宋志明 荀堂生 王莉 山东省电力学校，山东泰安 271000

分布式电源对配电网保护的影响分析

宋志明 荀堂生 王莉 山东省电力学校，山东泰安 271000

本文通过介绍分布式电源及分布式电源的接入配电网方式，从继电保护的灵敏度、可靠性、重合闸等几个方面详细分析了分布式电源对配电网继电保护的影响，提出了目前新兴分布式电源的接入配电网继电保护所面临的问题，并指出新型继电保护方能解决这一问题。

分布式电源；配电网；继电保护；分析

一 概述

分布式发电就是利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源如太阳能、地热能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等和本地可以方便获取的化石类燃料（主要指天然气）进行发电供能。分布式发电技术和储能技术合称为“分布式电源”。目前，对这一新的发电形式的正式称谓还不统一。在英属国家，习惯叫做“嵌入式发电”(Embedded Generation)；在北美，叫做“分布式发电”(Dispersed Generation)；在欧洲和亚洲的部分国家，叫做“非集中式发电”(Decentralized Generation)，简称DG。

随着地球资源的日渐枯竭和人们环保意识的普遍加强，世界各国都对一次能源、可再生能源的充分利用给予了高度的重视，促使了一种新兴的高效、环保的发电技术——分布式发电（DG）飞速发展。近年来，分布式发电供能在发达国家得到大力的推广应用。据报道，2010年之前全世界累计新增发电容量的25%～30%将来自于分布式发电供能系统。我国在能源发展“十一五”规划中提出了“努力构筑稳定、经济、清洁的能源体系，以能源的可持续发展支持我国经济社会的可持续发展”的指导方针。采用分布式发电技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，是实现我国“节能减排”目标的重要举措。在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”，开展分布式发电技术方面的研究工作符合国家重大需求。

分布式电源的规模一般不大，大约在几十千瓦至几十兆瓦。一般而言，分布式电源是直接接入配电系统（380V或10kV配电系统）并网运行或采取独立运行的方式。分布式电源接入配电网后，使传统的单电源辐射网络变成了一个多源网络。正常运行时，网络中的潮流分布及系统故障时短路电流的大小、流向和分布，均会发生变化。传统配电网中保护设备之间建立起来的配合关系也将被打破，保护的动作行为和动作性能都会受到较大的影响。

二 影响分析

以图1所示系统为例，对 DG并网后的影响进行分析。

图1 含DG的配网系统图

（1） 导致本线路保护的灵敏度降低甚至拒动

在线路L1末端发生三相短路故障F1时，DG的接入位置不同，短路电流IK的变化轨迹如图2所示，其中横坐标为DG接入点在线路L1中的相对位置；纵坐标为短路电流的标幺值。

图2 本线路发生短路时，DG对本线路故障电流的影响

随着DG容量的改变，在同一地点发生三相短路故障时，短路电流的大小也会改变。分布式电源的等效阻抗可以间接反映它的容量，一般而言，DG的容量越大，其等效阻抗值越小， 即a的取值越小，代表分布式电源容量越大。图3和图4分别为DG容量变大后的短路电流变化曲线图。

图3 改变DG容量（a=2）对Ik的影响 图4改变DG容量（a=1.2）对Ik的影响

可以看出，随着DG容量的增加，当DG在某一个范围（x大约为0.3～0.9）接入配电网时，会使保护1的过电流保护也不能动作，此时发生故障会使保护1拒动。随着DG 容量的进一步增加，会发现导致保护1拒动的DG接入范围越来越大。

由上述分析可见，DG接入之后，DG和系统都会对故障点提供短路电流，但保护1处只能感受到系统提供的短路电流，在其他条件不变的情况下，该电流将会因DG的助增作用而减小，在保护定值不变的情况下，其灵敏度将会降低，严重时甚至会缓动或拒动。DG的容量越大，对配网保护灵敏度的影响也就越大。

（2） 导致本线路保护误动

以图1为例， 如果在相邻线路L2距离母线y处发生三相短路故障(假设两条线路具有相同的长度和单位阻抗)，则等效电路图如图4。

保护1检测到的故障电流值IK可近似描述为：

当故障F2发生在母线处（y=0，a=3），随着DG接入位置x的改变，保护1检测到的故障电流Ik如图5所示，图中横坐标为DG接入点在线路中的相对位置；纵坐标为短路电流的标幺值。

图4 系统等效电路图

图5 相邻线路母线发生短路时DG对本线路保护的影响

由图5可知，当x大于0.64（x值越大表示DG越靠近保护1）时，保护1检测到的故障电流Ik将会大于Iset1.1，若保护1处没有安装方向元件，则保护1的电流速断保护将会误动作。

当DG的容量增加时，影响将更加明显，图6、图7所示，DG的接入位置固定时，故障发生的位置不同也将改变保护1检测到的故障电流，当取a=3，x=0.75（即DG接入距线路L1始端1/4处）时，保护1检测到的故障电流Ik随着故障点y的改变如图8所示，图中横坐标为线路L2上的故障点y距母线的相对位置；纵坐标为短路电流的标幺值。

