含微电网的配电网保护技术研究

朱雪凌，吕灵芝，，于鹏杰

(1.华北水利水电大学，河南郑州450011;2.许继电气股份有限公司，河南许昌461000)

1 概述

随着能源环境问题的日益突出和国家对智能电网发展的推进，微电网及其关键技术成为世界各国关注的热点。微电网是分布式清洁能源接入电网的主要形式之一，也是电能供给就地平衡的主要方法之一。微电网与主电网之间的补充和支撑的协调关系，不仅可以保证微电网的电能供给品质，也可以减轻主电网的输电压力，是未来电力系统的重要发展趋势之一。

2 常规配电网保护配置现状

一般说来，常规中压配电网为10 kV 的单向辐射型网络或“手拉手”环网型开环运行方式，对于单向辐射型网络配电网继电保护，一般配置传统的三段式电流保护:瞬时电流速断保护;限时电流速断保护;定时限过电流保护。对于电缆线路，故障一般是永久性的，一般不配置重合闸，架空线路可配置重合闸。对于“手拉手”环网型的网络结构，采用重合器模式实现配电自动化，配电网保护采用阶段式电流保护与重合器、分段器配合实现故障的隔离。常规低压配电系统保护配置通常采用带继电保护的低压断路器及熔断器保护、热继电器保护等。

3 微电网对配电网保护的影响

微电网接入配电网运行时，潮流出现双向流动，对单向辐射性配电网带来的影响主要有末端故障电流助增保护灵敏度降低问题、相邻线路保护误动及重合闸不成功等问题。同时，基于分布式发电的微电网有多种运行方式，其改变会影响继电保护方案和整定计算的数值。

3.1 微电网对主馈线电流保护的影响

图1 为含分布式电源的10 kV 配电网结构图。图2、图3中Es、Xs为系统电源的电势和等值电抗;EDG、XDG为分布式电源的电势和等值电抗;XT为变压器的等值电抗;XAB、XBC为线路AB 段和BC 段的等值电抗。以上参数均取标幺值。

图1 含分布式电源的配电网结构图

图2 K1 处故障的等值电路图

图3 K2 处故障的等值电路图

3.1.1 增大线路的保护范围

图1 中K1点短路，DG 并网前后流过保护2 的故障电流分别为 IK2，I'K2。

由此可见，DG 对流过保护2 的短路电流有助增作用，增大其保护范围，可能使I 段保护延伸到下一段线路。

3.1.2 减小线路的保护范围

图1 中K1点短路，DG 并网前后流过保护1 的故障电流分别为 IK1，I'K1。

由此可见，DG 减小了系统侧电源流过保护1 的短路电流，使保护1 的保护范围减小。

3.1.3 导致线路保护误动作

图1 中K2点短路，对于保护1，DG 并网前没有短路电流流过，DG 并网后会提供反向的短路电流I″K1。

如果DG 的容量较大，I'K1将导致保护1 误动作。

3.2 微电网对重合闸的影响

对于放射状配电网结构，重合闸在快速恢复瞬时性故障线路的供电时，不会对配电系统产生太大的冲击和破坏，保证供电可靠性。DG 并网后，若线路发生故障，保护动作仅隔离了系统电源与故障点的电气联系，而DG 则有可能没有跳离线路，与配电网相连继续工作，在电网中形成由DG 单独供电的电力孤岛，这些孤岛仍保持功率和电压在额定值附近运行，给重合闸带来的不利因素有:①非同期合闸，是指失去系统电源后，DG 可能加速或者减速运行，致使电力孤岛与电网不能保持同步，出现一个相角差，由于非同期合闸引起的冲击电流很大，线路保护可能再次动作，系统电源投入失败。②故障点电弧持续，是指由于保护动作仅断开了系统电源，DG 可能继续向故障点提供短路电流，致使故障点不能熄弧，这样瞬时性故障变成永久性故障，重合闸失败。

3.3 微电网对分支线路重合器、分段器和熔断器的影响

基于断路器的电流保护一旦动作，将导致整条线路断电，因此在分支线路上一般采用重合器、分段器和熔断器等组成的保护，DG 并网后会破坏各元件之间的配合，主要体现在以下三个方面。

图4 分支线路重合器、分段器保护

3.3.1 导致重合器误动作

图4 中K1点故障，DG 会通过本线路对故障点提供短路电流。如果此电流足够大，将导致重合器R2误动作。3.3.2 导致分段器不能正常分断

图4 中K2点故障，重合器R2跳开系统电源，但DG 仍然对其下游线路供电，分段器S2和S3始终有电流流过，不能正常分断。

图5 分支线路熔断器保护

3.3.3 破坏熔断器之间的保护配合

图5 中 K1点故障，DG 并网前，熔断器 FU1和 FU2通过相等的短路电流，FU1的熔断时间大于 FU2，因此 FU2优先于FU1熔断，隔离了故障部分，使停电面积最小;DG 并网后，K2点故障，熔断器FU1和FU2仍通过相等的短路电流，但此时却需要FU1优先于FU2熔断，即需要FU1的熔断时间小于FU2，破坏了熔断器之间的保护配合。

4 改进措施

保护装置的误动作和拒动作造成配电网故障时正常区域供电中断，故障区域不能及时隔离。针对含微电网的配电网，可通过改进措施以满足继电保护选择性、灵敏性、速动性和可靠性要求。

1)考虑微电网接入后重新整定各保护装置的启动电流，同时在保护1 上加装功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线A 流向母线B 时动作;而当短路功率方向由母线B流向母线A 时不动作，避免了保护的误动作和拒动。但这种措施仅适用于含DG 的微电网并网运行状态，因为当DG 单独供电时需要再次整定各保护装置的启动电流。

2)为了消除微电网对重合闸的影响，需在DG 侧装设低周、低压解裂装置，通过适当延长重合闸动作时间，使DG 在合闸前断开与故障点的联系，同时系统侧检线路无压，DG 侧检同期。

3)采用基于电压扰动的反时限加速保护策略。此保护不仅可以准确地判断故障的类型和位置，而且能够保证系统在发生故障时具有优良的动作性能，满足继电保护选择性和快速性的要求。

基于电压扰动的反时限加速保护策略实际上是一种根据分布式电源输出电压发生扰动的情况来判断微电网内部是否发生故障，以及发生了何种类型的故障的一种保护。同时，此保护还可以根据扰动电压的强弱来控制保护的动作速度。它是一种适用于微电网自身保护的快速检测方法。

4)给微电网系统加装故障限流器。限流器在检测到线路短路故障后表现为高阻抗，通过快速改变故障线路的阻抗参数，将短路电流限制在低水平，而在正常负荷条件下阻抗为零，解决了故障时DG 提供的助增电流影响配电网电流保护的问题［12］。同时，由于故障电流变得很小，基于重合器、分断器、熔断器的支线保护能够正常工作。

5 结语

微电网的并网运行影响到配电网的故障电流，使原有的保护动作整定值不再适用，给重合闸带来了不利因素，同时也扰乱了基于重合器、分断器、熔断器等自动化电器的支线保护。本文分析了微电网的接入对配电网继电保护的影响，通过构建案例验证了理论分析的正确性，并针对上述问题提出了改进措施。

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