分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響

分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響1.1傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)配置簡介目前，我國的中低壓配電網(wǎng)大都是單側(cè)電源，輻射型的配電網(wǎng)絡(luò)，一般裝設(shè)三段式電流保護(hù)，同時起到主保護(hù)與后備保護(hù)的作用。幾乎所有10kV或者35kV饋線[68]都是從35kV至220kV變電站母線送出，大部分饋線都屬于直接向用戶供電的終端線路，只有部分10kV饋線通過其他變電所10kV母線轉(zhuǎn)供其他10kV終端線路，屬非終端線路。三段式電流保護(hù)包括無時限電流速斷保護(hù)、帶時限電流速斷保護(hù)和定時限過電流保護(hù)。其中，電流速斷保護(hù)(I段)按照躲過線路末端短路時流過保護(hù)的最大三相短路電流的方法整定，瞬時動作切除故障，不能保護(hù)線路全長；帶時限電流速斷保護(hù)(II段)按照躲過相鄰下一元件電流速斷保護(hù)的動作電流整定，能夠保護(hù)本線路全長；定時限過電流保護(hù)(III段)按照躲過線路最大負(fù)荷電流并與相鄰線路的過電流保護(hù)配合的方法整定，做相鄰線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備，能夠保護(hù)相鄰線路的全長。對于非終端線路，線路保護(hù)一般采用三段式電流保護(hù)與其它保護(hù)相配合；對于不存在與相鄰線路配合問題的終端線路，為簡化保護(hù)配置，大多采用電流速斷保護(hù)加過電流保護(hù)組成的二段式保護(hù)，再配以三相一次重合閘(前加速)的保護(hù)方式，對于非全電纜線路，配置三相一次重合閘，保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時，快速恢復(fù)供電。1.2分布式電源接入位置對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析DG一般通過10kV饋線接入配電系統(tǒng)，由于其容量小，在配網(wǎng)中接入位置不確定，我們分別在不同位置處接入DG，針對配電網(wǎng)中廣為配置的三段式電流保護(hù)，分析不同情況下DG對各電流保護(hù)及其動作行為的影響[69,70]。1.2.1分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端如圖4-1(a)所示，分布式電源接在饋線末端母線D上，饋線1變?yōu)殡p側(cè)電源供電線路，饋線2仍然可視為單側(cè)電源供電線路。假設(shè)參數(shù)：系統(tǒng)等值電動勢為，分布式電源等值電動勢為；系統(tǒng)阻抗為，分布式電源阻抗；變壓器等效阻抗為；AB、BC、CD和AE線路阻抗分別為~，、、和分別表示線路AB、BC、CD和AE的短路點(diǎn)距各自母線的距離占該段輸電線路的百分比，以上參數(shù)均取標(biāo)幺值，等效電路如圖4-1(b)所示。(a)分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端(b)等效電路圖圖4-1分布式電源接在配電網(wǎng)饋線末端及等效電路圖Fig.4-1DGconnectedtotheendoffeederofdistributionnetworkandtheequivalentcircuitdiagram(1)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，引入DG前后，保護(hù)1感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側(cè)提供，大小不變，因此保護(hù)1的動作行為不受DG影響，能夠準(zhǔn)確動作切除保護(hù)范圍內(nèi)的故障。同時，DG通過保護(hù)2，保護(hù)3向故障點(diǎn)提供短路電流，該短路電流有可能引起保護(hù)2，保護(hù)3的誤動作而使DG右側(cè)的系統(tǒng)形成孤島，這時要考慮DG的帶負(fù)荷能力和系統(tǒng)重合閘時的同期問題[71,72]。此時流過保護(hù)1，保護(hù)2，保護(hù)3的短路電流為：(4-1)(4-2)(2)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，情況與點(diǎn)發(fā)生短路時類似，這里就不做具體分析了。(3)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，在點(diǎn)發(fā)生短路時，保護(hù)3感受到的故障電流均只由系統(tǒng)側(cè)提供，大小不變，因此保護(hù)3能夠正常動作于故障，但是保護(hù)3動作后，DG仍向故障點(diǎn)提供短路電流，使故障點(diǎn)電弧[73]不能熄滅，線路重合閘不成功，導(dǎo)致瞬時性故障的停電時間延長。