中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司 孫莎莎 趙 永 安慶電力規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 陳東霞 汪李來

1 引言

電力是人類社會發(fā)展的重要動力，也是科技進(jìn)步的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力需求日益增長，電力系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的運(yùn)行難度、設(shè)備負(fù)載也在不斷增加，新能源在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將日益突出。分布式新能源是一種新的發(fā)電能源，具有高效、環(huán)保等優(yōu)勢和特點(diǎn)，目前在一些國家得到了應(yīng)用。分布式新能源具有獨(dú)立性，可由用戶單獨(dú)管理，不影響其他電廠，并且具有良好的穩(wěn)定性。同時，在不可預(yù)測情況下可盡快做出調(diào)整，以滿足消費(fèi)者需求的電力供應(yīng)。但分布式新能源在利用過程中會影響到配電網(wǎng)保護(hù)，并且在一定程度上限制了電網(wǎng)安全運(yùn)行，因此要注意這些影響因素的特點(diǎn)，針對影響因素研究出相應(yīng)的解決方案，為我國電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)提供重要的技術(shù)保障措施。

2 分布式新能源概述

分布式能源是指具有最佳環(huán)境價值的清潔能源發(fā)電，如風(fēng)能、太陽能和核能是清潔和無污染的可再生能源，通常與低壓電網(wǎng)連接。圖1為分布式新能源詳解圖。然而，一旦連接到電網(wǎng)，這些能源會對短路和交流電流、電網(wǎng)保護(hù)功能和配電網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生影響。在接電作業(yè)中，工作人員應(yīng)在相關(guān)配電區(qū)域安裝發(fā)電設(shè)備（不超過30MW），主要是光伏發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池和其他可有效連接到電網(wǎng)設(shè)備應(yīng)安裝在靠近用戶的供電區(qū)域，以減少供電過程中能源損失，提高供電質(zhì)量。

圖1 分布式新能源

但在應(yīng)用繼電保護(hù)過程中，對技術(shù)使用所造成的負(fù)面影響主要有以下幾點(diǎn)。首先，產(chǎn)生拒動保護(hù)后，新的電力可以分配到饋線配網(wǎng)，供網(wǎng)的電流和電壓值相應(yīng)降低，整個電路會自動做出保護(hù)措施。其次，當(dāng)電力系統(tǒng)中相鄰的電源發(fā)生故障時，可能會導(dǎo)致周圍其他正常電源跳閘，出現(xiàn)供電異常情況[1]。最后，通常與新的分布式電源相關(guān)的自清故障，可能會使自清功能失效，在故障位置沒有同時重新連接，故而電弧的弧度仍然存在。因此，這些負(fù)面影響對配電網(wǎng)保護(hù)工作質(zhì)量有很大影響，電力公司要更加關(guān)注以上問題，以減輕負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)分布式新能源技術(shù)的高水平部署。

3 分布式發(fā)電原理和發(fā)電技術(shù)分析

分布式能源技術(shù)主要有三種類型。第一種是利用半導(dǎo)體材料為動力的光電技術(shù)，利用材料的性質(zhì)來制造光電效果，然后把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。該技術(shù)使用的材料較少，不污染環(huán)境，靈活性強(qiáng)，相對容易維護(hù)，但轉(zhuǎn)換效率較低，一般在7%～15%[2]。第二種是風(fēng)力發(fā)電，也就是風(fēng)能發(fā)電，與之前的技術(shù)相同，風(fēng)力發(fā)電是一種潔凈的能源技術(shù)。風(fēng)力的大小與發(fā)電效率有著密切的關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電是目前我國較為廣泛使用的清潔能源，其效率約為26%。第三種能源生產(chǎn)技術(shù)是燃料電池，與傳統(tǒng)的熱能發(fā)電技術(shù)相比，燃料電池并不是靠燃燒燃油，而是靠化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。目前，燃料的應(yīng)用范圍更廣，也更適宜使用。雖然發(fā)電涉及熱能損失，但發(fā)電效率可超過40%。

4 分布式新能源接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

4.1 繼電保護(hù)的作用及其組成

繼電器在電力系統(tǒng)或電氣設(shè)備發(fā)生故障時，能及時發(fā)出保護(hù)和報警，從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的安全保護(hù)，防止設(shè)備被破壞。繼電器的保護(hù)系統(tǒng)包括測量、比較、執(zhí)行、邏輯判斷等。其基本原理是對電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的保護(hù)。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，各參數(shù)之間存在顯著的差異，其中包括電流、電壓、功率、頻率等參數(shù)，而繼電保護(hù)則是根據(jù)這些參數(shù)的變化，對電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，并對故障的性質(zhì)進(jìn)行分析，從而做出相應(yīng)的防護(hù)措施。繼電保護(hù)是保證電網(wǎng)安全、減少故障、提高供電可靠性和穩(wěn)定性的必要措施。

