论文总字数：24430字

摘 要

随着世界能源和环境问题的日益尖锐，以常规能源为动力的传统的集中式发电的弊端也越来越明显，与此同时分布式发电作为传统集中发电的有效补充，越来越受到人们的重视。分布式发电具有灵活、环保和高效等优点，它是未来能源领域的一个重要发展方向。随着大规模分布式电源的并网运行，传统的单电源、辐射状的配电网结构逐渐向多电源、网格状结构转变。因此，传统配电网的继电保护、可靠性评估等均需要作出相应的调整以适应分布式电源带来的冲击。本文以继电保护和可靠性评估为重点，研究了分布式电源对配电网的影响。

关键词：分布式发电 继电保护 可靠性

Impact of Distrubuted Generation on

Distribution Network

Abstract

As the problems of energy and environmental become increasingly sharp, the disadvantage of centralized power generation using conventional energy as driving force also becomes more and more obvious. At the same time, distributed generation, as an effective supplement of traditional generation, is getting more and more attention.

Distributed generation is a flexible, efficient and environmental friendly way of power generation. It is an importment direction in the energy development field. With the connection of large number of distributed generators to power grid, the traditional distribution network is changing from a single source, radial structure to a multi source, gridding structure. As a result, changes should be made for the protection deveices and reliability evaluation to adapt the impact brought by the distributed power source. This article analses the influence of distributed generator on distribution network, with the foucs placed on relay protection and reliability assessment.

Keywords：distributed generation; relay protection; reliability analysis 目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.1.1 传统电网面临的问题 1

1.1.2 分布式发电对电网的影响 1

1.2国内外的研究现状 2

1.3 本论文的主要工作 4

第二章 微电网概况 5

2.1微电网产生的背景 5

2.2 微电网的定义 6

2.3 微电网的典型结构 6

2.4 微电网的特点 8

第三章 微电网保护策略 9

3.1分布式电源接入对传统保护的影响 9

3.2 微电网并网运行是的过电源保护和方向保护 12

3.2.1 电流速断保护 12

3.2.2 限时电流速断保护 13

3.2.3 方向性电流保护与功率方向继电器 14

3.3 微电网孤网运行时的保护策略 16

3.4 微电网的继电保护方法 17

3.4.1 基于电流序分量的保护方法 17

3.4.2 基于DG出口电压abc-dq0方法 18

3.4.3谐波畸变法 18

3.5 微电网继电保护发展方向 19

3.6 小结 19

第四章 微电网孤岛运行模式下的保护方案 20

4.1计划孤岛模式下保护方案 21

4.1.1 计划孤岛运行模式下的母线保护 21

4.1.2计划孤岛运行模式下的低压线路保护 23

4.1.3计划孤岛运行模式下的微电源保护 27

4.2非计划孤岛运行保护方案 28

4.3本章小结 28

第五章 结论与展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 工作展望 29

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.1.1 传统电网面临的问题

集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是当前世界上电能生产、输送和分配所采用的主要方式，它正在为全世界超过 90%的负荷提供电力。然而，随着负荷规模的日益扩大和负荷结构的日趋多元化，这种传统的电力系统的弊端也越来越明显。首先，它不能有效跟踪负荷的变化。由于季节和人民生活方式等各种因素的影响，有时负荷会出现短时性激增，此时盲目的扩大电网设施投资在经济上是得不偿失的。随着负荷峰谷差的日益增大，电网的负荷率将逐年下降，发输电设施的利用率也有下降的趋势。其次，在大型互联的电力系统中，如果处理不当，局部事故极易扩散成大面积的停电，严重时还将引起系统崩溃，从而给国民经济带来严重的损失。随着电力系统规模的不断扩大，出现故障的几率也越来越高，电网的安全性受到越来越严峻的挑战。

正因为如此，分布式发电(Distributed Generation, DG)作为一种投资少，灵活性高的发电形式，受到越来越多的重视，它被认为是 21 世纪电力工业的发展方向。分布式发电由美国 1978 年在公共事业管理政策法中定义并推广，它的定义为：与传统供电模式完全不同的新型供电系统，为满足特定用户需要或支持现有配电网的经济运行，以分散方式布置在用户附近、发电功率为几千瓦至 50 兆瓦的小型模块式、与环境兼容的独立电源。事实上，任何安装在用户附近，不论其规模大小以及一次能源的类型如何，可独立输出电能、热能或冷能的系统，都可以叫做分布式发电系统。

