寧夏大學(xué)新華學(xué)院 戴 瑞

太陽能分布式光伏電站主要是通光伏組件將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種分布式光伏電站系統(tǒng)，其接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置研究的必要性主要體現(xiàn)在兩方面：一是從2020年1月開始國務(wù)院、能源局、發(fā)改委以及國家電網(wǎng)等部門都在一定程度上給予扶持政策，能在一定程度上減緩部分地區(qū)用電緊張的局面，其次分布式光伏電站主要是利用太陽能來發(fā)電，其環(huán)保效益較高，也有利于減緩環(huán)境污染等問題；二是太陽能分布式光伏電站的介入會對配電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大影響，由原來的放射性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，此時繼電保護(hù)配置如不進(jìn)行優(yōu)化會存在較大安全隱患，影響整體的用電安全。

1 繼電保護(hù)裝置的基本要求

選擇性。如圖1，當(dāng)K1短路，保護(hù)1、2動，跳1QF、2QF；如圖2，當(dāng)K2短路，保護(hù)5、6動，跳5QF、6QF；如圖3，當(dāng)K3短路，如保護(hù)7拒動或7QF 拒動，保護(hù)5動、跳5QF，有選擇性。如保護(hù)7正確動作和7DL 跳閘，保護(hù)5動、跳5DL，則會越級跳閘、非選擇性。通過以上分析所得：選擇性就是故障點在區(qū)內(nèi)選擇動作，在區(qū)外選擇不動作。當(dāng)主保護(hù)無動作時由近后備或遠(yuǎn)后備進(jìn)行故障切除，從而使停電范圍控制在最小。

圖1 K1短路

圖2 K2短路

圖3 K3短路

速動性。一般情況下作用于斷路器跳閘保護(hù)都要求動作迅速，其速動性可有效提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，減少在低電壓下工作的時間，減少故障元件的損壞程度以及避免故障進(jìn)一步擴大。

靈敏性。主要體現(xiàn)在當(dāng)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)對故障反應(yīng)及處理能力，一般用靈敏系數(shù)來衡量，表示為Ksen。對反應(yīng)數(shù)值上升而動作的過量保護(hù)、如電流保護(hù)：Ksen=短路時故障參數(shù)的最小計算值/保護(hù)動作參數(shù)=Ik.min/Iset；對反應(yīng)數(shù)值下降而動作的欠量保護(hù)、如電壓保護(hù)：Ksen=保護(hù)動作參數(shù)/短路時故障參數(shù)的最大計算值=Uset/Uk.max。

穩(wěn)定性。影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的原因較多，如元器件的質(zhì)量、制造水平、運行維護(hù)及安裝調(diào)試等。判斷其穩(wěn)定性主要是通過在發(fā)生故障時，能否按照設(shè)定計劃既不發(fā)生拒動也不發(fā)生錯動：正確動作率=正確動作次數(shù)/動作總次數(shù)×100%。

2 太陽能分布式光伏電站并網(wǎng)后對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響分析

傳統(tǒng)繼電保護(hù)根據(jù)配電網(wǎng)單流行、放射式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，是一個單端的電源網(wǎng)絡(luò)，但是太陽能分布式光伏電站并入電網(wǎng)后會打破原有的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成一個多電源的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)一般不安裝方向元件，以階段式電流保護(hù)為主，當(dāng)光伏電站并入后形成多個電源，使原來的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜化，流向也更加的多變化。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，原來的配電網(wǎng)系統(tǒng)和新并入的光伏電站系統(tǒng)都朝向故障點進(jìn)行提供短路電流，在這樣的情況下，既改變了原來電流的大小也改變了電流的流向，導(dǎo)致了配電結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)裝置不能正常發(fā)揮其作用[1]。

