含分布式光伏电源的配电网继电保护研究万涛

含分布式光伏电源的配电网继电保护研究万涛

万涛

(江西省送变电工程有限公司江西南昌330200)

摘要：配电网若发生线路故障时，由系统电源提供短路电流，短路电流从系统电源侧流向故障位置，继电保护配置一般采取电流速断保护（I段电流保护）、限时电流速断保护（II段电流保护）和过电流速断保护（III段电流保护）三段配合的电流保护。一般情况下，配合使用其中的两种或者三种。由于电流保护简单可靠，成本较低，因此在中低电压等级的配电网中应用较为广泛。本文从重合闸、潮流方向、短路电流方面进行客观分析，对学术界进一步的方案优化有着重要的意义。

关键词：分布式光伏电源；配电网；继电保护

1分布式电源（DG）研究现状

分布式电源的概念首先是由美国在上世纪70年代在公共事业管理政策法中提出，其定义为：分散布置在用户周围的发电功率在几千瓦到五十兆瓦之间环保型的独立电源，目的是为了满足电源周边一些特定用户的用电需求以及支持系统的经济运行。为了应对能源危机和生态环境的恶化，西方国家在能源结构调整的过程中已经把DG提升到了至关关键的位置；国际电气工程学会也因此制定了IEEE1547准则来规范DG接入配电网。我国可再生能源丰富，大量的分布在西北地区的风能、太阳能资源具有十分巨大的发展潜力。分布式发电技术虽然起步较晚，但是国家颁布的《中华人民共和国可再生能源法》鼓励并支持各种可再生能源并网，基本确定了我国未来将以可再生能源作为能源发展的战略目标。截止2012年6月，我国风机装机量已经超过美国，成为世界第一大风机装机大国。2015全球的风电装机达到4.4亿千瓦、太阳能发电装机达到2.3亿千万，其中，我国风电、太阳能发电分别达1.3亿千瓦、4200万千瓦。随着技术的发展，清洁能源竞争力有望在2025年前超过化石能源。

2分布式电源运行方式

分布式电源与系统有并网运行、孤岛运行两种运行模式。采用合理的控制策略，可以实现两种运行方式的平滑过渡和转化。下面分别简介这两种运行方式的特性：

（1）并网运行

DG与大系统并网运行时，按照接口方式不同可以分为基于传统的旋转电机型DG与基于逆变器接口的逆变型DG。IIDG是DG的重要组成部分。其中，直-交变换的DG是指光伏发电系统、燃料电池发电系统等发出直流电需逆变产生工频交流；交-直-交变换的DG是指燃气轮机、部分采用交-直-交变换的双馈风力发电发出高频交流电需先整流再逆变。

（2）孤岛运行

孤岛运行是指是DG与系统电网相互独立运行的方式，引起孤岛运行的原因很多，大多数是由系统故障造成DG短暂孤岛运行。这时，为了确保对用户的不间断供电，孤岛内部的功率将由DG提供，并需维持孤岛内电压与频率恒定；配电网发生故障，如果未切除DG，DG会向周围继续供电，形成非计划孤岛，供电可靠性与供电质量差，并且会对电力设备与工作人员人身安全造成重大的威胁。

3分布式光伏电源对配电网保护的影响

3.1对重合闸的影响

原有的配电网，当线路发生瞬时性故障而造成断路器跳闸后，自动重合闸可以迅速自动使断路器合闸从而恢复线路供电，并且自动重合闸的动作不会对系统产生任何破坏与冲击。IIDG接入配网后，线路若发生的故障后，若为瞬时性故障可能会导致电网与IIDG的非同期重合，保护装置动作跳开系统侧的断路器后，IIDG则继续向配电网的孤岛持续供电，但是由于IIDG形成的孤岛区域难以与系统的电压、频率、相位保持同步，如果此时重合闸重合，线路中会出现环流，若保护装置检测到此电流，则可能会产生误动作；若为永久性故障，系统侧断路器动作后，IIDG侧仍为故障点供电，自动重合闸完成重合闸重合后又跳开断路器后，而IIDG并没有断开，电网中还存在大量的短路电流从而引起故障点电流陡然增大使故障点的电弧重燃，绝缘被击穿后，故障会进一步扩大，引发更大的事故。

3.2影响短路电流

当分布式光伏电源接入配电网时，若电路发生短路，那么短路电流会变得无法预测，此时的短路电流的大小与分布式光伏电源的运行状态和发生故障的位置有关，在故障中，该电路中接入分布式光伏电源越多那么情况就越为复杂，对短路电流的判断难度也会更高，如果配电网仍然采取传统的电路保护方案，那么配电网中是对于分布式光伏电源的接入在数量、容量、位置方面都会有非常大的限制。

3.3逆向潮流

过去的配电网络是单电源辐射结构，一旦发生故障或短路，电流方向等电路信息非常明确且容易确定，加入分布式光伏电源后，改变了原有的配电网结构，发生故障以及问题时需要了解分布式光伏电源的自身状态，才可以进一步分析电路状态。

4含分布式光伏电源的配电网保护方法

4.1切除分布式光伏电源

这个方式对于传统的保护系统来说变化最少、付出最低，不过依旧有一些疑虑，首先，分布式光伏电源应该在检测到电路故障之后从配电网中移除；其次，按照目前的某些标准，分布式光伏电源的移除时间应该是在产生故障之后且自动重合闸之前，但是在实际的操作中，未必可以一定做到这一点，因此依旧会对配电网的自我保护造成一些影响。

4.2限制容量及接入位置

由于无法确保在电路产生故障之后，第一时间将分布式光伏电源从配电网中移除，因此可以考虑用限制分布式光伏电源的接入位置和容量来削弱分布式光伏电源对原配电网保护体系的影响。在确保电网的自我保护可靠可执行的情况下，分析分布式光伏电源接入数量、介入位置、组合方式以及线路参数等几个角度对起准入容量的形象，最终证明，在对配电网传统的继电保护体系不更改的前提下，分布式光伏电源的接入限制非常大，因此，此方法依旧不够完美。

4.3基于功率平衡的含IIDG的配电网的广域保护方案

随着智能配电网的发展，IIDG将具有高度的渗透率，将会为在线整定带来很多问题。对配电网合理区域划分后，根据故障的特征进行故障区域定位，减小停电面积，故障区域内进行故障区段定位，除故障区段。根据纵联差动保护的思想，规定电流由附近的电源侧流向线路侧为正方向，电流由线路侧流向附近的电源侧为负方向。对含IIDG的配电网进行了相应的网络区域划分后，下一步则应对不同故障点的故障电流特征信息进行探讨。下面总结不同故障点的故障特征如下，以边界开关为分界点为例：（1）当配网正常运行时，各个开关仅流过正常的负荷电流。（2）当区域边界开关的上游区域发生故障时，上游开关流过的短路电流短路功率与边界节点均相反。（3）当区域边界开关的下游区域发生故障时，上游开关与边界开关都有由系统侧提供的正方向短路电流，短路功率方向也均为正。IFTU可以通过即时监测到的此处的智能开关流过的电气量的特征信息，判断出故障电流的方向并与相邻IFTU进行信息交换比对，最终确定故障区域。

5结束语

近年来，分布式电源（DG）为消纳新能源方面做出了相应的贡献。但是，当DG接入配电网后，配电网潮流的变化会使相应的继电保护装置会出现误动、拒动等问题，特别是当大规模大容量含逆变器的分布式电源（IIDG）接入时。本文根据DG接入对配电网原有继电保护产生的影响，建立了一套完整的保护方案。

参考文献:

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