高渗透率分布式电源接入配电网故障分析与保护影响分析

高渗透率分布式电源接入配电网故障分析与保护影响分析刘锦英 1 肖云东 2 李伟 21 、山东电力集团公司济宁供电公司电力调度控制中心，山东省济宁市2、山东电力集团公司曲阜供电公司，山东省曲阜市， 273100）Fault analysis and relay protection performance of distribution system with higher penetrations of DGs Liu Jin-ying 1 Xiao Yun-dong 2 Li Wei 2 Jining Electric Power Co. in Shandong Electric Power Group Co, Jinin, ShandongQufu Electric Power Co. in Shandong Electric Power Group Co, Qufu, Jinin, Shandong, 273100 ABSTRACT . The radial distribution network changes to the dynamic-change multiple-source topologies in distribution system with higher penetrations of DGs. And the output fault current from DGs has the distinguished characteristics of that from traditional AC generators. Hence the current relay protection setting and scheme cannot fulfill the requirements in the system with DGs connections. In response to this question, the fault analysis, the relay protection performance and the coordination between the relays and the autoreclosers are discussed in this paper, and the following research directions are also proposed.KEY WORDS Higher penetration; Distributed Generators; Fault analysis; Relay protection; Autorecloser 摘 要 高渗透率分布式电源接入配电网之后， 传统的单电源辐射型配电网变为动态间歇性多电源分散式网络，同时，分布式电源馈出的短路电流与传统的交流同步电机相比存在较大差异， 因此继电保护系统难以满足电网与分布式电源的安全运行要求。 本文从高渗透率分布式电源接入智能配电网故障分析、 继电保护、 分布式电源本体保护与继电保护和自动重合闸装置的协调配合三个方面分析了分布式电源接入对配电网保护系统带来的影响， 在评述了国内外研究现状的基础上，提出了后续研究展望。关键词 高渗透率；分布式电源；故障特性；继电保护；自动重合闸；0 引 言为了解决我国能源短缺、能源安全以及环境保护等方面面临的严峻挑战， 分布式电源 Distribution Generation, DG 得到了越来越广泛的应用。分布式电源配置灵活与分散的特点极好地适应了分散的电力需求与资源分布的特点，延缓了输、配电网扩容改造所需的巨额投资；同时它与大电网互为备用，可有效提高电网抵抗重大自然灾害的能力，减少大面积停电给社会带来的灾难性损失。但是随着分布式电源大规模多点接入配电网，传统的单电源辐射型配电网变为多电源分散式网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。同时，分布式电源馈出的短路电流与传统的交流同步电机相比存在较大差异，这些将导致电网故障后的电气量变化特征发生显著变化，从而使得传统配电网的故障检测方法、继电保护原理和整定计算原则难以满足电网安全运行要求，这已成为制约分布式发电技术进一步发展和应用的重要技术屏障。针对该问题，本文将从分布式电源故障特性、适应于含分布式电源的配电网保护原理与技术、分布式电源保护与配电网保护与自动重合闸装置之间的协调配合机制等三个层面对近年来分布式发电条件下的配电网保护的研究状况进行综述，在此基础上，进一步展望智能电网背景条件下含分布式电源的配电网保护的未来发展。