高渗透率DG接入配电网对保护的影响及解决思路

高渗透率DG接入配电网对保护的影响及解决思路

席康庆徐光福

（南京南瑞继保电气有限公司江苏南京211102）

摘要：高渗透率DG接入配电网，改变了传统配电网原有的辐射型无源网络结构，使潮流分布、短路电流大小及流向发生了变化，给保护之间协调配合带来了巨大影响；其次，高渗透率DG接入配电网，使电网失电时局部供电区域功率平衡的可能性越来越大，给孤岛检测提出了巨大的挑战。文中分析了高渗透率DG接入配电网后对继电保护的影响以及新的要求，并提出了按照DG容量配置不同的防孤岛保护、基于网络通信的差动保护、区域自适应保护等解决思路。

关键词：高渗透率，孤岛检测，差动保护，区域保护系统

1引言

近年来随着国家政策的导向，我国分布式发电（以下简称DG）产业正在蓬勃发展。伴随着接入配电网的DG越来越多，配电网将逐渐呈现出DG高渗透率的态势。高渗透率DG接入配电网，改变了传统配电网原有的辐射型无源网络结构，使潮流分布、短路电流大小及流向发生了变化，给继电保护之间协调配合带来了巨大影响；其次，高渗透率DG接入配电网，使得电网失电时局部供电区域功率平衡的可能性越来越大，给孤岛检测提出了巨大的挑战[1]。

本文分析了高渗透率DG接入配电网后对继电保护的影响以及新的要求，并提出了一些解决的思路和方法。

2高渗透率DG接入对配电网保护的影响及新要求

2.1对过流保护的影响

当有DG接入到配网后，DG对故障电流具有助增、削弱和反向作用，影响过流保护正确动作。DG对故障电流的影响与DG的类型、安装位置和实际容量等因素有关[2][3]。事实上，DG接入使得运行方式多变，如光伏只有白天并网发电、风机发电功率受风力影响等，这些都影响故障电流的大小，进而影响过流保护的灵敏性和选择性。因此在高渗透率DG接入情况下，须充分考虑DG类型、容量、投退等因素对故障电流的影响，只有做到根据运行方式的变化自动调整过流定值，才能确保保护的正确动作。

2.2对重合闸的影响

国内配电网保护系统一般是建立在配电网为单电源辐射状网络拓扑的基础上，馈线发生故障，保护动作后，重合闸经延时合闸（不检无压、同期），由于线路侧无源，因此在恢复瞬时性故障线路供电时，不会对配电系统产生任何冲击和破坏。当DG接入配电线路后，线路两侧连接的是两个电源，重合闸动作前，必须保证所有的DG己停止运行或者切除，否则面临非同期合闸的危险。

2.3对备自投的影响

当主供电源失电，母线失去系统电源，由于失去主电源的母线DG的存在，母线不满足无压条件，造成备自投延迟合闸或合闸失败。

2.4对DG涉网保护的影响

按保护的对象划分，DG涉网保护可以分为短路保护和系统保护。其中短路保护主要包含过流保护、零序过流保护，目的是发生短路故障保护电力设备不被损害；而系统保护出于保护电网系统安全运行的目的，主要包含频率保护（过频、低频）、电压保护（过压、低压）和防孤岛保护。

随着DG渗透率的提高，DG对电网的稳定作用逐步提高，如果因故障或扰动引起大量DG系统保护动作而脱网，巨大的功率缺额可能会引起区域电网的崩溃。高渗透率DG接入配电网后，为了避免连锁反应造成区域电网崩溃，一方面要求DG具备故障穿越（FRT）能力，另一方面要求DG系统保护的时限必须与故障穿越曲线相配合。

3高渗透率DG接入配网的保护解决思路

3.1防孤岛保护

孤岛检测是防孤岛保护的前提，目前常用的孤岛检测方法可分为主动法、被动法、基于通信法[4]。

主动法主要包括频率偏移检测法、滑模频漂检测法、周期电流干扰检测法、频率突变检测法等。尽管主动法具有检测盲区小、速度快的优点，但由于须往电网施加扰动信号，因此一般多在逆变器里实现，在电网系统侧应用较少。

