距离保护在具有分布式电源的配电网系统中的应用

摘要：研究了分布式电源接入放射状配电网对配电网继电保护的影响。利用Matlab／Simulink建立了直接并网和逆变并网两种分布式电源模型，并对配电网进行距离保护整定计算。针对分布式电源的类型、容量和接入位置等因素，探讨了在有分布式电源接入的配电网系统中，电流速断保护和距离保护的工作情况。分析了运行中可能出现的问题，如长短线配合、短路点过渡电阻对测量阻抗的影响，并给出了相应解决办法。结果表明分布式电源对配电网继电保护的灵敏度，选择性有一定的影响。

关键词：分布式电源；配电网；继电保护

1 引言

分布式电源是一种新兴的电力电源技术。分布式电源是指直接布置在配网或分布在负荷附近的、功率为数千瓦至50MW的、小型模块式的、与环境兼容的独立电源。DG包括功率较小的内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池和风力发电等。分布式电源具有调峰、利用再生能源、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。但随着越来越多的分布式电源接入配电系统中，将不可避免地使配电系统复杂化，给运行和调度带来困难。

配电网的一般特点是呈放射形结构并由单电源供电，配电网的继电保护是以此为基础设计和配置的。当分布式电源接入配电网后，配电网的结构将发生改变。当配电网发生故障时，除了系统向故障点提供故障电流外，分布式电源也将对故障点提供故障电流，改变了配电网的节点短路水平。因而影响配电网继电保护装置的正常运行。分布式电源的类型、安装位置和容量等因素都将对配电网的继电保护造成影响。

根据DG并网技术的类型分类，DG可分为直接与系统相连(机电式)和通过逆变器与系统相连两大类。若DG是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类；而逆变器型分布式电源通常指的是将直流电逆变上网的分布式电源(如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术）。

本文旨在分析分布式电源对配电网继电保护的影响，对两种并网类型的DG进行建模，建立一个典型结构的配电网模型并进行继电保护整定，从分布式电源的位置、容量等因素考虑其对配电网继电保护的影响。

2 配电网继电保护

配电网络的继电保护，相对于高电压大系统继电保护而言，属于简单保护。配电网中常用的继电保护有电流保护、电压保护、反时限电流保护、距离保护等。

分布式电源接入配电网之后，原有配电网络的结构发生了较大变化。在故障发生时，由于分布式电源助增电流的作用，流经故障点的故障电流将增大。分布式电源的引入改变了分布式电源附近节点的短路水平，对配电网继电保护的正确动作带来影响；也改变了保护的范围和灵敏度，给各线路继电保护的上下级配合带来问题。

电流保护是配电网中最为常用的保护，它是用电流突然增大使保护动作的保护装置。在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的改变，在配电网中发生故障时，配电网中的短路电流有着较大的改变。与不接分布式电源相比，对于同一点故障，分布式电源下游保护流经的故障电流增大，上游保护流经的故障电流减小，这将使下游保护的保护范围增大，而上游保护(线路的远后备保护)的保护范围减小。并且当DG容量达到一定大小时，故障线路和其上级线路的保护都有可能达到电流速断保护的整定值，两个保护都将跳闸，继电保护将失去选择性。由此可知，对于DG渗透率较高的配电网，电流速断保护在选择性、灵敏度校验上不满足要求。

距离保护是一种反映物理量——测量阻抗下降而动作的保护。距离保护测量元件的输入是该处的母线电压和流经该线路上的电流，各母线处的母线相电压和流经该线路的电流之比为该处保护的测量阻抗Zm。显然，距离保护能够克服电流电压保护受系统运行方式影响大的缺点。

在正常情况下，保护测量元件的测量阻抗为负荷阻抗。而当线路上发生三相短路时，保护装置所测量的阻抗即为短路阻抗。短路时，测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比，短路点到保护安装处的距离越大，测量阻抗越大，反之越小。设距离保护的整定阻抗为Zset如果保护的测量阻抗为短路阻抗Zk，且Zk

3 仿真算例

配电网络的拓扑结构类型较多，我国城乡大多数配电系统仍以放射状链式为主。这种结构的网络有许多特点，比如接线可靠、保护容易整定、扩容简单等。

本文将变电所以上的系统等值为一电压源，配电网电压等级为10kV。分析中系统电压始终保持不变。

文中所建立的配电网模型为放射形结构，如图1所示。系统的容量基准取为100MVA，电压基准取为10．5kV。该模型包含一条15km长的输电线路，平均分成L1、L2、三段，每段长为5km。线路阻抗为0．35Ω／km。

在配电系统的馈线中，通常存在许多分支线，这些分支线相距不远，其负荷一般较小。文中假设这些分支线从10％Ll开始，按10％Ll的长度递增，均匀地分布在配电网中。分布式电源将从这些节点接入配电网中。

为了进行继电保护整定计算，需要了解系统阻抗，此处用短路容量来表示其短路水平。本文中，变电所变压器的低压母线短路容量为250MVA。

配电网距离保护整定值如表1所示。

3．1 DG直接并网系统

中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障电流。从研究继电保护的角度而言，分布式电源可以用一个电源串联电抗的模型来表示。对于不同类型的分布式电源，其电抗值是不同的，它代表着该电源的故障电流注入能力。根据Barker等对各类型分布式电源的故障电流注入能力研究的结果，最大的故障电流注入能力为1000％。该值可用于电路仿真以确定最坏的故障情况。

分布式电源由变压器连接至配电网上，取变压器的容量与所接分布式电源容量一样。

分布式电源电抗

变压器电抗

3．1．1 分布式电源容量变化

采用以上网络数据，分布式电源安装位置不变而容量发生改变时，在系统以最大运行方式下，对配电网进行三相短路仿真。