分布式光伏接入配电网继电保护研究

沈平

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摘要：随着分布式光伏的接入，配电网将从最初的单电源辐射向多电源互联转变。如果配电网发生短路故障，相关的电流和电压会对继电保护产生很大的影响。鉴于此，本文以接入分布式电源的配电网为研究对象。首先介绍了什么是分布式光伏发电，其次通过建模介绍了光伏的特性，同时分析了继电保护装置，然后深入分析了分布式光伏接入配电网的影响。最后，结合配电网的要求和分布式光伏的特点，提出了切实可行的解决方案，希望能充分发挥分布式光伏的优势。

关键词:配电网；分布式光伏；继电保护

1分布式光伏发电含义

目前，具有超高压、远距离、大电网、大容量特点的集中发电系统已在电能生产和分配过程中得到推广。考虑到大电网往往消耗大量能源，同时会造成雾霾和气候变暖等。相关人员指出，发电方式要升级，充分利用光伏、风电等能源，弥补大电网的短板。在保证发电质量和效率的前提下，控制能耗和投资，使电力系统的灵活性和可靠性达到预期。

分布式光伏发电的特点是通过光伏组件将太阳能全部转化为电能，并保证其充分利用。要求相关单位围绕用户建设发电系统，用户可以自己发电自己用，同时剩余电量可以在线处理[1]。与常规发电模式相比，该模式具有分散布局、因地制宜、高效清洁等优点。它可以利用太阳能来替代没有可再生能力的传统能源，符合当今社会倡导的节能减排理念。

2继电保护装置的分析

2.1无时限保护

除特殊情况外，保护装置只能通过增加负载电流来保护短路电流。另外，该装置可以突破外界因素带来的约束，随时切断短路电流。由于装置满足时限保护要求，动作时间为零，相关人员可酌情调整保护范围。一般来说，线路的末端不在保护范围内。在短路情况下，短路电流设置只能通过短路最大的电路来完成。

增加可靠性系数的目的是保证保护装置仅通过常规保护动作就能快速彻底切除短路故障。对于电力系统来说，有很大概率是软件计算和硬件设备出错，然后实际电流会大于理论短路电流。因此，有必要对必要裕度进行分析，引入可靠性系数的重要性有目共睹。

2.2限时保护

一般来说，限时保护更适合于主保护，但很难提供全线的保护。只有与其他防护方法配合使用，防护效果才能达到预期水平。限时保护通常能为全线提供保护，同时在限时保护未动作时，通过提供后备保护，保证线路故障能迅速消除。事实证明，要提高保护效果，关键是将线路末端划入保护范围，以保证保护装置在起点故障时能及时投入。延时得到控制，装置提出的速动要求自然能得到满足。

2.3过电流保护

这种保护方式强调在线路提出选择性要求的基础上，保证当故障发生时，保护装置能尽快切除故障线路，避免对配电网造成更严重的影响。一般来说，电流可以分为以下两类:一类是把动作时间作为定值，提供保护；另一种是在短路电流与动作时间成反比时提供相应的保护。这里需要注意的是，上述两种电流对应的动作的整定值是相同的。简单来说，当输送电流超过额定极限时，继电器电流复位，达到保护的目的。

为了保证电流的选择性，相关人员决定对动作时间进行深入分析，并指出作为第三阶段保护，该保护模式的动作时间往往比上述保护模式长，需要特别注意。

3分布式光伏接入对配电网的影响

目前，集群并网和DG单独并网已经成为配电网的固有特征。DG并网多用于中低压系统，其特点可概括为损耗少、安装分散，可为无功补偿、压降处理等工作提供支持，确保集中发电的缺点得到有效补偿。配电网内部结构中，辐射状结构较为常见。随着科学技术的发展，配电网结构越来越复杂，原有的保护装置所能发挥的作用非常有限。有鉴于此，在配备保护装置时，应首选三段式保护。这种方法既能保证保护效果，又能降低保护成本，使线路保护更加有效和经济。考虑到分布式发电接入会明显影响传统配电网的继电保护，增加保护装置拒动、误动或重合闸失败的概率，相关人员应注意并网引起的连锁反应。

一旦发生故障，接入分布式电源的配电网往往会向故障点提供故障电流，这也是分布式电源对其电流保护的主要影响，这种情况也称为PV。在不改变光伏接入位置和容量的情况下，短路电流往往由短路位置决定。所以如果线路短路，相关人员首先要分析PV提供的电流。

