宋 健 ，許 喆 ，翟 爽 ，徐永健 ，王 丹

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257091；2.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.東營(yíng)方大電力設(shè)計(jì)規(guī)劃有限公司，山東 東營(yíng) 257091）

0 引言

分布式電源（Distributed Generation，DG）的大量并網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定沖擊，尤其對(duì)繼電保護(hù)的影響不容忽視。DG的接入使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境變得更加復(fù)雜，傳統(tǒng)單側(cè)電源供電變?yōu)殡p側(cè)甚至多側(cè)電源供電，潮流的流向也隨之發(fā)生了變化［1］。這些重要的變化使得原有保護(hù)策略中的保護(hù)定值、動(dòng)作時(shí)限等環(huán)節(jié)受到了影響［2］。

針對(duì)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接入分布式電源的配電系統(tǒng)的保護(hù)研究已經(jīng)高度重視，目前提出的保護(hù)策略主要包含改進(jìn)的傳統(tǒng)電流保護(hù)［3-4］、縱聯(lián)保護(hù)［5］、距離保護(hù)［6］、采用通信技術(shù)的集成式保護(hù)［7］和采用基于故障暫態(tài)信息的保護(hù)方案［8］等。這些不同的保護(hù)策略根據(jù)其自身特點(diǎn)適用于不同的場(chǎng)合。

結(jié)合東營(yíng)河口區(qū)風(fēng)電和市轄區(qū)光伏接入東營(yíng)配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，從短路電流、三段式電流保護(hù)2個(gè)方面分析DG接入對(duì)東營(yíng)配電網(wǎng)繼電保護(hù)方面產(chǎn)生的影響，并針對(duì)其中存在的問題提出相應(yīng)的解決措施。

1 DG接入對(duì)傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)的影響

1.1 短路電流

當(dāng)分布式電源接入配電網(wǎng)后，系統(tǒng)側(cè)即故障點(diǎn)上游提供的短路電流要明顯小于分布式電源側(cè)即故障點(diǎn)下游提供的短路電流。它的作用機(jī)理是除了系統(tǒng)電源之外，分布式電源同樣會(huì)對(duì)故障點(diǎn)注入短路電流，使得分布式電源側(cè)的短路電流增大，而且分布式電源對(duì)于接入點(diǎn)電壓具有助增作用。

由于分布式電源類型、并網(wǎng)容量的不同，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生短路電流的影響也會(huì)有所差別。以光伏電源為例，它對(duì)系統(tǒng)所注入的短路電流遠(yuǎn)小于并網(wǎng)后提供的短路電流。設(shè)分布式電源并網(wǎng)前其節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣為Z，由于其并網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)中的元素會(huì)發(fā)生改變，采用支路追加法和迭代法對(duì)并網(wǎng)后的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣進(jìn)行修改：

式中：Zij、Zik、Zkj為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的互阻抗；Zkk為節(jié)點(diǎn)k的自阻抗；xkG為節(jié)點(diǎn)k的等效電源并聯(lián)電抗；m為DG編號(hào)；b（m）為編號(hào)為m的DG對(duì)應(yīng)的安裝母線；xb（m）G為含 DG 的母線 m 處的等效電抗。

當(dāng)母線n發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流計(jì)算公式為

式中：Z′nn為節(jié)點(diǎn)阻抗陣Z′中節(jié)點(diǎn) n 的自阻抗；Un（0）為故障母線n正常時(shí)的電壓?？紤]到規(guī)劃問題的精度，在實(shí)用計(jì)算中也可以取為1.0。而以并網(wǎng)容量為例，將其參數(shù)值隨容量變化的公式簡(jiǎn)化為

式中：xmax、xmin分別為分布式電源的次暫態(tài)電抗的上下限；SG為系統(tǒng)的容量；SS為額定容量；SB為經(jīng)過標(biāo)幺值換算后系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量。

此外，并網(wǎng)位置的不同也會(huì)對(duì)短路電流產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)分布式電源處于線路首端與末端時(shí)，它所帶來電壓的提升效果也是不同的。一般而言，當(dāng)分布式電源處于線路首端時(shí)對(duì)于短路電流產(chǎn)生的影響最小，而位于線路中段時(shí)對(duì)于短路電流的影響最大。

1.2 三段式電流保護(hù)

首先以系統(tǒng)側(cè)相鄰饋線K1點(diǎn)處發(fā)生故障為例，分析DG接入對(duì)電流保護(hù)的影響。如圖1所示，DG將通過母線向K1提供反向短路電流。若斷路器QF1、QF2配置的保護(hù)未裝設(shè)功率方向元件，當(dāng)DG的容量足夠大時(shí)，有可能引起QF1、QF2的保護(hù)誤動(dòng)作［9］。

