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分布式电源对配电网保护的影响分析


DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.009

分布式电源对配电网保护的影响分析
宋志明 荀堂生 王莉  山东省电力学校,山东泰安 271000
摘 要 本文通过介绍分布式电源及分布式电源的接入配电网方式,从 继电保护的灵敏度、可靠性、重合闸等几个方面详细分析了分 布式电源对配电网继电保护的影响,提出了目

前新兴分布式电 源的接入配电网继电保护所面临的问题,并指出新型继电保护 方能解决这一问题。 关键词 分布式电源;配电网;继电保护;分析

一 概述
分布式发电就是利用各种可用的分散存在的能源,包括可再 生能源如太阳能、地热能、生物质能、小型风能、小型水能、 波浪能等和本地可以方便获取的化石类燃料(主要指天然气)进 行发电供能。分布式发电技术和储能技术合称为“分布式电 源” 。目前,对这一新的发电形式的正式称谓还不统一。在英 属国家,习惯叫做“嵌入式发电” (Embedded Generation) ;在 北美,叫做“分布式发电” (Dispersed Generation) ;在欧洲和 亚洲的部分国家,叫做“非集中式发电” D e c e n t r a l i z e d ( Generation),简称 DG。 随着地球资源的日渐枯竭和人们环保意识的普遍加强, 世界各 国都对一次能源、 可再生能源的充分利用给予了高度的重视, 促使 了一种新兴的高效、环保的发电技术——分布式发电(DG)飞速 发展。近年来,分布式发电供能在发达国家得到大力的推广应用。 据报道,2010 年之前全世界累计新增发电容量的 25%~30% 将来自 于分布式发电供能系统。 我国在能源发展 “十一五” 规划中提出了 “努力构筑稳定、经济、清洁的能源体系,以能源的可持续发展支 持我国经济社会的可持续发展”的指导方针。采用分布式发电技 术,有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源,向用户提供 “绿色电力” 是实现我国 , “节能减排” 目标的重要举措。 在我国 《国 家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年) 中明确提出 》 要大力开展 “可再生能源低成本规模化开发利用” “间歇式电 以及 源并网及输配技术” ,开展分布式发电技术方面的研究工作符合国 家重大需求。 分布式电源的规模一般不大,大约在几十千瓦至几十兆瓦。 一般而言,分布式电源是直接接入配电系统(380V 或 10kV 配电 系统)并网运行或采取独立运行的方式。分布式电源接入配电网 后,使传统的单电源辐射网络变成了一个多源网络。正常运行 时,网络中的潮流分布及系统故障时短路电流的大小、流向和分 布,均会发生变化。传统配电网中保护设备之间建立起来的配合 关系也将被打破,保护的动作行为和动作性能都会受到较大的影 响 。

在线路 L1 末端发生三相短路故障 F1 时,DG 的接入位置不同, 短路电流 I K 的变化轨迹如图 2 所示,其中横坐标为 DG 接入点在线 路 L 1 中的相对位置;纵坐标为短路电流的标幺值。

图 2 本线路发生短路时,DG 对本线路故障电流的影响

二 影响分析
以图 1 所示系统为例,对 DG 并网后的影响进行分析。

随着 DG 容量的改变,在同一地点发生三相短路故障时,短路 电流的大小也会改变。分布式电源的等效阻抗可以间接反映它的容 量,一般而言,D G 的容量越大,其等效阻抗值越小,  即 a 的取 值越小,代表分布式电源容量越大。图 3 和图 4 分别为 DG 容量变 大后的短路电流变化曲线图。

