Research on Distribution Generations Access to Distribution Network Relay Protection Scheme
印力群 YIN Li-qun
（包头市供电局，包头 014030）
（Baotou Power Supply Bureau，Baotou 014030，China）
摘要：近年来，风电和光伏等分布式发电（distribution generation，DG）接入配电网的规模越来越大，对配电网的继电保护造成严重影响，研究含DG的配电网继电保护配置方案显得尤为重要。首先，分析DG接入配电网不同母线上、不同容量接入配电网对继电保护的影响；其次，针对DG接入对配电网保护的影响机理以及DG出力的不确定特性，提出DG接入配电网的自适应保护配置方案；最后，通过算例对所提出的保护配置方案进行验证，结果表明了该配置方案的有效性和可行性。
Abstract: In recent years, the scale of distributed generation (DG) such as wind power and photovoltaic access to the distribution network is increasing, which has a serious impact on the relay protection of distribution network. It is particularly important to investigate the relay protection configuration scheme of distribution network with DG. Firstly, the influence of DG access to distribution network with different buses and different capacities on relay protection is analyzed. Secondly, an adaptive protection configuration scheme for DG access to distribution network is proposed in the light of the influence mechanism of DG access on distribution network protection and the uncertain characteristics of DG output. Finally, the proposed protection configuration scheme is verified by an example, and the results show that the scheme is effective and feasible.
关键词：分布式电源；自适应保护；配电网
Key words: distributed generation；adaptive protection；power distribution network
中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）31-0216-03
0 引言
迫于一次能源逐渐枯竭的压力和人类对环境保护的日益重视，分布式电源由于其环境友好性和接入配电网的灵活性，越大越受到人们的重视，具有很好的应用前景[1-2]。然而，分布式发电接入，会改变配电网原有的结构方式和潮流分布，对现有配电网的电流保护造成严重影响，因此，计算DG接入配电网的故障电流，研究含分布式电源的配电网继电保护配置方案具有很好的研究意义和实用价值。
关于DG接入对配电网继电保护的影响已有不少文献报道过，并进行了大量的研究工作[3-4]。普遍采用的方法就是将DG等效为恒流源和恒压源，这样大大简化了含DG配电网的故障电流计算模型。然而，随着DG接入容量的逐渐增加，为了保证配电网故障下的安全稳定性，中国、德国等多个国家已对DG接入配电网提出了新的要求，当配电网发生故障时，DG不应立即退出运行，应持续运行一定的时间，并要求根据并网点的电压幅值提供相应的无功功率。此时，将DG等效为恒流源和恒压源将无法提供无功功率。为此，需研究含DG的配电网短路电流计算模型和计算方法，进一步提出含DG的配电网自适应保护方案。
文献[5]将将保护侧网络进行等值变换，完成保护整定值的自适应设定；文献[6]将DG设为恒压源，并建立了考虑控制策略的 DG 模型，研究了自适应的正序电流速断保护；文献[7]将 DG等效为线性函数，并提出了含 DG 的自适应保护模型和算法。本文考虑了DG的控制策略，提出了一种新的自适应保护方案，并给出了DG 接入母线和“T 接线”情况下的配置方案，最后通过算例验证了该方案的正确性。
1 DG接入对配电网保护的影响
