浅析分布式电源对配电网继电保护所产生的影响

广东科技2009.5.总第212期

浅析分布式电源对配电网继电保护所产生的影响

□蒋明辉

（广东省珠海市519000）

前言

分布式电源并入电网后将给配电网带来一系列影响，分布

式电源对配电网产生的影响与配电网和分布式电源的运行情

况相关。配电网的特点是呈放射形结构并由单电源供电，

配电网的继电保护是以此为基础设计的。当分布式电源接入配电网后，配电网的结构将发生改变。当配电网发生故障时，除了系统向故障点提供故障电流外，分布式电源也将对故障点提供故障电流，改变了配电网的节点短路水平。因而影响配电网继电保护装置的正常运行。分布式电源的类型、安装位置和容量等因素都将对配电网的继电保护造成影响。

1分布式电源

分布式电源是指分布在配电网中的功率为10kW ～30MW

小型模块式的、与环境兼容的电源。分布式电源具有调峰、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。DG 主要包括燃料电池、小型热电联产、小型水力发电站、风力发电、太阳能电池阵列以及生物发电等多种形式。

中小容量的分布式电源接入配电网中，在故障发生时将对故障点提供故障电流。从研究继电保护的角度而言，分布式电源模型可以用一个电源串联电抗的模型来表示。因此所需要考虑的是，在故障发生时分布式电源能够提供多大的故障电流。对于不同类型的分布式电源，其电抗值是有所区别的，它代表着该电源的故障电流注入能力。Barker et al 对各种类型分布式电源的故障电流注入能力进行了研究，如表1所示。从表中可以发现，最大的故障电流注入能力可以达到1000%。该值可用于短路计算以确定最糟的故障情况。

2配电网络

配电网的拓扑结构类型较多，主要包括放射式接线、树干

式接线和环网式接线方式，其形式主要取决于对供电可靠性的要求。中国城乡大多数的配电系统仍然以放射状链式结构为

主。这种结构的网络有许多优点，

比如接线可靠、保护整定容易、扩容简单等。笔者所用的配电网模型将变电所以上的系统等值为一电压源，配电网电压等级为10kV 。为了进行继电保护整定计算，需要了解系统阻抗，此处用短路容量来表示其短路水平。由于中压配电网经过输电网、高压配电网连接到发电厂，离系统电源的电气距离比较远，因此考虑最大运行方式和最小运行方式下的短路容量时没有太大变化，变电所变压器的低压母线短路容量由表2中的数据来表示。

3配电网继电保护

配电网络的继电保护，相对于高电压大系统继电保护而

言，属于简单保护。在配电网中常用的继电保护有电流保护、

电压保护、反时限电流保护、距离保护等。继电保护动作值的设定包含两方面的意思，其一是应由故障设备上的保护装置动作切除故障，其二是上下级之间的保护装置能起后备保护作用。

一般配电网是放射状链式结构且由单端电源供电，在线路上发生故障时，只有系统侧的电源向故障点提供故障电流。因此配电网中的继电保护装置设在线路的系统侧，如图1所示。

在配电网中接入分布式电源，发生短路故障时，配电网中的短路电流分布明显与不接分布式电源时不同，这将影响配电网原有继电保护配置的正常运行。电流保护是配电网中最为常用的保护，它是用电流突然增大使保护动作的保护装置。为了直观显示分布式电源对配电网短路电流分布和继电保护的影响，以配电网的瞬时电流速断保护为研究对象。瞬时电流速断保护的动作电流I ′dz 可按大于本线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电流来整定，如式(1)所示。

I ′dz=K ′rel ·Ik ·max （1）按本线路末端故障整定的电流速断保护，灵敏度通常用保护范围来衡量。根据保护区末端最小运行方式下两相短路时短路电流与动作电流相等可以得出最小保护范围。

lmin=1Zl(3ES2I ′dz-ZS ·max)（2）分布式电源接入配电网之后，原有配电网络的结构发生了较大变化。在故障发生时，由于分布式电源助增电流的作用，流经故障点的故障电流将增大。分布式电源的引入改变了分布式电源附近节点的短路水平，它将对配电网继电保护的正确动作带来影响。分布式电源接入配电网，在故障发生时由于分布式电源的助增或分流作用，流过保护装置的故障电流可能增大或减小，它将改变保护的保护范围和灵敏度，给各线路继电保护的上下级配合带来问题。如果分布式电源接入后对继电保护的影响不是太大，继电保护仍然能够满足保护范围和灵敏度要求，就不需要改变继电保护。对于配电网的一些新型保护如基于数据信道的方向保护等，由于分布式电源改变了附近节点的短路水平，因此仍存在着是否满足灵敏度要求的问题。

