含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)保護技術研究

朱雪凌，呂靈芝，，于鵬杰

(1.華北水利水電大學，河南鄭州450011;2.許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000)

1 概述

隨著能源環(huán)境問題的日益突出和國家對智能電網(wǎng)發(fā)展的推進，微電網(wǎng)及其關鍵技術成為世界各國關注的熱點。微電網(wǎng)是分布式清潔能源接入電網(wǎng)的主要形式之一，也是電能供給就地平衡的主要方法之一。微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的補充和支撐的協(xié)調(diào)關系，不僅可以保證微電網(wǎng)的電能供給品質(zhì)，也可以減輕主電網(wǎng)的輸電壓力，是未來電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一。

2 常規(guī)配電網(wǎng)保護配置現(xiàn)狀

一般說來，常規(guī)中壓配電網(wǎng)為10 kV 的單向輻射型網(wǎng)絡或“手拉手”環(huán)網(wǎng)型開環(huán)運行方式，對于單向輻射型網(wǎng)絡配電網(wǎng)繼電保護，一般配置傳統(tǒng)的三段式電流保護:瞬時電流速斷保護;限時電流速斷保護;定時限過電流保護。對于電纜線路，故障一般是永久性的，一般不配置重合閘，架空線路可配置重合閘。對于“手拉手”環(huán)網(wǎng)型的網(wǎng)絡結構，采用重合器模式實現(xiàn)配電自動化，配電網(wǎng)保護采用階段式電流保護與重合器、分段器配合實現(xiàn)故障的隔離。常規(guī)低壓配電系統(tǒng)保護配置通常采用帶繼電保護的低壓斷路器及熔斷器保護、熱繼電器保護等。

3 微電網(wǎng)對配電網(wǎng)保護的影響

微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)運行時，潮流出現(xiàn)雙向流動，對單向輻射性配電網(wǎng)帶來的影響主要有末端故障電流助增保護靈敏度降低問題、相鄰線路保護誤動及重合閘不成功等問題。同時，基于分布式發(fā)電的微電網(wǎng)有多種運行方式，其改變會影響繼電保護方案和整定計算的數(shù)值。

3.1 微電網(wǎng)對主饋線電流保護的影響

圖1 為含分布式電源的10 kV 配電網(wǎng)結構圖。圖2、圖3中Es、Xs為系統(tǒng)電源的電勢和等值電抗;EDG、XDG為分布式電源的電勢和等值電抗;XT為變壓器的等值電抗;XAB、XBC為線路AB 段和BC 段的等值電抗。以上參數(shù)均取標幺值。

圖1 含分布式電源的配電網(wǎng)結構圖

圖2 K1 處故障的等值電路圖

圖3 K2 處故障的等值電路圖

3.1.1 增大線路的保護范圍

圖1 中K1點短路，DG 并網(wǎng)前后流過保護2 的故障電流分別為 IK2，I'K2。

由此可見，DG 對流過保護2 的短路電流有助增作用，增大其保護范圍，可能使I 段保護延伸到下一段線路。

3.1.2 減小線路的保護范圍

圖1 中K1點短路，DG 并網(wǎng)前后流過保護1 的故障電流分別為 IK1，I'K1。

由此可見，DG 減小了系統(tǒng)側電源流過保護1 的短路電流，使保護1 的保護范圍減小。

3.1.3 導致線路保護誤動作

圖1 中K2點短路，對于保護1，DG 并網(wǎng)前沒有短路電流流過，DG 并網(wǎng)后會提供反向的短路電流I″K1。

如果DG 的容量較大，I'K1將導致保護1 誤動作。

3.2 微電網(wǎng)對重合閘的影響

對于放射狀配電網(wǎng)結構，重合閘在快速恢復瞬時性故障線路的供電時，不會對配電系統(tǒng)產(chǎn)生太大的沖擊和破壞，保證供電可靠性。DG 并網(wǎng)后，若線路發(fā)生故障，保護動作僅隔離了系統(tǒng)電源與故障點的電氣聯(lián)系，而DG 則有可能沒有跳離線路，與配電網(wǎng)相連繼續(xù)工作，在電網(wǎng)中形成由DG 單獨供電的電力孤島，這些孤島仍保持功率和電壓在額定值附近運行，給重合閘帶來的不利因素有:①非同期合閘，是指失去系統(tǒng)電源后，DG 可能加速或者減速運行，致使電力孤島與電網(wǎng)不能保持同步，出現(xiàn)一個相角差，由于非同期合閘引起的沖擊電流很大，線路保護可能再次動作，系統(tǒng)電源投入失敗。②故障點電弧持續(xù)，是指由于保護動作僅斷開了系統(tǒng)電源，DG 可能繼續(xù)向故障點提供短路電流，致使故障點不能熄弧，這樣瞬時性故障變成永久性故障，重合閘失敗。