根据技术类型、所使用的一次能源以及与电力系统的接口不同，分布式电源可以做如下分类：根据技术类型，DG 可以分为风力发电、太阳能光伏发电、小水电、燃料电池、微型燃气轮机等；根据所使用的一次能源可以分为可再生能源发电和非可再生能源发电；根据 DG 与电力系统的接口方式可以分为直接与系统相连(机电式)和通过逆变器与系统相连。

1.1.2 分布式发电对电网的影响

同传统的集中式发电相比，分布式发电有它自身的优点。首先，分布式电源一般都安装在用户侧，向用户更直接，减少了电力输送的长度。其次分布式电源发出的电能的电压一般等于或接近它所接入的配电网电压水平，不需要向传统电网一样要经过升压和降压的过程。再次，分布式电源一般容量比较小，因而运行和调度比较灵活，基本不受大电网影响。此外，分布式电源还有体积小，安装和维护方便，经济性好，环境友好等特点。

正是由于分布式电源有以上的特点，分布式电源接入电网后，如果容量、接入位置以及运行方式选择得当，可以有效提高负荷点供电可靠性，降低输电网和配电网的网损，延缓输配电系统升级扩建的投资。

除了上述的好处之外，分布式电源的接入还会带来许多新问题，现列举如下：

1、对电网规划的影响。分布式电源的大量接入将掩盖负荷的增长，使得电网规划人员更加难于对于电力负荷作出准确预测，从而给电网规划带来困难。

2、对继电保护设备的影响。地区配电网络在设计时一般都假设辐射网络运行方式，并没有考虑分布式电源的影响，分布式电源的接入使得辐射式的配电网络变成了一个遍布电源和用户互联的环形网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。同时由于短路故障时分布式电源也会提供短路电流，从而很容易使保护装置的动作失去选择性或据动。

3、对电能质量的影响。在分布式电源中，有些设备诸如光伏电池、储能设备、微型燃气轮机和大部分风力发电机等，不能直接产生公频电压，因而需要通过整流、逆变等电力电子器件来进行转换，这类器件会对配电网的电能质量造成巨大影响。比如系统电压闪变、谐波污染等。

4、分布式发电功率输出波动很大，不确定性程度高，难以调节。拥有大容量分布式发电的电力系统需要较高的发电备用容量，以及输电网络备用容量。

综上所述，分布式电源并网对电力系统来说是一把双刃剑。它既有光明的应用前景，同时也伴随着一些明显的问题。为了最大限度的扬长避短，发挥分布式发电对电力系统的辅助作用，本文选取了分布式电源并网对配电网的影响作为研究对象，并重点研究了 DG 在继电保护和可靠性方面对电网的影响。

1.2国内外的研究现状

随着分布式发电技术的快速发展，针对分布式电源对配电网继电保护和可靠性的影响，国内外已经有很多学者作了相关的研究和探讨。

文献[1]从故障点与 DG 相对位置的角度出发，分析了分布式电源对传统的三段式电流保护、距离保护以及重合闸装置的影响。

文献[2]分析了 DG 接入线路中间与线路末端两种情况下对三段式电流保护和反时限过电流保护的影响。通过分析发现，DG 对三段式过流保护的影响主要在于导致非故障线路保护误动和使本线路保护灵敏度降低。DG 对反时限过流保护的影响在于增大保护动作时限和导致非故障线路误动。DG 对保护的影响与DG 的容量大小及接入配电系统的位置有关，并入系统的 DG 容量不宜过大，在DG 容量一定的情况下，并入线路末端对保护的影响比较小。

文献[3]以一个 10KV 系统为例，分析了 DG 的接入对重合闸和线路电流保护的影响。文中指出，为了避免 DG 的接入给重合闸带来不利影响，线路或系统出现任何形式的故障都必须快速无选择的切除分布式电源。并通过计算指出在此条件下，当 DG 接入容量较小(不大于 2MVA)时，DG 不会对原线路保护产生负面影响，相反有可能提高原有线路保护的灵敏性，因此无需更改原线路保护的整定值。

