姜玉磊，杨宇，樊陈
蓝田股份（国网电力科学研究院，江苏省 南京市 210003）
摘要：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而得到了越来越广泛的应用。本文分析了分布式发电接入配电网后对继电保护的影响及解决措施，重点讨论了国内外有关含有分布式发电的配电网络继电保护技术及分布式发电的孤岛检测算法，并研究了这些保护策略的特点，为完善和改进分布式发电的继电保护技术提供一定的参考。 关键词：分布式发电；继电保护；孤岛
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(Distributed Generation)的管理利用是其重要的功能之一。目前所谓的分布式发电(DG)通常是指以天然气为燃料的燃气轮机、内燃机、微型气轮发电机、光伏电池、燃料电池、风能发电等发电形式。由于其能源多样化、环保、节能、高效等多方面的优越性，使这种发电技术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。随着分布式发电不断增加，对电
网强度提出了越来越高的要求。
抗体亲和力
DG是指某些靠近用户侧安装的中小型发电装置，它既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可将其接入配电网络，与公共电网一起共同为用户提供电能。传统的配电网一般为单电源的放射状链式结构，DG的引入使得配电系统从传统的单电源辐射型网络变成双端甚至多端网络，从而改变故障电流的大小、持续时间及方向，配电网潮流的不确定性将会对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误动或拒动。因此，针对含有DG的配电网络，有必要研究其运行方式及继电保护配置方案[1][2]。 2 DG对并网联络线保护的影响
2.1 DG接入对并网联络线保护带来的问题
在含有DG电源的配电网中，保护装置的协调与控制方法与DG的具体位置和容量大小密切相关。对于小型发电机组，可通过110kV终端变电站并网，一般是在110kV变电站的35kV母线或10kV 母线接入。本文以DG在110kV变电站的10KV母线接入为例进行分析，图1为其典型接线图。图中变压器接线形式为Y0/△，断路器1DL和2DL的保护配置为三段式相间、接地距离保护和四段式零序保护，1DL重合闸采用检无压方式重合，2DL重合闸无检定。备用支路正常运行时断开，变电站内配有备自投装置，若变压器失电则经躲过重合闸动作时限后动作，跳开2DL，合备用支路断路器恢复供电。
图1分布式电源通过10kV母线并网接线图
如图所示，分布式电源并网后，若在K点发生短路故障，1DL配置的保护一般能够可靠动作，跳开本侧；而2DL配置的保护往往会拒动，拒动的原因是DG归算至并网变110kV母线侧的阻抗过大，在最小运行方式下，其提供的短路电流很小，可能使距离保护和零序保护达不到所需的动作值。2DL保护拒动带来以下两个问题[3]：
(1)如果变压器110kV侧为星型中性点不接地方式运行，2DL保护拒动使得变压器失去接地点，此时发生单相接地故障后变压器中性点电压升高，威胁到变压器的绝缘安全。
夏花网(2)2DL保护的拒动使得1DL处的检线路无压重合闸无法启动，如果是瞬时性故障，在故障消失后仍然不能恢复系统供电并导致备自投装置无法启动。若为接地故障，变压器配有中性点过电压保护或零序电流保护动作会跳开变压器各侧开关，此时1DL的重合闸虽然能够动作，但变压器已经退出运行，仍不能恢复系统供电。
2.2 新保护配置方案
常乐康目前，110kV变电站大多数站点已实现了光纤
通信，具备了配置光纤纵差保护的通讯条件。光纤纵差保护作为纵联差动保护的一种，能够完成全线快速切除故障的任务，且该保护具有灵敏度高、简单可靠、选择性好等优点[4]。通过配置光纤纵差保护，对跳闸方案稍加改造即可有效解决DG接入后变电站与电网的并网联络线保护问题。新的保护配置方案如下：
(1)在并网联络线MN两侧配置光纤纵差保护，原有的相间、接地距离保护和零序保护改为后备保护。2DL保护动作时，同时联跳3DL将DG解列。
(2)1DL重合闸检线路无压重合。2DL重合闸检本侧110kV母线无压重合。
(3)若重合失败，备自投经延时后动作，跳开2DL，合备用支路恢复供电。
2.3 保护动作行为分析
当在并网联络线MN上发生故障时，光纤纵差保护将动作，两侧断路器跳闸切除故障，并同时联跳3DL；若主保护拒动，则由后备保护经延时跳开2DL并联跳3DL。保护动作跳闸后，1DL处检线路无压
自动重合闸检测到线路无压，重合闸动作。若为瞬时性故障，则2DL也成功重合恢复供电；若为永久性故障，保护加速跳闸，备自投装置经延时后启动，再对2DL发跳闸命令防止2DL未跳开，然后投备用支路开关恢复供电。待系统成功恢复供电后，3DL按调度命令同期合闸，DG恢复并网运行。
按该方案配置保护，无论联络线发生瞬时或永久故障，均可消除DG的影响，成功恢复对并网变压器的供电。在具备光纤通道的110kV或以上等级变电站，该保护方案简单实用，特别适合于容量相对较大的小型发电机组的并网运行。