1 分布式电源接入对传统配电网保护的影响分布式电源一般接入中压或者低压配电系统，其在实际应用中面临的一个突出问题是，分布式电源并入电网后，传统的配电网继电保护系统难以满足电网与分布式电源的安全运行要求 [1-11] 。大规模分布式电源的多点接入对配电网保护系统的影响突出表现在以下几个方面（ 1）分布式电源的发电模式及并网方式多样，其馈入电网的故障电流暂态分量、衰减特性等与传统交流同步发电机相比均存在较大不同。此外，不同类型的分布式电源，由于所采用的控制策略以及配置的本体保护存在很大差异，将进一步加剧短路电流变化的复杂性。因此，传统的以交流同步电机供电电源为基础的短路电流分析理论和方法已难以满足分布式电源接入后电网故障分析的要求，并给以故障特征为基础的继电保护配置模式和构建原理带来严峻挑战。（ 2）分布式电源的接入使得配电网由单电源辐射式网络转变为双端或多端有源复杂网络，同时，分布式电源受自然环境和气候等因素的影响较大，具有明显的随机性、间歇性的特征。这种复杂多变的运行方式，使得保护的整定计算非常困难，往往难以兼顾速动性、灵敏性和选择性等方面的不同要求，严重时可能导致保护误动或拒动，危及电网的安全稳定运行。另一方面，如前所述，分布式电源馈出的短路电流变化特性复杂，如双馈风电机组在 crowbar 保护动作的情况下，提供的短路电流衰减迅速，稳态短路电流小；经逆变器并网的光伏电源，短路电流受电力电子器件承流能力限制以及控制策略影响等。这将导致传统的基于工频稳态分量的继电保护性能严重劣化，甚至无法正常工作。（ 3）分布式电源的运行控制和并网接口环节采用了大量的电力电子器件，其耐受短路电流及过电压冲击的能力远逊于传统同步电机。若分布式电源保护与配电网保护及自动重合闸之间缺乏协调配合，易造成分布式电源在外部电网故障时不必要的频繁退出，极大地降低分布式电源的利用率和供电可靠性；或可能因非同期重合闸产生冲击电流，从而导致分布式电源承受多次大电流冲击，造成设备损坏的严重后果。为了克服分布式电源接入对配电网带来的不良影响， IEEE Std.1547 标准规定， 当配电网发生故障时，首先切除分布式电源，以保证继电保护的正确动作。但这种方式在分布式电源大规模接入的情况下，将导致故障期间大量分布式电源退出运行，进一步加剧了电网的功率失衡，危及电网的稳定运行；同时，在很大程度上限制了分布式电源的正常运行，且难以实现对配电网在故障紧急情况下的电源支持，削弱了分布式电源提高供电可靠性的优势。另一种解决方式是将分布式电源与一定容量的负荷共同组成微电网，通过公共连接点（ PCC）与配电网连接。配电网发生故障时，微网断开与配电网的连接，形成孤岛运行。但是许多分布式电源，特别是大容量分布式电源，由于受自然环境、气候条件等因素的限制，一般远离负荷中心，难以实现分布式电源与负荷的功率匹配，采用微网方式接入。同时，构建微网需要对现有配电网进行大规模改造，投资巨大，因此完全以微网形式解决分布式电源接入对配电网的不良影响仍存在许多理论和实现技术问题有待解决。综上所述，分布式电源的接入，对配电网的故障特性分析、保护配置模式、实现原理以及整定方法带来了深刻的影响， 其复杂的故障特性， 随机性、间歇性的特殊运行特征，要求继电保护系统对此应具有高度的自适应能力，存在大量的理论和技术问题亟待解决。2 含分布式电源电网的故障特性分析继电保护的基本任务是根据电网故障后产生的电气量（或非电气量）变化特征，鉴别和隔离故障设备或元件，因此，电网故障特性分析是继电保护研究领域的基础内容。2.1 研究现状在传统的电网故障分析中，供电电源模型主要为交流同步电机。而分布式电源的发电模式及并网方式与交流同步电机存在较大差异，导致其馈入电网的故障电流暂态分量、衰减特性等发生很大变化，并对电网和分布式电源的运行控制和保护带来多方面的影响，以交流同步发电机特性为基础的传统短路电流分析理论和方法难以满足分布式电源接入后电网故障分析的要求。目前对分布式电源短路电流特性的研究主要从两个层面展开，一是分析研究分布式电源外部电网发生故障时，短路电流可能对分布式电源的运行带来的危害以及需采取的应对措施 [12-19]。另一方面，则主要探讨电网故障时分布式电源提供的短路电流的变化特征及等值模型 [20-23] 。相比较而言，第一部分的研究工作受到了更多的关注，并取得了较大进展。例如，对于目前广泛采用的双馈风力发电机组，分析了机组外部发生三相短路时，可能在其交流励磁回路感应产生过流和过压问题，提出了在转子侧装设 crowbar 保护的应对措施；对以逆变器接入的光伏电源，提出了通过控制策略的调整，降低分布式电源提供的短路电流的办法，以保证逆变器在外部短路期间的运行安全。