分布式电源接入对配电网保护的影响

分布式电源接入对配电网保护的影响1.1传统配电网保护配置简介目前，我国的中低压配电网大都是单侧电源，辐射型的配电网络，一般装设三段式电流保护，同时起到主保护与后备保护的作用。几乎所有10kV或者35kV馈线[68]都是从35kV至220kV变电站母线送出，大部分馈线都属于直接向用户供电的终端线路，只有部分10kV馈线通过其他变电所10kV母线转供其他10kV终端线路，属非终端线路。三段式电流保护包括无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护。其中，电流速断保护(I段)按照躲过线路末端短路时流过保护的最大三相短路电流的方法整定，瞬时动作切除故障，不能保护线路全长；带时限电流速断保护(II段)按照躲过相邻下一元件电流速断保护的动作电流整定，能够保护本线路全长；定时限过电流保护(III段)按照躲过线路最大负荷电流并与相邻线路的过电流保护配合的方法整定，做相邻线路保护的远后备，能够保护相邻线路的全长。对于非终端线路，线路保护一般采用三段式电流保护与其它保护相配合；对于不存在与相邻线路配合问题的终端线路，为简化保护配置，大多采用电流速断保护加过电流保护组成的二段式保护，再配以三相一次重合闸(前加速)的保护方式，对于非全电缆线路，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。1.2分布式电源接入位置对配电网继电保护影响理论分析DG一般通过10kV馈线接入配电系统，由于其容量小，在配网中接入位置不确定，我们分别在不同位置处接入DG，针对配电网中广为配置的三段式电流保护，分析不同情况下DG对各电流保护及其动作行为的影响[69,70]。1.2.1分布式电源接在配电网馈线末端如图4-1(a)所示，分布式电源接在馈线末端母线D上，馈线1变为双侧电源供电线路，馈线2仍然可视为单侧电源供电线路。假设参数：系统等值电动势为，分布式电源等值电动势为；系统阻抗为，分布式电源阻抗；变压器等效阻抗为；AB、BC、CD和AE线路阻抗分别为~，、、和分别表示线路AB、BC、CD和AE的短路点距各自母线的距离占该段输电线路的百分比，以上参数均取标幺值，等效电路如图4-1(b)所示。(a)分布式电源接在配电网馈线末端(b)等效电路图图4-1分布式电源接在配电网馈线末端及等效电路图Fig.4-1DGconnectedtotheendoffeederofdistributionnetworkandtheequivalentcircuitdiagram(1)点短路在点发生短路时，引入DG前后，保护1感受到的故障电流均只由系统侧提供，大小不变，因此保护1的动作行为不受DG影响，能够准确动作切除保护范围内的故障。同时，DG通过保护2，保护3向故障点提供短路电流，该短路电流有可能引起保护2，保护3的误动作而使DG右侧的系统形成孤岛，这时要考虑DG的带负荷能力和系统重合闸时的同期问题[71,72]。此时流过保护1，保护2，保护3的短路电流为：(4-1)(4-2)(2)点短路在点发生短路时，情况与点发生短路时类似，这里就不做具体分析了。(3)点短路在点发生短路时，在点发生短路时，保护3感受到的故障电流均只由系统侧提供，大小不变，因此保护3能够正常动作于故障，但是保护3动作后，DG仍向故障点提供短路电流，使故障点电弧[73]不能熄灭，线路重合闸不成功，导致瞬时性故障的停电时间延长。因此，需要在线路CD靠近母线D侧加设保护装置和方向元件，构成方向性电流保护，并动作切除故障，使DG不再向故障点提供短路电流。此时流过保护1、2和3的短路电流为：(4-3)(4)点短路在点发生短路时，DG向短路点提供反向故障电流，流过保护1、2和3，有可能造成这三个保护的误动作，失去选择性，扩大故障范围。同时，DG注入的短路电流对流过保护4的短路电流产生助增作用，有可能使保护4的保护范围延伸到下一级线路，导致无法保证选择性。此时流过保护1、2、3和4的短路电流可通过如图4-2所示的计算等值图求出，其中表示流过保护1、2和3的短路电流，表示流过系统侧的短路电流，表示流过保护4的短路电流。图4-2计算等值图Fig.4-2Theequivalentdiagramofcalculation解得，流过保护1、2、3和4的短路电流为：(4-4)(4-5)其中：(4-6)(4-7)1.2.2分布式电源接在配电网馈线非末端母线上图4-3分布式电源接在配电网馈线非末端母线上Fig.4-3DGconnectedtothenonterminalbusoffeederofdistributionnetwork(1)点短路在点发生短路时，保护1能动作切除故障，但由于DG的存在，该动作会引起DG右侧的系统变为孤岛运行，而由于母线B与故障点之间没有保护装置，分布式电源始终向故障点提供短路电流，使故障点电弧不能熄灭，线路重合闸不成功，导致瞬时性故障的停电时间延长。