文献[4]列举了 DG 的接入对电网短路电流的计算、继电保护装置的配合的影响。文中指出在短路计算中为 DG 阻抗建模时，需要考虑继保装置动作的速度问题。在继电保护装置的配合问题上，需要注意 DG 不光对其接入的馈线有影响，对其相邻馈线的短路电流也有助增作用。

文献[5]简要分析了 DG 对配电网的有利影响，详细分析了 DG 的接入对径向运行的配电网可能造成的冲击及其成因，其中包括电压调节和损失、电压波动和闪变、DG 所产生的谐波、DG 对短路电流水平的影响、由 DG 的运行所产生的不可控的孤岛、为提高系统可靠性而有意形成的孤岛对配电网可靠性所造成的影响。

文献[6]采用基于区间计算的配电网可靠性评估算法分析了参数不确定性对配电系统可靠性的影响，以 RBTS．6 母线配电系统为例，计算了分布式电源接入前后配电系统可靠性评估的各项区间指标，根据可靠性指标分析了不同接入位置对配电网可靠性的影响，验证了作为备用电源的分布式电源在改善电网可靠性方面的作用。

文献[7]对可靠性的评估应用了概率性的方法，使用了 DISREL 工具。首先确定需要重点研究的可靠性指标。然后利用该工具计算出原始配电网的可靠性数据、增加一条馈线的可靠性数据，最后计算在多个 DG 容量范围的条件下系统的可靠性数据，从而确定能使配电网可靠性提高相同程度的 DG 容量。但是文章没有分析 DG 接入点对可靠性的影响。

文献[11]提出了一种确定 DG 安装位置的优化算法，算法试图寻找 DG 的成本和利益之间的最优均衡。算法的目的是在馈线上找到 DG 的最优安装位置，以及对应的 DG 类型与容量。

文献[30]提出了一种决定 DG 最优运行策略的方法，这种方法是基于配电网的可靠性价值评估的。当 DG 做削峰运行时可以减少系统的运行成本，而 DG 做备用运行时可以有效减少负荷的故障持续时间。因此如果 DG 的运行成本低于峰荷时的系统运行成本，这时 DG 应当做削峰运行来减少系统总体成本。而当由于断电造成用户损失较大时，也应考虑 DG 备用运行。

文献[31]提出了一种在配电网中将 DG 作为一个有价值的备选方案时的整体规划方法。这种方法将综合的寻优模型与规划者的经验结合起来，以找出 DG 的最优安装位置以及容量。

1.3 本论文的主要工作

1、阐述了配电网继电保护种类、原理、特点和整定原则，并且介绍了配电网常用的馈线自动化方案。

2、分析了 DG 的接入对配网继电保护和馈线自动化设备的影响。本文从 DG的接入对配电网短路电流的影响角度出发，研究了 DG 对原有保护灵敏度的影响以及可能造成的误跳闸。简述了 DG 可能重合闸失败的原因以及解决方案。

3、阐述了配网可靠性的基本概念，常用的可靠性指标以及计算方法。分析了 DG 的接入对配网可靠性可能造成的影响，最后结合内蒙电网实例，对以不同位置和容量接入 DG 对的配电网的可靠性影响进行了分析。

第二章 微电网概况

2.1微电网产生的背景

随着国民经济的发展, 电力需求迅速增长,电力部门大多把投资集中在火电、水电以核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。但是,随着电网规模的不断扩大, 超大规模电力系统的弊端也日益凸现,成本高,运行难度大,难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后,电网的脆弱性充分暴露了出来。人们不禁要问, 未来的电力系统应该采取什么样的发展模式一味地扩大电网规模显然不能满足要求。人们开始另辟蹊径, 分布式发电被提上了日程。分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点,有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。

目前,欧美等发达国家已开始广泛研究能源多样化的、高效和经济的分布式发电系统, 并取得了突破性进展无疑,分布式发电将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑, 是未来电力系统的发展趋势之一。

实际上, 小电源分散发电并非新概念,早期的电力系统都是规模较小的分散独立系统。随着交流高压远距离输电技术的发展,联网的规模效益日趋显著, 人们开始将各分散系统连接起来并网运行。但在世纪年代的几次大停电事故后, 就有人开始对集中供电提出质疑仁‘一, 但其后并未开展深人研究。世纪年代,人们才开始对分布式发电系统的潜在效益展开认真研究, 并发表了许多研究报告和论文[3-4]。

