分布式电源接入配电网继电保护配置及技术的研究

段佳莉

引言

作为一个能源消耗大国，我国所面临的能源资源不足、能源技术落后以及环境污染严重等问题日益严峻。面对当前的形势和挑战，发展可再生能源和节约能源为主题的低碳经济已成为未来发展的主流。其中，分布式发电技术以其独有的环保性和经济性已成为国内外关注的热点问题。然而，分布式电源接入配电网给配电网的继电保护带来了不可忽视的影响。本文将深入研究分布式电源接入后配电网的故障特性，旨在揭示和总结分布式电源对配电网继电保护的影响规律，提出适用于有分布式电源接入配电网继电保护配置方案，为分布式电源高密度接入配电网的保护技术打下坚实的理论基础。

1 分布式电源接入配电网的影响

目前，我国建设智能配电系统结构的发展要求支持分布式电源高比重的接入，使系统的效率、灵活性、整体性得到有效提高，从而充分利用分布式电源可靠的优化系统性能。然而，分布式电源接入也给配电网继电保护带来了新的问题和挑战：

1）分布式电源接入，改变了配电网的结构形态，使其由传统的功率单向流动的辐射型网络转变为功率双向流动的多源网络；

2）分布式电源出力的间歇性和随机波动性使配电网的潮流运行水平波动大，这使得现有保护的整定变得更加困难；

3）分布式电源的发电机理、并网结构和控制技术与传统电源有很大区别，这使得大规模分布式电源接入配电网后，短路电流特征将发生根本变化，这也对配电网的保护技术提出了新的挑战。

传统的配电网大多是向负荷单方向供电的辐射状网络，其继电保护配置没有考虑网络中有分布式电源接入的情况，主要采用电流速断保护和过电流保护两种方式的配合。同时，考虑到配电网中绝大多数的故障为瞬时性故障，常采用重合闸来快速恢复瞬时性故障，以提高供电可靠性。但是，分布式电源的接入改变了配电网的短路电流分布以及原有配电网继电保护配置的基础条件，可能引起保护拒动或误动等问题。

2 管理内涵和主要做法

分布式发电设备接入配电网之前，中低压配网为单侧电源、辐射型配电网络。馈线保护装设在变电站内靠近母线的馈线断路器处，一般配置传统的三段式电流保护，第I段为瞬时电流速断保护、第II段为定时限电流速断保护、第III 段为过电流保护。对非全电缆的线路，配置三相一次重合闸，保证在馈线发生瞬时性故障时，快速恢复供电。

配电系统引入DG之后，如图1所示，配电网络不再是纯粹的单电源、辐射型供电网络。此时，若线路发生故障，配电网络中短路电流的大小、流向、分布以及重合闸的动作行为都会受到DG 的影响，与DG引入之前有较大不同。DG對保护动作行为影响的主要表现如下：

1）导致本线路保护的灵敏度降低及拒动。

以图1 中DG下游k1点故障为例加以分析。DG引入之前，故障点的短路电流只由系统提供，DG引入之后，DG和系统都会对故障点提供短路电流，但QF1 处的保护只能感受到系统提供的短路电流，在其他条件不变的情况下，此电流小于引入DG 前该处的电流，从而导致保护的灵敏度降低，严重时甚至拒动。DG的容量越大，对配网保护灵敏度的影响也就越大。

2）导致本线路保护误动。

当系统侧k2 处或其他馈线k3处发生故障时，在DG引入之前，本馈线的保护感受不到故障电流，DG引入之后，相同点故障时，本馈线的保护将感受到DG提供的故障电流，如果该电流足够大，将导致保护误动。同样，DG的容量越大，它所提供的反向短路电流也就越大，越容易造成本线路电流保护的误动作。

3）导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性。

当k4处发生故障时，在DG引入之前，短路电流只由系统流向故障点，DG引入之后，DG和系统都会对故障点提供短路电流，此时相邻故障线路的保护（即QF2处的保护）感受到的故障电流增大，将可能导致其速断保护躲不开线末故障而误动，从而保护失去选择性。

4）DG可能导致重合闸不成功。

当DG引入之后，线路两侧连接的是两个电源，线路故障时，如果只有系统侧保护动作跳闸而DG不跳开，则DG会继续向故障点提供短路电流，故障点仍处于游离状态。如果此时系统侧进行重合闸，必然会重合于故障状态，导致重合闸不成功。为了保证重合闸的成功率，必须保证在系统侧重合闸动作前，DG已停止运行或者已从配网中切除。

5）DG可能导致备自投无法正常工作。

传统配电网中，常采用备自投装置来提高对重要负荷供电的可靠性。DG 引入后，将会影响备自投装置对主工作电源是否故障的判断，从而无法准确地实施切除故障工作电源和投入备用电源的操作。

6）DG的接入使配电网成为一个多电源系统。

潮流由单向潮流变为双向潮流，因此要求保护设备应具有方向性。若用方向性元件替换配电网中所有的熔断器和自动重合闸装置在经济上又不可行。解决这一问题的方案有切源方案和孤岛方案两种。

切源方案指的是在任何故障情况下，先断开所有的分布式电源，然后采取原来的保护措施。但这样大大降低了速动性和可靠性，同时还会出现时限配合、速断等问题，因此引入孤岛的思想。利用分布式发电独立向一部分配电系统供电，如果配电网发生故障，将配电网转化为若干个孤岛运行，尽可能多地利用分布式电源供电，减小停电面积，提高发电效率。

3 实施成效

1）分布式电源接入后的配电网与继电保护的建模研究

开展了以下两个层次的研究：a）建立分布式电源及其控制系统模型，建立适用于保护动作分析的分布式电源仿真模型；b）根据现有配电网典型拓扑结构，建立分布式电源接入的配电网模型以及继电保护模型，为后续研究奠定基础。

2）含分布式电源配电网的故障特征分析及对原有保护的影响研究

在所建模型基础上，研究不同容量的分布式电源在不同位置接入配电网的情况下，配电网在不同位置发生不同类型不同严重程度故障时的电气量故障特征，揭示短路电流变化规律，定性分析分布式电源接入对原有保护原理的影响。

3）计及原有电流保护整定计算原则的分布式电源准入容量研究

计及配电网原有电流保护整定计算原则的分布式电源准入容量指的是，在不改变配电网原有电流保护配置的情况下，能够满足所有保护选择性和灵敏性要求的、允许分布式电源接入的最大容量。该部分研究旨在定量分析分布式电源接入对原有保护原理的影响，对评估一定容量的DG接入配电网后对原有电流保护选择性和灵敏性的影响以及含DG配电网的保护方案配置等均具有重要意义。

4）适应分布式电源接入的保护配置及整定原则研究

在研究含分布式电源配电网的故障特性以及分布式电源准入容量的基础上，分析现有配电系统常用继电保护配置及整定原则的适用性及存在的问题，进一步研究含有分布式电源的配电网保护的基本理论与构建模式，探讨新的保护理论和方法，以适应分布式电源的实际接入容量大于准入容量的高渗透率情况。