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微电网对配电网继电保护的影响分析

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摘要： 根据分布式发电特性建立微电网仿真模型。 基于仿真模型分析了微电网连接后发电特性对配电网继电保护的影响。与此同时，讨论了微电网分布式发电故障电流的特性。基于分布式发电故障电流的特点，分析可以得到对配电网继电保护的影响。

关键词：微电网，分布式发电，仿真，故障电流

0 引言

分布式发电因其合理利用可再生能源，减少排放和提高能源利用效率而得到广泛应用。作为一种高效环保的发电技术，分布式发电正在迅速发展。由于现有的电网不能承受大规模的分布式电源，因此提出了“微电网”的概念。微电网可充分发挥分布式发电的潜力，充分发挥分布式发电技术稳定运行，安全和经济效益的优势。微电网“Stated Grid Corporation”可定义为：微电网应基于分布式发电技术，分布式资源或靠近小型发电厂的用户，与最终用户的电能质量管理和能量级联利用技术相结合，形成一个小型模块化和分散式能源供应网络。微电网实现内部电源与负载运行的一体化，通过协调和主电网控制，顺利接入主电网或独立运行，同时也是智能电网的重要组成部分，完全满足用户电力质量、可靠性和安全性的需求。

尽管在分布式电源中引入分布式电源形成微电网后，除了中央电网电力系统向微电网传输电力外，网络结构并未发生变化。与此同时，它还包含多个分布式电源。因此传统配电网的保护系统可能不适合微电网。

当微电网接入配电网时，配电网的网络拓扑结构将发生变化。由于存在一个微电网甚至多个分布式电源，连接微电网后，配电网的潮流方向将发生变化。另外，由于微电网中部分分布式电源的特性也会影响配电网继电保护。变频器的谐波电流可能会改变母线保护的不平衡电流，导致母线保护故障。总体而言，当微电网接入配电网时，对配电网的继电保护和开关设备的主要影响如下：

造成保护误动作或拒动作。由微电网中的分布式电源提供的反向电流可以减少检测，从而在配电网发生故障时使保护跳闸装置缺失电流；

导致异步重合闸。线路故障可能会导致保护的异步关闭和误操作。所以这可能会影响含微电网的配电网设备的使用年限；

微电网接入配电网后，配电网需要额外的设备，因此增加了投资成本。另一方面，大容量微电网的接入会使线路电压超过上限，当微电网因故障退出配电网时，会使线路电压超过最大额定电压。为了调整线路电压，还需其他相关设备来满足含微电网的配电网的需求。

基于上述因素，我们将加大对微电网接入配电网的投资成本。

针对这些问题，当微电网并网和独立运行时，文献[3]提出了单相接地故障和两相短路保护算法，该算法基于单相接地故障产生的零序负序电流分量和两相故障产生的负序电流分量，提出了相应的差动保护。该保护方案的缺点是这种方法用于确定不平衡负载变化时的零序故障电流和负序电流比，当不平衡负载中的微电网发生变化时，保护动作会发生误动作或拒动，这种方法显然不能满足微电网发展的需要。文献[4]提出了使用新型微电网保护策略。该方法将根据保护设置中产生的短路电流的实际大小，通过通信设备交换保护信息和控制中心信息。这种方法需要复杂的通信网络，成本较高。此外，该文还讨论了放弃配电网保护的条件及其相应的后果。该文将会提出简要的小结，但没有提出具体的保护方案。

本文首先建立了一个微电网模型，该模型可以直接连接配电网络。基于此模型，分析了微电网内部发生故障时故障线路的故障特征。最后还研究了微电网接入配电网时所产生的保护问题。

1 微电网仿真模型

目前交流微电网是微电网的主要形式，通过电力电子器件，交 - 微电网网架采用径向电网，、储能装置等连接到交流母线上。通过PCC办公切换控制可以实现微网并网运行和孤岛运行模式的转换。交流网络结构直接决定了微电网的容量。

根据美国电力可靠性技术解决方案联立提出的微网结构，微电网主要由以下部分组成：微功率、储能装置、负载、馈线、保护装置、隔离装置。本文将建立以同步发电机为基础的微电网的微电功率模型。