而在分布式电源馈出的短路电流特性研究方面，由于其与分布式电源的形式、所采用的控制策略、本体保护的动作行为以及故障类型及位置等诸多复杂因素有关，研究工作面临较大的困难，总体上看，这方面的研究尚处于初步的理论探讨和简化（定性）分析的阶段，如将分布式电源简化为不计衰减的恒定电流源或含内阻抗的恒定电势源等，这些简化的分析结果与实际情况存在较大差异，难以满足继电保护原理研究和整定计算的应用要求。2.2 发展展望由于分布式电源的发电模式、运行控制及并网接口方式与传统同步发电机存在巨大差异，需要建立新的故障分析理论和方法，以为后续配电网继电保护新原理和整定计算的研究奠定理论基础。根据继电保护对电网故障特性的分析要求和特点，在对分布式电源的故障特性研究中，可以将各类分布式电源归类分解为逆变型电源（采用逆变器接口的电源，如太阳能光伏电源）、异步型电源（交流直接接口的异步交流电源，如双馈风机电源）和微电网电源等三种基本形式，以此为基础，研究建立含分布式电源配电网的故障基本分析理论和方法，分析各种电气量在故障后的频域和时域的典型特征。具体内容包括分析各种电气量在故障后的暂态和稳态典型特征，如故障暂态分量的基本组成、衰减时常以及故障稳态特性等；研究分析分布式电源控制策略、 本体保护动作行为、 运行方式、 故障点位置、故障类型等因素对电气量故障特征的影响及程度。3 适应于分布式电源接入的电网继电保护原理及相关技术研究分布式电源的规模化接入，使配电系统成为多端供电的复杂网路，且分布式电源运行方式变化剧烈，馈出的短路电流特性复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，可能导致无法准确地判断故障的位置，引起保护拒动或者误动。因此为了应对分布式电源的大规模多点接入，有必要对配电网的保护展开研究。3.1 研究现状针对分布式电源接入给传统配电网继电保护带来的不利影响，国内外学者开展了多方面的研究工作，但工作重点主要集中在对现有保护原理进行改进或对保护配置方案进行调整等方面，例如，在原有过电流保护的基础上加装方向元件来满足选择性要求 [24]；或者采用距离保护替代电流保护，以减小系统运行方式变化对保护性能的影响 [25]； 提出采用 TFA 算法代替现有保护采用的富氏算法， 以减小频率波动、谐波等因素对保护工频量计算精度的影响 [26]等。此外，提出了将高压电网采用的纵联保护应用于配电网的方案，以改善主保护性能 [27-32] ，并对采用网内多点信息解决分布式电源引起的配电网保护问题进行了初步探讨。总体上看，迄今的研究工作大多局限于某些特定问题的解决，缺乏总体的规划和把握，特别是对分布式电源多变的运行方式及产生的特殊复杂故障特性认识不足，提出的保护改进方案大多仍沿用传统的基于工频电气量的保护原理构成，保护特性和保护定值缺乏必要的自适应调整能力，难以满足分布式电源大规模接入后配电网的运行安全。3.2 发展展望分布式电源的接入使得配电网转变为多端电源供电的复杂网络，且分布式电源馈出的短路电流的频域和时域特性发生了巨大变化，现有的配电网保护系统难以保证分布式电源的安全接入和配电网的可靠稳定运行。分布式电源故障特性复杂，且具有随机性、间歇性的特殊运行特征，要求保护系统对此具有高度的适应能力。智能电网的建设，广域通信技术的快速发展，为构建新一代具有良好自适应能力的新型继电保护系统提供了有力的技术支持。为了构建适应于分布式电源大规模多点接入的配电网保护系统，应当结合智能电网的发展目标，将基于就地量的自适应保护技术和基于区域信息的网络化保护技术相融合，从保护配置方案研究、保护原理研究以及整定计算原则与方法研究等三方面展开研究工作。在保护配置方案研究方面，对不同保护配置方案，如电流保护配置方案、距离保护配置方案、纵联保护 后备保护配置方案以及基于区域信息的网络保护配置方案等进行对比分析，按兼顾当前，着眼发展的思路，提出适用于不同规模、不同形式的分布式电源接入下的智能配电网保护的配置原则和要求。在新的配电网保护原理研究方面，为了适应不同保护配置方案的应用要求，应分别针对以就地量为基础的保护原理和基于区域信息的网络化保护原理开展研究工作。对于基于就地量的保护原理，重点研究通过保护算法、动作特性和定值的自适应调整策略，应对分布式电源复杂故障特性以及多变运行方式带来的不利影响。对于基于区域信息的网络化保护原理，应结合智能配电网的发展，采用基于故障元件识别的协同保护原理。通过对故障区域信息的智能融合处理，完成对故障元件的快速可靠识别；根据网络拓扑和故障元件位置，确定后备保护关联区域；通过保护动作的时序配合，实现后备保护功能。同时，应合理制定就地量保护与网络化保护的协调配合机制，提高整个保护系统运行的可靠性和安全性。在整定计算方面，需重点研究不同类型分布式电源运行方式变化以及所提供的短路电流特性等因素对整定计算的影响，并针对不同的保护原理和配置模式，提出相应的整定计算原则和方法。