分布式发电也称分散式发电或分布式供能, 一般指将相对小型的发电装置一般以下分散布置在用户负荷现场或用户附近的发电供能方式。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布, 延缓了输、配电网升级换代所需的巨额投资, 同时, 它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。

分布式电源尽管优点突出, 但本身存在诸多问题, 例如, 分布式电源单机接入成本高、控制困难等。另外, 分布式电源相对大电网来说是一个不可控源,因此大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源, 以期减小其对大电网的冲击。对分布式能源的人网标准做了规定当电力系统发生故障时, 分布式电源必须马上退出运行。这就大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾, 充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益, 在本世纪初, 学者们提出了微电网的概念[5-8] 。

微电网从系统观点看问题, 将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合, 形成一个单一可控的单元, 同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电源, 亦即含有电力电子界面的小型机组（小于100kw), 包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。它们接在用户侧, 具有低成本、低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行, 也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它还具有双重角色对于公用电力企业, 微电网可视为电力系统可控的“细胞”,例如,这个“细胞”可以被控制为一个简单的可调度负荷, 可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要对于用户, 微电网可以作为一个可定制的电源, 以满足用户多样化的需求, 例如, 增强局部供电可靠性, 降低馈电损耗, 支持当地电压, 通过利用废热提高效率, 提供电压下陷的校正, 或作为不可中断电源。由于微电网灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑, 学者形象地称之为电力系统的“好市民”和“模范市民”。此外,紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念川是微电网的个重要特征。在接人问题上,微电网的人网标准只针对微电网与大电网的公共连接点, 而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接人问题, 充分发挥了分布式电源的各项优势,还为用户带来了其他多方面的效益。

2.2 微电网的定义

微网是由分布式电源、储能和负荷构成的可控供能系统，可平滑接入大电网和独立自治运行，是发挥分布式电源效能的有效方式。微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。微电网和大电网通过PCC 进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。

2.3 微电网的典型结构

图1是美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)提出的微电网基本结构。

图2.3.1美国CERTS给出的微网典型结构图

图中包括3条馈线A,B 和C及1条负荷母线,网络整体呈辐射状结构。馈线通过主分隔装置(通常是一个静态开关)与配电系统相连, 可实现孤网与并网运行模式间的平滑切换。该开关点即PCC所在的位置, 一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。IEEE P1547标准草案规定：在PCC处, 微电网的各项技术指标必须满足预定的规范。负荷端的馈线电压通常是480V或更低。

图2.3.1展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式, 其中一些接在热力用户附近, 为当地提供热源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器, 前者可实现对整个微电网的综合分析控制, 而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时, 潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。

图2.3.1还示范了针对3类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案。对于连接在馈线A上的敏感负荷, 采用光伏电池供电对于连接在馈线C上的可调节负荷, 采用燃料电池和微型燃气轮机混合供电对于连接在馈线B上的可中断负荷,没有设置专门的微电源, 而直接由配电网供电。这样, 对于敏感负荷和可调节负荷都是采用双源供电模式, 外部配电网故障时, 馈线A,C 上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电, 而对于馈线B上的可中断负荷, 系统则会根据网络功率平衡的需求, 在必要时将其切除。

该结构初步体现了微电网的基本特征, 也揭示出微电网中的关键单元①每个微电源的接口、控制②整个微电网的能量管理器, 解决电压控制、潮流控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题③继电保护, 包括各个微电源及整个微电网的保护控制。微电网虽然也是分散供电形式, 但它绝不是对电力系统发展初期的孤立系统的简单回归。微电网采用了大量先进的现代电力技术, 如快速的电力电子开关与先进的变流技术、高效的新型电源及多样化的储能装置等, 而原始孤立系统根本不具有这样的技术水平。此外, 微电网与大电网是有机整体, 可以灵活连接、断开, 其智能性与灵活性远在原始孤立系统之上。

2.4 微电网的特点

微网技术是新型电力电子技术和分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的有机结合。具有以下主要特点：