分布式电源接入配电网中还将带来另外一个问题。配电网

摘要：本文作者主要对分布式电源、配电网络、配电网继电保护作了分析，同时结合多个仿真算例说明了分布

式电源对配电网继电保护的影响供同行参考。关键词：分布式电源；配电网；继电保护

DG 类型故障电流注入能力

换流器100~400%，持续时间取决于控制装置。同步电机500~1000%，逐渐衰减到200~400%。感应电机

500~1000%，在10个周波内衰减至可忽略。

表1不同类型DG 的故障电流注入能力

运行方式短路容量/MV ·A

最大运行方式250最小运行方式

225

表2变压器低压母线短路容量

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是单端电源供电，因此配电网的继电保护没有方向元件。在接入分布式电源之后，配电网络某些部分将变为双端电源供电。在分布式电源节点上游线路发生故障时，由DG 提供的故障电流是从负荷侧流向系统侧。这意味着在保护装置下游接有分布式电源时，在保护的下游和上游发生故障，都有故障电流流过保护，由于它没有方向元件，一旦故障电流超过整定值，保护都将动作而失去选择性。因此，需要在配电网的继电保护装置上安装方向元件，以保证继电保护能够正常工作。

4仿真算例

笔者应用多个算例来反映不同地点、不同容量分布式电源对配电网短路电流分布的不同影响，及其对配电网继电保护装置的影响。

所用的配电网模型如图1所示。系统的容量基准取为100MV ·A ，电压基准取为10.5kV 。分布式电源由变压器连接至配电网上，取变压器的容量与所接分布式电源的容量一样大，即当分布式电源为1MV ·A 时，变压器也为1MV ·A 。分布式电

源的阻抗考虑为表1中最为严重的情况，

取值如下。分布式电源电抗:X ·DG=0.1(Sj=Sn)变压器电抗：X3T=0.05(Sj=Sn)线路电抗：Zj=0.35Ω/km 表3所示为配电网每段线路的长度，表4是此网络采用上面参数时的电流速断保护整定值，包括动作电流，动作时间和最小保护范围。

4.1分布式电源容量变化实验

采用同样的网络数据，分布式电源安装在相同的地点，分布式电源的容量发生改变，对配电网进行短路计算。为了确定在何种条件下发生的短路对配电网继电保护有着更大的影响，因此需要考虑最为恶劣的短路条件。下面进行的短路计算是在系统以最大运行方式下发生的三相短路。

在各种仿真情况中，选取一个分布式电源以几种容量连接在母线A 上，配电网在节点短路时的故障电流分布情况，如表5所示。

仿真结果表明，在不改变分布式电源接入位置的情况下，

随着分布式电源容量的改变，在配电网中发生故障时，配电网中的短路电流有着较大的改变。如表5所示，在B 点故障时，随着分布式电源容量的增加，分布式电源注入故障点的电流I DG

逐渐增大，流过R 2的故障电流I R2也逐渐增大，但是流经R1的

故障电流I R1却是逐渐减小的。在C 点发生故障时的故障电流

分布情况也是一样。与不接分布式电源相比，

对于同一点故障，分布式电源下游保护流经的故障电流增大，上游保护流经的故障电流减小，这将使下游保护的保护范围增大，而上游保护(线

路的远后备保护)的保护范围减小。表5中数据还表明，

当分布式电源容量达到3.25MV ·A 时，在B 点发生三相故障时，流过R 2的故障电流达到1848A ，而本线路速断电流保护的整定值为1846A ，在此种情况下，本段线路的电流速断保护将动作。当分布式电源容量大于3.25MV ·A ，R 2的保护范围将伸到L 3。当L 3首端发生故障时，R 2、R 3都达到电流速断保护的整定值，2个保护都将跳闸，继电保护将失去选择性。为了量化保护伸入相邻下一级线路的范围，用故障电流达到整定值时，故障点距离本线路末端的长度l f 占相邻线路本身长度l 的百分比表示：