3.3 微電網(wǎng)對分支線路重合器、分段器和熔斷器的影響

基于斷路器的電流保護一旦動作，將導致整條線路斷電，因此在分支線路上一般采用重合器、分段器和熔斷器等組成的保護，DG 并網(wǎng)后會破壞各元件之間的配合，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

圖4 分支線路重合器、分段器保護

3.3.1 導致重合器誤動作

圖4 中K1點故障，DG 會通過本線路對故障點提供短路電流。如果此電流足夠大，將導致重合器R2誤動作。3.3.2 導致分段器不能正常分斷

圖4 中K2點故障，重合器R2跳開系統(tǒng)電源，但DG 仍然對其下游線路供電，分段器S2和S3始終有電流流過，不能正常分斷。

圖5 分支線路熔斷器保護

3.3.3 破壞熔斷器之間的保護配合

圖5 中 K1點故障，DG 并網(wǎng)前，熔斷器 FU1和 FU2通過相等的短路電流，F(xiàn)U1的熔斷時間大于 FU2，因此 FU2優(yōu)先于FU1熔斷，隔離了故障部分，使停電面積最小;DG 并網(wǎng)后，K2點故障，熔斷器FU1和FU2仍通過相等的短路電流，但此時卻需要FU1優(yōu)先于FU2熔斷，即需要FU1的熔斷時間小于FU2，破壞了熔斷器之間的保護配合。

4 改進措施

保護裝置的誤動作和拒動作造成配電網(wǎng)故障時正常區(qū)域供電中斷，故障區(qū)域不能及時隔離。針對含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)，可通過改進措施以滿足繼電保護選擇性、靈敏性、速動性和可靠性要求。

1)考慮微電網(wǎng)接入后重新整定各保護裝置的啟動電流，同時在保護1 上加裝功率方向閉鎖元件，該元件只當短路功率方向由母線A 流向母線B 時動作;而當短路功率方向由母線B流向母線A 時不動作，避免了保護的誤動作和拒動。但這種措施僅適用于含DG 的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行狀態(tài)，因為當DG 單獨供電時需要再次整定各保護裝置的啟動電流。

2)為了消除微電網(wǎng)對重合閘的影響，需在DG 側裝設低周、低壓解裂裝置，通過適當延長重合閘動作時間，使DG 在合閘前斷開與故障點的聯(lián)系，同時系統(tǒng)側檢線路無壓，DG 側檢同期。

3)采用基于電壓擾動的反時限加速保護策略。此保護不僅可以準確地判斷故障的類型和位置，而且能夠保證系統(tǒng)在發(fā)生故障時具有優(yōu)良的動作性能，滿足繼電保護選擇性和快速性的要求。

基于電壓擾動的反時限加速保護策略實際上是一種根據(jù)分布式電源輸出電壓發(fā)生擾動的情況來判斷微電網(wǎng)內(nèi)部是否發(fā)生故障，以及發(fā)生了何種類型的故障的一種保護。同時，此保護還可以根據(jù)擾動電壓的強弱來控制保護的動作速度。它是一種適用于微電網(wǎng)自身保護的快速檢測方法。

4)給微電網(wǎng)系統(tǒng)加裝故障限流器。限流器在檢測到線路短路故障后表現(xiàn)為高阻抗，通過快速改變故障線路的阻抗參數(shù)，將短路電流限制在低水平，而在正常負荷條件下阻抗為零，解決了故障時DG 提供的助增電流影響配電網(wǎng)電流保護的問題［12］。同時，由于故障電流變得很小，基于重合器、分斷器、熔斷器的支線保護能夠正常工作。

5 結語

微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行影響到配電網(wǎng)的故障電流，使原有的保護動作整定值不再適用，給重合閘帶來了不利因素，同時也擾亂了基于重合器、分斷器、熔斷器等自動化電器的支線保護。本文分析了微電網(wǎng)的接入對配電網(wǎng)繼電保護的影響，通過構建案例驗證了理論分析的正確性，并針對上述問題提出了改進措施。

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