梁 朔，高立克，杨艺云，肖园园，肖 静
（广西电网有限责任公司电力科学研究院， 广西 南宁 530023）
摘 要： 分布式电源接入将导致配电网故障电流的变化，直接影响过电流保护动作的灵敏性。针对这一问题，本文首先分析了配电网保护自动化原理，并讨论了高渗透率下的分布式电源对配电网过电流保护的影响；其次，研究设计了一种针对辐射状配电网分布式电源接入的过电流保护改造策略，在满足保护效果的基础上将对现有保护配置的改动最小化，以适应分布式电源的大规模接入。最后，通过某地区10 kV中压配电网仿真算例，验证了本文所提改造策略的可行性。
关键词： 分布式电源；配电网；过电流保护；改造策略
0 引言
配电网中光伏、风电等分布式电源(Distributed Generation,DG)的大规模接入，将引起电网潮流和故障特征量的变化，对系统故障电流起到助增或分流作用，进而导致流过保护装置的故障电流可能增大或减小，使配电网保护的选择性与灵敏度受到影响。因此，传统配电网的继电保护和自动装置将难以满足安全运行的要求[1-3]。针对DG接入后导致配电网故障电流分布特征改变所带来的问题，解决思路包括加装方向元件、加强保护定值整定[4]、采用差动保护[5]等，以保证DG接入后保护仍然能够快速可靠动作。
文献[6]提出通过安装相邻线路故障分量电流做极化量的方向元件、不需要电压信息的方案，但仅靠这种配置很难全面适应DG在不同运行方式下配电网发生故障的情况；文献[7]设计了一种基于故障限流器（FCL）的含分布式电源的配电网保护策略，但FCL本身是一种仍需进行广泛测试的设备，且当分布式电源类型较多、渗透率较高时，FCL的定址与阻抗选择还需进行大量的基础研究工作；文献[8]分析了具有LVRT能力的光伏电站故障特性，研究了逆变器与输电网的保护协调配合问题，但小容量的PV系统不具备LVRT能力，需要对出力特性作更深入的研究。
考虑到目前已有研究工作中存在部分保护方案对原系统的改动较大、待验证的新技术较多等问题，本文设计了一种分布式电源接入典型中压配电网时的保护设置与配合策略，能更有效地解决在故障发生时，尤其是极端故障下重合闸快速动作与熔断器动作的配合问题，且对现有设备改造与新设备安装的投入较少。结合广西某供电局某10 kV配电网馈线支路实例，在DIgSILENT-PowerFactory软件中进行仿真测试，证明本文所提方法能有效解决分布式电源接入配电网的过电流保护问题。
1 分布式电源接入对配电网保护的影响研究
1.1 馈线自动化的保护配合原理
目前的中压配电网保护装置主要以适应于单端电源辐射状供电结构的过电流保护为主，如图1所示，当线路发生故障时，只有系统侧电源向故障点提供故障电流。因此，配电网中的继电保护装置设在线路系统侧，具有电流三段式保护、自动重合闸、熔断器等装置，以不同动作定值和动作时间的配合实现，且一般能在很短周期内快速准确地切除故障。
馈线自动化是基于重合闸、分段器、熔断器等开关设备的相互配合，假设图1中馈线与支路均为三相，馈线始端安装三相重合闸，支路分别由单相熔断器保护各相。IREC和IF2分别表示通过重合闸和熔断器2的电流，都与配电变压器电流IT相关，IREC的值大于IF2。重合闸是熔断器2的后备保护，熔断器是一次性装置，一旦动作，需替换才能重新投用。
重合闸与熔断器的动作特性配合如图2所示。
