（上海交通大学国网上海浦东供电公司 上海 200122）
摘要：分布式电源接入配电网后从根本上改变了配电网的电源结构，传统三段式电流保护方式无法适用于分布式电源接入的保护要求。本文在研究分布式电源接入对传统配电网保护影响的基础上，提出了基于配网自动化通信的新型保护方案，通过电网等值阻抗在线计算实现改进的电流自适应保护，并进一步提出改进的距离自适应保护方案。该自适应保护方案可以有效消除分布式电源接入对保护的影响，保证保护的灵敏度和选择性。
关键词：分布式电源 三段式电流保护 阻抗在线计算 配网自动化 自适应保护
1概述
随着传统一次化石能源日益枯竭以及政府、社会环保意识愈发增强，风能、太阳能等可再生能源得到大量利用[1]。分布式电源（Distirbuted Generation，DG）并网发电是各类可再生能源的主要利用形式，同时也可以作为传统大机组、集中式供电方式的有效补充。对主网而言，一方面DG的接入能有效解决电网电源点不足的问题，提高供电的可靠性和灵活性，有利于电网负荷削峰填谷，减少电网备用容量；另一方面DG固有的分布性和不可控性对电网能量调度及电网保护构成重要挑战，特别是高渗透率下，对DG的恰当运行控制要求极高的通信管理手段，同时需付出大量的管理成本。
DG的存在从根本上改变了配网电源结构，存在潮流双向流动、故障状态下的助增及外汲效应等，对传统电流保护整定、配置、配合均产生重要影响，同时对保护与自动装置配合提出了新的要求。在DG离、并网工作状态下，配电网内故障潮流分布和短路电流水平有很大不同，保护装置必须有效识别不同的工作状态并采用合适的保护策略，保证故障时保护能快速、准确和可靠动作。
本文在研究DG接入配电网后对传统配电网三段式过流保护的保护范围和灵敏度影响基础上，提出了基于配网自动化通信的新型保护方案，通过电网等值阻抗在线计算实现改进的电流自适应保护方案，并进一步提出改进的距离自适应保护方案。
2 DG接入对传统配网保护影响
DG主要是指可微型燃气轮机，传统同步发电机、光伏电池、燃料电池、风力发电机（异步发电机）等可再生能源。不同类型DG的故障特性存在明显差异[2]，从而对配电网故障潮流分布和短路电流大小产生不同的影响。
一般而言，DG接入配电网后对传统配网保护影响主要包括以下几方面：
1、改变配电网单向潮流特性，配电网成为多电源网络，外部故障时保护装置可能误动。
2、产生分流或助增效应，改变了保护装置的保护范围，引起误动或拒动。
2.1潮流分布变化对保护的影响
传统配电网配置的三段式电流保护以单侧电源网络分析为基础，仅考虑短路功率由母线流向线路时的保护定值整定和保护配合问题，保护动作仅考虑断开线路送电侧开关。由于DG的电源特性，其接入后实际使配电网形成多电源网络，从而对保护整定、配置以及断路器配置均产生影响。
以图1双侧电源的情况为例分析如下。
1、双侧电源情况下，为保证线路故障时（如K1故障）保护动作的选择性，线路两端均需配置保护装置和断路器。
2、K2或K4故障时，为避免保护误动作，必须在双侧电源中容量较小的一侧配置方向装置。当两侧容量相近时，必须在双侧同时配置方向装置。
2.2电源分流或助增效应对电流保护影响
以K2点故障为例分析，K2点故障的等效电路如图2所示。假设保护配置为速断及限时速断的典型配置，并分别按规程整定。
图中，Zs为母线1处的主网等值阻抗，ZL1为线路L1阻抗， ZL2为母线3到故障点K2的阻抗，ZG为DG等值阻抗，Uf为故障发生前故障点电压。实际计算中，取Zs=1，ZG=[5，100]，ZL1=5，ZL2=10，ZL3=5。其中ZG=[5，100]表示不同类型、不同出力情况的DG对外部将始终表现为等效阻抗不同。
1、流过F1处保护的电流为：
图中纵坐标为F3处速断保护范围。由图4可知，F3处速断保护定值不变的情况下，DG接入的助增效应使得本线路速断保护的范围明显增加（由线路全长的73%增加至约107%）。一般而言，流过保护的故障电流增加将有利于保护灵敏度提高，然而对于图3所示的情况，由于F3速断保护范围伸入下级线路将导致原保护配合体系破坏，导致保护无选择性动作，因此是必须避免的。
