摘要：随着国家新能源战略的推进实施，越来越多的新能源小电源接入配网系统。这些分布式小电源改变了传统配网的结构，在与传统继电保护配合时可能会存在问题。本文通过一起110kV变电站失压事件，对小电源接入配网可能引起的继电保护问题进行了分析，并提出了改进方案。另外，将不同的小电源接入系统分为两种情况，分别对其继电保护方案进行了研究：对于容量小、自稳能力差的小电源，在系统区外故障时应及时切除；对于容量较大、自稳能力较强、能够带适量负荷孤网运行的小电源，在小电源接入母线区外发生故障时，可允许其孤网运行，由继电保护及相关稳控装置保障系统稳定运行。

关键词：新能源发电；分布式小电源；稳定性；全站失压；孤网运行

Influence and countermeasure research of distribution network relay protection with distributed small power

Abstract: With the implementation of the national new energy strategy, more and more new energy small power supply will be connected to the distribution network system. These distributed small power supply changes the load structure of the traditional distribution network, and there are some problems in the coordination of traditional relay protection. In this paper, we analyze the problem of relay protection which may be caused by the loss of voltage in 110kV substation, and put forward a simple and effective improvement scheme. In addition, the small power supply different access systems into two kinds, respectively for the relay protection scheme of power supply for small capacity of small, poor stability of the system in the external fault should be promptly removed to prevent the instability caused more problems; for small and large power capacity, strong and the self stabilization can take appropriate load isolated operation, the fault occurred in small power generatrix area, allowing the isolated network operation, the relay protection and stability control device to ensure the stable operation of the system.
Key words: new energy power generation, distributed small power supply, stability, total station pressure loss, isolated network operation

0 引言

在国家政策大力支持下^[1-3]，新能源逐步替换传统燃煤发电是大势所趋。但是新能源发电功率小，同时其分散性导致接入电网方式主要为分布式小电源模式。这些小电源改变了传统配网的结构，传统配网一般为纯负荷性质，增加小电源之后，传统继电保护方案可能不再适应^[4]，因此需要根据新的配网结构对传统继电保护方案进行改进，以满足电网安全稳定运行要求。

本文通过对一起小电源接入配网导致的110kV变电站全站失压事件进行全景分析，呈现了事件发生的本质原因：分布式小电源接入配网后，改变了传统配网纯负荷性质，与所配置的应用于传统纯负荷性质配网的继电保护不兼容。另外，结合对分布式小电源发展趋势的分析，对有小电源接入的配电网继电保护策略^[5-7]进行了研究，能够在保证系统运行稳定的前提下，充分利用小电源发电能力，提高供电的可靠性。

1       一起110kV变电站全站失压事件分析

2014年11月，某110kV线路发生了单相接地故障，并最终发展为其所供的110kV变电站全站失压。下面对该事件的发展过程进行详述。

1.1事故电网主接线及运行方式介绍

该配网系统主接线图如图1所示。图1中丙站为110kV变电站的主接线图，该站的主电源来自甲、乙两个220kV变电站。该站110kV系统为大电流接地系统，接地点位于甲站及乙站主变110kV侧中性点，丙站主变110kV中性点不接地。另外在该站的10kV母线上有两回出线及一个并网小电源，小电源容量为6MW。

图1  电网一次系统主接线

Fig.1  Primary system of power grid

在正常运行时， 丙站由线路A供电，线路B作为备用电源，由乙站充电运行。该站的备自投实现方案为：丙站母联开关7DL为合闸状态，当检测到110kV母线失压后，由备自投装置^[8]自动断开甲丙线开关2DL，然后合上乙丙线开关5DL，从而恢复系统供电。

1.2本次事故导致全站失压的原因分析

当甲丙线发生故障后，甲站线路保护正确动作，跳开断路器1DL，使丙站与主网脱离。但是由于故障并未消失，且由于丙站主变中性点不接地，110kV系统变为不接地系统。此时虽然有小电源的供电，但对于不接地系统，单相接地故障时没有零序回路，故障电流仅为电容电流，对于110kV短线路，可以忽略不计。