L S %=l f l100%（3）分布式电源的助增能力用线路末端短路时，流过分布式电源的故障电流I DG 和流过保护的故障电流I R 之比I DG /I R 表示。以大

于3.25MV

·A 的各种分布式电源容量，流过R 2的故障电流为1846A 进行短路电流计算，选取一组数据列入表6中。

从表6中可以发现，在分布式电源的容量大于3125MV ·A

时，继电保护的保护范围将伸入下一级线路，随着容量的增加，分布式电源的助增能力越大，伸入下一段保护的范围越大，继

电保护的选择性将得不到满足。在4MV

·A 时，可以达到L 3的4.2%，助增能力是0.34；在4.5MV ·A 时，可以达到L 3的616%，助增能力是0.3735；6MV ·A 时，可以达到L 3的12.8%，助增能力是0.4429。

4.2分布式电源位置变化实验

仍然采用上面的网络数据，选取相同容量分布式电源连接

在不同位置时，网络的短路电流分布。

以4MV ·A 的分布式电源在各种位置接入配电网为例，当L 2末端短路时配电网短路电流分布如表7所示。

仿真结果表明，在不改变分布式电源容量的情况下，改变分布式电源的接入位置将对配电网的短路电流分布产生较大影响。当分布式电源接入位置在线路L 1、L 2上变化，在L 2线路末端发生故障时，随着电源接入位置从首端向末端变化的过程中，分布式电源的注入电流I DG 增大。

当分布式电源连接在L 1上时，分布式电源位于保护R 2的上游，由于分布式电源的助增电流使得流过R 2的故障电流I R2

线路L 1L 2L 3长度/km

5

5

7

表3线路长度

线路Idz/kA t/s lmin/%L 1 3.320062.36L 2 1.846034.54L 3

1.138

25.41

表4配电网电流速断保护整定值

SDG/MV ·A 故障地点

I DG /A I R1/A I R2/A I R3/A 0.00B 01538153802.00B 3651376174103.00B 5201308182803.25B 5561292184804.00B 6601245190500.00C 09499499492.00C 214808102210223.00C 299752105110513.25C 318739105810584.00

C

373

703

1076

1076

表5A 点接入DG 时的短路电流分布

S DG /MV ·A L S %I DG /I R24.0 4.20.344.5 6.60.37355.08.80.39856.0

12.8

0.4429

表6分布式电源的伸入范围与助增能力

SDG 位置I DG /A I R1/A I R2/A I f /A 20%L 12551344151550%L 140412691673167380%L 1

554124317971797A 66012451905190520%L 277612621262203950%L 297913211321230080%L 21240142814282660%L 2

1347147814782825B

1466

1538

1538

3044

表74MV ·A 的DG 接入不同点时的短路电流分布

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是增大的，故障电流大于未接分布式电源时线路末端故障流过R 2的故障电流，因此它将增大L 2电流速断保护的保护范围。当分布式电源连接在L 2上时，分布式电源位于保护R 2的下游，在线路末端故障时，流经故障点的故障电流仍然是增大的，但是由于分布式电源的分流作用，使得流过R 2的故障电流要小于在未接分布式电源时的相同故障情况下流过的故障电流，因此它将减小L 2电流速断保护的保护范围。

5结论

基于放射式配电网电流保护，结合多个仿真算例说明分布式电源对配电网继电保护的影响，并得出如下结论：

（1）一定容量的分布式电源接入配电网络，的确会给配电网的继电保护带来影响。其影响的大小与分布式电源的类型、

容量、接入位置相关。

（2）随着分布式电源容量的增加，分布式电源对继电保护的助增电流加大，保护范围有可能伸到下一级线路，使保护失去选择性。

（3）分布式电源在继电保护的上游时，有助增作用，使保护范围增大；分布式电源在继电保护下游时，有分流作用，保护范围减小。

（4）当分布式电源接入配电网之后，有必要加装方向元件来保证继电保护的正确动作。■参考文献

[1]梁宜.21世纪电力前沿技术的现状及发展[J].水利电力科技，2002，28(4)：1~8.

