梁  朔，高立克，楊藝云，肖園園，肖  靜

　　（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530023）

　　摘  要： 分布式電源接入將導(dǎo)致配電網(wǎng)故障電流的變化，直接影響過電流保護(hù)動作的靈敏性。針對這一問題，本文首先分析了配電網(wǎng)保護(hù)自動化原理，并討論了高滲透率下的分布式電源對配電網(wǎng)過電流保護(hù)的影響；其次，研究設(shè)計(jì)了一種針對輻射狀配電網(wǎng)分布式電源接入的過電流保護(hù)改造策略，在滿足保護(hù)效果的基礎(chǔ)上將對現(xiàn)有保護(hù)配置的改動最小化，以適應(yīng)分布式電源的大規(guī)模接入。最后，通過某地區(qū)10 kV中壓配電網(wǎng)仿真算例，驗(yàn)證了本文所提改造策略的可行性。

　　關(guān)鍵詞： 分布式電源；配電網(wǎng)；過電流保護(hù)；改造策略

0 引言

　　配電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電等分布式電源(Distributed Generation,DG)的大規(guī)模接入，將引起電網(wǎng)潮流和故障特征量的變化，對系統(tǒng)故障電流起到助增或分流作用，進(jìn)而導(dǎo)致流過保護(hù)裝置的故障電流可能增大或減小，使配電網(wǎng)保護(hù)的選擇性與靈敏度受到影響。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)和自動裝置將難以滿足安全運(yùn)行的要求[1-3]。針對DG接入后導(dǎo)致配電網(wǎng)故障電流分布特征改變所帶來的問題，解決思路包括加裝方向元件、加強(qiáng)保護(hù)定值整定[4]、采用差動保護(hù)[5]等，以保證DG接入后保護(hù)仍然能夠快速可靠動作。

　　文獻(xiàn)[6]提出通過安裝相鄰線路故障分量電流做極化量的方向元件、不需要電壓信息的方案，但僅靠這種配置很難全面適應(yīng)DG在不同運(yùn)行方式下配電網(wǎng)發(fā)生故障的情況；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于故障限流器（FCL）的含分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)策略，但FCL本身是一種仍需進(jìn)行廣泛測試的設(shè)備，且當(dāng)分布式電源類型較多、滲透率較高時，F(xiàn)CL的定址與阻抗選擇還需進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究工作；文獻(xiàn)[8]分析了具有LVRT能力的光伏電站故障特性，研究了逆變器與輸電網(wǎng)的保護(hù)協(xié)調(diào)配合問題，但小容量的PV系統(tǒng)不具備LVRT能力，需要對出力特性作更深入的研究。

　　考慮到目前已有研究工作中存在部分保護(hù)方案對原系統(tǒng)的改動較大、待驗(yàn)證的新技術(shù)較多等問題，本文設(shè)計(jì)了一種分布式電源接入典型中壓配電網(wǎng)時的保護(hù)設(shè)置與配合策略，能更有效地解決在故障發(fā)生時，尤其是極端故障下重合閘快速動作與熔斷器動作的配合問題，且對現(xiàn)有設(shè)備改造與新設(shè)備安裝的投入較少。結(jié)合廣西某供電局某10 kV配電網(wǎng)饋線支路實(shí)例，在DIgSILENT-PowerFactory軟件中進(jìn)行仿真測試，證明本文所提方法能有效解決分布式電源接入配電網(wǎng)的過電流保護(hù)問題。

1 分布式電源接入對配電網(wǎng)保護(hù)的影響研究

　　1.1 饋線自動化的保護(hù)配合原理

　　目前的中壓配電網(wǎng)保護(hù)裝置主要以適應(yīng)于單端電源輻射狀供電結(jié)構(gòu)的過電流保護(hù)為主，如圖1所示，當(dāng)線路發(fā)生故障時，只有系統(tǒng)側(cè)電源向故障點(diǎn)提供故障電流。因此，配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置設(shè)在線路系統(tǒng)側(cè)，具有電流三段式保護(hù)、自動重合閘、熔斷器等裝置，以不同動作定值和動作時間的配合實(shí)現(xiàn)，且一般能在很短周期內(nèi)快速準(zhǔn)確地切除故障。