(2)点短路在点发生短路时，DG注入的短路电流对流过保护2的短路电流产生助增作用，有可能使保护2的保护范围延伸到CD段线路上，将会与保护3失去配合，无法保证选择性[74]。下面分析DG接入对保护1的影响。通过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对流过保护1的短路电流有汲流作用，而对流过保护3的短路电流有助增作用。DG短路电流的注入使保护1的保护范围减小，降低其灵敏性，可能使保护拒动，严重情况下，保护1的限时电流速断保护将不能作为下一级线路的后备保护。而流过保护2的短路电流增加，会使保护2的限时电流速断保护范围增大，可能与保护3的I段保护失去配合，无法保证选择性。(3)点短路与前面1.2.1中(4)的情况类似，在此就不作详细说明。1.2.3分布式电源接在配电网馈线始端图4-4分布式电源接在配电网馈线始端Fig.4-4DGconnectedtothebeginningoffeederofdistributionnetwork分布式电源接在配电网馈线始端的母线上时，仅相当于增大了系统容量，尽管线路上发生故障时短路电流会增大，但由于分布式电源与系统相比容量仍然很小，因此，，故障时DG对各个保护的影响都很小。通过以上分析，总结起来，分布式电源对配网继电保护的影响主要包括三方面：(1)分布式电源接入会降低保护的灵敏度。当DG下游发生故障时，由于分布式电源的汲流作用，使得流过DG所在线路保护的故障电流小于相同故障情况下未接入分布式电源时流过该保护的故障电流，因此减小了线路保护检测到的故障电流值，降低了保护的灵敏度，可能造成保护拒动。(2)分布式电源接入造成上游保护误动。当相邻线路发生故障时，DG提供的短路电流流过上游保护，有可能造成保护误动。因此，在保护装置下游接有分布式电源时，在保护的上游发生故障时，都有故障电流流过保护装置，而由于它没有方向原件，一旦故障电流超过整定值，保护将动作而失去选择性。(3)对保护范围的影响。与不接分布式电源相比，对于同一故障点，分布式电源对下游保护提供助增电流，这将使得下游保护的保护范围增大，影响保护的选择性；而上游保护流过的故障电流减小，使得上游保护（线路的远后备保护）的保护范围减小，降低保护的灵敏度。1.3分布式电源接入容量对配电网继电保护影响理论分析(a)故障发生在DG上游的配电网(b)系统等效图图4-5故障发生在DG上游的配电网及等效电路图Fig.4-5ThefaultoccurredupstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram(1)当故障发生在DG上游时DG容量对保护的影响如图4-5(a)所示，分布式电源DG接于母线C上，故障发生在处。假设系统电源为无穷大系统，则，改变分布式电源容量的大小，即发生变化，则流过保护2的短路电流为：(4-12)如果DG没有接入系统，则短路时保护2上没有电流流过，保护2不会动作，而当DG接入后，流过保护2的短路电流会随着容量的增加而增大，当容量增大到一定程度时，流过保护2的电流将超过其整定值，保护2将动作于跳闸。(2)当故障发生在DG下游时DG容量对保护的影响(a)故障发生在DG下游的配电网(b)系统等效图图4-6故障发生在DG下游的配电网及等效电路图Fig.4-6ThefaultoccurreddownstreamofDGandtheequivalentcircuitdiagram如图4-6(a)所示，分布式电源DG接于母线B上，故障发生在处。假设系统电源为无穷大系统，则，改变分布式电源容量的大小，即发生变化，则流过保护2的短路电流与式(4-9)一致：(4-13)其中：(4-14)(4-15)从式(4-13)中可以看出，DG接入容量对系统的故障电流有显著影响。随着的增大而不断增大，虽然流过保护1的电流会因为DG支路的分流而减小，但其减小的幅度不会超过增大的幅度，因此流经保护2的故障电流也随之不断增大，保护2的灵敏性增加，但是保护2的限时电流速断保护范围增大，可能与保护3的I段保护失去配合，无法保证选择性。1.4分布式电源接入对自动重合闸的影响1.1.1自动重合闸保护运行经验表明，在电力系统故障中，输电线路(尤其是架空线路)的故障占绝大部分，自动重合闸保护[75]广泛的应用于架空线输电和架空线供电线路上的有效反事故措施(电缆输、供电不能采用)。