配电网继电保护受分布式发电的影响分析

配电网继电保护受分布式发电的影响分析
【摘要】随着电力行业的告诉发展，分布式发电在世界各地的应用也越来越广泛。

分布式电源的接入同样会给配电系统带来一些影响，本文就可能出现的问题提出一些建议，希望能够帮助解决分布式电源接入所造成的各种弊端。

【关键词】分布式发电；配电网；继电保护
1 引言
不同于传统配电网的单电源的放射状链式结构，分布式发电DG（Distributed Generation）将原来放射式的无源网络转化为一个分布有中小型电源的有源网络，潮流也因此不仅仅是单向地由变电站母线流向各负荷。

这些变化令电网的各种保护机理和定制也发生了巨大的变化[1]。

原先的继电保护是假设配电系统均为呈放射状的链式结构，以此为基础设计的。

DG设备大量接入配电网后，使得相对应的供电系统的结构方面受到较大的影响，短路电流在配电网中的分布也发生了改变。

除此之外，在该区域配置安全自动装置和整定动作及配电系统继电保护的难度在一定程度上也有提升，这将更大可能地使得继电保护及安全自动装置发生误动或者拒动。

2分布式发电的概述
当今世界电力行业的高速发展，分布式发电作为一种新兴的发电方式在全球迅速发展并广泛应用。

分布式发电通常以可再生能源（光伏发电、太阳能、风能、小水电、内燃机、燃料电池、燃气汽轮机和微型燃气汽轮机等）进行发电，也包括使用垃圾或生物质等物质发电。

应用分布式发电主要是用户自行安装的小型发电机组，其供电时既可以脱离公共电网，也可接入公共电网。

DG在电力系统的运行中的优势有：（1）稳定性较强，弥补了大电网在此方面的不足；（2）能够实现冷热联产；（3）能源利用率高且环保；（4）无需要建设配电站及架设长距离输电线路，降低了成本。

但是，DG接入配电网后会对其故障电流的大小和分布等等产生影响，且配电网潮流的不确定性在一定程度上会对继电保护的运行管理有一定的影响，因此需要对配电网继电保护受分布式发电的影响进行分析并解决相关问题。

3 分布式发电接入引起的配电网保护问题
3.1 分布式发电对故障电流水平和过电流保护的影响
可以用短路电流水平fL来表示短路电流和短路容量这两个表征短路故障严重程度的重要指标。

fL= i =1| zth| (1)
式中: Zth代表配电网的等效阻抗的标幺值，i则是配电网的短路电流标幺值，该短路电流与额定电流相关联;。

当电流基准值等于配电网的额定电流时,通常的短路电流标幺值水平范围是10—15。

要使不同种类的过电流保护系统均能正常工作，必须要满足一个前提：即发生短路故障时,要产生一个远大于额定电流或者运行电流的故障电流。

在过电流保护装置动作之前，有一个持续工作的电源维持故障电流,才能实现过电流保护的正常工作。

但由于分布式电源内存在的大量电力电子设备,并不能长时间地维持有故障电流,这就使得过电流保护系统不能正常工作。

与此同时,当分布式发电接入配电网时,等效阻抗Zth会有所降低,这不仅增加了短路电流水平,还升高了故障电流。

如果没有想到分布式发电接入所带来的影响选择过电流保护元件,会导致开断容量达不到要求。

在配置继电器时还应考虑到分布式发电接入后带来的影响，正确测量实际的故障电流才能进一步保证过电流保护系统能够正常动作。

图1为配电系统，
以此为例进行说明。

图1 DG接入配电网对过电流保护的影响单线图
图1中，母线b3处接入的分布式电源用于为系统中部分负荷供电。

假定在点a 发生短路,无穷大电源提供一部分电流,分布式电源也提供以部分电流，这两部分电流共同组成了短路电流。

If= Inw+Idg (2)
如果继电保护装置R仅测量从配电网馈线流过的电流Inw而不考虑DG接入的影响,则会由于实际故障电流的测量一部分而非全部而无法正确动作。

