分布式電源接入對(duì)江門(mén)配電網(wǎng)保護(hù)的影響研究

姚軍艷

(江門(mén)明浩電力工程監(jiān)理有限公司，廣東 江門(mén) 529000)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和電力行業(yè)的飛速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量以及安全可靠性要求日益提高，而目前電力工業(yè)在向“大電網(wǎng)、大機(jī)組”模式發(fā)展的過(guò)程中，不可避免的存在著系統(tǒng)不穩(wěn)定的弊端，不能靈活跟蹤負(fù)荷變化，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的負(fù)荷不能進(jìn)行理想供電，局部事故極易擴(kuò)大為大面積的電網(wǎng)事故，嚴(yán)重影響著重要用戶(hù)供電;同時(shí)，大量地消耗以煤為主的化石能源所帶來(lái)的日益嚴(yán)重的污染，以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，使得研究利用清潔能源和可再生能源發(fā)電成為迫在眉睫的課題。在此背景下引發(fā)了社會(huì)各界對(duì)分布式發(fā)電的關(guān)注。

1 分布式電源的概念

分布式發(fā)電(Distributed Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DG)是指區(qū)別于集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)發(fā)電形式，其功率在幾十千瓦到幾十兆瓦范圍內(nèi)，分布在負(fù)荷附近的清潔環(huán)保的，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的發(fā)電方式。它可以起到節(jié)約能源、削峰填谷、緩建輸配電設(shè)備、減少線(xiàn)損、提高供電可靠性等經(jīng)濟(jì)效益。由于DG容量小，電壓低，一般直接通過(guò)變壓器在配網(wǎng)接入電力系統(tǒng)，因此對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行影響最大，而配網(wǎng)又是和電力用戶(hù)聯(lián)系最為緊密的環(huán)節(jié)，因此研究分布式電源對(duì)繼電保護(hù)關(guān)鍵問(wèn)題的影響，對(duì)實(shí)際配電網(wǎng)的運(yùn)行與控制有著很現(xiàn)實(shí)的意義。

2 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)簡(jiǎn)介

圖1 線(xiàn)路模型

配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，主要包括放射式接線(xiàn)、樹(shù)干式接線(xiàn)和環(huán)網(wǎng)式接線(xiàn)方式，其形式主要取決于對(duì)供電可靠性的要求。中國(guó)城鄉(xiāng)大多數(shù)的配電系統(tǒng)仍然以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)有許多優(yōu)點(diǎn)，比如接線(xiàn)可靠、保護(hù)整定容易、擴(kuò)容簡(jiǎn)單等。

目前江門(mén)中、低壓配電網(wǎng)主要是單側(cè)電源輻射型供電網(wǎng)絡(luò)，其電流、功率的方向是恒定的，因此繼電保護(hù)的配置也是基于單端電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。配電網(wǎng)饋線(xiàn)保護(hù)一般配置為傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，即電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。電流速斷、限時(shí)電流速斷和過(guò)電流保護(hù)都是反應(yīng)于電流升高而動(dòng)作的保護(hù)方式。它們之間的主要區(qū)別在于按照不同的整定原則來(lái)選擇起動(dòng)電流，所謂起動(dòng)電流是指使保護(hù)裝置起動(dòng)的最小電流值，它所代表的意義是：當(dāng)在被保護(hù)線(xiàn)路的一次側(cè)電流達(dá)到這個(gè)數(shù)值時(shí)，安裝在該處的這套保護(hù)裝置就能夠起動(dòng)。電流速斷保護(hù)按照躲開(kāi)線(xiàn)路末端故障產(chǎn)生的最大三相短路電流的方法整定，不能保護(hù)線(xiàn)路的全長(zhǎng)；限時(shí)電流速斷保護(hù)按照躲開(kāi)相鄰元件電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流整定，能夠保護(hù)線(xiàn)路的全長(zhǎng)；定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)按照躲開(kāi)線(xiàn)路最大負(fù)荷電流來(lái)整定，作為相鄰線(xiàn)路保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，能夠保護(hù)相鄰線(xiàn)路的全長(zhǎng)。

