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摘要：随着光伏发电技术逐步成熟，光伏系统并网成为太阳能开发利用的主流趋势。然而当大规模、高容量的光伏系统并网后必定给配电网带来一系列问题和挑战，其中之一就是对配电网的保护产生影响，因为光伏发电系统并网后改变了原有配电网的网络结构和潮流分布，这可能使得故障电流的大小、流向和持续时间发生变化，直接影响继电装置的保护性能，破坏保护与安全自动装置之间的配合。为了保证配电网的安全稳定运行，也为了推广光伏发电并网技术的应用，本文基于光伏系统并网对配电网保护的影响这一问题展开了研究，并提出基于广域测量系统的保护改进方案，对配电网原有的保护配置进行改进并利用广域测量系统收集多点保护动作信息以便综合判断出故障的准确区位，从而防止保护误动，提高了配电网供电的安全可靠性[1]。
关键词：光伏发电；配电网；继电保护
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：A
引言
近年来，随着光伏发电（photovoltaic power generation, PV）技术的迅猛发展以及国家新能源优先调度政策的执行，大量PV系统接入配电网，使配电系统从放射状结构变为多电源结构，电网潮流和短路电流的大小、方向和分布特性均发生改变[2]。光伏并网发电系统受其发电特性影响，当线路发生故障后，光伏电源对系统注入的短路电流远小于并网后提供的短路电流，线路保护的灵敏度下降，导致保护装置误动或拒动，相邻线路的瞬时速断保护失去选择性等[3]。因此，原有保护方案不能满足接入PV系统后配电网继电保护要求，必须评估PV系统对配电网继电保护的影响，研究新的保护策略。
1光伏发电并网位置
目前光伏发电接入电网的位置有两种：一种是光伏系统直接在电网的低压母线处接入（如图1所示），这种接入方式有可能出现两种情况：①该低压母线所带负荷小，正常运行时除了给低压母线负荷提供电能，还会向系统提供多余电能；②该低压母线所带负荷较大，正常运行时和系统一起向本地负荷供电。只是减少了低压母线所带负荷从系统的涉及容量。另一种是光伏系统经变压器后从高压母线侧接入，和系统一起对负荷供电（如图2所示）。
2光伏发电并网对配电网继电保护的影响
2.1 光伏发电并网对配有电流保护和重合闸前加速的配电网影响
根据传统配电网的保护配置，设定馈线采用瞬时电流速断和定时限过电流保护，并在系统电源出线处配置重合闸前加速装置，即当馈线上发生故障时，靠近系统电源侧的电流速断保护先无选择性地瞬时动作跳闸，然后启动重合闸装置进行恢复供电，若重合到永久故障时则由线路保护有选择地切除故障。这样可以快速切除瞬时故障，保障母线电压水平，避免瞬时性故障发展为永久性故障，最终提高线路重合闸的成功率。
依据以上电网保护配置情况来分析光伏发电系统并网对其影响[4]。
如图3所示，当PV从低压母线C处接入，K1故障时，系统侧保护动作跳闸从而隔离故障，跳闸后如果PV没有和电网断开联接，则重合闸动作合闸时将有可能造成非同期合闸，这会对系统、PV等产生严重冲击和破坏。
当线路AE上K2点发生故障时，PV没有和系统电源脱离电气联系，则PV有可能不会解列而继续并网运行，并向故障点提供反向短路电流。保护1和保护2都将感受到此反向故障电流。由于AC段线路配置的保护并不具有判别故障电流方向的能力，如果该电流足够大，将引起保护误动作跳闸。这可能使得PV和下游的负荷形成孤岛运行。如果孤岛平衡则PV将继续运行，减少了停电范围；如若岛内不平衡则PV将退出运行。
2.2 光伏发电并网对配有电流保护和重合闸后加速的配电网影响
根据传统的保护配置，设定馈线采用三段式电流保护，即无时限电流速断保护、带时限电流速断保护以及定时限过电流保护，并在每个断路器上配置重合闸后加速（AR）装置，如图4所示，依此情况来分析光伏发电系统并网对其影响。
当K3点发生故障时，首先应由保护1动作切除故障，然后由AR进行合闸以恢复供电，此时流经保护的故障电流仅由系统电源提供，与PV并入前的大小一样，保护动作情况不受影响；对于保护2，PV2将向保护2提供反向故障电流，有可能引起保护误动。
当K4点发生故障时，理应由保护2动作跳闸，然后AR动作。由于PV1的汲出作用，保护1检测到的故障电流将减小，保护灵敏度降低；而保护2由于PV1的助增作用，使其所测到的故障电流增大，保护可靠性增加，保护范围扩大。
2.3 光伏发电并网对熔断器保护的影响
如图5所示，在分支线上安装熔断器（Fuse，简写FU），FU和重合器的配合原理是：当分支线上发生故障，首先应该由重合器在熔断前动作跳闸，然后进行重合。如果是瞬时故障，则重合成功；如果是永久性故障，则在重合器再次动作跳闸前，应该由FU熔断以隔离故障。当有PV并网时，情况如下：