被动法主要包括电压/频率检测法、电压谐波检测法和电压相位突变检测法等。被动法原理简单，成本低，但其易受供电区域内DG与负载的功率平衡影响，检测盲区大，具有检测失败或检测时间长的缺点。

基于通信法是指电网侧联络开关跳闸失去主电网形成孤岛时，通过通信传输解列信号至DG。基于通信法不受孤岛内功率平衡以及系统频率、电压波动的影响，无检测盲区且检测速度快，是较理想的检测方法，但是需要依赖通信信道，成本高。

综上比较，对于高渗透率DG接入环境下，可采取以下配置方案：

容量较小的DG（如kW级DG），由于其对系统安全影响小，误解列引起的经济损失也较小，因此从经济性的角度，可配置被动法防孤岛保护；

容量较大的DG（MW级DG），配置基于通信法防孤岛保护，通信介质可采用光纤、载波、无线等通信手段，为了防止通信异常造成的防孤岛保护拒动，可采取被动法作为后备保护，由于被动法易受电网电压、频率波动的影响而误动，因此须采取诸如频率变化率、电压变化率作为闭锁判据，避免因电网故障或扰动引起防孤岛保护误动。

3.2配网线路差动保护

光纤差动保护具有优越的速动性、灵敏性和选择性，是解决DG接入配电网的保护理想选择，但是常规光纤差动保护需要为差动保护铺设点对点专用光纤，成本较高，在配电网全面推广是不现实的。本文提出复用配网自动化光纤通道实现差动保护的解决思路，具体实现包括以下两种原理：

基于网络通信的纵联保护

基于网络通信的纵联保护原理是通过网络交换相邻保护间的方向过流信息[5]，当满足以下任一条件时，保护动作。

本侧正方向过流元件启动，未收到任何相邻侧保护发送过来的反方向动作信息；

本侧方向过流保护未启动，收到相邻侧保护发送过来的正方向过流信息且未收到任何相邻侧保护发送过来的反方向动作信息。

优点：原理简单、易实现，对网络性能要求不高；

缺点：方向元件受PT断线、近端故障等影响，易误判。

基于网络通信的电流差动保护

文献[6]针对配电网的特点，提出了一种新的电流差动保护方法并研制了差动保护装置。该方法复用配网自动化EPON通信网络，通过IEC61850-9-2协议传输相邻保护间的采样数据（SV）报文，差动保护动作判据采用比率制动原理，能够准确、快速的定位并隔离故障。实际测试表明，差动保护能够在40ms内准确动作，充分满足配电网对保护的要求。

优点：速动性好、灵敏度高，不受运行方式影响，能够适应各种拓扑结构。

缺点：实现复杂；保护易受时钟同步影响；网络性能（延时、带宽）要求高。

3.3配网区域自适应保护系统

a）自适应调整定值

前文提到，高渗透率DG接入配网存在运行方式多变的情况，影响故障电流的大小，因此只有做到根据运行方式的变化自动调整过流保护的定值，才能确保保护的正确动作。为了解决这个问题，馈线保护装置预先设置多组定值区，每组定值区对应一种运行方式，区域保护接收各DG的并网状态，自动识别运行方式并下发对应的定值区号至馈线保护装置，从而达到馈线保护随运行方式变化自动调整定值的目的。

b)孤岛检测

区域保护通过变电站及站间通信网络接收变电站开关位置信号及保护动作信号，当开关位置变化或保护动作时，区域保护根据网络拓扑自动识别是否形成孤岛，如果形成孤岛，下发解列信号至相应的DG。

3.4配电网快速母线保护

国内中压配电网母线目前一般不配置专门的母线保护，母线故障时通常是靠过流保护装置来切除。如图3所示，B2母线发生故障，理论上由CB1、CB2、CB3的过流保护动作隔离故障，B1母线DG和负荷不受影响。高渗透率DG接入后，带来以下问题：

a)由于CB1过流保护时限需要与下级保护时限配合，往往过流保护时限较长，如果因母线故障引起的低电压超出DG允许运行的时间，将造成B1、B2、B3母线连接的DG全部解列；

b)CB2、CB3的故障电流与B2、B3母线的DG类型有关，如果B2、B3母线连接的为逆变型DG，那么CB2、CB3的过流保护则可能并不能动作，此时依赖B2、B3母线上DG的低电压保护或防孤岛保护切除DG，尽管切除了故障电流，但保护并没有准确定位故障，给后续的故障排查工作带来了不便。