圖1 DG倒送電流

以圖2所示的情況為例，當(dāng)接入變電站附近的DG1下游K1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，由于DG的存在，QF1處保護(hù)檢測(cè)到的故障電流會(huì)降低，從而導(dǎo)致DG1處裝設(shè)的保護(hù)的動(dòng)作靈敏度降低，有可能會(huì)發(fā)生拒動(dòng)。

圖2 DG降低線路保護(hù)的靈敏度

若K2點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，DG1所產(chǎn)生的故障電流會(huì)使QF2處檢測(cè)到的故障電流增大，從而增加了QF2處保護(hù)的可靠性；同理當(dāng)K3點(diǎn)短路時(shí)，由于DG1對(duì)故障電流的助增作用，QF2與QF3檢測(cè)到的故障電流會(huì)隨之增大。雖然保護(hù)安裝處的可靠性增加，但是當(dāng)QF2檢測(cè)到的故障電流增大到動(dòng)作電流值時(shí)，保護(hù) 2就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，喪失選擇性［10］。

2 算例分析

2.1 算例1

以東營(yíng)市建造開發(fā)的第1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、總裝機(jī)容量為48 MW的河口仙河華能風(fēng)電場(chǎng)為例，將其接入東營(yíng)河口區(qū)電網(wǎng)的等效模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖3所示。

圖3 部分風(fēng)電接入東營(yíng)電網(wǎng)等效模型

河口區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)在配網(wǎng)饋線末端接入，將變電站及其上游線路部分等效為無(wú)窮大電源。假設(shè)線路AD段發(fā)生短路故障，且由DG提供的短路電流足夠大，會(huì)造成短路點(diǎn)處的電壓升高，由于DG也會(huì)產(chǎn)生故障短路電流，所以系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流會(huì)減小，這會(huì)降低保護(hù)3的靈敏度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起保護(hù)3誤動(dòng)。

結(jié)合東營(yíng)地區(qū)實(shí)際情況，河口區(qū)風(fēng)電站采用三段式電流保護(hù)與距離保護(hù)相配合，并配有低電壓穿越功能的保護(hù)策略，雖然在一定程度上相對(duì)于電流保護(hù)性能更加完善，但是距離保護(hù)也會(huì)受到分布式電源提供的故障電流的影響，同時(shí)短路點(diǎn)過渡電阻也會(huì)對(duì)距離保護(hù)產(chǎn)生較大影響。

針對(duì)東營(yíng)河口區(qū)風(fēng)電接入配網(wǎng)存在的問題，結(jié)合風(fēng)電站電壓等級(jí)高、裝機(jī)容量大的特點(diǎn)，考慮采用分區(qū)縱聯(lián)保護(hù)的改進(jìn)策略來解決現(xiàn)階段河口區(qū)繼保方面的突出矛盾。如圖4所示，以單DG接入母線的情況為例，提出分區(qū)縱聯(lián)保護(hù)方案，并分析其對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響。

圖4 單DG情況下的保護(hù)方案

1）分區(qū)。本方案以DG接入點(diǎn)所在位置為界，將饋線2劃分成區(qū)域1（DG上游）、區(qū)域2（DG下游）2個(gè)區(qū)域。

2）保護(hù)策略。

在區(qū)域1相應(yīng)位置加裝斷路器以及保護(hù)裝置5。考慮到當(dāng)區(qū)域1發(fā)生故障時(shí)，若DG提供的輸出功率較小或者已經(jīng)退出運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)5處的方向元件靈敏度不足，發(fā)生拒動(dòng)，所以在保護(hù)5處還應(yīng)配置弱饋保護(hù)。

為保證當(dāng)區(qū)域1內(nèi)發(fā)生故障時(shí)能瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)整個(gè)區(qū)域，在保護(hù)4和5處應(yīng)配置方向縱聯(lián)保護(hù)并設(shè)置重合閘功能。由于保護(hù)5的重合閘功能必須在保護(hù)4判為瞬時(shí)性故障時(shí)由保護(hù)4來起動(dòng)，因此保護(hù)5處的重合閘需要具備檢同期功能。

保護(hù)3和4處需要配置帶有方向元件的定時(shí)限過電流保護(hù)。

3）整定值。由上述的分析可知，DG的接入將不會(huì)對(duì)饋線2上定時(shí)限過電流保護(hù)之間的配合產(chǎn)生影響，所以不用進(jìn)行重新整定。

2.2 算例2

選取東營(yíng)某城區(qū)的一個(gè)直接接在線路上的6 MW屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為參考對(duì)象，對(duì)其線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理如圖5所示。