图 1 含 DG 的配网系统图

(1)  导致本线路保护的灵敏度降低甚至拒动 -25-

图 3 改变 DG 容量(a=2)对 Ik 的影响 图 4 改变 DG 容量(a=1.2)对 Ik 的影响

能源及环境

中国科技信息 2011 年第 8 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2011

可以看出,随着 D G 容量的增加,当 D G 在某一个范围(x 大约为 0.3~0.9)接入配电网时,会使保护 1 的过电流保护也不能 动作,此时发生故障会使保护 1 拒动。随着 DG  容量的进一步增 加,会发现导致保护 1 拒动的 D G 接入范围越来越大。 由上述分析可见,D G 接入之后,D G 和系统都会对故障点提 供短路电流,但保护 1 处只能感受到系统提供的短路电流,在其 他条件不变的情况下,该电流将会因 D G 的助增作用而减小,在 保护定值不变的情况下,其灵敏度将会降低,严重时甚至会缓动 或拒动。D G 的容量越大,对配网保护灵敏度的影响也就越大。 (2)  导致本线路保护误动 以图 1 为例, 如果在相邻线路 L2 距离母线 y 处发生三相短路 故障(假设两条线路具有相同的长度和单位阻抗), 则等效电路图如 图4 。 保护 1 检测到的故障电流值 IK 可近似描述为:

图 8 相邻线路故障位置发生改变时 图 9 相邻线路故障位置和 DG 对故障电流影响(a=3) 容量发生改变时对故障电流影响

(3 )导致相邻线路的瞬时速断保护误动,失去选择性 设 F 3 处发生故障,在 D G 接入之前,短路电流只由系统流向 故障点;D G 接入后,D G 和系统都会对故障点提供短路电流,此 时相邻故障线路的保护(即保护 2 处的保护)也会感受到故障电 流,将可能导致其速断保护误动,从而失去选择性。

(4 ) 当故障 F 2 发生在母线处(y = 0 ,a = 3 ) ,随着 D G 接入位置 x 的改变,保护 1 检测到的故障电流 I k 如图 5 所示,图中横坐标 为 DG 接入点在线路中的相对位置;纵坐标为短路电流的标幺值。

图 10 含 DG 的配网系统图

图 11 系统等效电路图

图 4 系统等效电路图

图 5 相邻线路母线发生短路时 DG 对本线路保护的影响

当故障发生在距保护 3 的距离为 y 处时,等效电路如图 11。 保护 2 处检测到的故障电流可以近似用如下公式描述:

由图 5 可知,当 x 大于 0.64(x 值越大表示 DG 越靠近保护 1) 时,保护 1 检测到的故障电流 Ik 将会大于 Iset1.1,若保护 1 处没 有安装方向元件,则保护 1 的电流速断保护将会误动作。 当 D G 的容量增加时,影响将更加明显,图 6 、图 7 所示, DG 的接入位置固定时,故障发生的位置不同也将改变保护 1 检测 到的故障电流,当取 a=3,x=0.75 (即 DG 接入距线路 L1 始端 1/4 处)时,保护 1 检测到的故障电流 Ik 随着故障点 y 的改变如 图 8 所示,图中横坐标为线路 L2 上的故障点 y 距母线的相对位置; 纵坐标为短路电流的标幺值。

(7 ) 当上述参数分别取:a=2,x=0.75 时,通过 MATLAB 可得到 保护 2 检测到的故障电流 IK2 随故障位置 y 的改变如图 12 所示,其 中横坐标为线路 L3 上的故障点 y 距母线的相对位置;纵坐标为短路 电流的标幺值。

图 6 改变 DG 容量使 a=2 时 对 Ik 的影响

图 7 改变 DG 容量使 a=1.2 时 对 Ik 的影响

图 12 相邻线路故障时 DG 对相邻线路 故障电流的影响

图 13 带手拉手开关的 解环配电网

由图 8 知,当故障发生在母线附近时,容易引起保护 1 的误 动。当 D G 容量增大(a 变小,取 a = 1 . 2 )时,发生误动的故 障区域也随之变大,如图 9 所示。 可见,当相邻线路 L2 在 F2 处发生故障时,在 DG 接入之前, 保护 1 感受不到故障电流;D G 接入之后,相同地点发生相同故 障时,保护 1 将感受到 DG 提供的故障电流,如果该电流足够大, 将导致保护 1 误动。

由图 12 可以看出,当故障发生在离保护 3 附近一段范围内,保 护 2 检测到的故障电流 Ik2 > Iset2.1,则保护 2 的电流速断将会瞬时 动作。而故障发生在保护 2 的电流 I 段保护范围之外,因此保护 2 发生误动,失去了选择性。 (4)DG 可能导致重合闸不成功 以图 13 所示的一个结构简单的开环运行的配电网为例,变压 器 T1 与 T2 通过馈线为负荷提供电源,在正常运行时手拉手开关 D 下转第 38 页