为了分析的方便，建立了一个简单的模型。该模型由一个微功率组成：是通过恒压和恒频控制的逆变器接口，是同步发电机，容量为。控制参数，，，，i，。 控制参数，，，，，。 微电网访问树负荷参数是：为，为，为。 线路的等效阻抗分别为：为，为，为。

图1.微网结构 图2.连接到总线的分布式电源的仿真电路

2 分布式电源和微电网对配电网保护的影响

当配电网发生短路，微电网中的同步发电机会产生较大的短路电流，在微电网并网时将对配电网保护范围产生较大影响。流过继电器的微电网同步电动机的短路电流的方向是相反的。它有可能改变继电器动作序列。此外，反向短路电流可能会影响断路器的工作状态，从而导致重合闸。严重的情况是如果短路电流较大，将超过断路器的最大容量，设备将受到损坏。因此本文着重讨论分布式电源对配电网继电保护的影响。

例如，图1分析了分布式电源不同位置发生故障时配电网线路保护的影响。分析后线路发生故障时的保护影响（图2）。

根据叠加原理，当的断路器发生三相短路时，故障状态等效电路如图所示。

图3.等效电路 图4.微电网故障叠加状态等效电路

在图中，是母线的等效阻抗，是分布式功率阻抗，是母线到故障点的线路阻抗。故障发生前的故障点电压为。流经的故障电流为：

由于分布式电源的连接，当分布式电源连接到母线侧时，流过继电器的故障电流增大。从上式可以得知，流经继电器的故障电流取决于分布式电源的容量和故障点的位置。 当总线故障点靠近母线时，流过保护安装处的电流增大，从而扩大保护范围，并且保护范围可能延伸到下一层，导致保护失去选择性。

b）故障点对相邻线路的影响（如图所示）：

我们可以假定连接前后的分布式电源、、、不变，为总线点系统等效阻抗，、为线阻抗，为故障前的故障点电压。

接入分布式电源之前流过继电器的电流：

接入分布式电源后流过继电器的电流：

因此我们可以得到分布式电源接入前流过继电器的电流比：

根据上述分析可得，在分布式电源接入配电网之前，通过保护安装处的故障电流小于分布式电源接入配电网之后的故障电流。

与此同时，分布式电源的分流效应可能影响具有限流环节的保护的瞬时故障保护和过电流保护，从而降低了保护的灵敏度。当部分电流较多时，可能导致保护拒动。

2）线路短路时保护的影响分析

图5.仿真电路图 图6.分布式电源直接连接到线路时的仿真电路图

从图5可知，当线路末端出现故障时，由于分布式电源的存在，线路会在保护安装处点产生反向故障电流，可能导致保护误动作；同理可得，由于分布式电源的影响，流过保护安装处的电流增大，也会导致保护误动作。

（2）当分布式电源直接连接至线路时，含分布式电源的配电网结构如图6所示；

当线路末端的分布式电源出现故障时，保护线路的影响分析如图7所示。

图7.微电网故障叠加状态的等效电路

从上图可以看出，通过继电器的电流是：

由上式可知，连接到分布式电源的微电网会使故障电流减小。

根据上述分析可得，当微电网并网运行时，微电网对配电网的继电保护存在较大的影响。其影响可以从以下几方面进行分析：

如果分布式电源位于保护上游，并且故障发生在分布式电源的下游或分布式电源之间。既而由分布式电源引起的故障电流不会流过保护装置，从而对线路的继电保护没有影响。

如果分布式电源位于保护下游，故障发生在保护装置的下游，则故障电流将反向流过保护装置。这可能会导致线路保护误操作并失去选择性。

如果分布式电源位于保护下游，故障发生在分布式电源的下游，由于分流效应，流过保护的故障电流将减小。根据分布式电源接入的不同位置，它可能会导致线路电流主保护或后备保护拒绝跳闸。

如果分布式电源位于保护下游，分布式电源和保护设备之间发生故障，则不会对线路保护产生影响。

3 结语

根据以上分析，当微电网连接到配电网时，由于微电网中的分布式电源，配电网线路保护的灵敏度会降低，因此可能导致配电网的拒动保护。 与此同时，如果线路发生短路故障，对于线路保护而言，将会产生反向故障电流，从而影响保护的方向。综上所述，当微电网接入配电网时，会对含分布式电源的配电网的继电保护产生较大影响，因此继电保护设置和保护装置均需要作出相应的调整。

参考文献

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