图6 改变DG容量使a=2时对Ik的影响

图7 改变DG容量使a=1.2时对Ik的影响

由图8知，当故障发生在母线附近时，容易引起保护1的误动。当DG容量增大（a变小，取a=1.2）时，发生误动的故障区域也随之变大，如图9所示。

可见，当相邻线路L2在F2处发生故障时，在DG接入之前，保护1感受不到故障电流；DG接入之后，相同地点发生相同故障时，保护1将感受到DG提供的故障电流，如果该电流足够大，将导致保护1误动。（3）导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性

图8 相邻线路故障位置发生改变时对故障电流影响（a=3）

图9 相邻线路故障位置和DG容量发生改变时对故障电流影响

设F3处发生故障，在DG接入之前，短路电流只由系统流向故障点；DG接入后，DG和系统都会对故障点提供短路电流，此时相邻故障线路的保护（即保护2处的保护）也会感受到故障电流，将可能导致其速断保护误动，从而失去选择性。

图10 含DG的配网系统图

图11 系统等效电路图

当故障发生在距保护3的距离为y处时，等效电路如图11。保护2处检测到的故障电流可以近似用如下公式描述：

当上述参数分别取：a=2，x=0.75时，通过MATLAB可得到保护2 检测到的故障电流IK2随故障位置y的改变如图12所示，其中横坐标为线路L3上的故障点y距母线的相对位置；纵坐标为短路电流的标幺值。

图13 带手拉手开关的解环配电网

由图12可以看出，当故障发生在离保护3附近一段范围内，保护2检测到的故障电流 Ik2> Iset2.1，则保护2的电流速断将会瞬时动作。而故障发生在保护2的电流I段保护范围之外，因此保护2发生误动，失去了选择性。

（4）DG可能导致重合闸不成功

以图13 所示的一个结构简单的开环运行的配电网为例，变压器T1与T2通过馈线为负荷提供电源，在正常运行时手拉手开关D处于断开状态。如果没有分布式电源接入配电网，当第一条线路A1至B1上发生短路故障时，开关A1的电流保护动作，切除故障。B1不需要切除短路故障电流，B1检测到靠近T1端失压后，在设定的时间间隔后分断。如果F1是瞬时故障，断路器A1重合闸成功，B1检测到电压恢复，在预设的时间间隔后重合恢复供电。如果F1是永久故障，A1重合闸失败，B1闭锁，手拉手开关D动作闭合，由T2对无故障线路恢复供电。如果分布式电源DG接入配电网，当同样故障F1发生后，开关B1能否感受到短路电流取决于分布式电源DG的容量以及线路阻抗，为了正确隔离故障，保证选择性，开关B1需安装方向电流保护。如果故障点F1距离开关B1较远，而分布式电源DG的容量又不大，则开关B1将保持在闭合状态，在这种情况下，即便F1是瞬时故障，由于DG始终向故障点提供短路电流，该瞬时故障无法自行消失。开关A1重合闸失败后，故障将在配电网中持续存在，甚至有可能引发新的故障。

由以上分析可见，当DG接入之后，配电网变成多电源结构，线路故障时，如果只有系统侧保护动作跳闸而DG不跳开，则DG会继续向故障点提供短路电流，故障点仍处于游离状态。如果此时系统侧进行重合闸，必然会重合于故障状态，导致重合闸不成功。

三 结论

分布式电源的迅速发展，是电力能源的拓展方向，也为电网提出了新的挑战，本文通过上述分析得出，分布式电源接入配电网后，可导致DG接入线路保护的灵敏度降低及拒动、误动；导致相邻线路的瞬时速断保护误动，失去选择性；还可能导致重合闸不成功等，为了充分发挥分布式发电系统的作用，解决分布式电源接入配电网的安全可靠性问题，亟待研究新型配网继电保护系统，以适应新形势下的电力系统配电网对继电保护的要求，本文的分析结果将为新型继电保护的研究提供切实可行的分析依据。

[1] 章晓云. 分布式电源及其相关技术研究. 甘肃科技.2009，25（12）：40-41

[2] 宋志明. 继电保护原理与应用. 北京:中国电力出版社.2007

[3] 刘森. 含分布式电源的配电网保护研究. 天津大学硕士学位论文.天津: 天津大学. 2007

[4] 吴罡, 陆于平, 花丽丹，等. 分布式发电采用故障限流器对继电保护的影响. 江苏电机工程.2007,26(2):1-4

[5] 章杜锡, 徐祥海, 杨莉，等. 分布式电源对配电网过电压的影响. 电力系统自动化. 2007,31(12): 50-54

[6] 李斌, 刘天琪, 李兴源. 分布式电源接入对系统电压稳定性的影响. 电网技术.2009,33(3): 84-88

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.009

宋志明（1966-），男，山东省电力学校技能培训部 高级讲师，从事电力系统继电保护、自动化、直流输电等专业的教学、培训及研究工作。