因此，需要在線路CD靠近母線D側(cè)加設(shè)保護(hù)裝置和方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)，并動作切除故障，使DG不再向故障點(diǎn)提供短路電流。此時流過保護(hù)1、2和3的短路電流為：(4-3)(4)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，DG向短路點(diǎn)提供反向故障電流，流過保護(hù)1、2和3，有可能造成這三個保護(hù)的誤動作，失去選擇性，擴(kuò)大故障范圍。同時，DG注入的短路電流對流過保護(hù)4的短路電流產(chǎn)生助增作用，有可能使保護(hù)4的保護(hù)范圍延伸到下一級線路，導(dǎo)致無法保證選擇性。此時流過保護(hù)1、2、3和4的短路電流可通過如圖4-2所示的計(jì)算等值圖求出，其中表示流過保護(hù)1、2和3的短路電流，表示流過系統(tǒng)側(cè)的短路電流，表示流過保護(hù)4的短路電流。圖4-2計(jì)算等值圖Fig.4-2Theequivalentdiagramofcalculation解得，流過保護(hù)1、2、3和4的短路電流為：(4-4)(4-5)其中：(4-6)(4-7)1.2.2分布式電源接在配電網(wǎng)饋線非末端母線上圖4-3分布式電源接在配電網(wǎng)饋線非末端母線上Fig.4-3DGconnectedtothenonterminalbusoffeederofdistributionnetwork(1)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，保護(hù)1能動作切除故障，但由于DG的存在，該動作會引起DG右側(cè)的系統(tǒng)變?yōu)楣聧u運(yùn)行，而由于母線B與故障點(diǎn)之間沒有保護(hù)裝置，分布式電源始終向故障點(diǎn)提供短路電流，使故障點(diǎn)電弧不能熄滅，線路重合閘不成功，導(dǎo)致瞬時性故障的停電時間延長。(2)點(diǎn)短路在點(diǎn)發(fā)生短路時，DG注入的短路電流對流過保護(hù)2的短路電流產(chǎn)生助增作用，有可能使保護(hù)2的保護(hù)范圍延伸到CD段線路上，將會與保護(hù)3失去配合，無法保證選擇性[74]。下面分析DG接入對保護(hù)1的影響。通過1.2.1中(4)的分析方法，可以得到如下公式：(4-8)(4-9)其中：(4-10)(4-11)由于DG對流過保護(hù)1的短路電流有汲流作用，而對流過保護(hù)3的短路電流有助增作用。DG短路電流的注入使保護(hù)1的保護(hù)范圍減小，降低其靈敏性，可能使保護(hù)拒動，嚴(yán)重情況下，保護(hù)1的限時電流速斷保護(hù)將不能作為下一級線路的后備保護(hù)。而流過保護(hù)2的短路電流增加，會使保護(hù)2的限時電流速斷保護(hù)范圍增大，可能與保護(hù)3的I段保護(hù)失去配合，無法保證選擇性。(3)點(diǎn)短路與前面1.2.1中(4)的情況類似，在此就不作詳細(xì)說明。1.2.3分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端圖4-4分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端Fig.4-4DGconnectedtothebeginningoffeederofdistributionnetwork分布式電源接在配電網(wǎng)饋線始端的母線上時，僅相當(dāng)于增大了系統(tǒng)容量，盡管線路上發(fā)生故障時短路電流會增大，但由于分布式電源與系統(tǒng)相比容量仍然很小，因此，，故障時DG對各個保護(hù)的影響都很小。通過以上分析，總結(jié)起來，分布式電源對配網(wǎng)繼電保護(hù)的影響主要包括三方面：(1)分布式電源接入會降低保護(hù)的靈敏度。當(dāng)DG下游發(fā)生故障時，由于分布式電源的汲流作用，使得流過DG所在線路保護(hù)的故障電流小于相同故障情況下未接入分布式電源時流過該保護(hù)的故障電流，因此減小了線路保護(hù)檢測到的故障電流值，降低了保護(hù)的靈敏度，可能造成保護(hù)拒動。(2)分布式電源接入造成上游保護(hù)誤動。當(dāng)相鄰線路發(fā)生故障時，DG提供的短路電流流過上游保護(hù)，有可能造成保護(hù)誤動。因此，在保護(hù)裝置下游接有分布式電源時，在保護(hù)的上游發(fā)生故障時，都有故障電流流過保護(hù)裝置，而由于它沒有方向原件，一旦故障電流超過整定值，保護(hù)將動作而失去選擇性。(3)對保護(hù)范圍的影響。