重合闸的快速动作时间-电流(t-I)特性曲线A一般只有一条，慢速动作t-I特性曲线B可以通过改变电路元件参数和软件程序来改变。曲线MM和MC分别为熔断器的最小熔断和最大清除曲线。点i、j分别为重合器与熔断器的最大和最小配合点，重合器与熔断器都能配合发生在两点之间的所有电流值。过电流保护的启动电流按避开最大负荷电流来整定，基于此，可以根据事故发生后的整定动作顺序进行重合闸的循环操作[9]。以图1中支路2发生永久故障为例，为尽量减少熔断器消耗，重合闸的操作顺序整定为“一快二慢”，即A-B-B。图2表明，为实现与切断永久性故障的动作相互配合，熔断器2的熔化时间t(IF2)小于重合闸的慢速动作时间t(IREC B-B)。
1.2 分布式电源接入引起的保护配合问题
DG在配电网中的渗透率不断提高，将使传统配电网的结构逐渐向双端电源结构改变，若图1的支路1处接有DG，当DG出力较大时，可能会造成配电变压器至支路1之间的潮流反向，导致常规的无方向性电流保护误动。
即使潮流方向不受影响，当发生短路故障时，含DG接入的配电网故障电流也发生了变化，如当支路2发生短路故障时，DG的接入提供了助增电流，熔断器F1可能会误动，隔离无故障支路。
此外，DG的接入使得重合闸等自动化装置的保护时间配合受到影响。对于支路2瞬时性短路故障，在重合闸快速动作前，熔断器F2已开始产生机械疲劳，甚至熔断。图2中，IREC与IF2对应的时间点将发生变化，仍位于重合器与熔断器的最大和最小配合点之间，但熔断器2的熔化时间t(IF2)小于重合闸的快速动作时间t(IREC A)，将造成瞬时故障演变为永久性故障，分布式电源所在支路解列，需更换熔断器后才能恢复并网运行。
在现有条件下，大面积更换已有的配电网继电保护装置不具可操作性。因此，需通过研究适当的技术手段与协调配合策略，使DG接入对配电网继电保护的影响降到最小，实现保护层面的“即插即用”。
2 配电网保护配置设计与配合策略
2.1 分布式电源接入辐射状配电网的保护配置
考虑分布式渗透率较高的情况，设计一种DG接入辐射状配电网的保护配置与配合方案，在保证保护效果的基础上尽量减小对当前保护配置的改动。DG接入点所在支路上，以三相一次快速自动重合闸R1代替传统的三个单相熔断器F1，在接入点的支路末端安装继电器RDG，并在分布式电源的变压器一、二次侧安装差动保护，如图3所示。
一次快速自动重合闸R1配置为在闭锁前首先进行A-B顺序整定，以使分布式电源在馈线故障时不会立即断开，相应地增加了馈线可靠性。馈线重合闸R的延时动作可能造成非计划出现的孤岛运行状态[10]，出现电压以及频率不稳定等问题，导致分布式电源与馈线的运行状态不同步。此时，继电器RDG防止分布式电源所在线路的解列运行、减少DG重新并网的控制工作量，避免分布式电源与馈线的安全稳定运行受到危害。在分布式电源与变压器单元加装的差动保护装置能隔离一、二次侧的故障，提供后备保护。
2.2 保护设备的协调配合策略
通过保护装置与馈线重合闸的协调配合，能更好地发挥已安装保护的效果。以故障发生在馈线为例，馈线重合闸R、支路重合闸R1和分布式电源继电器RDG分别动作，实现故障的清除和隔离。图4中，纵坐标0和1分别表示保护位于开和关状态，横坐标表示保护快速动作的时刻。当发生瞬时故障时，馈线重合闸R与支路重合闸R1快速动作，开关时刻分别在图4中用点1和2、1和3表示，此时RDG保持闭合状态；若发生永久故障，RDG工作在点4的位置，在馈线重合闸R首次慢速动作（点5）前隔离分布式电源，避免发生分布式电源的长期非计划孤岛运行。
当在无分布式电源接入的支路发生故障时，支路重合闸R1与馈线重合闸R快速动作，配合策略分别如图5中的点1和3、2和4所示，点5表示故障是永久性的、熔断器F2动作，此时，馈线重合闸R是隔离故障的后备保护。若故障发生在分布式电源接入的支路，支路重合闸R1仅工作在慢速曲线上，永久性故障则与继电器RDG配合，隔离故障支路。当分布式电源发生故障时，差动保护响应，无延时地切除分布式电源故障。
