分布式发电对继电保护的影响.docx
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分布式发电对继电保护的影响
分布式发电系统继电保护技术
专业名称：
电力电子与电力传动
学生姓名：
马法浩
学号：
2011202070134
2011年11月3日
摘要
分布式发电以其能源形式多样化、环保、节能、高效等多方面的优越性而得到了越来越广泛的应用。
概述了分布式发电及其保护技术的发展与现状，提出了分布式发电保护的一些问题，分析了分布式发电对配电网继电保护的影响，重点介绍了分布式发电保护策略与技术的三个方面：
分布式发电与配电网保护的协调性问题、分布式发电对自动重合闸的影响、孤岛检测与保护技术．并分析了这些保护策略的特点，最后提出了一些建议和想法，为完善和改进分布式发电保护技术提供一定的参考。
关键词：
分布式发电继电保护配电网故障限流器孤网
1引言
随着社会的发展与时代的进步，新一代电力网络——智能电网已经初露端倪。
在智能电网中，分布式发电（DG）的管理利用是其重要的功能之一。
分布式发电以其能源多样化、环保、节能、高效等多方面的优越性，使其获得人们越来越多的关注，接入电力系统后将带来的巨大运行。
经济方面的效益也得到了人们的认可。
分布式发电系统是指功率为数千瓦至几十兆瓦、与环境兼容的独立电源系统，用以满足电力系统和用户的特殊要求，具有灵活的变负荷调峰性能，可为边远用户或商业区提供较高的供电可靠性，节省输变电投资，适合可再生能源利用等特点。
常见的分布式发电电源有以下几种：
发电容量为几十千瓦到几百千瓦的微型燃气轮机、从几千瓦到兆瓦级的燃料电池、太阳能发电的光伏电池以及新型风力发电装置等。
分布式发电作为21世纪电力技术发展的重要组成部分，受到越来越多的关注。
在欧盟，分布式发电的目标是：
至112010年分布式电源能够提供22％的电能；美国在未来几年内每年分布式发电系统的装机容量占新增电网装机容量的20％；日本根据本国的自然资源情况，积极发展可再生能源，1994年日本政府制定了“新能源计划”，到2000年日本太阳能发电达到400MW，计戈U2010年达至114600MW：
澳大利亚联邦科学与工业研究机构正在纽卡斯尔建立能量中心（CNC），CNC目的就是提供能量方面最新的研究成果和开发设施，对100多个研究课题组提供技术支持，展示新能源技术的应用案例；我国的分布式发电技术虽然也有发展，但相对来说发展缓慢，分布式发电水平低于其他发达国家，但是我国具有很多能源上的优势，因此具有十分巨大的潜力来长期发展分布式发电。
计算机技术、电力电子技术和新材料技术的快速发展极大地推动了分布式发电技术与常规电网的联系，分布式发电不再仅仅局限于独立供能，而是越来越多地并入电网运行。
分布式电源并网对电网来讲主要有以下几点好处：
1）电压支持和改善电能质量；
2）减小线损；
3）缓解输、配电容量的压力；
4）提高电力系统的稳定性。
传统的配电网一般为单电源的放射状链式结构，分布式发电DG引入配电网后，放射式的无源网络变为一个分布有中小型电源的有源网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。
配电网的这种变化使得电网各种保护定值与机理发生了深刻变化。
传统的继电保护都是在假定配电系统都是放射状链式结构的基础上设计的，而随着DG设备在配电网的大量接入，致使该区域供电系统的结构发生较大变化，改变了配电网短路电流的分布，将会对该区域的电力系统继电保护及安全自动装置的配置和动作整定带来一定的难度，极有可能造成继电保护及安全自动装置不能正确动作。
随着DG在配电系统的应用愈来愈广泛，有必要相应地调整配电网的保护系统，讨论其对配电网保护配合的影响。
本文旨在对国内外已有的分布式发电及保护技术的研究成果作一简单介绍和总结，并在此基础上对之提出几点看法。