4 分布式电源保护与配电网保护协调配合机制由于分布式电源的运行控制和并网接口环节采用了大量的电力电子器件，其耐受短路电流及过电压冲击的能力远逊于传统的同步发电机。为了保证分布式电源与配电网的安全稳定运行，提高供电可靠性，对分布式电源保护与配电网保护及自动重合闸装置之间的协调配合机制提出了新的要求。4.1 研究现状在分布式电源保护与配电网保护之间的协调配合方面，为了保证分布式电源的运行安全，并减少分布式电源对配电网保护的影响，以往的并网运行规程中大多规定当配电网发生故障时首先将分布式电源切除 [33]， 这将导致分布式电源在故障过程中频繁退出，极大降低了分布式电源的利用率，且对电网的稳定运行和供电可靠性带来不利影响。近年来，随著分布式发电技术的快速发展和分布式电源的规模化接入，如何提高分布式电源的故障穿越运行能力受到了高度关注，针对风力发电机组，提出了低压穿越运行的要求 [34,35]，对以逆变器接入的分布式电源，提出了通过限流控制策略，减少短路电流的应对措施 [36-38]。但需要指出的是，传统配电网保护的配置与整定配合的原则是保证故障快速、可靠、有选择性的切除，缺少与分布式电源低压穿越运行要求相适应的协调配合机制，这方面的研究工作亟待加强。在分布式电源保护与配电网自动重合闸之间的协调配合方面，针对分布式电源接入后可能带来非同期重合闸或故障点电弧重燃，导致事故扩大等问题 [3,9,39,40] ，国内外学者相继提出了多种应对措施。文献 [10,41] 指出，当配电网故障时，在重合闸动作以前应首先将分布式电源切除，但这会导致分布式电源接入线路故障时，不必要的频繁退出；文献 [9,42] 在限制分布式电源接入容量和接入位置的前提下，提出了对重合器的安装位置、动作模式进行优化的方案，以提高配电网供电可靠性，但该方法不适应于分布式电源大规模接入的发展趋势。因此，如何充分发挥自动重合闸提高供电可靠性的技术优势，同时保证分布式电源的运行安全，提高其故障穿越能力，仍存在许多理论和技术问题有待解决。4.2 发展展望为了实现分布式电源的高效利用，充分发挥其在配电网故障情况下的电源支撑作用和对重要负荷的可靠供电，需要分布式电源具有良好的故障穿越运行能力（分布式电源作为独立供电电源接入）或孤岛独立运行能力（分布式电源以微网或 “ 计划 ”孤岛方式接入），同时，为了保证分布式电源在故障期间的运行安全，不同类型分布式电源的故障穿越运行特性也存在差异，这要求配电网保护与分布式电源保护之间具有良好的协调配合，以满足上述特殊要求。此外，分布式电源接入配电网后，原有单电源辐射性网络转变为多电源复杂网路，必须有效解决分布式电源在故障穿越运行条件下与自动重合闸的配合问题，以防止非同期重合闸产生的冲击电流对分布式电源和电网设备的损害以及可能引起的配电网保护误动。在配电网保护与分布式电源保护的协调配合机制方面，应从保证配电网和分布式电源运行安全，以及兼顾配网用户和分布式电源的所有者利益的角度出发，根据分布式电源的类型、接入方式和其在配电网中的作用，研究提出不同分布式电源解列和故障穿越运行的基本原则，并分析不同故障穿越运行特性对配电网主保护和后备保护的影响，进一步提出可充分发挥分布式电源故障穿越运行能力的配电网保护与分布式电源保护优化配合策略。在分布式电源保护与自动重合闸的配合机制方面，首先应当分析不同重合闸方式下防止分布式电源非同期重合的基本原则和要求，并据此提出合理的重合闸配置方式。其次，为了避免分布式电源不必要的频繁退出，提高分布式电源的利用率和电网的供电可靠性，还需研究基于就地量信息或区域信息的配电网故障区段识别方法，根据故障区段识别结果以及分布式电源接入点位置，提出分布式电源保护与自动重合闸的配合机制，以实现两者之间的优化配合。5 结论应对分布式电源规模化接入带来的新问题，新一代配电网继电保护系统的研究工作应建立在对含分布式电源的配电网复杂故障特性进行系统研究和分析的基础上，针对分布式电源运行方式多变，馈出短路电流特性复杂等特点，以提升继电保护自适应能力为核心，从保护系统的构建方案、实现原理以及整定计算原则和方法三个层面上开展工作。并应从保证配电网和分布式电源运行安全的角度出发，对配电网保护与分布式电源保护的协调配合机制进行研究，提出可行的技术解决方案，提高分布式电源的故障穿越能力，以解决分布式发电技术规模化应用中面临的安全技术瓶颈，推动绿色能源的高效利用。参 考 文 献[1] 黄伟，雷金勇，夏翔，等．分布式电源对配电网相间短路保护的影响 [J] ．电力系统自动化， 2008， 321 93-97 [2] 庞建业，夏晓宾，房牧．分布式发电对配电网继电保护的影响 [J] ．继电器， 2007， 3511 5-8 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