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摘 要： 在現代社會，智能電網已經成為電力系統發展變革的必然方向，也是電力系統科技創新的必然趨勢。在發展智能電網的過程中，電網需要可以兼容并不斷地將分布式電源（Distributed Generation，DG）加入其中。DG是一種小型的(容量一般小于50 MW)環保發電技術，其特點是容量小、電壓等級低、投資少、費用低、靈活性高等。DG可以提高電網經濟效益，也可以保證電力系統的安全性，提高電力系統的靈活性。利用DG在重合閘動作時所造成的兩種威脅，歸納出在對原有保護和重合閘的配合以及斷路器聯跳做出改變時所做出的應對方法，并利用MATLAB/SIMULINK對其進行仿真模擬，證明其有效性。
關鍵詞： 分布式電源；配電網；重合閘；孤島
0 引言
DG大量的并入配電網后，配電網由傳統的單電源輻射網變為雙電源或者多電源結構，配電系統的運行也出現了非常大的變化，與此同時，配電網繼電保護與重合閘之間的配合也產生了很大的變化。文獻[1-3]研究了DG并入配電網后對重合閘的影響，但是并沒有具體的解決措施。文獻[4]研究了DG接入110 kV變電站后對繼電保護和重合閘的影響，但是不適用于線路。文獻[5]研究了DG對配電網優化運行的影響。本文主要研究DG并入配電網后所產生的影響，在繼電保護與重合閘之間做出一些改動，然后將斷路器聯跳的方法加入其中，彌補重合閘造成的缺陷。
1 DG并入配電網后對重合閘的影響
重合閘與配電網繼電保護的配合分為重合閘前加速保護和重合閘后加速保護。對于配電網而言，都是將重合閘前加速保護運用其中，這樣當線路上（包括相鄰或者以后的線路）發生故障時，靠近電源側的保護首先無選擇性地瞬時動作于跳閘，然后利用重合閘來糾正這種動作。這種保護動作的優點是未等瞬時性故障發展成永久性故障時便快速地切除故障，因此此方法不但可以提高重合閘的成功率，而且可以減少電力元件的損壞。但是其缺點是切除永久性故障的時間較長，還可能造成停電范圍擴大。重合閘后加速保護廣泛應用于35 kV以上的電網中，當保護線路發生故障時，保護裝置有選擇性地將故障線路切除，但不足之處是可能存在短暫延時。當DG并入配電網后，保護線路發生故障后重合閘，此時DG與線路沒有跳離，這種情況下可能會產生非同期重合閘和故障點電弧重燃兩種情況。下面在一個含DG的10 kV配電網中（圖1）介紹這兩種潛在的威脅。
1.1 孤島現象
孤島現象是指因為電氣故障或者其他因素而造成電網斷電，但此時DG仍然向附近的負載供電，從而形成一個電力孤島，此孤島總網絡無法控制，因此對配電網絡有極其嚴重的危害。首先，由于其不受電力系統支配，使電壓和頻率無法得到控制，這樣則可能造成電力設備損壞；其次，由于電力孤島孤立運行，不受支配，所以線路仍然帶電，對線路檢修人員的人身安全會造成極大的威脅；第三因為孤島重新與電力系統并列運行時，孤島也許會與系統不同步，可能會對分布式發電設備造成損壞。
1.2 非同期重合閘
當F1點發生故障時，斷路器跳閘，但是DG仍然在配電網中連接，從而形成電力孤島。系統電源和電力孤島之間也可能會在跳閘與重合閘之間這段時間產生相交差，如果在這個時間非同期重合閘，將會產生非常大的沖擊電流，圖2為非同期重合閘產生的故障暫態電流。重合閘也會因為沖擊電流所造成的線路保護誤動作而失去快速恢復瞬時性故障的能力。而且DG容量的大小對沖擊電流的影響也很大，沖擊電流會因為DG容量過大而對發電機組造成損壞。
1.3 故障點電弧重燃
當發生故障引起斷路器跳閘，若想重合閘，則需要經過短暫的時延，使電弧熄滅以及使介質絕緣強度得以恢復。發生故障后，系統電源斷開，DG仍與故障點相連，形成電力孤島，持續不斷地向故障點提供電流，使電弧無法熄滅。若在電弧不熄滅的情況下重合閘使系統電源重新接入，極有可能會產生階躍電流，造成絕緣擊穿，使事故更加嚴重。所以只有斷開DG與故障點之間的聯系才能重合閘。圖3為故障電流躍變軌跡。