　　饋線自動化是基于重合閘、分段器、熔斷器等開關(guān)設(shè)備的相互配合，假設(shè)圖1中饋線與支路均為三相，饋線始端安裝三相重合閘，支路分別由單相熔斷器保護(hù)各相。IREC和IF2分別表示通過重合閘和熔斷器2的電流，都與配電變壓器電流IT相關(guān)，IREC的值大于IF2。重合閘是熔斷器2的后備保護(hù)，熔斷器是一次性裝置，一旦動作，需替換才能重新投用。

　　重合閘與熔斷器的動作特性配合如圖2所示。

　　重合閘的快速動作時間-電流(t-I)特性曲線A一般只有一條，慢速動作t-I特性曲線B可以通過改變電路元件參數(shù)和軟件程序來改變。曲線MM和MC分別為熔斷器的最小熔斷和最大清除曲線。點(diǎn)i、j分別為重合器與熔斷器的最大和最小配合點(diǎn)，重合器與熔斷器都能配合發(fā)生在兩點(diǎn)之間的所有電流值。過電流保護(hù)的啟動電流按避開最大負(fù)荷電流來整定，基于此，可以根據(jù)事故發(fā)生后的整定動作順序進(jìn)行重合閘的循環(huán)操作[9]。以圖1中支路2發(fā)生永久故障為例，為盡量減少熔斷器消耗，重合閘的操作順序整定為“一快二慢”，即A-B-B。圖2表明，為實(shí)現(xiàn)與切斷永久性故障的動作相互配合，熔斷器2的熔化時間t(IF2)小于重合閘的慢速動作時間t(IREC B-B)。

　　1.2 分布式電源接入引起的保護(hù)配合問題

　　DG在配電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，將使傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)逐漸向雙端電源結(jié)構(gòu)改變，若圖1的支路1處接有DG，當(dāng)DG出力較大時，可能會造成配電變壓器至支路1之間的潮流反向，導(dǎo)致常規(guī)的無方向性電流保護(hù)誤動。

　　即使潮流方向不受影響，當(dāng)發(fā)生短路故障時，含DG接入的配電網(wǎng)故障電流也發(fā)生了變化，如當(dāng)支路2發(fā)生短路故障時，DG的接入提供了助增電流，熔斷器F1可能會誤動，隔離無故障支路。

　　此外，DG的接入使得重合閘等自動化裝置的保護(hù)時間配合受到影響。對于支路2瞬時性短路故障，在重合閘快速動作前，熔斷器F2已開始產(chǎn)生機(jī)械疲勞，甚至熔斷。圖2中，IREC與IF2對應(yīng)的時間點(diǎn)將發(fā)生變化，仍位于重合器與熔斷器的最大和最小配合點(diǎn)之間，但熔斷器2的熔化時間t(IF2)小于重合閘的快速動作時間t(IREC A)，將造成瞬時故障演變?yōu)橛谰眯怨收希植际诫娫此谥方饬校韪鼡Q熔斷器后才能恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

　　在現(xiàn)有條件下，大面積更換已有的配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置不具可操作性。因此，需通過研究適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段與協(xié)調(diào)配合策略，使DG接入對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響降到最小，實(shí)現(xiàn)保護(hù)層面的“即插即用”。

2 配電網(wǎng)保護(hù)配置設(shè)計(jì)與配合策略

　　2.1 分布式電源接入輻射狀配電網(wǎng)的保護(hù)配置

　　考慮分布式滲透率較高的情況，設(shè)計(jì)一種DG接入輻射狀配電網(wǎng)的保護(hù)配置與配合方案，在保證保護(hù)效果的基礎(chǔ)上盡量減小對當(dāng)前保護(hù)配置的改動。DG接入點(diǎn)所在支路上，以三相一次快速自動重合閘R1代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三個單相熔斷器F1，在接入點(diǎn)的支路末端安裝繼電器RDG，并在分布式電源的變壓器一、二次側(cè)安裝差動保護(hù)，如圖3所示。