受保護(hù)的范圍縮小。在分布式光伏電站并入配電網(wǎng)后，繼電保護(hù)配置在未進(jìn)行優(yōu)化時，因功能不能完全體現(xiàn)會造成保護(hù)范圍縮減；使重合閘失敗。分布式光伏電站并入配電網(wǎng)后，當(dāng)與系統(tǒng)進(jìn)行相連時或在進(jìn)行其他工作時發(fā)生線路故障、且分布式光伏電站的切除時間比重合閘時間晚，會引起電弧重燃，導(dǎo)致最后的重合閘不成功，影響整體的安全性能。

降低靈敏度或拒動。太陽能分布式光伏電站并入配電網(wǎng)后會降級繼電保護(hù)的靈敏度，甚至?xí)?dǎo)致拒動。圖4中當(dāng)分布式光伏電站下游出現(xiàn)故障點K1處，分布式光伏電站接入會造成流入下游保護(hù)電流增大，在其上游A 處點位的電流會變小，這時如保護(hù)定值沒有進(jìn)行調(diào)整會導(dǎo)致系統(tǒng)工作失常，進(jìn)而導(dǎo)致上游保護(hù)的靈敏度降低，嚴(yán)重情況下會發(fā)生拒動現(xiàn)象[2]。

圖4 分布式光伏電站接入配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

局部保護(hù)誤動。在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)中，由于是電流向放射結(jié)構(gòu)，在配電網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)裝置中一般不會安裝方向元件，這時當(dāng)故障點位于分布式光伏電站上游時，如圖1中K2處，分布式光伏電站的接入會造成下游流過的電流變大，圖1中A 處在繼電保護(hù)裝置保護(hù)定值不變情況下會導(dǎo)致上游保護(hù)的誤動，進(jìn)而影響系統(tǒng)正常運行，影響發(fā)揮系統(tǒng)正常的保護(hù)作用。

3 太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級并網(wǎng)接入方式

太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級并網(wǎng)接入的方式，根據(jù)運營模式不同可分為統(tǒng)購統(tǒng)銷模式下的T 接公用線并入系統(tǒng)和余量上網(wǎng)模式或自發(fā)自用模式T 接公用線并入系統(tǒng)兩種接入方法。每一種模式又分為多種接入方式，如專線接入系統(tǒng)變電站、T 接公用線接入系統(tǒng)變電站、T接公共開關(guān)站及T接配電室等多種方式。本文主要針對兩種比較典型的接入方式進(jìn)行分析。

統(tǒng)購統(tǒng)銷模式下的T 接公用線并入系統(tǒng)：在10kV 公共電網(wǎng)母線上加裝并網(wǎng)點開關(guān)，通過并網(wǎng)點開關(guān)實現(xiàn)光伏電站電纜的并網(wǎng)接入，單個并網(wǎng)點裝機容量為400kW～6MW（圖5）；余量上網(wǎng)模式或自發(fā)自用模式T 接公用線并入系統(tǒng)：用戶內(nèi)部10kV母線加裝光伏接入柜，通過光伏接入柜將光伏電站的電纜接入實現(xiàn)并網(wǎng)接入，單個并網(wǎng)點的裝機容量400kW～6MW（圖6）。

圖5 統(tǒng)購統(tǒng)銷模式下T 接公用線接入系統(tǒng)

圖6 余量上網(wǎng)模式或自發(fā)自用模式T 接公用線并入系統(tǒng)

4 太陽能分布式光伏電站10kV 電壓等級繼電保護(hù)配置原則及整定原則

太陽能分布式光伏電站并入配電網(wǎng)絡(luò)后需對配電網(wǎng)絡(luò)中的繼電保護(hù)配置進(jìn)行全面升級優(yōu)化，同時還需根據(jù)實際情況綜合因素考慮經(jīng)濟性，在進(jìn)行選材施工過程中，滿足相關(guān)要求前提下優(yōu)選經(jīng)濟性較高的產(chǎn)品。此外還需對光伏電站側(cè)進(jìn)行新的繼電保護(hù)配置，在整個繼電保護(hù)配置優(yōu)化過程中，需遵循保證系統(tǒng)可靠性、簡化光伏側(cè)保護(hù)配置的原則。