3 分布式電源接入江門(mén)配網(wǎng)對(duì)保護(hù)的影響

3.1 分布式電源接入對(duì)保護(hù)影響分析

分布式電源對(duì)配電網(wǎng)主要的影響是在發(fā)生故障時(shí)將對(duì)故障點(diǎn)提供故障電流。不同類(lèi)型的分布式電源提供的短路電流不同。從研究繼電保護(hù)的角度而言，分布式電源模型可以用一個(gè)電源串聯(lián)電抗的模型來(lái)表示，因此需要考慮的是，在故障發(fā)生時(shí)分布式電源能夠提供多大的故障電流。不同類(lèi)型的分布式電源其電抗值是有差別的，它表征了該電源的故障電流注入能力。此外，在不改變分布式電源接入位置的情況下，隨著分布式電源容量的改變，發(fā)生短路故障時(shí)，配電網(wǎng)中的短路電流有著較大的改變。與不接分布式電源相比，在同一點(diǎn)發(fā)生故障，流過(guò)分布式電源下游保護(hù)的短路電流增大，在不改變保護(hù)定值的情況下，這將使下游保護(hù)的保護(hù)范圍增大；隨著容量的增加，分布式電源的助增能力越大，伸入下一段保護(hù)的范圍越大，繼電保護(hù)的選擇性將得不到滿(mǎn)足。

3.2 分布式電源的不同接入點(diǎn)對(duì)江門(mén)配電網(wǎng)保護(hù)的影響

分布式電源相對(duì)于保護(hù)的位置不同，會(huì)有不同的影響效果。

川島110千伏線(xiàn)路情況：2010年7月8日，總投資5.3億元的110千伏川島聯(lián)網(wǎng)供電工程正式竣工投運(yùn)。川島聯(lián)網(wǎng)供電工程包括新建110千伏上川、下川變電站兩座，擴(kuò)建大陸側(cè)110千伏海宴變電站，其110千伏輸電線(xiàn)路采用架空線(xiàn)路及海底電纜相結(jié)合的方式建設(shè)，總長(zhǎng)66.3千米 （其中兩段海底電纜共12.182千米），4臺(tái)有載調(diào)壓主變壓器容量總計(jì)10.3萬(wàn)千伏安。

目前，中廣核臺(tái)山川島風(fēng)電公司在江門(mén)電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)有上川島風(fēng)電場(chǎng)和下川島風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量12.775萬(wàn)千瓦，其中上川島風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量8.5萬(wàn)千瓦，以110千伏接入上川站，于2010年8月投運(yùn)，后續(xù)將增加10千伏接入；下川島風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量4.275萬(wàn)千瓦，以10千伏接入下川站。

圖2 臺(tái)山電網(wǎng)局部接線(xiàn)圖

為分析方便，首先我們對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行建模，對(duì)物理模型進(jìn)行分析，來(lái)比較分布式電源接入點(diǎn)不同位置對(duì)江門(mén)電網(wǎng)的影響。

以江門(mén)臺(tái)山電網(wǎng)為例進(jìn)行建模，在下圖中，電源S表示銅鼓電廠的等值效果，電源S到LD3之間等值為海上線(xiàn)（海宴站至上川站），其中P2等值為下川站，電源S到LD1之間等值為海宴站外網(wǎng)情況，以下按DG（風(fēng)電場(chǎng)）接入江門(mén)臺(tái)山電網(wǎng)系統(tǒng)位置的不同，分兩種情況進(jìn)行討論分析。