配電網一般都采用重合閘前加速保護，當線路上出現任何故障，都會引起斷路器瞬時跳閘，為了不發生這兩種狀況，則必須在DG解列后再進行重合閘，但是這樣的方法不僅使恢復供電時間增加，還使運行變得更加復雜了。
2 解決方案
本文利用配電網保護與重合閘之間的一些改動，并且通過通信線路發出跳閘信號使斷路器聯跳的方法，使DG快速解列，然后重合閘，這樣就可以消除DG并入配電網時對重合閘產生的影響。
2.1 解決方案與分析
此次討論的方法在原有的配電網三段式電流保護的基礎上安裝方向原件。本文以DG為界，將饋線分為2個區間。系統電源與DG之間的區間為A區間，此區間采用重合閘后加速保護，這樣保護裝置就可以有選擇性地將故障線路切除，與此同時，為了防止DG受到負序電流的沖擊，則利用通信線路所產生的信號使DG側的斷路器聯跳，做到瞬間解列。饋線上的保護配置檢線路無壓重合閘，DG側的保護配置檢同期重合閘。只有為瞬時性故障時，DG才采用檢同期重合閘。若為永久性故障，DG不需要重合閘。
DG與線路終端之間的區間為B區間，在此區間內出現故障，保護瞬間動作，跳閘并切除故障，因此采用重合閘前加速保護。因為不需要DG解列，所以讓DG與系統電源持續連接，供其持續運行。下面對圖1中所畫的含DG的10 kV配電網進行保護動作分析。
（1）當在A區間發生故障F1時，此區間采用重合閘后加速保護，所以動作有選擇性。首先斷路器1跳閘，然后通過通信線路將跳閘信號傳給DG側的斷路器4，斷路器4隨即跳閘，使DG解列，形成電力孤島。短時間之后，斷路器1會檢無壓重合閘。接下來的情況分為兩種：瞬時性故障和永久性故障。若為前者，則斷路器4會在斷路器1重合閘后同期重合閘；若為后者，故障點未消除，斷路器1會繼續跳閘，斷路器4則不動作。
（2）B區間采用的是重合閘前加速保護方式，當發生故障F2時，斷路器3跳閘，短時間后斷路器3重合閘。和之前一樣會出現兩種情況，即瞬時性故障和永久性故障。若為前者，斷路器3重合閘成功，若為后者則繼續跳閘。DG在此過程中無需解列，由于此區間保護配置基本一樣，所以無需加裝其他元件。
2.2 仿真模擬算例
本文利用MATLAB/SIMULINK進行仿真模擬，主要仿真A區間保護動作，故障由短路故障模擬。由帶阻抗串聯支路的三相電源模塊模擬系統電源，由簡單同步電機模塊模擬DG。系統電源額定電壓為10.5 kV，基準容量為350 MVA。DG的額定電壓為10.5 kV，額定容量為3 MVA。線路長30 km，終端負荷為50 MW。
如圖4所示，當發生瞬時性三相短路故障時，故障時間為0.03 s～0.07 s。在0.03 s時，斷路器1檢測到故障，跳閘信號在0.05 s后發出，即0.08 s時，保護同時將跳閘信號通過通信線路向DG側的斷路器4發出，跳閘后0.4 s斷路器1重合閘成功，DG側保護檢同期重合閘。圖5為線路保護和DG側保護的動作信號波形圖。
圖6所示為當發生永久性三相短路故障時故障電流波形圖。起始時間為0.03 s，當故障發生時保護1檢測到故障，跳閘信號在0.05 s后發出，保護在0.08 s時將跳閘信號通過通信線路向DG側發出，跳閘后0.4 s斷路器1重合閘未成功，該故障未消除，0.01 s后繼續跳閘，斷路器4在此時不重合閘。圖7為線路保護和DG側保護的動作信號波形圖。
3 結論
配電網的自動重合閘能夠提高配電網的運行可靠性和穩定性，但是DG并入配電網后重合閘將會與原來有所不同，所以不僅要加裝方向性元件，還要采用斷路器聯跳的方法，使保護配置得以改進。本方案的特點就是用通信線路傳遞跳閘信號，第一可以使DG在線路出現故障時迅速解列，第二可以防止負序電流沖擊DG。本文實驗均保持并利用原有保護配置，經濟實用，對DG的發展有很大的幫助。
參考文獻
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