 分布式电源短路模型

分布式电源DG按照运行方式的不同可以分为传统的旋转机型和基于逆变器接口的逆变型。逆变型DG能够弥补旋转机型DG直接并网所产生的不足，具有很大的优势。随着电力电子技术以及控制策略的发展，逆变型DG得到了广泛的应用。因此，分布式电源绝大部分采用逆变型并网。

目前，并网运行的DG主要采用电流型的PQ控制方式，当DG采用PQ控制方式时，在故障发生后的瞬间，其输出的P和Q会有一个短暂的变化，但是经过调整和控制很快又会恢复到故障前的值。因此，在进行短路电流计算和保护的影响分析时，可以将DG看作是一个恒功率源，具体实现时可以用一个受控电流源来代替。

2.2短路电流分析

图2-1所示为一简单的配电网结构图，DG接在B点，故障点f位于DG的下游。图中，ZS为系统阻抗，ZAB为DG接入点与母线A之间的阻抗，代表DG接入点的相对位置；Zf为故障点与DG接入点之间的阻抗，ZAB+Zf代表故障点的相对位置；ZAD表示相邻馈线上的总阻抗。

图2-1接有DG的配电网结构示意图

对于三相短路的情况，可以将图2-1中的配电网等效为如图2-2所示的简单电路图，图中用一个受控电流源来代替DG进行分析。

图2-2接有DG的配电网等效电路图

为了简化分析，忽略负荷电流，并认为系统侧为一个无穷大系统，即有ZS=0，故图2-2 所示的电路图可以进一步简化为如图2-3所示的形式。

图2-3接有DG的配电网简化等效电路图

可以根据电路分析节点电压法得到B点电压UB的表达式如下： （2-1）

为了进一步方便分析，这里做一些合理的假设。DG并网运行时由于不用参与电压、频率的调节，一般都是以最大功率进行输出，而且功率因数都很高，接近于1，因此这里假定SDG= P+jQ=PDG；另外，认为所有线路的阻抗角均相等。ES =ES∠0，U=U∠α，ZAB、Zf的阻抗角均为β。故可由（2-1）式进一步展开简化可得到下式：

由上式可解出UB的值：

故流过DG下游保护的短路电流大小为：

(2-2)

流过DG上游保护的短路电流大小为：

（2-3）

当DG未接入配电网时，流过保护的电流为：

此时相当于DG输出功率为0的情况，将 PDG＝0代入式（2-2）、（2-3），可得：

这表明上面推导的短路电流表达式具有通用性，没有DG接入的情况属于其中的一个特例。

当DG接入配电网以后，在故障条件下，将向故障点输出一定的功率，即PDG＞0，此时将有：

由此，可以得到以下结论：在配电网中接入DG以后，当故障发生在DG的下游时，不管DG接入点的位置或其输出的功率如何变化，都将导致流过DG上游保护的电流与没有接入DG时相比变小，而流过DG下游保护的电流将变大。

我们进一步通过（2-2）、（2-3）式的关系，还可得到以下结论：①如ZAB和Zf为常数，则If与PDG的开方成正比，即DG输出的功率越大，流过DG下游保护的电流也越大；IAB与PDG的开方成反比，即DG输出的功率越大，流过DG上游保护的电流就越小。②如PDG和DG接入点位置固定，则Zf越小，即故障点越靠近DG接入点，If和IAB越大。③如PDG和故障点位置固定，则ZAB越小，即接入点越靠近系统侧，If越小；而IAB不会随着ZAB单调变化，存在一接入点使IAB最大，该点的具置与DG输出功率、线路阻抗角、故障点的距离等均有关系。

3 分布式电源接入后对配电网保护的影响

3.1 对电流保护的影响

根据前面的分析结果，当故障点位于DG的下游时，DG接入配电网以后将导致流过DG下游保护的电流变大，而流过DG上游保护的电流变小。所以，对DG下游保护2而言，其保护范围有可能会延伸到与其相邻的下一条线路，从而使保护之间失去配合，造成保护的误动作；而且当DG输出的功率越大或者DG接入点与要研究的保护之间的距离越短时，这种影响就越严重。而对于DG上游的保护1，其灵敏度可能会降低，而且如果DG输出功率变大，灵敏度会降的更低；另外，当DG输出功率不变时，DG有一个最优接入点，在这一接入点位置，DG上游的保护受到的影响最小。