4.1 統(tǒng)購統(tǒng)銷模式下T 接公用線接入系統(tǒng)的保護(hù)配置

系統(tǒng)側(cè)保護(hù)配置：110kV 以母線段為單位配置故障解列保護(hù)包含低壓、低頻、高壓和高頻保護(hù)，斷路器、10kV 光伏電站聯(lián)絡(luò)線；配置階段式方向過電流保護(hù)，方向元件可投退，不能避免反方向故障時須經(jīng)方向閉鎖；系統(tǒng)側(cè)保護(hù)需具備三相一次重合閘功能，且重合閘時間需避開光伏站最大解列時間，此外還需具備檢無壓、同期等功能，避免出現(xiàn)非同期階段進(jìn)行合閘給系統(tǒng)帶來沖擊力；T 接點斷路器需電業(yè)局根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行配置，配置完成后需配置線路保護(hù)及重合閘功能，此重合閘還需具備檢測線路無壓等功能，以保障系統(tǒng)能正常運行。

光伏電站側(cè)保護(hù)配置（圖5）：在產(chǎn)權(quán)分界點位置配置階段式方向過電流保護(hù)，電流方向指向變壓器；過電流保護(hù)與限時速斷電流保護(hù)結(jié)合，與QF1保護(hù)配合；產(chǎn)權(quán)分界點位置配置三相線路壓變，配置故障解列裝置，產(chǎn)生動作跳QF2；并網(wǎng)斷路器需具備的功能：低周、高周、低壓、高壓解列功能，速斷、帶方向過電流保護(hù)、光纖差動保護(hù)及其他功能。對于一些計劃外的孤島，從發(fā)生到并網(wǎng)斷路器跳開的時間一般不能超過2秒鐘。

4.2 余量上網(wǎng)或自發(fā)自用模式T 接公用線并入系統(tǒng)

系統(tǒng)側(cè)保護(hù)配置：與統(tǒng)購統(tǒng)銷模式下T 接公用線接入系統(tǒng)的保護(hù)配置中的系統(tǒng)側(cè)保護(hù)配置相同，此處不再重復(fù)闡述。

光伏電站側(cè)保護(hù)系統(tǒng)配置（圖6）：產(chǎn)權(quán)分界點位置配置階段式方向過電流保護(hù)，動跳QF2，電流流向指向用戶母線，與QF1配合作用；產(chǎn)權(quán)分界點位置配置故障解列裝置，動跳QF3；QF3位置配置階段式方向過電流保護(hù)，電流方向指向用戶電壓，與QF2整定配合；并網(wǎng)斷路器需具備的功能：低周、高周、低壓、高壓解列功能，速斷、帶方向過電流保護(hù)、光纖差動保護(hù)及其他功能。對于一些計劃外的孤島，從發(fā)生到并網(wǎng)斷路器跳開的時間一般不能超過2秒[3]；光伏電站決定QF3處開光保護(hù)跳閘或是產(chǎn)權(quán)分界點安全自動裝置連切后，是否重合閘，重合閘應(yīng)具備足夠延時及加速跳閘功能[4]。

4.3 分布式光伏電站接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定原則

電流速斷保護(hù)，按照躲開線路末端故障時最大短路電流進(jìn)行整定，其中可靠系數(shù)可取值1.3；限時電流速斷保護(hù)，按躲過相鄰線路的瞬時電流速斷的最大保護(hù)動作電流進(jìn)行整定，Ksen ≥1.3；過電流保護(hù)一般是按照躲過線路最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定。一般情況下，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生一般故障時，過電流整定時間從0～0.25秒。如發(fā)生高阻接地故障時，需對線路保護(hù)配置零序過電流方向保護(hù)，當(dāng)線路中的零序電流超過整定電流且延時大于整定值時發(fā)生動跳。零序過電流方向保護(hù)在實際的運用中主要分為兩段整定，一段整定時間0.3秒，二段整定時間0.6秒。為提高靈敏性可增設(shè)零序電流互感器。