與不接分布式電源相比，對于同一故障點(diǎn)，分布式電源對下游保護(hù)提供助增電流，這將使得下游保護(hù)的保護(hù)范圍增大，影響保護(hù)的選擇性；而上游保護(hù)流過的故障電流減小，使得上游保護(hù)（線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)）的保護(hù)范圍減小，降低保護(hù)的靈敏度。1.3分布式電源接入容量對配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響理論分析(a)故障發(fā)生在DG上游的配電網(wǎng)(b)系統(tǒng)等效圖圖4-5故障發(fā)生在DG上游的配電網(wǎng)及等效電路圖Fig.4-5ThefaultoccurredupstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram(1)當(dāng)故障發(fā)生在DG上游時DG容量對保護(hù)的影響如圖4-5(a)所示，分布式電源DG接于母線C上，故障發(fā)生在處。假設(shè)系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護(hù)2的短路電流為：(4-12)如果DG沒有接入系統(tǒng)，則短路時保護(hù)2上沒有電流流過，保護(hù)2不會動作，而當(dāng)DG接入后，流過保護(hù)2的短路電流會隨著容量的增加而增大，當(dāng)容量增大到一定程度時，流過保護(hù)2的電流將超過其整定值，保護(hù)2將動作于跳閘。(2)當(dāng)故障發(fā)生在DG下游時DG容量對保護(hù)的影響(a)故障發(fā)生在DG下游的配電網(wǎng)(b)系統(tǒng)等效圖圖4-6故障發(fā)生在DG下游的配電網(wǎng)及等效電路圖Fig.4-6ThefaultoccurreddownstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram如圖4-6(a)所示，分布式電源DG接于母線B上，故障發(fā)生在處。假設(shè)系統(tǒng)電源為無窮大系統(tǒng)，則，改變分布式電源容量的大小，即發(fā)生變化，則流過保護(hù)2的短路電流與式(4-9)一致：(4-13)其中：(4-14)(4-15)從式(4-13)中可以看出，DG接入容量對系統(tǒng)的故障電流有顯著影響。隨著的增大而不斷增大，雖然流過保護(hù)1的電流會因?yàn)镈G支路的分流而減小，但其減小的幅度不會超過增大的幅度，因此流經(jīng)保護(hù)2的故障電流也隨之不斷增大，保護(hù)2的靈敏性增加，但是保護(hù)2的限時電流速斷保護(hù)范圍增大，可能與保護(hù)3的I段保護(hù)失去配合，無法保證選擇性。1.4分布式電源接入對自動重合閘的影響1.1.1自動重合閘保護(hù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在電力系統(tǒng)故障中，輸電線路(尤其是架空線路)的故障占絕大部分，自動重合閘保護(hù)[75]廣泛的應(yīng)用于架空線輸電和架空線供電線路上的有效反事故措施(電纜輸、供電不能采用)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，繼電保護(hù)使斷路器跳閘，自動重合閘裝置經(jīng)過短時間間隔后使斷路器重新合上。大多數(shù)情況下，線路故障(如雷擊、風(fēng)害等)都是暫時性的，斷路器跳閘后線路的絕緣性能(絕緣子和空氣間隙)能夠得到恢復(fù)，再次重合能成功，這就提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性。少數(shù)情況屬于永久性故障，自動重合閘裝置動作后靠繼電保護(hù)動作再跳開，查明原因，予以排除再送電[76]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)，一般是以單側(cè)電源配電網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，其潮流從電源到用戶都是單向流動，系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)通常在變電站線路處安裝傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，主饋線上裝設(shè)自動重合閘裝置，保證在饋線發(fā)生瞬時性故障時，快速恢復(fù)供電，提高系統(tǒng)供電的可靠性[36]。繼電保護(hù)與重合閘配合時，一般采用重合閘前加速和重合閘后加速保護(hù)兩種方式，以便能夠盡量利用重合閘所提供的條件以加速切除故障。重合閘前加速重合閘前加速保護(hù)方式一般用于具有幾段串聯(lián)的輻射形線路中，重合閘裝置僅裝在靠近電源的一段線路上。當(dāng)線路發(fā)生故障時，靠近電源側(cè)的保護(hù)首先無選擇性地瞬時動作于跳閘，然后利用重合閘來糾正這種非選擇性的動作[77]。其缺點(diǎn)是：需要較長的時間來切除永久性故障，裝有重合閘裝置的斷路器動作次數(shù)較多，一旦斷路器或重合閘拒動，將擴(kuò)大停電范圍。

