智能配网中分布式电源的控制与保护技术研究

2022-02-23邓昱，赵剑

通信电源技术 2022年24期

关键词：熔断器重合选择性

邓昱，赵剑

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏南京 211106）

0 引言

近年来，由于环境遭到严重破坏，有关部门引起了高度重视，对新能源的青睐度也越来越高，新能源因此迎来了全新的发展机遇。因分布式电源具有规模小、可靠性高、灵活性高、无污染等特点，因此被广泛应用在智能配电网中，成为现阶段一种重要的发电方式[1]。

1 分布式电源概念

分布式电源是利用分散式新能源发电的一种较为小型的装置，主要安装在用户的周围。分布式发电包含多种形式，如小型风力发电、太阳能发电等无污染发电方式[2]。但是在这种分布式发电接入到配网后，会在一程度上影响配网的拓扑结构，导致电源辐射网络发生相应的变化，使其从单电源变为多电源，对配网的潮流分布造成一定影响，导致电能质量出现问题，给配网的保护和控制带来不利影响。

2 各种类型分布式电源提供短路电流的大小

不同类型的分布式电源接入到配网后，在发生故障时，分布式电源将会提供相应的电流至故障点。对于继电保护而言，发生故障时需要用一个电源串联一个电抗的模型来表示相应的分布式电源模型。因此，所研究的对象是故障发生时分布式电源能够提供电流的大小程度。由于不同类型分布式电源的电抗值不一样，表示不同类型分布式电源所提供电流的能力大小不一样，需要对各种类型分布式电源的电流注入能力进行分析。

3 分布式电源对配网保护的影响

3.1 对原配电网保护的影响

分布式电源的发展初期，其运行方式仅有一种，即并网运行。因此，在电网发生故障后，配网中的分布式电源都会退出运行状态，并且各个电源不会独立供电，给电网带来了电能质量问题。随着科学技术的飞速发展，为了满足配网发生故障时分布式电源能够独立运行，逐渐演变成了2种运行方式[3]。

目前，在我国的配电网保护技术中，最为常见的就是3段式电流保护装置。这种装置具有相应的整定值与动作时间，在配电网的保护方面有着十分重要的作用。但由于这种保护装置的配网结构属于单电源辐射网，在接入分布式电源后，配网的结构（见图1）也因此发生变化，一定程度上影响到了传统的电流保护。

图1 分布式电源接入后配电网系统

3.1.1 K2点发生故障

当图1中K2发生故障后，B3处并没有相应的电流通过，因此不会影响到相邻的馈线。经过B2处的电流由S和DG提供，在这些助增电流的影响下，会导致馈线的保护距离延长，甚至失去相应的保护。虽然B1处的电流由系统S直接提供，但故障电流比接入DG之前K2点的短路电流要小，并且在DG的容量变大以后，经过B1处的电流会变小，导致B1的灵敏度降低，失去保护效果。

3.1.2 K1点发生故障

在K1点发生故障以后，B2与B3都不会有电流经过，对保护没有产生任何影响。虽然B1的电流由S直接提供，但是经过的电流大小与接入DG时相比较小，导致B1的灵敏度降低，可能会出现保护失效。

3.1.3 K3点发生故障

在K3点发生故障时，电流不会经过B2，保护不会受到任何影响，但是B1处会有DG提供的电流。当接入DG的容量较大时，线路中的电流就会相应增大，严重时会导致B1保护产生错误，失去相应的选择性，同时系统也会随之解体。另外，当B3中同时含有S和DG提供的电流时，B3的保护距离就会相应的延长，严重时还会导致保护发生错误。

因此，在经过以上的分析后发现，当DG并入到配电网中后，对三段式电流保护会产生相应的影响，其主要表现在线路灵敏度降低，导致保护发生拒动现象，保护范围延长，保护失去选择性，从而扩大了事故发生的范围。