特别的，当多个DG同时接入时，其对传统保护的影响将取决于各电源所处的位置、容量、控制方式等多中因素的叠加。
由以上分析可知，为保证原配网保护体系，即配网保护范围和保护配合关系不被破坏，避免保护拒动、误动情况发生，必须根据配网接入位置、容量等具体情况对保护定值进行适当调整。然而，一方面DG出力、投切情况的不确定性使得调整计算、装置整定工作变得十分频繁和困难。另一方面从配网管理角度出发，既希望DG大量接入后改善配电网电源点单一的情况，又希望保护调整工作对配网原保护体系影响越小越好，以减小电网安全稳定性风险。
鉴于以上两方面原因，对原保护进行改进的自适应保护是一种较好的解决方案，本文设计了一种基于电网等值阻抗在线计算实现改进的电流自适应保护，并进一步提出改进的距离自适应保护方案。
3自适应电流保护
可见，在故障点相同的情况下，对实际测得的流过保护F1的故障电流进行适当补偿后可得到与未接入DG情况相同的故障电流，保护动作于此补偿电流即与可消除DG接入对保护装置影响，同时保护定值不需调整。
同时由式5）可知，为实现保护测量的故障电流实时补偿，必须同时测量其它相关参数。其中，ZS+ZL1为由DG接入点母线2向主网方向看去的阻抗，ZG为由母线2向DG方向看去的阻抗，可通过母线2处电压电流量计算得出；kd故障系数可由判相装置测得，Uf取额定电压。
当K1故障（接入点上游故障）时，故障电流不需补偿。然而事实上此时由于测得的母线2向主网方向看去的阻抗为母线2至K1的阻抗，该阻抗值很小，对电流补偿计算影响很小，因此K1故障时，F1处保护利用式5）计算补偿电流仍能适用，即补偿电流计算不需区分故障点相对DG接入点的位置，从而简化了保护程序。
2、F3处保护故障电流补偿
式7）补偿了由于DG引起的流过F3处保护故障电流增大，保护动作于此补偿电流即与可消除DG接入对保护装置影响，同时保护定值不需调整。
由上述分析可知：DG接入情况下发生K1、K2故障时，根据DG接入点相对保护安装位置不同采用式5）或式7）对流过保护装置的故障电流进行补偿后，即可得到与DG接入前相同的故障电流。当DG2接入时，其对保护影响情况和原理与DG1类似，因此同样可按其接入点与保护的相对位置情况进行保护设置。由此可确定自适应电流保护的补偿原则，即：
■保护下游有DG接入时，采用式5）进行故障电流补偿；
■保护上游有DG接入时，采用式7）进行故障电流补偿；
■多个DG同时接入时，根据保护安装点与DG接入点位置情况采用综合方式依次补偿。
3.2自适应电流保护实现
电流自适应补偿算法实现了DG接入情况下，流过保护装置的故障电流的实时补偿，保护装置不再以本地测量电压、电流量作为单一判据，而是结合了大电网等效阻抗、DG等效阻抗、线路阻抗等参数进行综合判断。因而，电流自适应保护的实现有两个关键因素：
1、自适应保护算法计算参数的测量
观察式5）、7）可知，相关参数中，ZL1为线路阻抗，可提前测得；Id’为保护处测得的实际故障电流；kd为故障系数，通过故障判相算法容易计算；Uf可近似取额定电压；Zs、ZG分别为主网等效阻抗、DG等效阻抗，由于主网及DG的运行方式变化等原因，该两项参数无法提前测得，必须实时计算。
一般而言，该等值阻抗的计算问题可归结于估算系统的戴维南等效电路，实现方法可分为两种：干预性方法和非干预性方法[3]。干预性方法通过向系统注入特定的干扰信号，依据系统响应计算等值阻抗。该类方法一是向系统注入了扰动量，影响电压质量，二是计算间隔长，不满足实时计算要求，不满足自适应保护要求。非干预性方法仅需通过测量点的之路电压电流即可实现实时计算，实时性高，因此本文采用改进的非干预方法进行电网等值阻抗的计算。
通过式10）进行牛拉法迭代即可求解得出Es、Rs、Xs的值。本文中采用0.1s的采样间隔进行计算判定，当母线处电压、电流发生变化时，即进行系统等值阻抗迭代计算，并将计算结果传输至各保护装置。
2、基于配电自动化的保护测量信息实时传输。