[2]许建安.继电保护整定计算.中国水利水电出版社.

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10kV 变电站的系统设计浅论

□梁志昌

（广东省鹤山市529700）

前言

10kV 配电网属中压配电网，它延伸至用电负荷的中心或

居民小区内，直接面对工矿企业和居民等广大用户的供电需要，起着承上启下确保用户供电的作用，因此10kV 配电网所处的地位十分重要。在配电工程中，能否保证系统安全、经济、可靠地运行，工程的设计质量是一个重要条件。本文就10kV 变电站的设计思路进行探讨。

1变电站位置的确定

变电站位置应避开大气污秽、盐雾、与邻近设施有相互影响的地区(如军事设施、通信电台、飞机场等)、滑坡、滚石、明暗河塘等，靠近负荷中心出线条件好，交通运输方便。在居民区变

电站的建设中要求变电站离其它建筑物宜大于5m 。

在设计中，还应考虑到变电站的噪声对周围环境的影响，必要时采用控制和降低噪声的措施。

2主变压器选择

在10kV 变电站中，要选用性能优越、节能低损耗和环保型

的变压器。变压器的台数及容量要根据负荷计算和负荷分级的结果并结合经济运行进行选择。当有大量的一、二级负荷，或季节负荷变化较大，或集中负荷较大时，宜装设两台及以上的变

压器。当其中任一台变压器断开时，

其余变压器应满足一级负荷及大部分二级负荷的用电需要。定变压器容量时还要综合考虑环境温度、通风散热条件等相关因素，对冲击性较大的负荷、季节性容量较大的负荷、小区或高层建筑的消防和电梯等需备用电源的负荷等可设专用变压器，此方法既保障了电能的质量及供电的可靠性，又结合了电费电价，做到经济运行。

为了使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用，并有利于抑制3n 次谐波影响，宜选用的变压器接线组别为D ，yn11.D ，yn11接线的变压器低压侧单相接地短路时的短路电

流大，也有利于低压侧单相接地故障的切除。在改、

扩建工程中，为了满足变压器并列运行条件，选用的变压器接线组别与原有的保持一致，短路阻抗百分比接近，容量比不超过1∶3。如我市某企业，其设备的用电规格与我国不相一致，根据用户的

意见，我们将容量为630kVA 的主变接线组别定为D ，

dn ，并要求变压器设单独的接地系统，以此满足用户的供电要求。设在高层建筑内部的变电站，主变采用干式变压器；设在周围大气环境较差的变电站，应选用密闭型或防腐型变压器，为了不降

低配电运行的电压，

10kV 变电站的主变分接头宜放在10.5kV 上，分接范围油浸变为±5%，干式变为±2×2.5%。

3电气主接线的选择

变电站的主接线对变电站内电气设备的选择、配电装置的布置及运行的可靠性与经济性等都有密切的关系，是变电站设

计中的重要环节。

主接线的形式多种多样，在10kV 变电站的设计中常用的有单母接线、单母分段接线、线路-变压器组接线、桥式接线等，每种接线均有各自的优缺点。通过对几种能满足

负荷用电要求的主接线形式在技术、

经济上的比较，选择最合理的方案：

技术指标包括：①供电的可靠性与灵活性；②供电电能质量；③运行管理、维护检修条件；④交通运输及施工条件；⑤分期建设的可能性与灵活性；⑥可发展性。

经济指标包括：①基建投资费用；②年运行费。我市南部的甲乙两企业，以前采用的6kV 线路供电，现都要求改为电网10kV 供电。在甲企业中，由于其预计运行的时间

摘要：在基础设施的建设过程中，10kV 变电站及其供电系统的可靠性起着举足轻重的作用。本文从站址选

择、主接线选用、短路电流、设备选型、继保配置、防雷接地、照明、配网自动化等方面论述了10kV 变电站设计的主要内容和设计程序，以供同行参考。关键词：10kV 变电站；系统设计

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