含分布式電源配電網的相間短路故障分析

張旭敏 趙曉芳

摘要：隨著電力系統的快速發展，越來越多的分布式電源接入配電系統，因此，配電網結構越來越復雜。當配電網發生故障時，準確高效地找出故障點或區域是快速隔離和盡快恢復供電的前提條件，對提高配電系統可靠性具有重要意義。分析分布式電源對不同地點電網短路電流的貢獻，從系統監測目的出發提出電流互感器的裝設位置和選型原則，并研發了一種含分布式電源配電網的故障電流監測系統及其數據中心分析軟件。

關鍵詞：配電網;分布式電源;故障診斷;故障定位

引言

目前，國內配電網系統大多是單側電源、輻射型網絡，在現有保護配置下，如果在配電網中接入DG，將會對配電網的保護產生較大的影響如圖1所示，當DG下游發生故障時，對于DG下游的保護1和保護2，DG的接入增加了流過它們的電流，對過電流保護動作有利，但是有可能會使2處的電流速斷保護范圍延伸到下一條線路，從而使速斷保護動作失去選擇性;對于保護2和保護3，由于保護2處的過電流保護檢測到的短路電流增大，保護3處檢測到的短路電流減少，使得保護2處的過電流保護動作靈敏性增大，保護3處的靈敏性降低，因此，DG的接入將更有利于保護2處和保護3處的過電流保護的協調。當DG上游發生故障時，對于保護3和保護4，其感受到的故障電流只由系統提供，故DG的接入不會對其構成影響。當相鄰饋線發生故障時，DG供出的反向短路電流有可能導致DG上游的保護誤動作，從而中斷健全線路的正常供電。根據DG接入的數量以及DG接入點和故障點位置的不同，文獻[2]還詳細分析了其他一些情況下DG對保護的影響。

1分布式電源對配電網故障電流的影響及其監測點的選擇

1.1分布式電源的短路電流特性

分布式電源多通過并網變流器并網發電，當電網發生短路故障時，分布式電源提供的短路電流特性主要取決于并網變流器的額定容量和控制策略。在幅相控制策略下，并網變流器輸出的短路電流約為其額定電流的5倍，主要取決于串聯電抗器的電抗率;在當前普遍采用直接電流控制策略下，并網變流器具有限流功能，其輸出的短路電流常被限制在額定電流的1.5倍以內。并網變流器輸出短路電流的暫態過程很短，一般可控制在10ms之內，在工程計算中可忽略。為此，并網變流器型分布式電源輸出的短路電流可表示為：

式中，ISC.DG為分布式電源輸出的短路電流;IN.DG為分布式電源的額定電流;kOC為分布式電源的允許過電流倍數。

1.2分布式電源對配電網短路電流的貢獻

配電網的結構復雜多變，分布式電源接入配電網的形式和位置也是根據具體情況而定的，沒有統一的模式。就某個分布式電源而言，其對配電網短路電流的貢獻與分布式電源的容量、接入配電網的位置、短路點的位置等密切相關。

1.3分布式電源對配電網繼電保護的影響

分布式電源接入配電網后，顯著影響了短路點的短路電流和流過保護元件的短路電流，進而對配電網的繼電保護有著一定程度的負面影響或正面作用。這種影響可歸結為如下幾點：（1）增大了短路點的短路電流;（2）增大了相鄰支路短路點（如k2）上游保護元件（如P2和P3）中的短路電流，一方面有助于提高保護元件P3的靈敏度，但另一方面可能導致保護元件P2無選擇性地誤動作;（3）短路點電流增大引起短路點電位升高，進而降低分布式電源上游短路點（如k3）上游保護元件（如P4）中流過的電流，導致P4的保護靈敏度下降、拒動風險增大;（4）增大了分布式電源下游短路點（如k4）上游保護元件（如P5）中流過的電流，提高了P5保護的靈敏度。