当甲虽然没有故障电流，但由于故障相电位由高电位变为低电位，使主变中性点由地电位变为高电位，导致非故障相电位升高至原相电压的倍，可能导致电力元件发生闪络甚至绝缘击穿，威胁系统安全运行。为防止过电压导致设备损坏，主变保护一般会为不接地系统配置间隙过电压保护，该保护反应于系统零序电压，当零序电压超过定值门槛时，经延时动作，跳开主变各侧开关。当不接地系统发生单相接地故障时，其零序电压最大值可达3倍正常运行相电压值。以A相接地故障为例，各相电压相量关系如图2所示。

图2 不接地系统发生A相接地故障时的电压相量图

Fig.2 Voltage phasor diagram of phase A to earth fault in non grounded system

      针对图2中，、、分别为A 相接地时的A、B、C相电压；为中性点电压；、分别为B、C相对中性点电压；为合成的零序电压。

    由图2所示，当发生单相金属性接地时，故障相电压降为0，非故障相电压升至倍正常电压，保护测量到的零序电压可达3倍正常运行相电压，折算到零序PT二次侧为300V。变压器间隙过压保护^[4]定值一般为120V至180V，因此不接地系统发生接地故障时，间隙过电压保护能够动作，跳开主变各侧开关（3DL、4DL），并闭锁备自投。

    另外需要指出的是，即使主变间隙保护因达不到动作定值而未动作，由于小电源通过主变升压向110kV母线反供电，备自投装置也将会因母线有电压而拒动，结果也将导致备自投拒动，最终小电源因负载过重而解列。

2       事故变电站改进方案及效果

经过以上分析，故障后小电源的存在是造成本次事故的主要原因。当110kV主供电线路发生接地故障跳闸后，如果能够迅速切除小电源，即可避免类似事故的发生。为此我们在甲站110kV线路A的保护屏上加装了故障远切装置^[9]，来实现当线路发生故障跳闸（1DL）时，能够同时远跳对侧丙站小电源联络开关（6DL）的功能。这样便可以保证在进线线路故障后，丙站备自投装置能够正常工作，切除故障线路，投入备用电源，避免丙站全站失压。待系统恢复正常运行后，小电源再并网运行。改进方案如图3所示。

图3  故障远切装置实现方案

Fig.3 Implementation scheme of remote fault cutting device

按照图3的方案改造后，2015年该条线路又曾发生过一次单相接地故障。故障发生后由于故障远切装置在跳开甲站线路A出线断路器（1DL）的同时，及时切除了小电源，使丙站变压器失去电源，间隙保护不再动作，且备自投检无压成功，备自动投入110kV线路B开关（5DL），避免了长时间的全站失压和负荷损失。

3       小电源接入的配网继电保护策略研究

随着新能源产业发展，各种分布式小电源会越来越多，发电容量也会原来越大。而且随着新能源发电技术进步，一些容量较大、自稳定能力较强的小电源带适量负荷孤网运行的能力也会更强。若发生区外故障时，能够快速隔离故障，保留一些容量及机电惯性较大的小电源继续运行供电，则对系统冲击会降到最小，同时也可降低短时断电对负荷的影响。如此则需要根据系统具体情况对继电保护策略进行详细的研究。

3.1有小电源接入的配网继电保护动作原则

继电保护作为电力系统应对故障扰动的第一道防线，其首要任务是隔离故障，降低故障对系统的冲击，保持电力系统的稳定运行。针对有分布式小电源接入配网的情况，应根据系统运行方式、小电源容量及其机电惯性的大小，在保证系统稳定不受影响的情况下，选择合适的继电保护策略，尽量少切负荷，减小故障对系统及负荷的冲击影响，以适应分布式电源大规模接入的发展趋势。

小电源接入母线发生区外故障时是否需要跳开小电源联络开关，我们认为应针对不同的情况，合理加以考量。仍以图1中的丙站主接线为例，我们可以将小电源的情况分为以下两种情况：