自适应电流保护基于本地及其它保护测量参数综合判断故障的特性决定了其除了要求保护装置具备快速采集电量和计算能力外，还必须有实时、高效的数据传输系统作为支撑。
数据采集方面，自适应电流保护算法需测量主网和DG注入DG所在母线的电流信息。而实际上，由于DG接入后，线路L1作为多电源系统在线路两侧配置断路器和保护装置，同时DG并网开关处也配置了开关和保护，因此自适应电流保护无需增加一次改造工作。
数据传输方面，依赖配网自动化系统，相关保护测量和计算参数信息能快速在各保护装置间传输和交换，因此基于配网自动化的通信网络是构成自适应电流保护的重要基础。同时，根据保护装置中需配置全部DG接入情况及相对位置等信息，以判定对故障电流采用助增补偿、分流补偿或综合补偿方式。如DG1、DG2同时接入时，应配置对DG1采用分流补偿，对DG2采用助增补偿，该信息维护工作应在DG接入前作为工程建设工作的一部分提前完成。
4自适应距离保护
基于DG接入点和系统侧阻抗实时计算的故障电流自适应补偿保护方案尽管在一定程度上解决了DG接入引起的保护误动、拒动和灵敏度降低等问题，但同时可以看出，自适应电流保护在补偿计算中要求的参数较多，同时要求通信装置和保护装置具有较高的性能水平，实现较为困难，此外电流保护还会受运行方式影响。
为克服电流保护固有的问题，可考虑研究在配电网保护中引入距离保护。距离保护反应与故障点和保护的距离而动作，保护动作不受电网运行方式影响。同时，考虑随着电网二次设备升级改造率持续提高，目前配电网内保护装置微机化率已达到99%以上，微机装置一般均具备距离保护、方向保护和过电流保护等多种功能，因此配电网完全具备全面整定并配置距离保护的条件，而不需对保护装置进行额外改进。
配电网发生故障时，若F2处测量阻抗为正，则说明故障点位于DG1接入点上游，此时不针对DG1进行补偿；反之则针对DG1进行补偿。
多个DG同时接入且位于保护下游时，重复上述判定方法针对每个安装于保护下游的DG判定是否补偿并计算。需特别指出的是，当故障点位于DG接入点上游电流互感器与接入点母线之间时，此时测量阻抗不需补偿，然而上述判断和补偿流程保护装置将执行补偿计算，可能对保护测量阻抗构成一定影响。因此，在补偿判断时应规定DG接入点测得的反向阻抗大于一定阈值。
5小结
本文在研究DG接入对配电网传统保护影响的基础上，提出了基于配电自动化通信的自适应保护方案，该方案通过本地保护装置与预设的远端装置通信配合，丰富了故障判据，实现了故障的综合判断。
运用自适应保护能有效消除了DG接入对传统保护产生的影响：不仅原保护整定不用调整，保护范围与原保护设计一致，并且保护间的配合关系也得以保留，大大降低了保护改造和整定工作量，减少一次性投资规模，同时也最大程度上保证了保护改造后电网的安全稳定运行能力，符合智能电网的发展方向。
参考文献：
[1]Luis F Ochoa，Chris J Dent，G P Harrision. Distribution network capacity assessment，Variable DG and active networks[J]. IEEE Transaction on Power Systems. 2010，5（1）87：95.
[2]韩奕，微网及含分布式发电的配电网保护算法研究[D]，中国电力科学研究院，2011.
[3]裴健，陈晨，电力系统等值阻抗的在线估计法[J]，华北电力大学学报，2012，39（5）：49-53
作者简介：
董逸俊（1987-），男，助理工程师，2009年7月毕业于上海交通大学电气工程及其自动化系，获学士学位，现于浦东供电公司继保一组，从事继电保护和自动化工作。
论文作者:董逸俊,房鑫炎
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/3/28
标签：电流论文; 阻抗论文; 故障论文; 自适应论文; 电源论文; 电网论文; 保护装置论文; 《电力设备》2017年第2期论文;