2含DG的保護改進方案

針對DG接入后對傳統保護造成的惡劣影響，國內外學者從不同角度提出了含DG的配網保護改進方案，可以分為以下5個方向：1）考慮經濟性因素，限制DG的接入容量，從而沿用原有保護裝置和方案;2）加裝少量設備，采用改進的自適應保護方案，以靈活地適應DG對保護的影響;3）基于通信技術，根據多點信息實現保護動作判斷;4）針對可能出現的不可控孤島問題，采用孤島檢測技術快速檢測孤島，以降低不可控孤島對電網的負面影響;5）在緊急情況進行孤島劃分，避免故障面積擴大，同時保障供電安全。

2.1限制DG的準入容量

為了確保配電網安全可靠運行，DG的接入要受到各種限制。國內外已有許多文獻從不同的約束條件入手，對DG在配電網中的接入位置和準入容量進行了分析。如考慮繼電保護動作、保護可靠性、諧波約束、保護間配合約束、電壓約束和孤島運行等條件對準入容量的影響?？紤]DG接入配網的準入容量，能在保證供電質量的同時充分利用DG，對緩解供電壓力、降低發電污染等都具有一定的意義。然而，當前準入容量的計算基本都只針對一個或幾個約束條件，缺少綜合全面考慮的方案。此外，當前對準入容量的研究都是以穩定正常運行狀態作為前提，沒有對DG并網過程、系統故障等特殊狀態進行考慮，因此得到的準入容量多偏于樂觀。值得指出的是，在不改變原有繼電保護配置的前提下，DG的準入容量很小，適當選取其他保護改進方案，能極大提高準入容量，因此，有必要將其他保護改進方案與準入容量分析相結合，從而提高供電可靠性，同時提升DG的允許接入容量。

2.2基于通信技術的故障定位

當接入配網的DG容量較小、供電距離較短時，傳統的故障定位規則仍能正確定位，但當接入容量較大、供電距離較長、電機類DG較多時，就需要對原有的故障定位規則進行改進。構造了故障區段定位的數學模型，并采用和聲算法、粒子群算法、遺傳算法等對其進行求解，從數學角度解決故障定位問題。通過饋線終端單元（FeederTerminalUnit，FTU）等通信設備進行信息交互，根據配網中的電流幅值相位、保護動作情況、功率方向信息以及單位故障距離來判斷故障區段。利用基于配電網自動化的多代理系統（Multi-AgentSystem，MAS）對故障進行定位，并對不同位置的故障進行處理，提高了靈活性和可靠性?；谕ㄐ偶夹g來實現故障定位，通過對多點信息的采集、傳輸、處理、應用，實現精準的故障處理過程。適應性和全面性極強，能較好地適應網絡和DG運行方式的靈活變化，是未來配電網保護發展的大方向。然而，基于通信技術的故障定位也有其固有的缺點。首先，過于依賴通信技術，用于判斷的信息越多，系統可靠性也可能隨之下降;其次，信息的采集、傳輸、處理、應用過程都需要耗費時間，這無疑會對保護的快速性造成影響;最后，成本較高、經濟性較差，在我國很難實現全面的普及推廣。

結語

分布式電源越來越多接入配電系統已經成為未來電網的發展趨勢，但是由于分布式電源的存在會影響到故障電流的大小和方向，解決分布式電源優化配置的傳統優化算法大多局限在單目標的智能優化算法，利用權重系數的處理手段能有效提高算法的處理速度，但未能揭示各目標函數之間的內在聯系，因此，未來方向建議從多目標的角度來優化DG配置問題。

參考文獻：

[1]王守相，王慧，蔡聲霞.分布式發電優化配置研究綜述[J].電力系統自動化，2009，33（18）：110-115.

[2]喬明，王瑩，楊波，等.含分布式電源的配電網保護技術[J].黑龍江電力，2016，38（2）：127-130.

[3]田書，劉穎，梅小麗.分布式電源并網對配電網電流保護影響的研究[J].工礦自動化，2011（10）：39-43.

[4]郭煜華，姜軍，范春菊，等.改進的配電網反時限過電流保護[J].電力自動化設備，2015，35（10）：45-50.