　　一次快速自動重合閘R1配置為在閉鎖前首先進(jìn)行A-B順序整定，以使分布式電源在饋線故障時不會立即斷開，相應(yīng)地增加了饋線可靠性。饋線重合閘R的延時動作可能造成非計(jì)劃出現(xiàn)的孤島運(yùn)行狀態(tài)[10]，出現(xiàn)電壓以及頻率不穩(wěn)定等問題，導(dǎo)致分布式電源與饋線的運(yùn)行狀態(tài)不同步。此時，繼電器RDG防止分布式電源所在線路的解列運(yùn)行、減少DG重新并網(wǎng)的控制工作量，避免分布式電源與饋線的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到危害。在分布式電源與變壓器單元加裝的差動保護(hù)裝置能隔離一、二次側(cè)的故障，提供后備保護(hù)。

　　2.2 保護(hù)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合策略

　　通過保護(hù)裝置與饋線重合閘的協(xié)調(diào)配合，能更好地發(fā)揮已安裝保護(hù)的效果。以故障發(fā)生在饋線為例，饋線重合閘R、支路重合閘R1和分布式電源繼電器RDG分別動作，實(shí)現(xiàn)故障的清除和隔離。圖4中，縱坐標(biāo)0和1分別表示保護(hù)位于開和關(guān)狀態(tài)，橫坐標(biāo)表示保護(hù)快速動作的時刻。當(dāng)發(fā)生瞬時故障時，饋線重合閘R與支路重合閘R1快速動作，開關(guān)時刻分別在圖4中用點(diǎn)1和2、1和3表示，此時RDG保持閉合狀態(tài)；若發(fā)生永久故障，RDG工作在點(diǎn)4的位置，在饋線重合閘R首次慢速動作（點(diǎn)5）前隔離分布式電源，避免發(fā)生分布式電源的長期非計(jì)劃孤島運(yùn)行。

　　當(dāng)在無分布式電源接入的支路發(fā)生故障時，支路重合閘R1與饋線重合閘R快速動作，配合策略分別如圖5中的點(diǎn)1和3、2和4所示，點(diǎn)5表示故障是永久性的、熔斷器F2動作，此時，饋線重合閘R是隔離故障的后備保護(hù)。若故障發(fā)生在分布式電源接入的支路，支路重合閘R1僅工作在慢速曲線上，永久性故障則與繼電器RDG配合，隔離故障支路。當(dāng)分布式電源發(fā)生故障時，差動保護(hù)響應(yīng)，無延時地切除分布式電源故障。

3  算例分析

　　本文以廣西某10 kV配電網(wǎng)為算例，分析DG接入配電網(wǎng)對繼電保護(hù)的影響及其配置方案。本算例使用DIgSILENT-PowerFactory軟件對配電網(wǎng)保護(hù)方案進(jìn)行整定計(jì)算。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　該測試系統(tǒng)具體參數(shù)如下：系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100 MVA，基準(zhǔn)電壓10.5 kV，中性點(diǎn)不接地，系統(tǒng)等效阻抗ZS=0.13+j0.06 Ω；配電線路1-2，2-3，3-4的長度分別為2 km，10 km，7.5 km，其中線路1-2型號為JKLYJ-95，Z1=0.317+j0.122 Ω/km，其余線路型號為LGJ-50，Z2=Z3=0.383+j0.135 Ω/km；LR1、LR2、LR3為公變負(fù)荷，額定容量分別為0.575 MVA、0.69 MVA、1.415 MVA，功率因數(shù)取0.95；LC2、LC3、LC4為專線負(fù)荷，額定容量分別為0.11 MVA、0.05 MVA、0.03 MVA，功率因數(shù)取0.8。

　　3.1 保護(hù)整定

　　該10 kV配電線路主饋線與各支路上均設(shè)有電流熔斷器保護(hù)，各級熔斷器按文獻(xiàn)[11]所述方法進(jìn)行整定。主饋線熔斷器熔體額定電流IFuse應(yīng)不小于系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下流過各條線路的電流Imax；各專線支路接有多臺抽水電動機(jī)，在夏季豐水期電動機(jī)頻繁啟動抽水，專線熔斷器額定電流還應(yīng)躲過發(fā)電機(jī)啟動時的最大電流值Ip，由于最大電流持續(xù)時間很短，而熔斷器熔斷需要一定的時間，因此專線熔斷器額定電流Ifuse≥K·Ip，該算例中K取1.02。系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下流過主饋線K1、K2、K3的電流與最大/最小三相短路電流見表1。