5 案例分析

光伏電站裝機容量1060kW，采用1000kVA 美式箱變壓器通過10kV 母線接入用戶10kV 光伏間隔，采用余量上網(wǎng)模式或自發(fā)自用模式T 接公用線并入系統(tǒng)（圖7）。10kV 母線參數(shù)：JK-240架空1.126km，標(biāo)幺值0.317每公里，阻抗max 為0.3943、min0.4476，變壓器S11-1000/10，U=4.5%，互感器電流比75/5。

圖7 光伏電站接入電氣主線示意圖

5.1 繼電保護(hù)配置

用戶系統(tǒng)側(cè)更換具備階段式過電流保護(hù)的裝置；在產(chǎn)權(quán)分界點位置配置階段式方向過電流保護(hù)，電流方向指向用戶10kV 母線；在并網(wǎng)點處配置階段式方向過電流保護(hù)，低壓閉鎖合閘，低周減載、低壓減載，方向指向用戶電源。

5.2 并網(wǎng)點處的整定計算

系統(tǒng)抗阻系統(tǒng)如圖8。

圖8 系統(tǒng)阻抗圖

參數(shù)換算：設(shè)功率基準(zhǔn)值Sd=100MV×A；基準(zhǔn)電壓 Ub=10.5kV；最大短路電流基準(zhǔn)值I(3)B.max=SB/√3UB=100/1.732×10.5=5500A，最小短路電流基準(zhǔn)值I(2)B.min=√3/2I(3)B.max=4763A，線路阻抗X＊1=p＊1L=0.317×1.126=0.356942，變壓器阻抗X＊T=UK% /100×SB/SN=4.5/100×100=4.5。

第一階段整定計算：根據(jù)已知參數(shù)可得系統(tǒng)短路最大電流計算Ik.max=i(3)k=5500/(X＊s.min+X＊1+X＊t)=1047.37A，動作電流計算IIset1=KrelIk.max=1361.58A，繼電保護(hù)器的動作電流計算IIset1.r= IIset1/nTA=1361.58/15≈90.8A，其中繼電保護(hù)器的動作時間可以計算為ti1=0s。

第二階段整定調(diào)整計算：系統(tǒng)短路最小電流計算為Ik.min=i(2)k=897.91A，繼電保護(hù)器的動作電流計算為I2set1.r=Ik.min/2nTA=897.91/2×15≈30A，其中繼電保護(hù)器的動作時間可以計算為t21=0.5s。

低壓、低周環(huán)境下的整定：根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定，低壓一般設(shè)置在60～70V 之間，電網(wǎng)頻率低于48Hz 時，逆變器需在0.2秒內(nèi)停止相應(yīng)工作。在本方案設(shè)計中，低壓閉鎖值設(shè)置的是70V，低周減載延時設(shè)置成0.25秒，其設(shè)置主要是為了逆變器受其他影響，導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，在0.2秒內(nèi)沒有跳開光伏電站斷路器時，并網(wǎng)點的斷路器可在0.25秒時進(jìn)行動跳動作[5]。

結(jié)論：太陽能分布式光伏電站特點及優(yōu)勢較為突出，目前已被大力推廣，同時國家相關(guān)部門也給予了較大政策支持用以推動分布式光伏電站的完善和進(jìn)步。在分布式光伏電站并入配電網(wǎng)絡(luò)后會對原來的配電結(jié)構(gòu)構(gòu)成破壞，電源由單電源轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫?，電流方向也有單一方向轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾较颍谶@個基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)配置已不能有效保護(hù)系統(tǒng)正常工作，必須對其配置進(jìn)行優(yōu)化和改善，就目前情況來講，因為分布式光伏電站的大力推廣和運用，現(xiàn)有繼電保護(hù)設(shè)備相對還不完善，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步相關(guān)技術(shù)還需不斷的創(chuàng)新，以高質(zhì)量服務(wù)于社會經(jīng)濟的發(fā)展和進(jìn)步。