3.2.1 在線(xiàn)路末端并入DG

圖3 線(xiàn)路末端并入DG

如圖3所示，在線(xiàn)路的末端并入DG（上川風(fēng)電）。

此時(shí)系統(tǒng)S和DG之間的區(qū)段由原來(lái)的單電源輻射供電變成雙電源供電，其他區(qū)段仍為單電源供電。系統(tǒng)短路點(diǎn)位置不同，DG的并入對(duì)各保護(hù)動(dòng)作行為的影響也不同，具體分析如下：

1）DG下游F1點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)DG上游F1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，由于保護(hù)P3、P4感受不到故障電流，因而其動(dòng)作行為不受DG并入的影響。流過(guò)故障點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)S和DG兩者共同提供，但流過(guò)保護(hù)P1、P2的短路電流僅由系統(tǒng)S提供，P1、P2感受到的短路電流的大小和方向均與并入DG前相同，故保護(hù)的動(dòng)作行為不受DG并入的影響，P2能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路。

2）DG上游F2點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)DG上游F2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)P3、P4同樣感受不到故障電流，因而其動(dòng)作行為也不受DG并入的影響。流過(guò)故障點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)S和DG兩者共同提供，但流過(guò)保護(hù)P1的故障電流僅由系統(tǒng)S提供，保護(hù)動(dòng)作行為不受并入DG的影響，Pl能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路。F2點(diǎn)故障時(shí)，P2能感受到DG提供的短路電流，此時(shí)有兩種可能：一是DG提供的短路電流足夠大，P2能可靠動(dòng)作并切除本線(xiàn)路，然后由DG獨(dú)立地向LD3供電，形成所謂的電力孤島；二是采取“反孤島(anti—islanding)”策略，使并入配電網(wǎng)的DG瞬時(shí)感應(yīng)電壓驟降或主網(wǎng)服務(wù)的中斷而與系統(tǒng)自動(dòng)解列。

3）同一母線(xiàn)的其他饋線(xiàn)F3點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)與并入DG的線(xiàn)路共母線(xiàn)的其他饋線(xiàn)在F3發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流由系統(tǒng)S和DG共同提供，P3能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路；但當(dāng)F3點(diǎn)故障時(shí)，保護(hù)Pl、P2均能感受到由DG提供的短路電流，由于P2原有整定的動(dòng)作值和動(dòng)作延時(shí)都比P1小，若DG容量過(guò)大，則P2會(huì)誤動(dòng)并切除本線(xiàn)路，此時(shí)為避免電力孤島，DG應(yīng)與系統(tǒng)自動(dòng)解列。

4）同一母線(xiàn)的其他饋線(xiàn)F4點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)F4點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，分析同(3)，最理想的情況是僅由P4動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路，但也存在另外兩個(gè)問(wèn)題，即：1.DG容量過(guò)大，使P2誤動(dòng)并切除本線(xiàn)路，此時(shí)DG應(yīng)與系統(tǒng)自動(dòng)解列；2.DG提供的短路電流不足以使P2動(dòng)作，但此時(shí)由于P3感受到的短路電流由系統(tǒng)S和DG共同提供，流過(guò)P3的短路電流增大，將可能導(dǎo)致其瞬時(shí)速斷保護(hù)躲不開(kāi)F4點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的短路電流而誤動(dòng)，將本線(xiàn)路切除，從而使保護(hù)失去選擇性。因此，在這種情況下必須限制DG的容量以保證保護(hù)的選擇性。

3.2.2 在線(xiàn)路中間位置并入DG（下川風(fēng)電）

圖4 線(xiàn)路中間位置并入DG

如圖4所示，在其中一條饋線(xiàn)的中間位置并入DG。

此時(shí)系統(tǒng)與DG之間的區(qū)段為雙電源供電，其他區(qū)域仍為單電源供電。系統(tǒng)短路點(diǎn)位置不同，DG的并入對(duì)各保護(hù)的影響也不同，具體分析如下：