目前，我国中低压配电网络采用的是闭环设计开环运行的方式，即采取单辐射型的供电结构，该种结构下配电网的潮流为单一方向，即电流由电源流向负荷。当配电网有DG接入后，配电网由单辐射型网络变为多电源供电的网络，造成配电网的潮流发生改变，线路中电流幅值及方向也会发生改变，这样会对配电网的电流保护造成一定的影响。接下来通过一个简单的供电网络分析DG接入对电流保护的影响，配电网接线图如图1所示。
通过选择3个故障点分析，其中f1和f2、f3和f4以及f5和f6分别表示为发生在DG接入母线上游、下游以及相邻线路的故障点。接下来，从上述三种情况分析DG接入对配电网保护的影响。
f1 点发生短路故障时，除了电源向故障点注入电流，DG也会向f1点注入反向电流，当注入的反向电流较小时，会影响f1点保护的自动重合闸，当注入电流较大且大于保护2整定值时，会引起保护2动作；当f2点发生短路故障时，DG的接入对保护2无影响，保护2能够正确动作。f3点发生短路故障时，短路电流由电源ES和DG共同产生，短路电流增加，增大了保护3的保护范围和灵敏度，同时不会影响保护1和2；f4点发生故障时，增加了短路电流，致使本应由保护4动作由于电流的增加可能造成保护3误动；f5和f6点发生故障时，与保护3和4的影响效果一致。
通过上述分析可以看出，故障点在DG上游线路时，故障点离DG越近，对自动重合闸及保护的影响越大；故障点发生在DG下游线路时，故障点离DG越近，由于断流电流的增大，使得DG下游线路上一段线路保护失去选择性，发生保护误动的概率就越大。总之，DG的接入使得原有保护方案的可靠性、选择性和灵敏性受到了不同程度的影响。
2 含DG的配电网自适应保护方案
当DG 接入母线点上游线路发生短路时，DG 会对影响自动重合闸动作，因此在上游线路的末端增加带方向的继电保护装置，当有反向电流时保护可靠动作。图2中的保护 1′、保护2′就是带方向的保护装置，该保护装置的启动值就是按照离DG最远的线路首端短路电流进行整定。
加入保护2′后的电流 I 段、电流 II 段以及护护 1′电流 I 段的自适应保护整定值计算如下：
■（1）
式中，K■■为电流I段的自适应保护可靠系数，K■■为电流II段的自适应保护可靠系数，Idf1和Idf2分别为线路f1和f2处发生短路故障时的短路电流。
通过同样的分析方法，可以计算故障发生在DG接入母线的下游线路以及相邻线路的馈线线路上保护3和4以及保护5和6的自适应保护整定值。通过对原有配电保护方案的整改，可获得DG接入配电网的自适应保护方案，提高了含DG的配电网继电保护的选择性、可靠性和灵敏性。
自适应保护配置方案如下：
①DG接入母线上游线路原有的保护方案不变，仍按照电流的III段式保护或II段式保护进行整定；
②DG接入母线上游各支路末端均增设带方向原件的保护装置，保护电流整定值采用公式（1）的自适应电流保护来计算；
③DG接入母线下游线路和相邻馈线线路全部支部的III段式电流保护或II段式电流保护均改为自适应保护方案，电流整定值计算与上游发生故障时计算方法一样。
总之，仅需在DG接入上游线路各支路末端增加增加带方向原件的保护装置，其余保护装置只对动作启动值重新进行整定计算即可。
3 算例分析
算例的保护配置示意图如图3所示。其中，电源E的额定电压为10.5kV，容量为600MVA，电源内阻忽略不计，等值电抗为j0.8；网络中各支路线路型号相同，线路阻抗为0.18+j0.35Ω/km，且各支路AB、BC、CD、DE、AF、FG的长度分别为4km、4km、15km、3km、10km和6km，DG输出功率为12MW。
由上文分析可知，图3中保护1′、2′为新增的保护装置，保护1和2采用原有保护整定方法，保护1′、2′、3、4、5和6采用自适应保护整定方法，图中均标记为灰色字体。各保护整定值计算的结果如表1所示。由于保护1′和4、6不存在II段整定值，为此表1没有给出具体值。
下面计算故障发生在各段分支线路据下游母线1/3线路长度处时，三相短路故障时流过各保护的短路电流、新方案电流保护整定值，以及按照新方案配置在配电线路上各保护的动作情况。
计算的过程中，仅计算了DG接入母线上游AB支路和下游CD支路，具体计算结果和动作情况如表2所示。
由表 2 可以看出，短路故障发生在DG接入母线上游线路时，保护 1 的正向短路电流为 8.621kA，大于其整定值 7.667kA，能够可靠动作；而DG作用下，流入保护1的反向短路电流幅值为0.656kA，传统辐射网络的保护配置下，该反向短路电流必然会影响保护的自动重合闸。而在AB末端配置保护1′时，流过保护1′的短路电流幅值大于 I 段整定值，也能够可靠动作，切断了DG注入的短路电流，进而避免影响该线路的自动重合闸问题。
同理，发生在CD线路的短路故障，也可使保护3可靠动作，提高了配电网继电保护的自适应性。
4 结论
针对DG接入对配电网继电保护的影响，分析了DG接入配网后不同位置发生短路故障时配电网短路电流的分布情况，给出了DG接入后对原有保护配置方案的影响程度。提出了含DG的配电网自适应继电保护方案，算例验证了该保护方案的可行性和有效性，有效提高配电网继电保护的可靠性。
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