活塞式战斗机3 DG对配电网继电保护的影响
3.1 DG对三段式电流保护的影响
10 kV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[5][6][7]。
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；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。
图2 FCL典型结构图
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。由图可见，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。
4 孤岛检测技术与反孤岛保护
孤岛现象是指在主电网断开的情况下分布式发电系统继续向本地负载供电的情形。孤岛运行状态时会产生严重的后果，如孤岛中的电压和频率无法控制，可能会对用户的设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电，可能会危及检修人员的人身安全等[8][9]。一般认为主电网断开，应及时对孤岛系统采取相应的调控措施，至系统故障消除后再恢复并网运行。IEEE 1547标准中规定，在电网故障后，分布式电源应在重合闸动作之前停止向电网供电，保证DG不再向带有自动重合闸装置的电网输送电能[10]。因此，实际电网系统中的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。
图3 孤岛系统原理电路图
在中小容量的DG系统中，通过逆变器并网运行是最为常见的方式。基于逆变器并网的孤岛检测方法可以分为被动式检测和主动式检测2类。依据检测原理的不同，每一类又可分为若干具体的检测方法。被动式检测通过检测公共点处的运行参数是否出现异常，而主动式检测则是向公共点注入扰动信号来判断孤岛是否发生[11-15]。
通常分布式电源接入系统处的并网逆变器均有过/欠压(OUV)和过/欠频(OUF)保护，从而在运行参数超过给定阈值时将DG与系统解列，这种保护同时可作为孤岛检测方法。OUV/OUF作为孤岛检测算法无需额外增添设备，简单易行，经济性最好，是基本的检测方法。但是，如果DG与负载功率相匹配，其
电压和频率的变化不足以超出检测阈值，该检测方法将失效。因此，OUV/OUF存在较大的非检测区(NDZ)。电压谐波检测法通过检测公共点电压的总谐波畸变率来达到孤岛检测的目的，相位突变检测通过检测电流与电压之间的相位差是否发生“跳变”来检测孤岛现象，各种方法均存在非检测区及具体使用上的局限性。
主动检测法的思想是在并网逆变器的控制信号中加入扰动信号，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。目前最主要的两种方法是无功输出检测法和系统故障等级监测法。无功输出检测法通过控制分布式发电机的励磁电流，使之产生一种特定大小的无功电流来进行孤岛检测。生成的无功电流只在分布式电源与主系统相连时才能产生。无功输出检测法对孤岛状态的检测十分可靠，但其动作时间长，一般需要几秒钟的时间才会动作，所以这种方法一般只有在做后备用途时才考虑。系统故障等级监测法在电压过零点时触发晶闸管开关，用一个并联电感测量电流，来计算系统阻抗和系统故障等级。这种方法会在电压过零点时产生小的扰动，影响系统运行。
除通过逆变器侧的孤岛检测算法之外，利用通讯系统的广域检测方法也不断出现。文献[16]提出了采用中央控制单元方案，通过中央控制单元对一个区域内所有可能导致孤岛形成的断路器或自动开关状态进行监控，当有开关动作时，中央控制单元将确定孤岛地带，并立即发送信号中止DG的运行，并且在故障清除之后，还可以用同一个中央控制单元提供分布式发电装置的重连信号。此方法的代价是成
本高、执行复杂。文献[17]提出在DG侧及系统侧双端采用同步相量测量装置(PMU)，直接利用两侧正序电压的相位变化和幅值变化完成孤岛的检测，保证了孤岛检测的快速性。鉴于同步相量测量技术应用的日益普及，该方法可能是孤岛检测未来发展的一个方向。
5 结论
本文介绍了分布式发电继电保护技术及其在电力系统中的应用研究的新进展。可以预见，随着智能电网技术的发展，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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作者简介：
姜玉磊(1977—)，男，硕士，工程师，主要从事微机保护装置的研究与开发；
杨宇(1980—)，男，硕士，工程师，主要从事电力自动化装置的研究与开发；
樊陈(1982—)，男，硕士，主要从事电网自动化软件的研究与开发。
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