因此高渗透率DG接入后，对母线保护提出了更高的要求。

1)电弧光保护

电弧光保护一般通过检测开关柜内部故障时发出的弧光和电流突变量来判断是否发生故障，具有灵敏度高、速动性好的特点[7]。电弧光保护动作只需要几毫秒，电流判据采用突变量，灵敏度高，很好的满足了高渗透率DG接入对中压母线保护的要求。

2)简易母线保护

简易母线保护一般集成在靠近电网侧的进线保护装置，由该保护的动作元件和其他进、出线闭锁元件构成。母线区外故障时，其他保护发出闭锁信号闭锁简易母线保护；母线区内故障时，相关保护不能发出闭锁信号，简易母线保护可以快速动作[8]。

对于仅含逆变型DG接入的场合，简易母线保护动作及闭锁元件采用过流元件，而当含电机类DG接入时，则需要采用方向过流元件。

3.5重合闸/备自投

高渗透率DG接入配电网，为了避免重合闸/备自投非同期合闸或同期/备自投失败，可采取以下措施：

重合闸/备自投延时与DG防孤岛保护延时配合；

重合闸/备自投检无压合闸。

重合闸/备自投启动，基于通信联切DG；

采用重合闸/备自投与DG防孤岛保护时限配合，目的是确保DG解列后再合闸，但仍然存在因个别DG防孤岛保护拒动导致非同期合闸的可能性，因此采取检无压合闸十分重要。按照标准规定[9]，防孤岛保护动作时间不超过2s，因此按照时限配合，重合闸/备自投延时一般大于2s，容易造成敏感负荷脱网。而采用基于通信联切DG的方法可提高DG解列的速度，进而加快重合闸/备自投合闸的速度。

4展望

随着大量DG接入配电网，配电网呈现DG高渗透率的态势，改变了配电网原有的网络结构及供电模式，给配电网继电保护提出了巨大的挑战。如何解决配电网保护之间的协调性以及提高防孤岛保护的可靠性对配电网稳定运行、供电可靠性具有十分重要的意义。

未来含高渗透率DG接入的配电网继电保护在继承成熟的就地化保护技术的同时，还应借助如光纤通信、载波、无线等通信手段以及IEC61850数字化技术，采用基于区域信息的保护新原理以提高配电网继电保护的选择性、速动性、灵敏性以及相互之间的协调性。

参考文献

[1]CigreworkinggroupB5.34TB421．TheImpactofRenewableEnergySourcesandDistributedGenerationonSubstationProtectionandAutomation.2010.

[2]孙鸣，赵月灵，王磊．DG容量及接入方式对变电站继电保护定值的影响．电力自动化设备，2009，29(9)：46-46．

[3]冯希科，邰能灵，宋凯等．DG容量对配电网电流保护的影响及对策研究．电力系统保护与控制，2010，38(22)：156-161．

[4]程启明，王映斐，程尹曼等．分布式发电并网系统中孤岛检测方法的综述研究．电力系统保护与控制，2011，39(6)：147-153．

[5]刘健，赵树仁，贠保记等．分布智能型馈线自动化系统快速自愈技术及可靠性保障措施．电力系统自动化，2011，35(17)：67-71．

[6]徐光福，张春合，严伟等．基于EPON通信的智能配电网馈线差动保护．电力系统自动化，2014，38(2)：91-96．

[7]牛洪海，严伟，王杰．中低压母线电弧光保护设计与应用．江苏电机工程，2014，33(1)：56-59．

[8]陈杰明．基于GOOSE的10kV简易母线保护研究和应用．电力系统自动化，2011，35(4)：96-99．

[9]GB/T29319-2012光伏发电系统接入配电网技术规定．

作者简介：

席康庆（1982-），男，工程师，主要从事电力系统继电保护研究及市场推广工作。

徐光福（1982-），男，工程师，硕士，主要从事电力系统中低压继电保护、分布式发电保护控制研发工作。