2.4.1 微网提供了一个有效集成应用DG 的方式,继承拥有了所有单独DG 系统所具有的优点。

2.4.2 微网作为一个独立的整体模块,不会对大电网产生不利影响,不需要对大电网的运行策略进行修改。

2.4.3 微网可以以灵活的方式将DG 接入或断开, 即DG 具有“即插即用”的能力。

2.4.4 多个DG 联网的微网增加了系统容量,并有相应的储能系统,使系统惯性增大,减弱电压波动和电压闪变现象,改善电能质量。

2.4.5 微网在上级网络发生故障时可以孤立运行继续保障供电,提高供电可靠性,能够工作在并网和孤岛两种模式。

2.4.6 以分布式发电技术为基础，融合储能、控制和保护装置。

2.4.7 靠近用户负荷。

2.4.8 接入电压等级是配电网电压等级。

2.4.9 分布式电源占有一定比例。

第三章 微电网保护策略

3.1分布式电源接入对传统保护的影响

分布式发电作为一种新兴的、高效环保的发电技术，近年来 获得了迅速发展。然而，大量分布式发电的并网运行将深刻影响 配电网络的结构及配电网中短路电流大小及分布，由此给配电网 的运行、控制以及继电保护工作带来多方面的影响。针对分布式 电源(DG)对配电网继电保护的影响以及含分布式电源的配网 (微电网）的保护设计研究，正得到国内外学者们越来越多的 关注。

参考文献[1]简要介绍了分布式电源的概念、分类及特点， 并从配电网规划、电能质量、网络损耗、系统保护、电网可靠性 等方面分析讨论了并网分布式电源对电力系统的影响；参考文 献[2]详细分析了分布式发电对配网保护的影响及准入容量的计 参考国外的并网规则·论述了 DG并网运行的基本技术和运行参数的相关要求·并且提出我国制定并网规则 应该遵循的方向；参考文献[4]提出了一种新的考虑DG的故 障恢复策略，对含有DG的配电网潮流计算·采用改进的前推回 代法进行处理，最后给出了考虑DG的配电网故障恢复步骤并进 行了实例仿真；参考文献[5] 的研究表明：分布式电源的容量 越大对继电保护的影响就越大，分布式电源在保护上游产生助增 作用使得保护范围增大，在保护下游产生分流作用使得保护范围 减小；参考文献[6]则详细分析了不同重合闹方式下，分布式 电源的接入对配电系统保护协调性所产生的各种可能的影响，给 出了各种情况下消除分布式电源的接入对配电网保护设备影响的 判断条件；参考文献[7]通过计算机仿真和数值分析方法研究 了基于逆变器的微电网的故障特征，定性电量分析故障状态下微 电网的动态特性，为设计合适的故障检测策略提供一种手段；参 考文献[8]提出了一种可靠快速的检测微电网内部多种故障的 方法，并给出了分析和仿真结果；参考文献[9]指出对于针对 微电网的保护不能基于检测故障电流，提出了一种新的基于检测 发电机末端电压扰动的方法来保护发电机和电网；参考文 献「10]指出微电网独立运行时的故障电流幅值太小不足以应用 传统的过电流保护技术，提出根据零序电流和负序电流幅值设定整定值的保护策略；参考文献[11]提出将方向性过电流保护应 用于微电网保护中，对继电保护装置的协调控制问题建立起模型 并用粒子群算法进行了求解；参考文献[12]提出了微电网面临 的两个问题：电压//频率控制和保护问题，文中提出了孤网运行 模式下的电压和频率的控制策略，并提出孤网和并网两种模式下 的保护策略。 配电网的特点是呈福射形，并由单侧电源供电，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，在配电网发生故障时，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，这样 便改变了配电网的节点短路水平。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的正常运行造成影响。 分布式发电设备接入电网后，给配电网系统带来的影响可概述如下:

（1）DG降低了所在线路保护的灵敏度。如图3.1.1所示， DG接在线路末端时，在分布式电源容量一定的情况下，当DG 下游出现故障时，虽然流经故障点的故障电流仍然增大，但是由 于分布式电源的分流作用，使得流过R1的故障电流要小于相同 故障情况下未接入分布式电源时流过R1的故障电流，因此减小 了线路保护检测到的故障电流值，降低了保护的灵敏度，有可能 造成保护的拒动。

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