当出现故障时，继电保护使断路器跳闸，自动重合闸装置经过短时间间隔后使断路器重新合上。大多数情况下，线路故障(如雷击、风害等)都是暂时性的，断路器跳闸后线路的绝缘性能(绝缘子和空气间隙)能够得到恢复，再次重合能成功，这就提高了电力系统供电的可靠性。少数情况属于永久性故障，自动重合闸装置动作后靠继电保护动作再跳开，查明原因，予以排除再送电[76]。传统配电网继电保护，一般是以单侧电源配电网为基础设计的，其潮流从电源到用户都是单向流动，系统保护的设计通常在变电站线路处安装传统的三段式电流保护，主馈线上装设自动重合闸装置，保证在馈线发生瞬时性故障时，快速恢复供电，提高系统供电的可靠性[36]。继电保护与重合闸配合时，一般采用重合闸前加速和重合闸后加速保护两种方式，以便能够尽量利用重合闸所提供的条件以加速切除故障。重合闸前加速重合闸前加速保护方式一般用于具有几段串联的辐射形线路中，重合闸装置仅装在靠近电源的一段线路上。当线路发生故障时，靠近电源侧的保护首先无选择性地瞬时动作于跳闸，然后利用重合闸来纠正这种非选择性的动作[77]。其缺点是：需要较长的时间来切除永久性故障，装有重合闸装置的断路器动作次数较多，一旦断路器或重合闸拒动，将扩大停电范围。

重合闸前加速保护方式一般适用于35kV以下由发电厂或主要变电站引出的直配线上，以便快速切除故障，保证母线电压。在这些线路上一般只装设简单的电流保护。(2)重合闸后加速当被保护线路发生故障时，保护装置有选择性地将故障线路切除，与此同时重合闸动作，重合一次，若重合于永久性故障，保护装置立即以不带时限、无选择性地动作再次断开断路器，这种保护装置叫做重合闸后加速，一般多加一块中间继电器即可实现。其缺点是：被保护的各条线路都需要装设一套自动重合闸装置，与前加速相比较为复杂；另外第一次切除故障可能带有延时，在同期重合闸中不能采用重合闸后加速保护的方式。在重要的高压电网中，一般不允许无选择性的动作后用重合闸来纠正(即重合闸前加速的方式)，因此，自动重合闸后加速的配合方式广泛用于35kV以上的网络及对重要负荷供电的送电线路上，在这些线路上一般都装有性能比较完善的保护装置[78]。1.1.2分布式电源对自动重合闸的影响如图4-7所示，在保护1，4处装设前加速自动重合闸装置。图4-7含DG的配电网Fig.4-7DistributionnetworkwithDG当处发生瞬时性故障时，保护1将瞬时动作切除故障并重合，但由于分布式电源的接入，DG会向故障点提供故障电流，使得电弧不能立刻熄灭，导致保护1前加速装置重合不成功[79-83]，原本的瞬时性故障变成了永久性故障，扩大了停电范围。同样，当处发生瞬时性故障时，前加速重合闸装置立即跳开，但由于DG会向故障点继续提供故障电流，从而导致重合闸不成功。为了避免前加速重合闸重合失败，我们可以在线路AB靠近母线B处装设保护装置，当发生故障时，线路AB两侧保护均动作，保证了故障的可靠切除，但此时DG将会与右侧形成孤岛，电力孤岛与电网很可能处于不同步状态，此时，我们需要考虑的是如何防止非同期的问题。当处发生瞬时性故障时，保护4将瞬时动作并重合成功，但由于分布式电源的接入，保护1感受到DG提供的反向电流，有可能会引起保护1的误动作，而在保护1处也装设了前加速重合闸装置，则会引起保护1自动重合闸装置的误操作。所以需要考虑在分布式电源上游的各保护加设方向元件，以此来判断分布式电源的反供电流。1.5仿真计算应用MATLAB/SIMULINK软件对图4-8所示的含分布式电源的配电网进行仿真，馈线末端为负荷。设系统等效电源基准电压为10.5kV，系统最大运行方式和最小运行方式下的系统阻抗值为：，；线路包采用常用的架空线路，单位线路参数，，AB，BC，CD，DE，AF，FG分别为3km，5km，6km，10km，6km，8km的架空线路；变压器T的容量为100MVA，变比为10kV/690V，短路电压百分比为，分布式电源DG出口电压为690V；末端负荷均为。为便于分析，将短路点、和点取为线路末端，对于架空线路，一般装设三段式电流保护和前加速自动重合闸装置。图4-8含分布式电源的配电网模型图Fig.4-8ThemodelofdistributionnetworkwithDG结合单位线路参数，可以得出各段线路的参数表，如表4-1所示。表4-1模型参数阻抗表Table4-1Thetableofimpedanceofmodelparameters线路阻抗值(Ω)线路阻抗值(Ω)AB0.81+j1.041DE3.885+j1.395BC0.81+j1.041AF1.35+j1.735CD1.813+j0.651FG2.072+j0.744先考虑无分布式电源的情况。