4.2 分布式新能源對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

配電網(wǎng)絡(luò)中常見的新保護(hù)概念是三相電源保護(hù)。在配電網(wǎng)絡(luò)中，新的電力分配將導(dǎo)致額外的故障電流和在發(fā)生故障時潛在的雙向故障電流。當(dāng)流經(jīng)保護(hù)裝置的電能增加或減少時，新的分布式能量具有可變效應(yīng)，改變了保護(hù)裝置工作范圍，容易對繼電保護(hù)造成制約效果。由于配電網(wǎng)主要是單向能源，在中繼網(wǎng)絡(luò)中沒有分流，因此在線路發(fā)生故障情況下，連接到新的分布式電源節(jié)點(diǎn)，必須由系統(tǒng)故障方向的新分布式電源來供應(yīng)。從本質(zhì)上講，這意味著當(dāng)新的分布式電源出現(xiàn)時，這種保護(hù)具有剩余電流保護(hù)功能，但沒有傳統(tǒng)電流保護(hù)的方向性因素，如果剩余電流超過額定電流，保護(hù)就會失去選擇性。如圖2所示，結(jié)合了一條線路終端的分布式電力。在電流強(qiáng)度波動時，會引起繼電器的故障，這種故障會削弱其功能，影響到配電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。同時，分布式發(fā)電也會導(dǎo)致故障的發(fā)生，因?yàn)殡娏鳒p少，會影響繼電器的工作靈敏度，甚至?xí)?dǎo)致繼電保護(hù)的拒動，從而給配電系統(tǒng)帶來諸多不確定性。

圖2 線路終端并入分布式發(fā)電

4.3 降低分布式新能源對繼電保護(hù)的策略

上述分析表明，分布式新能源資源在接入配電網(wǎng)方面有明顯優(yōu)勢，但其對繼電保護(hù)的影響也不容忽視。如果輸電網(wǎng)因連接新的分布式電源而受到干擾，電力系統(tǒng)便會出現(xiàn)故障，不能完成繼電保護(hù)功能，因此當(dāng)一個新的分布式電源連接到配電網(wǎng)時，必須對設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)。

減少故障發(fā)生和設(shè)備性能定期維護(hù)是電氣設(shè)備無故障運(yùn)行的重要保障，所以應(yīng)當(dāng)消除安全隱患，有效防止故障蔓延，充分發(fā)揮繼電器的保護(hù)功能。定期維護(hù)計劃應(yīng)以新的分布式電氣設(shè)備的運(yùn)行為基礎(chǔ)[3]，盡管設(shè)備故障沒有一定的規(guī)律性，但是在繼電器、分布式電源等領(lǐng)域都存在著同樣的問題，因此必須充分發(fā)揮維護(hù)功能，增強(qiáng)維護(hù)能力。

5 分布式新能源接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)的途徑分析

5.1 接入分布式新能源的電網(wǎng)繼電保護(hù)

在實(shí)施新的發(fā)電能力時，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生短路時，若為單向供電，該技術(shù)可以自動與配電網(wǎng)斷開，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能。該方法是傳統(tǒng)的方法，對于新型分布式電源產(chǎn)生的浪費(fèi)問題，應(yīng)引起技術(shù)研究人員的重視，經(jīng)過研究改進(jìn)的技術(shù)人員在現(xiàn)階段接入發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用的短路故障，可以通過新型分布式電源的短路供電電流和繼電保護(hù)電流，調(diào)節(jié)方法進(jìn)行應(yīng)用，解決短路問題。

5.2 環(huán)網(wǎng)差動保護(hù)

該保護(hù)方式，能夠研究和收集與新型分布式電源相連的配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，所有斷路器、開斷情況等信息，隨后進(jìn)行差動計算，快速找到配電網(wǎng)中的具體故障點(diǎn)，并能直接監(jiān)控該區(qū)域的所有故障點(diǎn)，防止故障的嚴(yán)重程度影響周圍線路的電能質(zhì)量。這種保護(hù)策略根據(jù)運(yùn)行方式的不同，保護(hù)值的配置也略有不同，工作人員需要根據(jù)具體情況很好地調(diào)整這些保護(hù)值，使環(huán)網(wǎng)型差動保護(hù)能夠有效地改善和解決新電源接近時的分布式故障。

首先，如果受控斷路器安裝在一個子區(qū)域的不同分支上，可以計算出電路短路后的差動電流，如果其數(shù)值大于0，可以斷定該區(qū)域存在短路問題。假設(shè)環(huán)網(wǎng)保護(hù)監(jiān)測的受控斷路器為K0-12，短路點(diǎn)為F1-6[4]，如果K5和K6其中一個開關(guān)的電流矢量計算值遠(yuǎn)大于0，可以將這兩個開關(guān)之間的區(qū)域定義為特定的短路點(diǎn)，并跳閘隔離短路點(diǎn)，即F4為短路點(diǎn)。其次，在評估子區(qū)域內(nèi)沒有受控斷路器的饋線的故障情況時，必須比較兩個差分電流數(shù)據(jù)，即負(fù)載電流和值，如果差分電流大于第二個值，則認(rèn)為該問題為短路。最后，為了調(diào)查環(huán)路末端的短路問題，應(yīng)檢查流經(jīng)該點(diǎn)的開關(guān)電流，并與最大饋電電流值的總和進(jìn)行比較，超過該值就會在終端區(qū)域發(fā)現(xiàn)短路現(xiàn)象。