第一种情况，小电源容量及机电惯性不大，在主电源失去后不能维持电压和频率的稳定，可能快速失稳。失稳的情况包括电源容量小于负荷时的失频失压，以及电源容量大于负荷时的过频过压。该种情况下，在发生区外故障导致主网电源切除时应果断切除小电源，以防止小电源在扰动下失稳导致更严重的后果。

第二种情况，小电源容量及机电惯性较大，自身调控能力较强，能保证脱离主网后一定时间内孤网运行的稳定性。该种情况下，在发生区外故障导致主网切除时可保留小电源及其所供负荷，系统恢复后可以通过检同期合闸，与系统并网运行。这样做的好处是，首先避免了较大负荷损失，提高了供电可靠性，同时也防止了较大容量小电源的切除导致的功率缺额对主网系统的影响。

3.2针对小电源接入的配网继电保护方案研究

基于以上对不同小电源接入情况的研究，得出的主要结论为：当区外故障不切除小电源会导致小电源出现失稳风险时，坚决切除小电源，主要包含两个极端：要么快速失频，要么快速过频；否则，可以考虑保留小电源及适量负荷暂时孤网运行，在隔离故障后再与主网并列。

如果要实现上述目标，需要对相关的保护配置方案加以研究。

首先针对3.1节中所述第一种情况，除了第2节所述的增加故障远切装置的方案之外，也可以考虑通过110kV变电站内部元件保护的优化配置来实现快速解列小电源。下面提出一种在变压器保护中增加其他元件的后备保护的方案，以达到在故障时及时切除小电源联络开关的目的。

考虑到发生区外接地故障时，电源侧开关切除后110kV系统变为不接地系统，此时基本没有故障电流，仅能依靠主变的间隙保护切除小电源联络开关。可将主变间隙保护设置为2个时限，第1时限跳小电源联络开关，第2时限跳变压器各侧开关，并闭锁备自投。修改后的变压器间隙保护逻辑图如图4所示。变压器间隙保护由间隙电流元件和零序过压元件组成，增加间隙电流元件的目的是，防止间隙击穿后零序过压元件返回导致保护无法动作。

图4 变压器间隙保护逻辑图

Fig.4 Transformer gap protection logic diagram

修改后，当发生区外接地故障时，间隙保护1时限快速动作，首先切除小电源联络开关，然后可由备自投投入备用电源。

当发生相间故障时，间隙保护不会动作，此时需要增加低压侧复压方向过流保护。低压侧复压方向过流保护逻辑图如图5所示。

图5 变压器低压侧复压方向过流保护逻辑图

Fig.5 The logic diagram of the transformer low voltage side’s over current protection with Voltage and direction judge

图5中，复合电压元件取各侧复压开放元件相或，保证相间故障时开放的可靠性；功率方向元件设置为指向主变，用于反应110kV变电站区外故障。过流元件应根据小电源容量设置，一般不宜设置过大，由于有复合电压和功率方向把关，可以保证保护动作的正确性及可靠性。当该判据动作时，经短延时跳开联络开关。该保护与间隙保护配合可保证在所有故障类型下均能够可靠切除小电源，保证备自投装置正常工作。

针对3.1节中所述的第二种情况，继电保护方案应首先保证快速切除区外故障。最理想的情况是110kV电源进线配置能够保护线路全长的纵联保护，条件不允许时也可研究其他原理保护，目标是在线路故障时能够快速跳开线路两端的断路器以隔离故障。备自投启动逻辑应支持电源进线跳闸启动模式及检同期合闸方式。另外小电源接入母线应配置低频、低压减载等稳控设备，以解决小电源带负荷孤网运行时的过载问题。

4        结语

文中小电源接入配网与传统继电保护逻辑的配合错误可能会导致配网变电站全站失压等供电可靠性问题。本文的研究证明，通过对小电源接入系统具体情况的研究，以及对继电保护方案的合理修改，完全可以做到在不明显增加成本的情况下实现系统的安全、稳定运行，甚至能够进一步降低负荷切除时间，提高供电可靠性。