　　考慮到熔斷器熔斷誤差的特性較大，為保證前后熔斷器的選擇性配合，靠近故障點(diǎn)的熔斷器最先斷開，前一級熔斷器動作時間不小于下一級熔斷器動作時間。若主饋線4號節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，主饋線短路電流Iks=1 628.573 A，主饋線上各級熔斷器最小熔斷電流應(yīng)滿足tK1>3tK2，tK2>3tK3。主饋線熔斷器K1、K2、K3的t-I特性曲線如圖7所示。

　　3.2 分布式電源接入的保護(hù)配置

　　在LR3支路上接入額定容量為0.25 MVA、功率因數(shù)為1的DG。目前DG大部分是通過逆變器并網(wǎng)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]所述，逆變型DG在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，其輸出電流變化不大，因此本文將其等效為恒定電流源進(jìn)行仿真計(jì)算。按本文所研究的方法，對接入DG的配電網(wǎng)支路進(jìn)行保護(hù)配置改造，針對不同故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。分析當(dāng)分布式電源運(yùn)行在額定功率下，主饋線與支路發(fā)生不同類型的短路故障時，分布式電源出力對配電網(wǎng)過電流保護(hù)的影響，其保護(hù)動作結(jié)果如表2所示。

　　由表2可以看出，逆變型DG接入配電網(wǎng)后，為減小分布式電源對原配電網(wǎng)過電流保護(hù)動作靈敏度的影響，需要多個保護(hù)之間相互配合，保護(hù)動作相比原配電網(wǎng)更加復(fù)雜，以提高配電網(wǎng)中分布式電源的接入容量。

4  結(jié)論

　　本文結(jié)合輻射式配電網(wǎng)過流保護(hù)的特點(diǎn)，分析了分布式電源接入對現(xiàn)有配電網(wǎng)保護(hù)的影響。基于此，本文研究設(shè)計(jì)了一種針對分布式電源接入配電網(wǎng)的過電流保護(hù)配置方法，在減少對當(dāng)前配電網(wǎng)保護(hù)配置改造量及新設(shè)備投入量的同時，有效地解決了故障時重合閘快速動作與熔斷器動作的配合問題，提高了配電網(wǎng)供電可靠性；通過仿真手段，利用廣西某接入逆變型分布式電源的10 kV配電網(wǎng)實(shí)際算例驗(yàn)證了本文所提方法的可行性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李倍,和敬涵, YIP T. 基于雙電流差動保護(hù)的微電網(wǎng)保護(hù)新方案[J]. 電氣應(yīng)用,2014(21):128-133.

　　[2]張海玉,劉闖,晁勤,等. 具有LVRT能力的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)繼電保護(hù)問題研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015(3):53-60.

　　[3]陳爭光,詹榮榮,李巖軍,等. 分布式電源系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置檢測技術(shù)的研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2015(4):1115-1120.

　　[4]劉健,劉超,張小慶,等. 配電網(wǎng)多級繼電保護(hù)配合的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015(9):35-41.

　　[5]丁明,王偉勝,王秀麗,等. 大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014(1):1-14.

　　[6]付文秀,范春菊,楊煉,等. 配電網(wǎng)中分布式電源的選址定容和電流保護(hù)策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2014(10):78-84.

　　[7]劉凱,李幼儀. 主動配電網(wǎng)保護(hù)方案的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014(16):2584-2590.

　　[8]尚瑨,邰能靈,劉琦,等. 考慮分布式電源的配電網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)方案研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012(24):40-45, 52.

　　[9]HUSSAIN B, SHARKH S M. An adaptive relaying scheme for fuse saving in distribution networks with distributed generation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(2):669-677.

　　[10]趙月靈,李華忠,孫鳴. 分布式電源接入對變電站距離保護(hù)及重合閘的影響[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(20):217-219,224.

　　[11]中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司.Q/CSG 1 0012-2005中國南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則[S].

　　[12]孔祥平,張哲,尹項(xiàng)根,等. 含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障電流特性與故障分析方法研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013(34):57-66.