对于三相短路故障，计算系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流，如表4-2所示。表4-2系统最大运行方式下各段线路末端发生三相短路故障时的故障电流Table4-2Thefaultcurrentofthree-phasefaultoccurredattheendofeachsegmentlineswhensystemhasamaximumoperatingmode线路故障电流(kA)线路故障电流(kA)AB1.5627DE0.5176BC1.8692AF2.1602CD1.0586FG1.2859保护的速断保护整定值按最大运行方式下线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电流来整定，即(4-16)式中，取1.2。由于电流保护保护范围随系统运行方式的变化而变化，按系统最小运行方式下两相短路来校验保护范围，则可得出各处保护电流速断保护整定值及保护范围，如表4-3所示。电流速断保护装置最小保护范围为(4-17)(4-18)式中，—系统相电动势；—线路单位长度阻抗，；—保护的无时限电流速断保护的动作电流；—被保护线路的长度；—最小保护段范围的百分值。表4-3配电网电流速断保护整定值Table4-3Thetripcurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetwork保护速断保护整定值(kA)保护范围15.47563%22.24340%31.2747%42.59239%限时电流速断保护按照躲过相邻下一元件电流速断保护的动作电流整定，即(4-19)式中，为下一段线路保护的速断整定值，取1.1。为了能够保护线路的全长，带时限电流速断保护必须在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时具有足够的反应能力灵敏度。配电网限时电流速断保护整定值及灵敏度如表4-4所示。带时限电流速断保护的最小灵敏系数为(4-20)式中，—被保护线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时，流过保护装置的最小短路电流；—保护的带时限电流速断保护的动作电流。表4-4配电网限时电流速断保护整定值及灵敏度Table4-4Thetimedelayinstantaneousovercurrentprotectionsettingvalueofdistributionnetworkandsensitivity保护限时电流速断整定值(kA)保护末端两相短路故障电流(kA)灵敏度12.4672.9521.2021.3971.7111.2230.6830.9451.3841.6972.0631.22由上述分析可以看出，在未接入分布式电源的情况下，算例模型进行的保护配置能够满足对保护选择性和灵敏性的要求。下面考虑分布式电源容量不同、短路点位置不同时对配电网继电保护的影响。(1)(AB末端)发生三相短路母线C处接入分布式电源DG后，在处发生三相短路时的电流幅值如下表4-5所示。在处发生三相短路故障时，DG注入的短路电流反向流过保护2，会对其动作产生影响。由表4-5的仿真数据可知，DG注入的短路电流对流过保护1的短路电流没有影响，保护1不会动作，而在时，DG提供的短路电流不足以使保护2动作；当，保护2的限时电流速断动作()，在短路时如果DG不能及时切除，经延时后，保护2的II段会延时动作，将故障线路切除，DG与右侧形成孤岛，会继续向负荷供电。表4-5发生三相短路时的电流Table4-5Thecurrentwhenhappensthree-phaseshortcircuitSDG/MWI1/kAI2/kAI3/kAIdg/kA01.5800051.580.1210.0030.124101.580.3750.0080.381301.580.8260.0170.83续表4-5501.581.1480.0281.1551.25761.581.3970.0311.431701.581.4230.0421.51801.581.6020.0641.73(2)(CD末端)发生三相短路母线C处接入分布式电源DG后，在处发生三相短路时的电流幅值如下表4-6所示。在处发生三相短路故障时，由1.2节可知，DG注入的短路电流会对流过保护2的电流产生汲流作用，减小其保护范围，保护2的I段不会误动作；对流过保护3的电流产生助增作用，增加其保护范围，无法保证选择性。由表4-6的仿真结果可以看出，当DG容量从0~