5.3 后備保護(hù)、保護(hù)動作時序配合

該繼電保護(hù)技術(shù)通過分步過流保護(hù)來保護(hù)安裝在配電網(wǎng)中的斷路器，當(dāng)環(huán)網(wǎng)差動保護(hù)發(fā)生故障時，過流保護(hù)會自動保護(hù)電路并再次關(guān)閉，而沒有受到環(huán)網(wǎng)保護(hù)的分支電路可以通過過流保護(hù)快速中斷故障區(qū)來保護(hù)。過電壓保護(hù)技術(shù)和高低頻保護(hù)技術(shù)，也可為新的分布式配電網(wǎng)絡(luò)提供有效繼電保護(hù)。保護(hù)的時機(jī)對于配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)非常重要，差動環(huán)網(wǎng)保護(hù)可以在故障發(fā)生后迅速檢測到故障區(qū)域，從而使斷路器及時介入。如果在故障發(fā)生后200ms 沒有觀察到保護(hù)動作，則認(rèn)為斷路器沒有觸發(fā)任何保護(hù)動作。如果故障發(fā)生后500ms 斷路器沒有斷開，可以認(rèn)為是新的電源裝置觸發(fā)了保護(hù)動作。

5.4 防孤島保護(hù)

在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)主網(wǎng)故障，將會導(dǎo)致孤島的運(yùn)行，此時孤島上的電壓和電流都會被影響，致使電力和頻率的異常波動，不能保證電力供應(yīng)，如果不能及時修復(fù)，可能會在斷路器、線路的影響下，導(dǎo)致人身安全事故。因此，根據(jù)電阻法的原理，采用防孤島保護(hù)技術(shù)，可以在短路故障后對有關(guān)斷路器和線路進(jìn)行精確的檢測，確認(rèn)是孤島故障后，再根據(jù)故障原因制定相應(yīng)的解決措施。當(dāng)主網(wǎng)與配電網(wǎng)無法建立起有效的連接時，這種保護(hù)系統(tǒng)可以將多端口的分布式新能源供電直接切斷，從而有效地防止了網(wǎng)絡(luò)中的孤島操作。

6 分布式發(fā)電自身的保護(hù)配置

我國已為分布式發(fā)電制定了適當(dāng)?shù)谋Ｕ洗胧?，分布式發(fā)電的特殊保護(hù)可以提高配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，并與分布式配電系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)合作，補(bǔ)充互聯(lián)保護(hù)。一般而言，互聯(lián)保護(hù)有幾個主要功能。首先當(dāng)檢測到配電網(wǎng)有故障時，微電網(wǎng)和中斷的網(wǎng)絡(luò)之間的連接立即中斷，向分布式發(fā)電旁邊的負(fù)載供電，電壓和頻率繼電器決定發(fā)電機(jī)或負(fù)載是否被打開。然后應(yīng)在電網(wǎng)故障恢復(fù)后檢查繼電器，記錄微電網(wǎng)和電網(wǎng)的電壓、頻率和偏轉(zhuǎn)角參數(shù)，必要時重新建立微電網(wǎng)和電網(wǎng)的連接。

繼電器可以檢查電流的方向，如果檢測到微電網(wǎng)開始向電網(wǎng)供電，那么就會解除電源。此外，還需要注重對孤島現(xiàn)象的檢測，即如何快速識別電網(wǎng)或電網(wǎng)與微電網(wǎng)連接處的故障原因，以便更快速地斷開兩個系統(tǒng)，保持配電網(wǎng)的電壓和頻率參數(shù)穩(wěn)定，使得重合閘可以采取適當(dāng)?shù)拇胧?，確保電力供應(yīng)。在孤島的情況下，分布式電源難以保持微電網(wǎng)的電壓和頻率參數(shù)與連接到電網(wǎng)時相同，并且會出現(xiàn)波動。因此，頻率可變性原則被用來確定是否發(fā)生了孤島現(xiàn)象。

7 結(jié)語

分布式新能源的優(yōu)勢在于，在應(yīng)用于電力系統(tǒng)時，對環(huán)境起到了積極正向的影響作用，可以滿足目前我國對于電力的大量需求，對我國電力工業(yè)的發(fā)展起著重要作用，可以有效減少電力傳輸損耗。然而，分布式新能源也有較大弊端，如改變了電力分配，使繼電保護(hù)變得困難。因此，在新能源的分配上應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｕ洗胧?，消除對繼電保護(hù)的影響，促進(jìn)中國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。