含分布式电源的配电网自适应保护方法研究*

古展基，黄煜翰，黄 勇，魏长春，蔡泽祥

（1.广州穗华能源科技有限公司，广州 510530；2.华南理工大学电力学院，广州 510640；3.广州穗华能源互联网研究院有限公司，广州 510530）

0 引言

在电力工业发展的过程中，分布式发电技术得以与大电网密切结合，促使电网灵活性、可靠性得到提升，从而使电能利用率和质量得到提高，满足电力事业的发展需求。而目前在分布式发电方面，目前分布式电源以配电网的接入为主。作为单电源网络，配电网只规划单向功率流动，并采取相应的单电源网络继电保护系统。接入分布式电源后，配电网将向多电源网络转换，在影响短路电流、电能质量等情况的同时，容易引起原有保护拒动、误动等故障。因此，想要使分布式发电优势得到较好发挥，还要结合分布式电源对配电网的影响提出科学的自适应保护方法，保证配电系统能够始终维持安全、稳定运行。

1 分布式电源对配电网的影响

分布式电源大量接入，导致传统配电网从单电源辐射型向多端、多源型网络转变。而在故障电流和潮流不确定的情况下，过去采用的常规三段式电流保护将出现灵敏性下降的问题，无法使装置保护选择性得到保证。

1.1 对相邻馈线电流保护的影响

在实际运行的过程中，配电网多采用开环运行方式，利用一端电源为部分线路供电。按照该种供电模式，短路电流将从电源侧向故障点流动。采用三段式电流保护方案，无法对短路电流方向进行判别，为保证线路发生瞬时故障能够得到切除，并恢复正常供电，需要完成自动重合闸装置的配置[1]。如图1所示，在典型配电网结构中，通常会在母线A位置进行系统电源S1的接入，从而实现辐射性供电。在接入分布式电源SDG时，需要在母线B位置进行电源连接。一旦线路D、E位置有三相故障产生，S1的等效阻抗Zs将比线路阻抗要小，导致线路AE上集中出现由短路电流引起的电压降落。此时，母线A位置电压并未发生显著变化，分布式电源只带来了较小短路电流，并未对相邻馈线1、2保护产生显著影响。但是相较于未接入分布式电源的状态，系统电源和分布式电源将同时向故障点进行短路电流的提供，导致保护4检测到较大故障电流，促使保护装置灵敏性提高。在接入的分布式电源拥有较高渗透率的情况下，将造成下级线路故障的产生，引发保护4误动，继而造成保护选择性丧失。

图1 分布式电源接入典型配电网的架构图

1.2 对配电网继电保护的影响

在B、C位置发生三相故障的情况下，故障点短路电流由分布式电源和系统电源同时提供，使得母线B电压有所提升。此时，系统电源提供的短路电流将有所下降，保护3位置只能检测到较少短路电流。在分布式电源作用下，保护3灵敏性有所降低，在发生故障时可能出现拒动问题，无法为线路BC提供保护。从继电保护整定角度来看，针对保护3，按照分布式电源接入后的系统最大允许方式和电源出力开展整定工作，一旦分布式电源出力减少或发生退出允许，将导致装置感受到的短路电流随输出功率减少而增大，继而导致装置保护灵敏性提升，出现丧失选择性问题[2]。针对保护4，按照上述方法整定将在分布式电源出现问题时造成装置保护灵敏性下降，继而导致保护失效。

2 含分布式电源的配电网自适应保护方法

在电力系统规模不断扩大的过程中，配电网结构日渐复杂。按照传统电流保护方案，需要依靠三段式距离保护的配置加强线路无通道保护，在对侧断路器动作电流电压相关序分量故障信息进行利用的基础上，对各种故障的全线速动问题展开分析，得到不同的判据，造成配电网保护较为复杂。针对这些问题，自适应保护理念得以被提出，能够结合配电网运行方式和故障状态变化对线路保护定值或特性进行调节。

2.1 自适应保护方法

针对含分布式电源的配电网，相关学者提出的自适应保护方法较多。针对风电场，有专家通过在MATLAB中建立双馈式异步机风力发电模型，对各种故障状态下电流和电压展开计算，发现不同状态下配电网电流特性不同，还要实现适应性保护配置，利用部分母线节点实现电流量判断，然后根据故障特性完成自适应保护区域划分[3]。但是采取该种保护方法需要实现电流数据分布式计算，保护装置只有在获得对应区域电流数据时才能保证动作正确，造成配电保护过度依赖通信系统，保护的选择性遭到了削弱[4]。一些学者提出在IEC 61850分布式发电系统中应用IEEE1588协议，借助以太网低成本、技术成熟等优势实现电源线路过渡电阻短路电流的同步计算，借助人工神经网络加强算法学习，从而根据过渡电阻类型变化完成在线实时分析，达到实现距离保护自适应调整的目标[5]。但就目前来看，采用该方法需要完成复杂在线整定计算，对计算机提出了较高容错性和智能化要求。未来伴随着计算机技术的发展，可以借助计算时完成小波变换分析或正序故障分量计算，从而实现高频暂态分量自适应保护。然而就现阶段来看，还要提出切实有效的方法解决含分布式电源的配电网保护问题。

综合考虑各方面要求，还应加强自适应速断保护的利用，结合分布式电源短路特性完成故障信息测算，从而根据等效阻抗完成故障判定，将得到数据带入到自适应整定公式中[6]。通过确定相应的动作阈值，可以直接通过软件升级加强自适应保护，使得传统保护方案硬件资源得到充分利用的同时，加强线路全方位保护[7]。经过上述分析可知，可以根据配电网故障电流特性和分布式电源特性提出科学的自适应保护方法。具体来讲，就是由于配电网原有保护灵敏性将随着分布式电源输出功率变化而变化，所以根据接入的分布式电源的容量实现保护整定值调整，能够通过对各支路三相短路电流进行计算加强保护自适应整定[8]。

