彩神4.有源配电网继电保护配置

4.1 有源配电网故障特点与要求

4.1.1 有源配电网故障特点

彩神有源配电网发生故障时，流入故障点的短路电流除了系统提供的短路电流外，还包括分布式电源提供的短路电流。分布式电源包括同步和异步发电机（异步主要用在水电以及小型电站），以及逆变器；同步发电机输出的最大短路电流可达额定电流的8倍，逆变器可以任务是恒流源，输出的最大短路电流为额定电流的1.5倍。

(1) 线路短路时本线路外分布电源影响

以下面的接线图为例，IDER是本线路外的分布式电源提供的短路电流，等效为电路源，Zs为系统阻抗，ZL为短路点到母线的线路阻抗，QF是线路出口的断路器.

彩神

则因为分布式电源的影响，导致流经QF处保护的短路电流变化量如下,可以看出，如果短路点靠近母线，也就是线路阻抗近似为0，短路电流的变化量为分布式电源提供的全部短路电流，短路电流变大；而如果线路阻抗远大于系统阻抗电力电子器件过电压保护和过电流保护，也就是故障点离母线比较远，分布电源对短路电流近似没有影响。

彩神(2)线路短路时本线路分布电源影响

系统等效电路如下图：

彩神对保护有影响的是故障点前的分布电源（以逆变器为例），其短路电流的一部分会流向系统，导致流经QF的短路电流变小；流经QF的短路电流变化量为：

从上式可以看出电力电子器件过电压保护和过电流保护，如果ZL1为0，也就是分布电源靠近母线，故障在线路末端，则ZL2远大于Zs,则引起流经QF的短路电流变化最大，近似等于分布电源提供的短路电流，短路电流减小影响保护灵敏度。

（3）相邻线路故障时，本线路的分布电源会提供短路电流，因此本线路的出口断路器会流过反向的短路电流。对于接地保护，一般分布式电源是中性点不接地的，不会对接地保护产生影响。

4.2 有源配电网的保护

从上面的分析可以看出，分布式电源可能会造成短路电流的增大，甚至超过断路器的遮断容量，并造成越级跳闸，也可能会造成短路电流变小，使得保护区变小，因此采用传统的三段式电流保护，需要根据实际接线图做验算和分析，对定值进行调整，或者增加方向元件，防止反方向的短路电流造成保护误动。

如果对定值调整无法达到要求，那就需要采用电流差动保护，例如相量电流差动，相位比较式差动，满足速动性和选择性。

4.3 分布式电源并网与反孤岛保护

一般来说，容量小于250kVA的分布式电源接入低压配电网，容量为250kVA~10MVA的分布式电源接入中压配电网，直接接入或者通过升压变压器接入。分布式电源经过并网开关（断路器）接入配电网，如下图的QFA和QFC。

此并网开关需要配置保护，主要的保护是外部故障保护，内部故障保护，以及反孤岛保护，下面分别进行介绍。

4.3.1 小型发电机外部相间短路保护

一般配置电流III段保护作为发电机外部相间短路故障的保护电力电子器件过电压保护和过电流保护，电流定值按照发电机额定电流的1.2倍到1.5倍整定，动作实现考虑两个因素：

（1）比上一级保护的相邻保护大一个时间级差，防止再相邻保护区发生故障时误动。例如对于分布式电源DER1, 其上一级保护为QF1，上一级保护的相邻保护为QF2，当L2上发生故障时，DER1会提供短路电流，因此需要保证QF2先切除故障。DER2的上一级保护为QFB，上一级保护的相邻保护为QF1，因此QFC的动作时限要比QF1大一个时间级差。

（2）小于上一级保护的重合闸动作时限，以便在接入线路上发生故障时能够在重合闸之前断开电网的连接，防止重合闸对分布式电源的冲击。一般重合闸时间1s，因此可以将动作时限设置为0.7s。

应用时不为发电机配置外部相间短路电流I段保护。例如对于DER2的保护QFC，其电流I段需要躲过相邻线路QFA处的短路电流电力电子器件过电压保护和过电流保护，而如果QFC和QFA的距离很近，则定值无法选择。

4.3.2 小型发电机内部相间短路保护

发电机内部相间短路一般采用电流I段快速切除故障，防止上级保护越级动作，其定值需要躲过并网开关处发生相间短路时的发电机输出最大短路电流，防止其他分支短路时误切发电机。一般发电机提供的短路电流不超过8倍的发电机额定电流，可以将电流I段定值设置为10倍的发电机额定电流，时限为40ms（注意此保护是安装在并网开关处，反映系统提供的短路电流而动作）。

配置电流III段保护作为内部短路的后备保护，电流定值按照发电机额定电流的1.5倍到2倍整定，动作时限比上一级电流III段保护小一个时间差。

从上面可以看出，外部短路时发电机输出的短路电流大于内部短路电流III段的电流定值（8倍一定大于2倍），需要为内部相间短路保护加装一个方向闭锁元件，防止在外部短路时误动。

4.3.3 大型发电机相间短路保护

大型发电机（500kVA以上）一般配置相电流差动保护作为发电机内部故障的主保护。对于以发电机-变压器组形式并网的中型发电机，为减少投资，可以把发电机和变压器作为一个元件对待。

4.3.4 逆变器内部相间短路保护

逆变器本身有完备的短路保护，因此逆变器的并网开关只配置反映内部相间短路的保护。一般配置电流I段保护，需要躲过逆变器的最大输出电流，可以设置为1.5倍逆变器额定电流，时间定值设置为40ms。

4.3.5 反孤岛保护

“孤岛”是指配电网与大电网的连接断开后形成的一个由分布式电源供电的配电子系统，例如图中的线路出口断路器QF1断开后电力电子器件过电压保护和过电流保护，分布式电源DER1/DER2以及线路负荷就成为一个孤岛，这种运行状态是不允许的：第一是孤岛内的电源功率和负荷很暖取得平衡，电压和频率的稳定性得不到保证；第二是线路出口断路器重合闸时，不同期合闸造成冲击电流;第三是如果孤岛运行是配电网保护动作造成的，那么分布式电源继续供电会影响故障电弧熄灭，因此需要在并网开关处配置反孤岛保护。

反孤岛保护主要有基于电压和频率的被动检测，逆变器主动扰动保护法，基于通讯的反孤岛保护等。

电压反孤岛保护主要是利用孤岛运行状态时，电源的无功与负载无功不平衡，导致电压下降或者上升。欠电压与过电压保护的定值需要躲过正常运行时的电压下限于上限，动作时限比上一级保护的动作时限大一个时间差。根据Q/GDW 480-2010的要求，电压保护定值需要满足以下条件：

频率反孤岛保护类似，主要是利用电源有功和负载不平衡而引起的频率上升或者下降，定值需要满足下表：

逆变器的主动扰动保护法是逆变器主动的调整期输出电压的幅值或频率，在孤岛运行状态下，会破坏孤岛的平衡（大电网本身是具备自适应调节能力的），造成孤岛电压和频率明显变动，引起电压和频率保护动作，不过这个对逆变器输出的电能质量有一定的影响。

彩神基于通讯的反孤岛保护有在美国有广泛应用的直接远方跳闸，其实现方式为，安装在变电站内的保护装置或者智能终端在检测到线路出口断路器跳闸后，通过通讯信道直接给分布电源的并网开关发出跳闸命令。