分布式電源接入對操作型自動裝置影響研究綜述

溫智平，梁振鋒，彭書濤，張惠智

（1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安 710054；2.西安理工大學，陜西西安 710048）

為了提高供電可靠性，電力系統中裝設有大量操作型自動裝置，如自動重合閘、備用電源和備用設備自動投入裝置（文后簡稱備自投）、電源快速切換裝置等[1]。自動重合閘廣泛應用于輸電線路。當輸電線路發生故障，繼電保護動作切除故障，經重合閘時間自動重合斷路器。備自投裝置在工作電源或工作設備因各種原因（包括故障、誤操作等）被斷開后，經延時自動將備用電源或備用設備投入運行。電源快速切換裝置[2-3]一般應用于包含大量電動機的負荷中，最初用于發電廠。隨著工業企業對電能質量要求的提高，也用于配電網中，可以縮短母線失電的時間。操作型自動裝置能夠提高供電可靠性，改善電能質量，甚至能夠提高系統的穩定性。

近年，分布式電源（distributed resource，DR）在電力系統得到快速發展。DR容量較小，通常接入至配電網中。DR使配電網由單電源結構變為多電源結構，改變了配電網的拓撲結構和潮流方向，聯絡線故障及保護動作后的電氣量特征也發生了變化，但傳統的自動重合閘和備自投裝置未考慮DR的接入。DR的接入導致操作型自動裝置出現了拒動、非同期合閘、延時動作等問題。

本文首先介紹了操作型自動裝置的基本要求，分析了DR對自動重合閘、備自投裝置和電源快速切換裝置的影響，綜述了解列DR、修改配置或動作邏輯、修改定值及通信網絡條件的優化等解決措施，最后指出應從DR類型、容量及接入方式與負荷大小、性質之間的關系等方面開展進一步的研究工作。

1 操作型自動裝置的要求

1.1 自動重合閘

在配電線路上通常采用三相重合閘，選擇前加速保護、不檢同期方式。除了手動合閘、自動復歸、合閘次數等要求外，還需要考慮重合閘時間應大于故障點熄弧時間及周圍介質去游離時間。

1.2 備自投裝置

備自投裝置與DR接入相關的的基本要求[4]有：1）工作電源斷開后備自投才動作投入備用電源或設備。2）工作母線電壓消失及備用電源有壓時，備自投才動作。備自投裝置中低電壓判據通常整定為額定電壓的0.15～0.3倍。有壓檢測元件電壓定值為額定電壓的0.6～0.7倍。3）備自投動作時間應盡可能短，一般整定為0.1～0.5 s。4）應校驗備用電源的過負荷和電動機自啟動情況。

微機備自投裝置通常采用邏輯判斷和軟件延時實現備自投功能。

1.3 電源快速切換裝置

電源快速切換裝置要求在合閘時的沖擊電流、沖擊電壓均在安全范圍內。

2 分布式電源對自動操作裝置的影響

2.1 分布式電源接入電網典型接線圖

利用圖1說明DR接入后對操作型自動裝置的影響。圖 1 中，QF1～QF5為斷路器。QF1和 QF2閉合，線路L1為工作線路。B母線為工作母線，DR接至B母線。D為備用母線。按圖中所示，QF5斷開，QF3、QF4閉合，備自投為暗后備方式，或稱為母聯備自投；若 QF3、QF5閉合，QF4打開，備自投為明后備方式，或稱為線路備自投。

2.2 對自動重合閘的影響

以線路L1為例。若無分布式電源DR，L1為單側電源供電，L1故障，保護動作跳開QF1（和QF2），故障點電弧熄滅，重合閘經重合閘時間延時重合。

若在母線B上接入DR，線路L1成為雙側電源線路。L1故障，DR會提供短路電流，因此在QF2處需配置繼電保護。DR接入可能導致重合失敗，這是因為：1）重合閘時間需要考慮兩側保護的動作時間；2）重合時需要考慮同期問題[5-7]。若后重合一側不進行同期檢測，強行送電，可能出現非同期合閘，對系統和設備造成沖擊[8]。若后重合一側進行同期檢測，受DR容量、類型等因素的影響，母線B的電壓、頻率可能不滿足同期合閘條件，導致重合失敗[8-9]；或者導致重合閘等待較長時間[10]。因此，文獻[11]認為接入DR的變電站進線斷路器不宜裝設重合閘。