圖5 光伏項(xiàng)目接入配網(wǎng)等效處理

將光伏電源及上游線路等效為10 kV系統(tǒng)電源，主要研究系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況，即考慮系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下繼電保護(hù)裝置相應(yīng)的動(dòng)作情況。利用PSCAD軟件搭建算例仿真模型，模型搭建后，進(jìn)行仿真計(jì)算，首先測(cè)量未接入光伏電源時(shí)，CD線路末端（即K2點(diǎn)）發(fā)生三相短路時(shí)，相應(yīng)的故障電流波形如圖6所示。

由圖6可看出，當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，根據(jù)前文的理論基礎(chǔ)，K2點(diǎn)產(chǎn)生的短路電流將不會(huì)影響相鄰饋線的電流。在分析完未接入分布式電源情況下的故障電流情況之后，在母線C處加入相應(yīng)的光伏電源，電源容量為6 MW，故障持續(xù)時(shí)間仍設(shè)定為10 s，繼續(xù)分析K2處發(fā)生三相短路故障時(shí)，故障電流波形如圖7所示。

圖6 未接入光伏時(shí)故障電流波形

當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于光伏電源的接入，除系統(tǒng)電源之外，網(wǎng)絡(luò)又變?yōu)殡p側(cè)電源供電，故障點(diǎn)下游的短路電流增加，從而使得線路保護(hù)2處檢測(cè)到的短路故障電流增大，在一定程度上提高了保護(hù)2的可靠性。由于保護(hù)1也位于故障點(diǎn)下游，按照作用機(jī)理其檢測(cè)到的短路電流也會(huì)增大，這很有可能引發(fā)保護(hù)1處產(chǎn)生誤動(dòng)作。

圖7 發(fā)生故障時(shí)電流仿真波形

此外，通過母線光伏電源也會(huì)給饋線2、饋線3提供相應(yīng)的反向短路電流，在可能會(huì)引發(fā)相鄰饋線保護(hù)的誤動(dòng)的同時(shí)，由于保護(hù)3處于系統(tǒng)側(cè)，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流將會(huì)相應(yīng)減小，從而使得保護(hù)3處檢測(cè)到的短路故障電流也將減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)保護(hù)3的拒動(dòng)。通過上述兩種故障波形圖的對(duì)比也可以明顯看出，在接入光伏電源后故障點(diǎn)K2上游產(chǎn)生的短路電流相較于光伏電源未接入時(shí)有明顯增加，而K2下游產(chǎn)生的短路電流相較于接入之前存在下降的趨勢(shì)，從而驗(yàn)證了前文理論研究的正確性。

根據(jù)實(shí)地考察，光伏并網(wǎng)一般采用就近原則，規(guī)劃性較差。保護(hù)策略大多采用傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，其保護(hù)元件一般不具備方向性，當(dāng)其他并聯(lián)分支線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起安裝有DG的分支上繼電器的誤動(dòng)。提出一套將距離保護(hù)和電流保護(hù)相結(jié)合的配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置與整定原則：

1）當(dāng)DG接入后，保護(hù)安裝處的三段式電流保護(hù)仍能滿足靈敏度要求的，仍然按照傳統(tǒng)的電流保護(hù)整定原則進(jìn)行整定。

2）當(dāng)DG接入后，保護(hù)安裝處的三段式電流保護(hù)無(wú)法滿足靈敏度要求的，改為裝設(shè)距離保護(hù)。

3）分DG并網(wǎng)點(diǎn)上游的線路末端在需要時(shí)應(yīng)加裝相應(yīng)保護(hù)裝置，以保證全線任意位置故障都能可靠切除；同時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)上游的保護(hù)安裝處應(yīng)考慮配置方向元件，防止本線路保護(hù)反向誤動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

以東營(yíng)河口區(qū)風(fēng)電與市轄區(qū)光伏為例，從短路電流、三段式電流保護(hù)2個(gè)方面分析分布式電源接入配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響。

針對(duì)風(fēng)電站電壓等級(jí)高、容量大的特點(diǎn)，考慮采用分區(qū)縱聯(lián)與過電流保護(hù)相配合的保護(hù)策略，在DG上游的保護(hù)裝置應(yīng)加裝功率方向元件；系統(tǒng)側(cè)保護(hù)裝置配置自動(dòng)重合閘前加速功能，DG側(cè)重合閘裝置配置檢同期功能，在一定程度上減少了誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生率。

針對(duì)光伏電站布局分散的情況，考慮在盡量不改變?cè)须娏鞅Ｗo(hù)的基礎(chǔ)上，在不滿足靈敏度要求的保護(hù)安裝處配置距離保護(hù)同時(shí)加裝方向元件，從而防止本線路保護(hù)反向誤動(dòng)。