2分布式发电对配电网保护的影响
2.1概述
分布式发电的引入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络。
由于传统的配电网为单电源放射状结构，其保护系统相对较为简单。
一般来说，我国配电系统主要采用速断和过电流两种保护方式。
速断保护保护线路的全长，瞬时动作切除故障；过流保护作为线路的后备保护，延时0．5～1S动作。
考虑电网80％一--90％的故障为瞬时性故障和不同线路的具体特性，分别采用重合闸前加速与重合闸后加速装置以快速恢复瞬时性故障，提高供电可靠性。
但是分布式电源会使配电网的故障无法及时、准确地切除，造成对配电系统稳定、设备健康状态的破坏。
ULl741、IEEEStd．929和IEEEStd．1547规定一旦电网断电，立即断开分布式发电装置与电网的连接。
分布式发电对配电网保护系统的影响主要有：
1）分布式电源引起保护拒动作。
分布式电源提供的故障电流降低了所在线路保护的检测电流值，使相应保护因达不到动作值而不能启动。
2）分布式电源引起保护误动。
相邻线路发生故障时，分布式电源的反向电流使其所在的健康运行线路的保护误跳闸。
3）配网故障水平的变化。
分布式电源既可能造成故障电流的增加，也可能造成故障电流的减少。
若某配电区域的分布式电源容量很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高其断路器的容量和升级保护装置。
4）造成非同期重合闸，降低供电可靠率。
分布式电源在其所接的线路故障重合时，如果没有跳闸脱网，造成的非同期重合可能引起保护误动作、设备受损，线路无法及时恢复运行，而增加了用户的停电时间。
5）电压不能合理调节。
大容量的分布式电源使所在线路电压越上限，而当其因故停役时，又可能引起线路电压越下限。
相邻线路必须增加附属设施才能满足电压调整需求，增加了接入分布式电源的投资总成本。
因此，为了配电网运行的安全可靠与分布式电源的有效利用，必须有效解决分布式电源的保护问题
2.2采用故障限流器对配电网继电保护的影响
10kV馈线保护在主馈线上通常配置传统的三段式电流保护，对非全电缆线路，配置三相一次重合闸，以保证在馈线发生瞬时性故障时，快速恢复供电。
当DG接入点之后线路发生短路故障后，它将向故障点送出短路电流，减少了主馈线保护检测到的故障电流值，从而降低了保护的灵敏度。
DG对相邻线路故障时倒送的短路电流也可能导致本线路及相邻线路的保护失去选择性而误动。
除此之外，当分布式电源接入配电线路后，如果线路因故障跳闸后，所形成的孤岛保持了功率和电压在额定值附近运行，分布式电源极有可能在重合闸动作时没有跳离线路，故障点仍然由分布式电源维持故障电流，导致重合失败或非同期合闸，对电网设备及DG设备造成损害。
国内外学者主要通过限制DG准入容量或增加故障电流限制器解决这一问题。
在DG接入点加装串联电抗器限制短路电流，可以部分消除分布式电源与保护的协调性问题。
正常运行时由于负荷电流相对较小，串联电抗器不会产生过大的电压降对电的电压质量造成损害。
但当系统发生短路故障时，电抗器的高阻抗可以将短路电流限制在设定值以下。
同时由于电抗器的高阻抗值在线路短路故障时，分布式电源所提供的短路电流大幅度降低，从而有利于故障点电弧熄灭和降低分布式电源机组检测到的负序电流；在非同期合闸发生时，高阻抗同样可以限制冲击电流的大小确保了发电机组的健康运行。
但高阻抗电抗器会对正常运行时的电压产生影响。
短路限流器（FCL）是在串联阻抗器限流的基础上发展而来的，结构典型如图1所示。
图1FCL典型结构
由图1可见，由于在限流阻抗器并联了可快速切换的并联支路。
在系统正常工作时，限流阻抗器并联投入，限流阻抗器对线路几乎无影响。