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能源及环境

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分析仪表信号在控制室显示,不参 与设备的连锁控制。P H 计的测量范围: 0~14;COD 分析仪的测量范围:0~500。 分析仪表的安装配件和保护箱随分析 仪表配套,阀门的材料和仪表配管材料使 用 SS316。 (4)消毒池设高液位报警信号,信号 在控制室显示。 (5)水泵出口均设就地压力表,压力 表为不锈钢、耐震型,随水泵设备配供。 (6)风机出口均设就地压力表,压力 表为不锈钢、耐震型,随风机设备配供。 (7)加药系统所需所有仪表都随加药 装置配套,配套仪表能够满足加药装置运 行的要求,及在控制室监视的要求。 4.2控制系统 根据污水处理控制系统的功能要求、 可靠性等要求,硬件设计采用西门子公司 的 PLC 作为控制系统的核心进行数据采集 和控制,并配有在线式 UPS 不间断电源供 电。U P S 负责给控制系统和仪表供电。 UPS 电源备用时间为 30 分钟,容量根据实 际需要确定。 P L C 系统配置彩色 L C D 图形终端, 建立相应的操作页面,用以实现全部仪表 信号、报警信号、设备运行状态显示及相 关设备连锁启停控制[2]。对于泵等转动机 械除了在 LCD 上进行远方控制外,也可在 就地电控柜上操作。对于自动阀门除了在 控制室遥控外,还在就地进行电控箱控 制。在调试检修阶段采用手动控制,正常 运行时可转换至自动系统来控制,对该系 统综合污水处理全过程进行程序控制和故 障连锁保护,柜面设有必要的工作状态指 示灯及报警指示灯。 控制系统能够实现污水处理站所有设 备的自动检测、显示和控制。

上接第 26 页 处于断开状态。如果没有分布式电源接入 配电网,当第一条线路 A1 至 B1 上发生短路 故障时,开关 A1 的电流保护动作,切除故 障。B1 不需要切除短路故障电流,B1 检测 到靠近 T1 端失压后,在设定的时间间隔后 分断。如果 F1 是瞬时故障,断路器 A1 重合 闸成功, B1检测到电压恢复, 在预设的时间 间隔后重合恢复供电。如果 F1 是永久故障, A1 重合闸失败,B1 闭锁,手拉手开关 D 动 作闭合, 由T2对无故障线路恢复供电。 如果 分布式电源 DG 接入配电网,当同样故障 F1 发生后,开关 B1 能否感受到短路电流取决 于分布式电源 DG 的容量以及线路阻抗,为 了正确隔离故障, 保证选择性, 开关B1需安 装方向电流保护。如果故障点 F1 距离开关 B1 较远,而分布式电源 DG 的容量又不大, 则开关 B1 将保持在闭合状态,在这种情况 下,即便 F1 是瞬时故障,由于 DG 始终向故 障点提供短路电流, 该瞬时故障无法自行消 失。开关 A1 重合闸失败后,故障将在配电 网中持续存在,甚至有可能引发新的故障。 由以上分析可见,当 DG 接入之后,配 电网变成多电源结构, 线路故障时, 如果只 有系统侧保护动作跳闸而 DG 不跳开,则 DG 会继续向故障点提供短路电流, 故障点仍处 于游离状态。如果此时系统侧进行重合闸, 必然会重合于故障状态,导致重合闸不成 功。