接入分布式电源会对配电网的保护产生直接影响，表现在以下几点:1)会降低上游线路对故障的敏感度，同时会增加越级跳闸和保护延时的概率。不及时解决这个问题，会导致故障范围扩大。2)下游线路对故障的灵敏度大大提高，但故障点有很大概率会越级动作，导致故障范围扩大。

4分布式光伏如何加入配电网保护

目前，孤岛检测是光伏并网的主要检测方式，它强调在规定的时间内分别采集相位、电压和电流等参数。考虑到光伏阵列的输出与逆变器密切相关，逆变器与控制器之间的损耗除特殊情况外可以忽略，可以保证并网光伏输出与光伏输出功率相同。根据实践中积累的经验和光伏接入对配电网的影响，相关人员提出以下接入措施。欠功率的特点是光伏的输出达不到用户端的消耗值，因此并网光伏不得不与配电网结合，将所需电能输送到用户端。一旦线路短路，就会导致用户端输入电能的迅速减少。换句话说，仅仅依靠光伏的输出电能很难满足用户端的需求。如果不尽快解决这个问题，电流值和电压值都会发生变化。

等功率强调消费者消耗与光伏输出相同。此时，光伏并网不需要向配电网提供电能。如果线路发生短路故障，相关人员只需判断线路中是否存在孤岛，就能得出准确的结论。

过功率的特点是光伏输出在用户端的消耗，需要光伏并网为配电网提供一定的电能。如果线路短路，光伏并网携带的电流会迅速增加，其提升速度和提升量往往取决于线路起始端与故障点的距离。如果两者相距较远，电流增加较慢，提升量相对较小。考虑到光伏分布多位于最大功率点附近，一旦发生短路，输出功率很难提高，并网电压必然会随着电流的增大而降低。如果光伏阵列的输出电流和电压发生明显变化，相关人员很容易忽略光伏并网一侧的输出变化。利用孤岛检测方法进行检测，有助于相关人员快速判断光伏并网电流和电压变化的原因，并判断这些变化是否与光伏阵列有关，从而确定保护装置的运行情况。如果并网电流和电压变化很快，说明问题原因与光伏阵列无关。

孤岛检测强调从安装在光伏并网电路中的变流器采集光伏输出等相关数据，从电网和逆变器的并联网站采集配电网提供的电能、并网电流和电压。可以看出，除特殊情况外，相关人员可以选择以孤岛检测为核心，分析自己掌握的相位、电压、电流数据，明确配电网线路运行状态。如果分析结果显示配电网线路存在故障，需要先确定故障位置，然后通过以下途径解决:首先采集光伏的输出电压和电流值，采用并网和最大功率跟踪的策略采集并网电压和电流。然后，对采集的数据进行孤岛检测。如果用户负荷和光伏输入一致，通常只需要留下重要负荷，剔除剩余负荷。如果两个值相差显著，且用户负荷值大于光伏输入值，则说明电能值处于快速降低状态。此时应尽快切换光伏运行模式，排除重要负荷以外的其他负荷。如果光伏输入明显大于用户负荷值，通常意味着并网电流处于快速增加状态，光伏输出也会相应增加。相关人员必须尽快确定故障电流的位置。如果光伏输出达到或超过额定限值，应立即开启保护，以避免对配电网造成不必要的影响。

5结论

当分布式电源接入配电网后，配电网将由单方面的电源辐射转变为电源互联，原有的继电保护将难以发挥应有的作用。一旦发生电压波动，配电网的稳定性和可靠性将不可避免地受到影响。针对这一问题，相关人员选择光伏输出的特性作为出发点，通过孤岛检测控制光伏的并网电流和电压，在保证继电保护效果的基础上进行继电保护。事实证明，这种方法在改善电能质量和配电网效率方面发挥了突出的作用，可以推广。

参考文献

[1]乔颖，孙荣富，丁然，等.基于数据增强的分布式光伏电站群短期功率预测（一）：方法框架与数据增强[J].电网技术，2021，45（5）：10.

[2]张汀荟，谢明成，王蓓蓓，等.分布式光伏的共享价值及其对配电网影响的系统动力学仿真[J].电力系统自动化，2021，45（18）：10.

[3]孙旻，陈波，曾伟，等.基于配电网馈线首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制策略[J].电力自动化设备，2020，40（3）：7.