当K1点发生故障，由于此时FU1流过的故障电流是由系统电源和PV—起提供的，可能会导致FU1在重合器动作跳闸前就已经熔断。
当K2点发生故障，由于PV的接入，使重合器测得的故障电流减小，流经FU2的故障电流增大，这有可能导致FU2在重合器动作跳闸之前就熔断。
3含有光伏电源的配电网保护方案
3.1 基于电流保护和重合闸前加速配合的保护方案的改进
如图6所示，在配置广域测量系统的基础上，保护方案设定线路发生故障后，当保护达到动作条件时，此时保护不动作而是通过广域网将动作信息传送给控制处理中心，由控制处理中心发出跳闸命令给保护1或保护4。然后故障线路上的PV从电网解列，之后进行重合闸操作。如果是永久性故障，则跳开故障区位两侧的断路器，并将PV用短时间断供电模式，形成孤岛运行。具体保护动作情况如下：
（1）K1点发生故障时，保护1的电流I段达到动作整定值，因为有PV提供的故障电流流经保护2，可能达到其动作整定值。此时保护都不动作而是通过广域测量系统将保护动作信息传送给控制处理中心，由控制中心对保护1发出跳闸命令，将PV从电网退出。
（2）K2点发生故障时，系统侧保护动作跳闸以隔离故障。此时PV与系统电源断开电气联系，由解列装置将其退出电网，之后进行重合闸时可以避免发生非同期合闸。
（3）K3点发生故障时，此时PV会给保护1、2提供反向故障电流,由于保护1和保护4是方向电流保护，可以通过广域测量系统收集保护的方向元件判断结果，当判断出故障发生在线路AF上，由控制中心发出命令让保护4动作跳闸，由于相邻馈线故障时PV会提供助增电流，这使得原有电流保护II段更灵敏，确保保护不会误动。
3.2 基于电流保护和重合闸后加速配合的保护方案的改进
保护方案在配置广域测量系统的基础上，在每条馈线靠近系统电源侧的首端断路器上配置重合间后加速装置。当保护达到动作条件，此时保护不动作跳闸而是通过广域系统将动作信息传送给控制处理中心。只有当控制处理中心对保护发出相应动作命令时保护才动作。保护动作跳闸之后，故障点下游的PV会退出电网，然后按照重合闸后加速保护配置进行线路保护。如果发生的是永久性故障则跳幵故障区位两侧的断路器，然后将按照短时间断供电模式形成孤岛运行。
当下游线路发生故障时，PV对故障电流产生贡献，此时下游线路的电流保护值应该考虑的助增作用而重新整定，但是由于光伏电池的功率受外界条件影响较大，例如受到光照条件的影响，从而导致的输出功率变化较大或退出电网，这使得下游线路保护定值很难被确定。
3.3 对配置熔断器保护方案的改进
熔断器和重合器的保护原理是反时限类型，即故障电流越大，保护动作越快。从图5可以看出，光伏并网系统对于流经重合器的故障电流的贡献分为以下两种情况：1、保护和光伏系统之间的分支线故障则没有分流作用；2、光伏系统下游的分支线故障则有分流作用。光伏系统对于分支线的故障电流都有助增作用。为了防止焰断器在重合器首次动作前就已经熔断，此时可以虑使用故障限流器（Fault Current Limiter，简称FCL）[5]。将FCL串入光伏系统接入点中，并依据系统具体情况来设置阻抗值。当正常运行时，对外显示零阻抗或低阻抗，当检测到发生故障时，快速改变阻抗参数，对外呈现高阻抗值，以限制光伏系统提供的故障电流，从而保证配电网中保护之间的配合，是一种理想的限流装置，具有广阔的应用前景。
结束语
本文分析了光伏电源接入电网后对继电保护产生的影响，发生短路故障时，系统电源和光伏电源会一起对故障点的电流产生影响，改变故障时短路电流的方向和大小，导致继电保护装置出现误动和拒动，影响继电保护装置的灵敏性和选择性。在此基础上，提出基于广域保护的继电保护新方法，并将在后续工作中对故障定位及隔离方法进行深入研究。
参考文献
[1]敖健永.配电网继电保护灵敏度快速校核工具的设计与开发[J].机电信息,2017(36):142-143.
[2]陈文胜.浅谈光伏电站并网对配电网继电保护的影响[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2017(12):148-149.
[3]杨柳.分布式电源配电网继电保护优化和故障检测技术研究与应用[J].中国新通信,2017,19(23):149.
[4]王娟.光伏发电并网对配电网继电保护的影响分析[J].科技创新导报,2017,14(34):60-61.
[5]张小斌.解析继电保护配合提高配电自动化故障处理性能[J].通讯世界,2017(22):140-141.
论文作者:吕成虎, 张新慧
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第07期
论文发表时间:2019/8/15
标签：故障论文; 电流论文; 系统论文; 光伏论文; 动作论文; 发生论文; 配电网论文; 《当代电力文化》2019年第07期论文;