重合閘前加速保護(hù)方式一般適用于35kV以下由發(fā)電廠或主要變電站引出的直配線上，以便快速切除故障，保證母線電壓。在這些線路上一般只裝設(shè)簡單的電流保護(hù)。(2)重合閘后加速當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生故障時，保護(hù)裝置有選擇性地將故障線路切除，與此同時重合閘動作，重合一次，若重合于永久性故障，保護(hù)裝置立即以不帶時限、無選擇性地動作再次斷開斷路器，這種保護(hù)裝置叫做重合閘后加速，一般多加一塊中間繼電器即可實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是：被保護(hù)的各條線路都需要裝設(shè)一套自動重合閘裝置，與前加速相比較為復(fù)雜；另外第一次切除故障可能帶有延時，在同期重合閘中不能采用重合閘后加速保護(hù)的方式。在重要的高壓電網(wǎng)中，一般不允許無選擇性的動作后用重合閘來糾正(即重合閘前加速的方式)，因此，自動重合閘后加速的配合方式廣泛用于35kV以上的網(wǎng)絡(luò)及對重要負(fù)荷供電的送電線路上，在這些線路上一般都裝有性能比較完善的保護(hù)裝置[78]。1.1.2分布式電源對自動重合閘的影響如圖4-7所示，在保護(hù)1，4處裝設(shè)前加速自動重合閘裝置。圖4-7含DG的配電網(wǎng)Fig.4-7DistributionnetworkwithDG當(dāng)處發(fā)生瞬時性故障時，保護(hù)1將瞬時動作切除故障并重合，但由于分布式電源的接入，DG會向故障點(diǎn)提供故障電流，使得電弧不能立刻熄滅，導(dǎo)致保護(hù)1前加速裝置重合不成功[79-83]，原本的瞬時性故障變成了永久性故障，擴(kuò)大了停電范圍。同樣，當(dāng)處發(fā)生瞬時性故障時，前加速重合閘裝置立即跳開，但由于DG會向故障點(diǎn)繼續(xù)提供故障電流，從而導(dǎo)致重合閘不成功。為了避免前加速重合閘重合失敗，我們可以在線路AB靠近母線B處裝設(shè)保護(hù)裝置，當(dāng)發(fā)生故障時，線路AB兩側(cè)保護(hù)均動作，保證了故障的可靠切除，但此時DG將會與右側(cè)形成孤島，電力孤島與電網(wǎng)很可能處于不同步狀態(tài)，此時，我們需要考慮的是如何防止非同期的問題。當(dāng)處發(fā)生瞬時性故障時，保護(hù)4將瞬時動作并重合成功，但由于分布式電源的接入，保護(hù)1感受到DG提供的反向電流，有可能會引起保護(hù)1的誤動作，而在保護(hù)1處也裝設(shè)了前加速重合閘裝置，則會引起保護(hù)1自動重合閘裝置的誤操作。所以需要考慮在分布式電源上游的各保護(hù)加設(shè)方向元件，以此來判斷分布式電源的反供電流。1.5仿真計(jì)算應(yīng)用MATLAB/SIMULINK軟件對圖4-8所示的含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行仿真，饋線末端為負(fù)荷。設(shè)系統(tǒng)等效電源基準(zhǔn)電壓為10.5kV，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)阻抗值為：，；線路包采用常用的架空線路，單位線路參數(shù)，，AB，BC，CD，DE，AF，F(xiàn)G分別為3km，5km，6km，10km，6km，8km的架空線路；變壓器T的容量為100MVA，變比為10kV/690V，短路電壓百分比為，分布式電源DG出口電壓為690V；末端負(fù)荷均為。為便于分析，將短路點(diǎn)、和點(diǎn)取為線路末端，對于架空線路，一般裝設(shè)三段式電流保護(hù)和前加速自動重合閘裝置。圖4-8含分布式電源的配電網(wǎng)模型圖Fig.4-8ThemodelofdistributionnetworkwithDG結(jié)合單位線路參數(shù)，可以得出各段線路的參數(shù)表，如表4-1所示。表4-1模型參數(shù)阻抗表Table4-1Thetableofimpedanceofmodelparameters線路阻抗值(Ω)線路阻抗值(Ω)AB0.81+j1.041DE3.885+j1.395BC0.81+j1.041AF1.35+j1.735CD1.813+j0.651FG2.072+j0.744先考慮無分布式電源的情況。對于三相短路故障，計(jì)算系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時的故障電流，如表4-2所示。表4-2系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下各段線路末端發(fā)生三相短路故障時的故障電流Table4-2Thefaultcurrentofthree-phasefaultoccurredattheendofeachsegmentlineswhensystemhasamaximumoperatingmode線路故障電流(kA)線路故障電流(kA)AB1.5627DE0.5176BC1.8692AF2.1602CD1.0586FG1.2859保護(hù)的速斷保護(hù)整定值按最大運(yùn)行方式下線路末端短路時流過保護(hù)安裝處的最大短路電流來整定，即(4-16)式中，取1.2。