当故障发生时，并联支路退出，限流阻抗器立即自动插入故障回路进行限流，随后故障电流完全由旁路交流电抗器限制。
采用脉宽调制原理控制可进一步实现具有动态串联补偿功能的短路限流器。
这种短路限流器由脉宽调制原理控制的电感、开关控制的电容器组、限流电感构成。
正常时，通过控制投切的电容器组，实现可控串联补偿功能，故障时，通过改变脉冲的占空比可以得到变化的阻抗，达到可控限流目的。
短路限流器解决了串联电抗器对线路正常状态的影响。
DG串联短路限流器的方案，在短路限流器可以准确监测故障状态的前提下可以减小DG正向和反向助增电流对保护选择性的影响。
上述方法的实质均是通过减少DG输出助增电流来减小DG对馈线保护的影响，但实施困难，特别是短路限流器的故障监测和切换。
3分布式发电保护技术
当前国内外对分布式发电保护问题的研究主要集中在三个方面，一是分布式发电与原有配电网保护的配合问题：
二是分布式发电对线路重合闸的影响；三是孤岛检测和保护问题。
3.1分布式发电与配电网保护的配合问题研究
根据IEEEStd．1547的相关要求，以及各国电力系统的普遍做法，故障发生时为确保保护装置正确动作，应快速切断电网中的DG。
这样可以使电网恢复原始状态，从而保证电网保护和重合闸的正常动作，但是这样会引发以下几个问题：
1）故障的切除与DGS的切断在时限上的配合；
2）自动重合闸开断时间间隔内，确保DGS快速有效地切断；
3）在架空线和地下电缆的混合线路中切断DGS，变压器空载运行，电缆对地电容与变压器△侧的线圈发生铁磁谐振，产生不规则的高电压大电流严重威胁线路的电力器件；
4）DGS切除的选择性问题，并不是所有的DGS都会对线路保护和重合闸产生影响，特别是配电网80％的故障是瞬时性的，不加选择地切除DG，会极大地降低DG的利用效率。
为了减小分布式发电设备对配电网的影响，保证电力系统的可靠性，一些研究人员提出对现有的保护加以改进和完善，以适应分布式电源并网的保护要求。
分布式电源接在110kV变电站35kV母线并通过专线并网为例提出了一套简单、实用的分布式电源并网运行时并网线保护及自动装置配置，配置方案如下：
在并网联络线MN两侧配置必要的逻辑将原有的距离保护改造为允许式方向纵联保护作为线路主保护，原有的三段式相间和接地距离、四段式零序保护作为后备保护，同时在N侧加装弱馈逻辑构成弱馈保护，该保护出口跳闸N侧断路器2DL的同时联跳35kV母线出口短路器将分布式电源解列，待M和N侧断路器重合后恢复对并网变电站供电。
此方案提高了并网变电站的供电可靠性，加速了对永久故障的隔离，具有投资少，简单且实用性强的特点。
对基于分布式电源通过10kV开关站并入配电网比较普遍的现状，提出了一种分布式发电机组并网10kV开关站的保护新逻辑，根据对现行分布式发电厂并网保护配置存在缺陷的分析，提出的利用通信线路转换保护配置的逻辑程序来实现远程遥控方案，既提高了开关站供电的可靠性又加速了对永久故障的隔离，同时也减小了因外部故障使发电机停机的可能性。
将配电网中的分布式发电系统分成不同的功率带，进而采用自适应方法进行保护配合，但是这样需要分布式发电容量大于本地负荷容量，而且需要配备功率控制装置。
当线路故障时，分布式电源会助增故障电流从而导致一些线路保护误动，所以如果能保证分布式电源反向助增电流小于其背后限时速断保护定值，就可以很好地保证保护的选择性，不需对保护定值进行修改。
基于这点，通过分布式电源对配电系统保护影响分析，提出利用电抗器高阻抗值的特性，限制分布式电源提供的短路电流，从而有效地解决分布式电源与保护之间的协调性问题，同时由于电抗器的高阻抗值的作用，在线路短路故障时，分布式电源所提供的短路电流大幅度降低，从而有利于故障点电弧熄灭和降低分布式电源机组检测到的负序电流，确保了重合闸的正确动作和发电机组的健康运行。
但是不利的是高阻抗电抗器会对正常运行时的电压产生影响。