圖1 系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

文獻[12]以同步電機為例，分析了DR對前加速保護重合閘的影響，指出DR的存在將導致重合失敗，影響供電可靠性。文中指出對于逆變并網的DR可實現檢同期重合閘。文獻[6-7，13]分析了具備低電壓穿越能力的風電場、光伏電站對重合閘的影響。

2.3 備自投裝置

工作電源因各種原因導致QF2跳開后。若未接入DR，工作母線B迅速失壓，滿足備自投動作條件，備自投動作合上QF5，投入備用電源。DR接入后，會對備自投裝置造成不利影響。

1）動作邏輯不滿足要求

QF2跳開后，工作母線B形成孤島，在DR的作用下母線B電壓幅值較高，若大于工作母線低電壓判據定值，備自投的動作邏輯不滿足要求，將導致備自投拒動[9]。即使將備自投動作邏輯修改為同期檢測合閘，存在著由于DR與系統間功角擺開而無法動作的問題。

或者含DR的線路未參與備自投邏輯時，由于存在母線電壓大于有壓定值而放電的判別條件，當母線B電壓大于有壓判據定值，將導致備自投裝置放電而拒動[14]。

2）延時動作

QF2跳開后，DR與母線B負荷形成孤島，由于B母線有壓，備自投無法動作；只有在DR失穩后由穩控裝置解列，備自投才滿足條件動作。這種情況導致備自投動作出現延時[11]。

3）非同期合閘

若DR容量較小，QF2跳開后，母線B電壓下降，當滿足備自投動作條件，閉合QF5，導致非同期合閘[9]。另一種情況，備自投的動作未考慮與重合閘相配合，線路故障，重合閘成功，同時備自投也動作投入備用電源，導致非同期合閘[15]。

4）未滿足分布式電源并網規范要求

QF2跳開，備自投合上QF5時，傳統備自投未考慮分布式電源并網的規范要求[16]。

5）備自投的過負荷問題

DR多為可再生能源發電，存在隨機性，如風電、光伏系統。即使是小水電，其發電量也與來水情況相關。所以DR接入后，備自投過負荷的校驗將變得困難。

在實際系統中，存在各種接線方式及不同要求，導致了備自投的動作邏輯多種多樣。DR接入系統后，增加了這種復雜性。

2.4 對電源快速切換裝置的影響

文獻[17]通過仿真給出了永磁風力發電機和雙饋風力發電機在不同容量情況下對電源快速切換裝置的影響。文中結論是工作電源退出后，若永磁風力機的無功功率小于負荷無功功率，切換過程中沖擊電流較小，有利于電源快速切換；若永磁風力機的無功功率大于負荷無功功率，工作母線電壓會升高而超出電氣設備保護的定值，導致保護動作。但雙饋風力機不利于電源快速切換。

由于電源快速切換裝置除發電廠外應用較少，因此分析其他類型的DR對其影響的文獻較少。

3 解決措施及存在問題

1）解列分布式電源

為了避免重合失敗或非同期重合閘，IEEE Standard 1547標準要求[18]，若故障發生進線上，DR應當停止向配電網供電。即跳開工作電源母線斷路器時，聯跳DR。即線路故障或其他原因跳開QF2的同時，將 QF6同時斷開，解列 DR[9，11，14，19-20]?；蛘咴赒F6處裝設DR并網保護[5]或反孤島保護，在聯絡線故障時將DR解列。這是一種主動、簡單的措施。但未考慮風力發電和光伏電源的低電壓穿越能力，會導致風電場和光伏系統脫網。文獻[18，21]甚至認為，若DR容量較大或多個DR接入，在系統進線故障時即斷開DR會影響系統穩定性和供電可靠性。

DR解列后重合閘或備自投才動作，影響裝置的速動性和供電可靠性。

2）們修改配置或動作邏輯

對于重合閘，分布式電源接入后，將輸電線路作為雙側電源線路，通過修改裝置定值，改變重合閘方式為檢無壓和檢同期方式。

若DR容量小于工作母線E上負荷，為了避免非同期重合閘，文獻[8，11，20，22]提出在 QF2處裝設方向元件。若該方向元件判別方向為母線流向線路，則發遙控命令跳開QF6。