文通过上述分析得出,分布式电源接入配 电网后,可导致 DG 接入线路保护的灵敏度 降低及拒动、误动;导致相邻线路的瞬时 速断保护误动,失去选择性;还可能导致 重合闸不成功等,为了充分发挥分布式发 电系统的作用,解决分布式电源接入配电 网的安全可靠性问题,亟待研究新型配网 继电保护系统,以适应新形势下的电力系 统配电网对继电保护的要求,本文的分析 结果将为新型继电保护的研究提供切实可行 的分析依据。 参考文献 [1] 章晓云. 分布式电源及其相关技术研 究. 甘肃科技.2009,25(12) :40-41 [2] 宋志明. 继电保护原理与应用. 北京: 中国电力出版社.2007 [3] 刘森. 含分布式电源的配电网保护研 究. 天津大学硕士学位论文.天津: 天津大 学. 2007 [4] 吴罡, 陆于平, 花丽丹, 等. 分布式发 电采用故障限流器对继电保护的影响. 江 苏电机工程.2007,26(2):1-4 [5] 章杜锡, 徐祥海, 杨莉, 等. 分布式电 源对配电网过电压的影响. 电力系统自动 化. 2007,31(12): 50-54 [6] 李斌, 刘天琪, 李兴源. 分布式电源接 入对系统电压稳定性的影响. 电网技术. 2009,33(3): 84-88
作者简介 宋志明(1 9 6 6 - ) ,男,山东省电力学校 技能培训部  高级讲师,从事电力系统继电保 护、自动化、直流输电等专业的教学、培 训及研究工作。

三 结论
分布式电源的迅速发展,是电力能源 的拓展方向, 也为电网提出了新的挑战, 本 上接第 36 页 分布图,其中方案 1 煤柱宽 135m、方案 2 煤柱宽 67.5m、方案 3 煤柱 57.5m,可以看 出煤柱越窄,距 1 5 0 6 0 5 采空区越近,受 150605 面采动影响越大,应力集中程度越 高 。

5 结束语
污水处理仪控系统是根据污水处理的 工艺要求,以西门子 P L C 为控制核心, 实现工艺控制要求,整个系统组成简单、 控制功能完善,具有联控、连锁保护、通 讯等功能,并且采用人机界面操作和显 示,操作简单方便。 本系统采用 PLC 对污水处理工艺系统 进行控制,保证了污水处理系统的可靠、 安全、稳定运行,对于核电站的连续稳定 生产起着积极的作用。

图 3 三种方案煤柱垂直应力曲线

6 、结 论
通过对新集一矿150603条采面三种开采 方案的地表下沉量、条带煤柱弹性区宽 度、煤柱应力集中程度进行数值模拟分 析,方案 1 (采宽 5 0 m ,沿采空区侧预留 135m 的条带煤柱) ,地表下沉量较小,地 表不出现非均匀波浪形下沉盆地,煤柱中 弹性区宽度越大,应力集中程度越小,煤 柱越稳定。

参考文献 [1]自动化仪表选型设计规定.HG/T 20507-2000.2001(55-60) [2]核电厂控制室的设计.GB/T 13630- 92.1992(9-11)
作者简介 辛亭,男,1 9 8 3 年生,硕士研究生,助 理工程师。研究领域:电厂仪表与控制设计。

参考文献 [ 1 ] 许保国,赵卫强.姚桥矿西六采区 条带开采方案数值模拟分析[J].煤炭工 程. 2 0 1 0 ,2 :6 4 - 6 7 . [ 2 ] 杜计平,汪理全.煤矿特殊开采方 法[ M ] .徐州:中国矿业大学出版社. 2003 [ 3 ] 徐永圻.煤矿开采学[ M ] .徐州: 中国矿业大学出版社.1999 [ 4 ] 钱鸣高,石平五.矿石压力与岩层 控制[M].徐州:中国矿业大学出版社. 2003 [ 5 ] 高明中,余忠林.煤矿开采沉陷预 测的数值模拟[J].安徽理工大学学报(自 然科学版).2003,23(1):11-17 [ 6 ] 陈绍杰,范洪冬,谭志祥,等. 多煤层条带开采地表移动预测参数分析 [ J ].煤炭工程. 2 0 1 0,12 :6 4 - 6 7 [7]刘乐枝.上层煤柱下回采巷道布置位 置及支护技术研究[J].中国科技信息. 2010,19:63-65
作者简介 文金萍(1 9 6 3 - ) ,男,安徽理工大学工 程硕士,现于江西工业工程职业技术学院从 事教学、科研工作。

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