尤其是高阻抗故障,接入分布式发电会影响反时限过电流保护系统,可能出现在整定时间内无法动作的情况。

Ifb2= Inw-Idg (3)
当母线b2处短路,分布式发电接入会使得故障电流出现另种情况。

参考图1,b2短路时分布式发电对短路电流的贡献会从b3到b2的方向流过过电流保护装置R。

式（3）表述的是b2短路时流过R的电流。

如果方向过流保护的构成中R选用方向继电器,分布式发电的贡献电流会对保护动作产生不利影响。

由此我们可知,短路电流幅值、方向和持续时间都会因分布式发电接入配电网而产生影响,对短路持续时间的影响主要由过电流继电器的反时限特性造成。

3.2 分布式发电对自动重合闸的影响
电源的放射性结构，瞬时性故障线路迅速恢复供电后，配电网并不会遭受自动重合闸的任何有害影响。

相比之下，DG的接入后，若遭受故障跳闸，线路就会与系统电源断开，保证由分布式电源和负荷所形成地电力孤岛能使保持功率和电压在额定值附近运行。

然而，电力孤岛看似正常运行，却也给自动重合闸带来了双重威胁[2]。

一方面是故障点电弧重燃。

在失去系统侧电压后，分布式发电可能继续供电给故障点，进行重合闸时，故障点电弧的熄灭受到了DG所提供的电流的阻碍，引起故障点电弧重燃，令绝缘击穿，此时瞬时性故障将进一步扩大为永久性故障[3]。

另一方面是非同期合闸。

以图2为例，图二为某次非同期重合闸产生的冲击电流的波形。

DG 有可能在系统侧电源断开至自动重合闸动作这段时间内加速或者减速运转，系统侧电源保持完全同步是有一定困难的，在两者之间会有一个相角差出现。

相角差逐渐增到直到一定程度时，馈线保护可能在由非同期重合闸引起的冲击电流的作用下出现误动作，使自动重合闸丧失迅速恢复瞬时故障的能力。

与此同时，冲击电流对配电网和DG设备也可能带来致命危害。

图2 非同期重合闸产生的冲击电流波形图
因此，只有保证系统侧重合闸继电器需检线路无压，DG侧检同期，才能避免非同期重合闸给配电系统和DG设备带来的冲击。

同时，自动重合闸的正常工作也会由于DG的接入而产生巨大的影响。

低周、低压的解列设备应被安装在DG侧。

3.3 分布式发电对分支电路的影响
3.3.1 熔断器保护的原理
图3为配电网局部结构图（不含DG），熔断器保护是我国配电网常用的保护形式。

熔断器的作用是，当超额的大电流出现在分支线时，熔体或者熔丝会被电流经过熔体时产生的热量熔断，故障线路由此被切除。

DG接入前，当K1点故障时，熔断器F4动作切除故障，而F5不应动作。

图4显示的即为F5~F4之间的时间-电流曲线[4]，其中TC（Total Clearing)代表熔断器的最小溶解曲线。

图4中，F4的MM和TC均在F5之下，当F5和F4感受到同样强度的故障电流，F5熔断比F4更费时，所以总是F4先熔断后F5再熔断，这就实现了熔断器保护的选择性。

同样地，F3和F2、F2和F1的配合可参照F5~F4。

图3 配电网熔断保护器的设置
图4 熔断器F5~F4之间的时间-电流曲线
3.3.2 DG对熔断器保护的影响
若DG接入分支线上，则熔断器保护将受到影响。

如图3所示，在CD段接入DG，当k1点发生故障时，DG的接入会从两个方面威胁到保护熔断器。

一方面，故障点k1的反向故障电流是由DG通过F2和F3提供的，当DG有足够大的容量时，因为熔断器不能判断电流的方向，这个反向的故障电流可能会过大，导致F2或F3损坏或熔断，这在保护设置的原则中是不允许的。

另一方面，根据保护的选择性原则只需F4熔断，F5不受影响，当DG和系统侧电源都为故障点k1贡献故障电流，由图4可看到，这个电流值超出一定值时，上级F5和下级F4可能会同时损坏甚至是熔断，显然，熔断器保护的配合关系因DG的引入而被破坏了。

4 结语
分布式发电这样一种新兴的高效、清洁的发电方式，一定会广泛地应用于未来的电力系统中。

然而，配电网的内部结构以及配电网的短路电流的流向、大小及其分布必将因为大量分布式电源接入配电网而产生深刻地影响，对配电网继电保护产生不同方面的影响。

因此为实现配电网供电的供电质量和可靠性有所提高，对配电网继电保护及其动作行为受分布式发电的影响进行分析，对分布式发电的推广和应用是有重大意义的。

【参考文献】
[1] Ackerman T，Anderson G，Seder L． Distributed Generation: a
Definition[J] ． Electric Power System Research，2001，57(6)：195-204.
[2] 王希舟，陈鑫.分布式发电与配电网保护协调性研究[J].继电器，2006，34(3)：15-19.
[3]Kumpulainen L K, Kauhaniemi K T. Analysis of the Impact of Distributed Generation on Automatic Reclosing [ J ] . IEEE,2004
[4] Girgis A, Brahma S.Effect of Distributed Generation on Protective Device Coordination in Distribution System [C]//2001 Large Engineering Systems Conference on Power Engineering, Canada, 2001:115-119..。