近几年随着电力电子技术和新材料技术的发展，柔性交流输电技术（FACTS）得到越来越广泛的应用，其中短路限流器FCL（faultcurrentlimiter）是在串联阻抗器限流的基础上发展而来的，它同FACTS中的其他控制器一样，依靠电力电子技术对其相应的传统技术进行改进而来，克服了传统串联高阻抗器限流的缺点，可在系统正常运行时，旁路开关装置处于闭合状态，FCL无电抗投入；而只在系统故障时开关快速断开投入阻抗器进行限流。
将短路限流器接入分布式发电系统，并根据系统的具体模型和参数合理设置限流器的阻抗值，从而有效降低分布式电源提供的故障电流，在一些情况下，减弱分布式电源对原系统继电保护的影响，使保护正确动作。
此外，计及保护影响的分布式电源准入容量得到了一定的研究。
通过对分布式发电的影响进行分析，并结合实际情况，提出了计算分布式电源准入容量的三个约束条件：
1）相邻线路故障，分布式电源提供的反向电流不应使DG所在线路的DL定时限过流保护动作；2）线路末端两相短路故障时，由于分布式电源的接入降低了断路器检测到的故障电流，减小了的故障电流仍要保证电流速断保护能可靠动作；3）分布式电源的接入，要保证电流速断保护跳开前，不损伤支线熔丝。
3.2分布式发电对自动重合闸的影响
自动重合闸在当前的电网中尤其是中压网络中应用非常普遍，大多数的故障可以通过自动重合闸消除，因此可以有效地提高电力系统的可靠性。
分布式发电对自动重合闸有以下两个方面的影响：
一，反孤岛装置与自动重合闸的关系；二，馈线上的分布式电源影响了自动重合闸的正常运行。
不同的国家和地区对于孤岛的准许运行时间有不同的标准，而大多数地区对自动重合闸的使用和运行也有严格的要求。
IEEEStd．1547标准规定孤岛运行时间不能超过2S，2S以后反孤岛保护要动作，保证分布式电源不再向带有自动重合闸装置的电网输送电能。
美国电网中的自动重合闸运行时间为0．2S，北欧国家的快速自动重合闸的运行时间为0．3S。
这样为了在自动重合闸闭合线路之前断开分布式电源，就需要反孤岛保护快速动作。
在放射性的常规配电网中，自动重合闸运行效果良好，可以很好地保证电网的可靠性。
在配电网中加入分布式电源，使得配电网由单一电源供电的放射状转变为有多个电源的复杂电网。
带有分布式电源的馈线发生故障后，分布式电源会继续向故障点输送电流，可能导致故障点电弧继续存在，最终自动重合闸失败，而暂时性故障也会发展成为永久性故障。
此外，故障发生后，分布式发电机的出力也会发生变化，使得孤岛与电网端的频率、相位不相匹配，在这种情况下重合闸后，电网会失稳而造成电力系统震荡，这种情况在现代电力系统中是不允许发生的。
现代电力系统为了保证供电的质量和可靠性，自动重合闸的动作时限一般整定为0．5S甚至更低，这样就加大了故障时分布式发电系统的解列难度，若增加自动重合闸时限，则会降低供电可靠性，两者之间存在明显的矛盾，关于这个问题，分析了自同期重合闸在分布式发电并网系统中的应用可行性，通过分析和仿真，得出了关于以下几点结论：
1）自同期合闸时，对于次暂态电抗相近的分布式电源，随着容量的增加，冲击电流越小；分布式电源接入点距离变电所低压母线越远时，冲击电流越小，采用自同期合闸可行性越高，多个分布式电源接入系统，除距离变电所低压母线最近的分布式电源冲击电流较大，不推荐采用自同期合闸外，其余位置的DG都适合采用自同期合闸；2）对于逆变型分布式电源，并网逆变器很关键，电流瞬时值反馈可以实现合闸并网条件；3）采用“后加速”方式时，从技术的角度是可以实现的，但将使配电网的保护变得复杂。
3.3分布式发电中的孤岛保护研究
孤岛（Islanding）效应，是指当电网失电后，分布式发电系统继续向一部分负荷供电的情况。