2.2 三相短路电流确认

在实际分析过程中，假设配电网发生三相故障，故障点电流为If，系统侧电势和等效电源分别设为E和G，分布式电源接入位置母线电压为U，在分布式电源容量为S，采取PQ控制方法的情况下，可以得到如下电路原理：

式中：I1为供给侧短路电流；I2为分布式电源提供的短路电流；ZL为分布式电源接入位置到短路点等效阻抗。

实际在接入配电网过程中，多采用逆变类分布式电源，在控制策略影响下故障后输出电流不超过1.2～2 p.u.。受过渡电阻、故障位置等各种条件影响，限制最大输出电流策略可变。在PQ控制策略下，分布式电源会出现瞬时功率增大的情况，并在1～2个周期后恢复至给定值，可以得到：

结合各式，可以得到：

2.3 自适应保护分析

按照配电网原有保护方案，需要在系统最大运行状态下，根据线路末端三相短路电流与对应可靠系数完成电流速断保护整定值的计算。实现分布式电源的接入，还要考虑到自然因素给电源接入容量带来的影响[9]。在分布式电源容量不断变化的情况下，短路电流也将随之改变，从而导致配电网保护无法适应。针对这一问题，采用自适应保护方法还要在分布式电源接入位置的上游加强保护配置。具体来讲，就是在电路结构发生改变后，采取双电源供电保护方法。考虑到接入位置下游也将受到分布式电源影响，因此同样需要完成保护整定自适应调整分析。

（1）主保护整定。针对保护3的主保护，在自适应调整时还要将系统侧等效阻抗设定为Zsmin，此时系统运行方式最大；在运行方式最小时，可以得到等效阻抗Zsmax。在最大运行方式下，将Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到最大故障电流，从而得到：

（2）后备保护整定。考虑到如果接入位置下游保护3拒动，上游保护2还应起到后备保护的作用。结合之前分析可知，在分布式电源的分流作用下，保护2只能进行较小短路电流感受，可能因灵敏性下降出现无法切除DE故障的问题，因此需要重新进行保护整定。具体来讲，就是在系统运行方式最大的条件下，将系统侧等效阻抗设定为Zsmin，得到相应的等效阻抗Zsmax。再将Zsmin和ZL=ZDE代入，可以得到得到：

在实际接入分布式电源过程中，还应认识到其具有随机性，容量波动随着时间变化而改变。想要加强自适应保护，还要完成相应整定判据的设定，以便在满足设定要求时系统实现自适应重新整定[10]。采取该种措施，能够避免系统频繁重新进行自适应保护调整，因此能够使系统可靠性得到提高。按照这一思路，可以提出配电网接入分布式电源后的自适应保护流程。由于短路电容不变，配电系统短路电流将受分布式电源出力因素的影响，所以可以根据出力进行重新整定判据的设定。具体来讲，就是在一开始，根据上次整定获得的分布式电源出力S，对目前实时出力S′进行分析，完成相应线路末端短路电流If和If′的计算。在变化数值超出[0，0.1]的范围内时，需要实现重新整定，使电源出力S=S′，然后重新进行整定判断观测。

3 算例分析

为验证提出的自适应保护方法的保护效果，还要结合实例展开分析。如图2所示，为典型配电网的等效电路。采用该配电网为实验系统，在PSCAD软件中进行仿真分析计算。结合分布式电源并网特点，设定d1位置发生三相故障，在最大运行条件下，系统阻抗为0.6Ω，最小运行方式下则为0.1Ω。在线路参数Z为0.4Ω/km，长度为AB=BC=8 km的情况下，接入容量为15 MVA的分布式电源。

图2 典型配电网的等效电路

按照提出的自适应保护方法进行保护1和2的整定判断，同时将传统保护方案保护效果当成是对照，能够使方法的有效性得到验证。如表1所示，为容量变化情况下主保护整定值及保护范围变化。从表中的数据可以看出，配电网在分布式电源接入后受到了较大影响。在接入的分布式电源功率发生变化时，采用传统保护方案的系统主保护将在1.2%～69.4%范围内波动，采用自适应保护方法能够使系统主保护维持在50.5%～69.4%范围内，波动幅度较小。采用相同方法对后备保护波动情况展开分析可以发现，在0～15 MVA容量变化范围内，采用传统保护方案的系统后备保护将在12.2%～35.1%范围内波动，采用自适应保护方法能够使系统主保护维持在35.1%～59.1%之间。相较于传统方法，自适应保护方法拥有相对简单的调节方式，在实际应用过程中具有较强经济性。由此可见，采用自适应保护方法能够有效进行配电系统保护整定值的调节，使分布式电源给配电网带来的影响得到尽可能的降低。从整体上来看，经过自适应保护调整，配电网主保护性能可以得到提升，备用保护变化范围也能得到缩小，因此能够使配电网维持安全、稳定运行。

表1 主保护整定值及保护范围变化

4 结束语

利用分布式电源容量与配电网短路电流关系实现系统侧电源和分布式电源短路电流计算，实现配电网保护整定值的自适应调整，从而削弱分布式电源接入给配电网性能带来的影响得，经过算例分析后取得了较好结果。但在如下两方面，仍存在改进空间：

（1）在控制方式不同的情况下，故障后电流大小不同，所以在实现保护整定值计算分析时，需要结合不同控制方式实现自适应调整分析，验证方法的有效性。

（2）随着接入配电网的分布式电源种类的变化，配电网故障瞬间短路电流也将得到提高，因此在自适应保护方面还要寻求有效方法。