3.2 对自动重合闸的影响

在以往的配电网故障中，瞬时故障较多，其占比达到总故障事件的80%以上。应用自动重合闸以后，有效提升了供电的可靠性，并在一定程度上降低了停电的概率，对保护电网电力质量有着重要作用，尤其是在配电网单电源辐射型网络中的效果更为显著。因此，在将分布式电源并入到配电网后，必须在非全电缆线路处增加三相一次重合闸装置。在分布式电源并入配电网的前期，当自动重合闸恢复故障线路供电时，系统不会受到较大的影响，一般情况下故障线路都会恢复至正常状态[4]。但是在分布式电源并入到配网中后，线路会因故障的原因出现跳闸现象，导致故障线路与电网连接断开。如果分布式电源在故障后并未与配网连接断开，则会持续向负荷提供电流，此时就会形成相应的电力孤岛。就电力孤岛而言，其功率和电压都会保持在额定值左右，这些表面上处于正常状态的电力孤岛在一定程度上会损坏自动重合闸。

分布式电源与系统之间彻底断开以后，与电网的运行状态就会出现异同，导致相位差相差加大，同时非同期重合闸也会产生相应的电流和电压，对配网造成损害，这种现象不允许出现在现阶段的电力系统中。此外，当分布式电源完全与系统断开后，还会向故障点提供相应的电流，导致线路中产生持续性电弧，严重影响到自动重合闸。

3.3 对熔断器保护的影响

当线路中出现较大的电流时，熔断器就利用电流产生的热量将熔丝熔断，从而有效隔离故障线路与正常线路，但它是一次性的。在常规的配网中，熔断器安装的位置一般在配变高压侧或线路末端、分支出。不含分布式电源时熔断器之间的配合如图2所示，在熔断器F1和F2的相互作用下，有效保护了配网线路的安全。如果K5发生故障现象，那么F1和F2中的电流值就相同，但是F1的熔断时间要大于F2的熔断时间，有时在F2熔断以后，F1还未开始熔断，这种方式就有效保护了正常线路，提升了选择性。

图2 不含分布式电源时熔断器之间的配合

如果线路中存在分布式电源，则配电网就会形成相应的多电源网络，熔断器之间的配合如图3所示。在K4点出现故障以后，虽然F1和F2处的电流相同，但是为了保护选择性，在K4点故障发生以后，要使F2的熔断时间大于F1的熔断时间，让F1率先熔断；在K5发生故障以后，要求F1的熔断时间大于F2的熔断时间，让F2率先熔断，这样就导致上下游的熔断器不能有效配合，无法保护选择性。

图3 含分布式电源时熔断器之间的配合

4 含分布式电源的配电网保护方案

当分布式电源的容量较小时，其通过的电流也会相应减小，对于原有电流的保护而言，并没有太大的影响；当分布式电源的容量较大时，其通过的强电流就会对保护产生一定程度上的影响，导致灵敏性和选择性降低，从而使得传统的电流保护失效。基于这种情况，研究人员已经提出了相应的保护方案，其主要分为2种保护形式，一种是改进传统的电流保护，另一种是在输电网中设置距离保护、纵联保护等。虽然研究成果已经得到了较好的发展，但是在实际运用的过程中还受到相应的限制[5]。

4.1 改进的电流保护

在分布式电源接入到配网后，配网结构会发生相应的变化，导致单电源辐射网变为多电源辐射网。因此，为了防止分布式电源上游的线路失去保护作用，在线路安装的过程中应安装3段式方向性电流元件，以此实现电流保护，确保动作具有选择性。此外，为了避免下游线路保护出现误动现象，各线路之间的电流保护要做出相应的调整，以适应分布式电源的电流注入量。

4.2 距离保护和纵联保护

相比较电流保护而言，输电网成熟的距离保护和纵联保护的性能更加完善，并且这2种保护方式不会受到系统的影响。此外，在线路中使用方向元件后，在一定程度上保护了线路的全长，有效避免了含分布式电源配网中上游保护的误动现象。但是这种方法在使用过程中存在一定的局限性，尤其是太阳能发电这种电源所产生的电能大小会受到自然因素的影响，电源的本身会随着自然条件的变化而变化，导致线路故障时会产生相对较小的电流，从而造成保护拒动。虽然这2种保护方式具有一定的优势，不会受到系统运行的影响，但是当配网接入分布式电源后，并不能在发生故障时做出及时的修正，造成保护产生拒动。同时，故障点的电阻与距离保护之间还会产生排斥现象[6]。除了上述几种保护方案之外，国内外的研究学者针对这一问题还研究出了一系列保护方案，如自适应电流保护、广域保护等。