如果配电网发生故障后，在保证电力系统安全的前提下，尽可能维持DG正常供电，而将配电网转化为若干孤岛自治运行，将可以减小停电面积，提高供电可靠性，对电网公司、DG发电商和用户都是有利的。
但是非计划性孤岛运行时也会有很严重的后果：
1）电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；
2）如果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁；
3）与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；
4）对孤岛进行重合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其它设备。
可见，研究孤岛检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意义。
当主电网跳闸时，分布式发电装置的非计划运行将对用户以及配电设备造成严重损害，因此实际电网系统中分布式发电装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛效应并及时与电网切离的功能。
根据国内外目前的研究情况，孤岛检测方法可分为两大类即被动检测法和主动检测法：
被动检测法是利用逆变器从并网到市电掉电时，由于电网负载有大的变化而引起逆变器输出电压的幅度或频率突然变化，或是由于局部电网负载引起的电压电流谐波大幅度增加，从而达到孤岛检测的目的；主动检测法的思想是在逆变器的控制信号中加入很小的电压，频率或相位扰动信号，然后检测逆变器的输出。
当逆变器与电网相连则扰动信号的作用很小，而当孤岛发生时扰动信号的作用就会显现出来，当输出变化超过规定的门限值就能预报孤岛的发生。
3.4对保护系统的可靠性评估。
DG引入配电网后，由于原有的电流保护系统尤其是自动重合闸设备受到DG注入电流等的影响，可靠性有很大的改变，因此需要进行重新评估，进而减小DG对保护的影响。
在装有DG馈线上的自动重合闸问题上，通过优化DG接入位置和保护安装点，对通过DG而提高的可靠性程度进行量化。
4分布式发电保护技术未来的发展方向
分布式电源的大量并网引起了电力系统的巨大变革，其中对保护系统的影响虽然得到了深入研究但还没有得到彻底解决。
笔者认为为了协调分布式发电与电网的关系，更好地利用分布式发电技术，分布式发电的保护还存在两个问题：
一是系统故障后DG能否及时地切除，从而保证系统保护的正常运行；二是如何使系统故障对DG运行的影响降到最小，是否可以保留一部分不对系统保护产生影响的DG，从而提高DG的运行效率。
基于以上两点问题笔者认为以下几个方面还需要深入研究：
1）在客观条件的允许下，对现有的线路保护进行调整，在最大的限度上消除分布式发电对线路保护本身的影响；2）加强对故障限流器的研究，特别是一些新型的故障限流器；3）分布式发电装置的切除措施需要改进，力求做到快速可靠；4）从研究分布式发电与电网关系入手，研究分布式发电本身的特点，提出新的保护方案；5）从理论上对孤岛效应进行全方面的分析和研究，发展简单、实用、可靠的孤岛保护方案。
6）随着电力系统通讯技术的飞速发展，深入研究广域保护，将分布式发电系统纳入配电网广域保护范围。
结语
本文介绍了分布式发电继电保护技术及在电力系统中的应用研究的新进展，总结了分布式发电对配电网继电保护带来的一些问题，并结合故障限流器具体分析了其影响。
可以预见，随着智能电网技术发展，分布式发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在电力系统中占有越来越重要的地位。
如何使分布式发电的利用更为安全可靠，将会是继电保护工作者的长期课题。
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