3 算例分析
本文以广西某10 kV配电网为算例，分析DG接入配电网对继电保护的影响及其配置方案。本算例使用DIgSILENT-PowerFactory软件对配电网保护方案进行整定计算。仿真系统结构如图6所示。
该测试系统具体参数如下：系统基准容量为100 MVA，基准电压10.5 kV，中性点不接地，系统等效阻抗ZS=0.13+j0.06 Ω；配电线路1-2，2-3，3-4的长度分别为2 km，10 km，7.5 km，其中线路1-2型号为JKLYJ-95，Z1=0.317+j0.122 Ω/km，其余线路型号为LGJ-50，Z2=Z3=0.383+j0.135 Ω/km；LR1、LR2、LR3为公变负荷，额定容量分别为0.575 MVA、0.69 MVA、1.415 MVA，功率因数取0.95；LC2、LC3、LC4为专线负荷，额定容量分别为0.11 MVA、0.05 MVA、0.03 MVA，功率因数取0.8。
3.1 保护整定
该10 kV配电线路主馈线与各支路上均设有电流熔断器保护，各级熔断器按文献[11]所述方法进行整定。主馈线熔断器熔体额定电流IFuse应不小于系统最大运行方式下流过各条线路的电流Imax；各专线支路接有多台抽水电动机，在夏季丰水期电动机频繁启动抽水，专线熔断器额定电流还应躲过发电机启动时的最大电流值Ip，由于最大电流持续时间很短，而熔断器熔断需要一定的时间，因此专线熔断器额定电流Ifuse≥K·Ip，该算例中K取1.02。系统最大运行方式下流过主馈线K1、K2、K3的电流与最大/最小三相短路电流见表1。
考虑到熔断器熔断误差的特性较大，为保证前后熔断器的选择性配合，靠近故障点的熔断器最先断开，前一级熔断器动作时间不小于下一级熔断器动作时间。若主馈线4号节点发生三相短路故障，主馈线短路电流Iks=1 628.573 A，主馈线上各级熔断器最小熔断电流应满足tK1>3tK2，tK2>3tK3。主馈线熔断器K1、K2、K3的t-I特性曲线如图7所示。
3.2 分布式电源接入的保护配置
在LR3支路上接入额定容量为0.25 MVA、功率因数为1的DG。目前DG大部分是通过逆变器并网，根据文献[12]所述，逆变型DG在系统发生短路故障时，其输出电流变化不大，因此本文将其等效为恒定电流源进行仿真计算。按本文所研究的方法，对接入DG的配电网支路进行保护配置改造，针对不同故障进行仿真验证。分析当分布式电源运行在额定功率下，主馈线与支路发生不同类型的短路故障时，分布式电源出力对配电网过电流保护的影响，其保护动作结果如表2所示。
由表2可以看出，逆变型DG接入配电网后，为减小分布式电源对原配电网过电流保护动作灵敏度的影响，需要多个保护之间相互配合，保护动作相比原配电网更加复杂，以提高配电网中分布式电源的接入容量。
4 结论
本文结合辐射式配电网过流保护的特点，分析了分布式电源接入对现有配电网保护的影响。基于此，本文研究设计了一种针对分布式电源接入配电网的过电流保护配置方法，在减少对当前配电网保护配置改造量及新设备投入量的同时，有效地解决了故障时重合闸快速动作与熔断器动作的配合问题，提高了配电网供电可靠性；通过仿真手段，利用广西某接入逆变型分布式电源的10 kV配电网实际算例验证了本文所提方法的可行性。
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