由于電流保護(hù)保護(hù)范圍隨系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而變化，按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下兩相短路來校驗(yàn)保護(hù)范圍，則可得出各處保護(hù)電流速斷保護(hù)整定值及保護(hù)范圍，如表4-3所示。電流速斷保護(hù)裝置最小保護(hù)范圍為(4-17)(4-18)式中，—系統(tǒng)相電動勢；—線路單位長度阻抗，；—保護(hù)的無時限電流速斷保護(hù)的動作電流；—被保護(hù)線路的長度；—最小保護(hù)段范圍的百分值。表4-3配電網(wǎng)電流速斷保護(hù)整定值Table4-3Thetripcurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetwork保護(hù)速斷保護(hù)整定值(kA)保護(hù)范圍15.47563%22.24340%31.2747%42.59239%限時電流速斷保護(hù)按照躲過相鄰下一元件電流速斷保護(hù)的動作電流整定，即(4-19)式中，為下一段線路保護(hù)的速斷整定值，取1.1。為了能夠保護(hù)線路的全長，帶時限電流速斷保護(hù)必須在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路末端發(fā)生兩相短路時具有足夠的反應(yīng)能力靈敏度。配電網(wǎng)限時電流速斷保護(hù)整定值及靈敏度如表4-4所示。帶時限電流速斷保護(hù)的最小靈敏系數(shù)為(4-20)式中，—被保護(hù)線路末端在最小運(yùn)行方式下，發(fā)生兩相短路時，流過保護(hù)裝置的最小短路電流；—保護(hù)的帶時限電流速斷保護(hù)的動作電流。表4-4配電網(wǎng)限時電流速斷保護(hù)整定值及靈敏度Table4-4Thetimedelayinstantaneousovercurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetworkandsensitivity保護(hù)限時電流速斷整定值(kA)保護(hù)末端兩相短路故障電流(kA)靈敏度12.4672.9521.2021.3971.7111.2230.6830.9451.3841.6972.0631.22由上述分析可以看出，在未接入分布式電源的情況下，算例模型進(jìn)行的保護(hù)配置能夠滿足對保護(hù)選擇性和靈敏性的要求。下面考慮分布式電源容量不同、短路點(diǎn)位置不同時對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響。(1)(AB末端)發(fā)生三相短路母線C處接入分布式電源DG后，在處發(fā)生三相短路時的電流幅值如下表4-5所示。在處發(fā)生三相短路故障時，DG注入的短路電流反向流過保護(hù)2，會對其動作產(chǎn)生影響。由表4-5的仿真數(shù)據(jù)可知，DG注入的短路電流對流過保護(hù)1的短路電流沒有影響，保護(hù)1不會動作，而在時，DG提供的短路電流不足以使保護(hù)2動作；當(dāng)，保護(hù)2的限時電流速斷動作()，在短路時如果DG不能及時切除，經(jīng)延時后，保護(hù)2的II段會延時動作，將故障線路切除，DG與右側(cè)形成孤島，會繼續(xù)向負(fù)荷供電。表4-5發(fā)生三相短路時的電流Table4-5Thecurrentwhenhappensthree-phaseshortcircuitSDG/MWI1/kAI2/kAI3/kAIdg/kA01.5800051.580.1210.0030.124101.580.3750.0080.381301.580.8260.0170.83續(xù)表4-5501.581.1480.0281.1551.25761.581.3970.0311.431701.581.4230.0421.51801.581.6020.0641.73(2)(CD末端)發(fā)生三相短路母線C處接入分布式電源DG后，在處發(fā)生三相短路時的電流幅值如下表4-6所示。在處發(fā)生三相短路故障時，由1.2節(jié)可知，DG注入的短路電流會對流過保護(hù)2的電流產(chǎn)生汲流作用，減小其保護(hù)范圍，保護(hù)2的I段不會誤動作；對流過保護(hù)3的電流產(chǎn)生助增作用，增加其保護(hù)范圍，無法保證選擇性。由表4-6的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)DG容量從0~