1）DG下游Fl點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)DG下游Fl點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，P3、P4感受不到故障電流，因而保護(hù)動(dòng)作行為不會(huì)受到DG并入的影響。流過(guò)P2的故障電流將由系統(tǒng)S和DG共同提供，保護(hù)能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路。值得注意的是，此時(shí)流過(guò)保護(hù)P1的故障電流雖也僅由系統(tǒng)S提供，但此故障電流比并入DG前F1發(fā)生短路時(shí)流過(guò)Pl的故障電流要小(且并入的DG容量越大，F(xiàn)l發(fā)生短路時(shí)P1感受到的故障電流越小)，因而P1的靈敏度將有所降低。

2）DG上游F2點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)DG上游F2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)P3、P4感受不到故障電流，其動(dòng)作行為不會(huì)受到DG并入的影響。同(1)中情況一樣，流過(guò)保護(hù)P1的故障電流雖只由系統(tǒng)s提供，但該故障電流比并入DG前要小，從而使得Pl的靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)Pl甚至?xí)軇?dòng)。可見(jiàn)，必要時(shí)應(yīng)限制并入系統(tǒng)的DG容量。

3）同一母線(xiàn)的其他饋線(xiàn)F3點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)F3點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，P2感受不到故障電流，其保護(hù)動(dòng)作行為不會(huì)收到影響。流過(guò)P3的故障電流由系統(tǒng)S和DG共同提供，保護(hù)能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路。但當(dāng)F3點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)P1能感受到DG提供的短路電流，若DG容量過(guò)大，則P1會(huì)誤動(dòng)并切除本線(xiàn)路，此時(shí)DG應(yīng)與系統(tǒng)自動(dòng)解列。

4）同一母線(xiàn)的其他饋線(xiàn)F4點(diǎn)發(fā)生短路故障

當(dāng)F4點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，P2感受不到故障電流，其保護(hù)動(dòng)作行為不會(huì)受到影響。P4感受到的故障電流由系統(tǒng)S和DG共同提供，保護(hù)能可靠動(dòng)作并切除故障線(xiàn)路。但當(dāng)F4點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)Pl能感受到DG提供的短路電流，若DG容量過(guò)大，則P1會(huì)誤動(dòng)并切除本線(xiàn)路，此時(shí)DG應(yīng)與系統(tǒng)自動(dòng)解列。流過(guò)保護(hù)P3的故障電流由系統(tǒng)S和DG共同提供，流過(guò)P3的故障電流增大，可能會(huì)導(dǎo)致其瞬時(shí)速斷保護(hù)躲不開(kāi)F4點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)的短路電流而誤動(dòng)，將本線(xiàn)路切除，從而使保護(hù)失去選擇性。

4 結(jié)論與展望

配網(wǎng)系統(tǒng)中并入DG對(duì)電流保護(hù)的影響主要表現(xiàn)如下：一是，導(dǎo)致非故障線(xiàn)路保護(hù)誤動(dòng)，從而使保護(hù)失去選擇性，擴(kuò)大事故影響范圍；二是，導(dǎo)致本線(xiàn)路保護(hù)靈敏度降低，嚴(yán)重時(shí)保護(hù)拒動(dòng)。同時(shí)也可以看出，DG對(duì)三段式過(guò)流保護(hù)的影響與DG的容量大小及接入配電系統(tǒng)的位置有關(guān)，并入系統(tǒng)的DG容量不宜過(guò)大，在DG容量一定的情況下，并入線(xiàn)路末端時(shí)對(duì)保護(hù)的影響較小，在DG容量較大時(shí)，可以事先校驗(yàn)各極端情況下的電流保護(hù)定值及靈敏度，必要時(shí)還可以考慮為電流保護(hù)加設(shè)方向元件?？偟膩?lái)說(shuō)，分布式電源接入會(huì)對(duì)配電網(wǎng)在電壓質(zhì)量、保護(hù)、故障恢復(fù)等方面產(chǎn)生較大的影響，下一步我們將進(jìn)一步作研究。

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