3）修改定值

根據國家電網公司《風電場接入電網技術規定》及國家標準《光伏系統并網技術要求》，當電網失壓時，防孤島效應保護應在2 s內動作，將風電場、光伏系統與電網斷開[20]。因此，可以增加重合閘時間或備自投時間來避免重合失敗或非同期合閘。這是一種被動的解決方法。

為了避免備自投拒動，文獻[14]提出在電壓互感器準確度和電壓測量精度提高的情況下，將無壓定值提高至0.5倍額定電壓，而有壓定值確定為0.7倍的額定電壓。

針對接入永磁風力發電機的變電站，風力機組發出的無功功率大于孤網負荷無功功率，文獻[17]提出電源快速切換裝置應該增加電壓上限的判別。而對于接入雙饋風力發電機的變電站，文獻[17]提出降低電壓判別的定值。

4）依賴通信網絡的優化措施

傳統的備自投裝置能夠獲取的信息有限，難以適應分布式電源接入后的各種運行方式。但在智能變電站中，要求二次設備網絡化，變電站內各設備能夠實現充分的信息共享，文獻[16，19]提出利用已有的穩定控制裝置、繼電保護以及備自投裝置，建立區域備自投模型，以解決分布式電源接入后造成拒動、非同期合閘、過載等問題。智能變電站為區域備自投裝置或站域備自投裝置的實現提供了條件[23-25]。

4 后續應開展的研究工作

1）需分析DR容量與負荷之間關系對工作電源斷開后電氣量特征的影響

孤島中DR的容量與負荷之間關系對工作電源斷開后的電壓、頻率變化特性影響較大。文獻[14，19，21，26]定性給出了分布式電源容量與負荷不同大小關系下電壓、頻率的變化特征，并且給出了應對措施。如小水電接入，在枯水期采用聯切小水電的方式保證備自投成功合閘，而在豐水期采用高頻逐輪切機、同期并列的方式實現備自投[10，21]。但未給出明確的數值大小，且不同季節、不同運行方式加劇了變化特性的不確定性。因此，應開展DR容量與負荷之間的關系對操作型自動裝置影響的研究。

2）分布式電源類型及接入方式對操作型自動裝置影響的分析不足

從對操作型自動裝置的影響角度，DR可分為變流器型DR[27]、感應電機型DR、同步電機型DR。不同類型的DR在工作電源斷開后的暫態過程不同、孤島檢測方法不同、并網要求也不同，因此對操作型自動裝置的影響應分別研究。

文獻[28]分析了小水電孤網運行時的電壓、頻率變化特征，給出了小水電孤網運行后的控制策略和方法。文獻[29]分析了籠型風力發電機和雙饋風力發電機電磁暫態模型，進行了2種類型風電機在不同容量比、短路容量比、聯絡線路阻抗比時聯絡線上發生短路故障的暫態過程仿真及分析。文獻[30]從機端電壓跌落、有功功率輸出、頻率波動等幾個方面進行了比較了永磁風力機和雙饋風力機在電網短路故障時的暫態過程。文獻[31]分析了電網故障時光伏電源的暫態電流特征。更進一步，文獻[32]建立了光伏發電、風力發單接入配電網保護的檢測系統，以開展接入位置、接入容量對保護及重合閘的影響。

已有分析主要針對電網故障后DR的暫態過程，但未結合操作型自動裝置的動作行為分析該暫態過程。

3）DR對電源快速切換裝置影響的研究

近年來，電源快速切換裝置主要應用于對電能質量要求較高的工業企業。DR接入后，故障及電源快速切換的暫態過程研究較少，電源快速切換裝置的應用條件及判別依據亟需研究。

5 結論

本文首先給出了自動重合閘、備自投、電源快速切換等裝置的要求，分析了分布式電源（包括小水電、光伏發電、風力發電等）接入配電網后對自動操作裝置的影響，主要有拒動、非同期合閘、延時動作等問題。綜述了現有的解決措施，主要有解列分布式電源、修改配置或動作邏輯、修改定值、依賴通信網絡的優化措施等。最后指出需要開展分布式電源類型、容量與負荷的性質、容量等對操作型自動裝置影響的研究，需要研究各種類型分布式電源接入后的電源快速切換裝置。

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