同样可以根据前面的分析方法，得到如下结论：当DG接入图2-1的A点，此时 DG下游的保护流过的短路电流均要增大，有可能会使保护失去选择性；当DG接入图2-1的C点，此时由于在保护1上游或保护2下游发生故障时流过保护1、2的电流都一样，故保护1、2将有可能失去选择性。当相邻馈线AD或系统电源线发生故障时，DG的接入有可能会导致本馈线DG上游的保护1误动，失去选择性，而且由于流过相邻馈线的短路电流变大，也有可能导致该馈线上保护3的范围延伸到下一条线路。

3.2 对自动重合闸的影响

由于传统的重合闸针对的是辐射型结构的配电网，故DG接入以后也会对重合闸造成影响。根据与继电保护配合方式的不同，重合闸可以分为重合闸前加速和重合闸后加速两种。对于重合闸后加速，要求在馈线上每个断路器处均安装重合闸装置，当馈线上发生故障时，其保护首先要有选择性动作，然后由该处的重合闸装置进行重合。与传统的配电网不同，此时由于DG的存在，重合闸将会受到影响：当DG上游保护动作以后，由于DG仍然会向故障点提供短路电流，将导致故障点的电弧持续燃烧，从而使重合闸失败，而且瞬时性故障也有可能发展成为永久性故障；另外，DG的存在使得重合点两端都是有源系统，由于传统的重合闸没有检同期功能，故有可能导致非同期重合，从而给系统带来比较大的冲击。当DG的下游发生故障时，下游保护将动作并进行重合，此时的重合闸操作跟传统的配电网一样，将不受DG接入的影响。当相邻馈线发生故障时，如上所述，本馈线DG上游的保护有可能会误动，此时该保护处的重合闸装置在进行重合时，由于两端都是有源系统，故有可能会出现非同期合闸的问题。

对于重合闸前加速的情况，此时与重合闸后加速不同，一般只在馈线首端安装相应的重合闸装置，当馈线上任何一处发生故障时，都由安装于馈线首端的保护首先瞬时无选择性动作，然后通过重合来加以纠正。在这种重合闸方式下，不管故障点位于DG的上游还是下游，馈线首端的重合闸功能都存在故障点电弧不能熄灭以及重合闸不同期这两个问题。而当相邻馈线发生故障时，同样也会导致接有DG的本馈线首端保护误动后在进行重合时出现不同步问题。

4 解决方案

由前面的保护影响分析，为应对大量光伏的接入，配电网的保护可以采取以下的措施：

⑴对配电网定值进行校核，在保证灵敏的前提下，修正部分保护定值；合理限制并网DG注入容量，对于大容量的DG，应选择更高电压等级并网。

⑵加装方向元件。在图2-1中，可在保护1加装。

⑶故障时，通过变流器的控制策略尽可能限制DG提供的故障电流。

⑷时限配合，过流Ⅰ段保护稍带时限，过流Ⅲ段时限应该与防孤岛保护动作时限配合；重合闸动作时限时间延长。

⑸当短路电流出现保护整定困难时，可采用光纤保护。

⑹在DG侧装设低周低压解列装置、检同期装置，系统侧馈线重合闸采用检线路无压。

以上措施应根据配电网的条件，具体分析，合理采用。

5 结束语

在当今能源匮乏、环境问题日益严重的情况下，分布式电源作为高效、环保的新能源, 其应用前景正日益得到社会的普遍认同，分布式电源并网技术的应用推广也更具有现实意义。然而，大量的分布式电源并网运行将深刻影响配电网中短路电流大小、流向及分布，传统的继电保护将无法满足要求，采取合理的继电保护方案，使其有效地保护含光伏发电的配电系统，以期促进分布式电源健康快速的发展。

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