配电系统的孤岛运行与保护控制

配电系统的孤岛运行与保护控制

摘要：负荷及微网组合成多用户孤岛，在加上孤岛组合具有不克定性和多样化，在这样一个复杂的系统中，不仅要考虑单个微网运行方式，还要研究如何确定组

合孤岛的范围、孤岛的运行方式及多分布式电源和多微网的共同作及相互影响。

从而充分发挥分布式电源的积极作用，提高系统的供电质量和安全可靠性。

关键词：组合孤岛；保护控制；计划孤岛运行；非计划孤岛运行

0、引言

随着现代社会对能源需求的增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源越来越少，而且发电过程中煤炭的燃烧、石油产生的废气和废物都严重污染自然环境，

对人类的健康和生活造成很大的危害。为了保护环境、避免能源危机，建立可再

生能源等新型能源为主体的能源体系是迫在眉睫。大电网与分布式发电（DG）相

结合电力专家认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统性和灵活性的方要

方式。

1.分布式发电与孤岛的定义及分类

分布式发电与传统集中式发电的主要区别在于其规模较小且靠近用户，可以

直接向其附近的负荷供电或根据需要向电网输出电源将分布发电定义为“非经规

划的或非中央调度型的电力生产方式，能常与配电网连接，一般发电规模小于

50-100MW”。

根据所使用一次能源的不同，分布式电源可分为：1）基于化石能源的DG，

如往复式发动机、微型燃气轮机、燃料电池等；2）基于可再生能源的DG，如光

伏电池、风力发电、水力发电和生物质能发电等；3）基于电能存储的混合式DG，如热电联产的多目标分布式供能系统。

2.形成孤岛的原因

DG的系统受至扰动引起跳闸以后，可能使包含有一个或几个DG的一部分配

网与主系统分开，变成一个电气上的“孤岛”。分布式发电孤岛其实是指包含DG

和负荷的孤立的有源配电网，而形成孤岛的原因主要有：

①并网设备故障。一般情况下，DG是通过并网线连接在低压母线或T接于

馈电线路上。在辐射状网络中，并网线或并网开关成为DG与外界的唯一联系。

并网线故障将引起线路保护动作，跳开故障线路或其后备保护范围内的线路。当

所有并网线断开后，剩余的配电网与主系统分离，形成孤岛。

②频率或电压越限。系统中出现频率或电压越限时，将引起基于电气量信息

的保护元件动作。一种是分布式电源本身的保护。动作结果是将分布式电源退出

运行，发保护发电设备和并网设备。另一种是线路或变压器等无件的后保护或基

于电气信息量的解列保护的动作，形成孤岛。

③失步保护动作。配电网中，DG与主系统之产的联系比较薄弱。当包含旋

转DG的部分配网与主系统失步时，失步保护动用，退出DG或断开并网线形成

孤岛。

3.孤岛运行的的主要特征

孤岛运行则被定义为与主系统分离的一部分配电网络，由一个或多个DG独

立供电，以一定的电压频率继续运行。其孤岛运行的主要特征包括以下几个方面：

①与主系统分离的孤立配电网络；

②由DG独立供电；

③能够继续运行；

④频率和电压在允许范围内。

一般来说，与主系统分开后发后，孤岛内的功率是不平衡的。如果孤岛中的

电源总容量远小于总负荷，那么孤岛不可能稳定运行，经过较短时间后孤岛崩溃。如果孤岛中的电源总容量大于或等于本地最小负荷，就可能出现较长时间的孤岛

运行。

DG与系统并网运行时，由于DG和本地负荷的匹配程度不风，并网线的潮流

方向不是单一的。这部分配电网可能会从系统中吸收有功（无功），也可能向系

统送入有功（无功）。所以与系统分开后，孤岛内部就出现了功率不平衡，引起

了一个暂态响应过程。如果DG为了调节裕量和调节速度足够，就可以在较短时

间内达到一个新稳态，内部功率达到平衡，频率、电压也在允许范围内，孤岛可

以持续较长时间的稳定运行。如果DG的调节能力不足，孤岛只能持续较短的时间，并逐渐崩溃。如果预先规划好解列点，构造成一个功率基本平衡的区域，则

孤岛可以持续运行。

由于按持续时间的长短可分为计划孤岛运行与非计划孤岛运行。由于跳闸等

原因造成的范围不确定、偶然形成的孤岛运行，称为非计划孤岛运行。根据分布

式电源容量和本地负荷的大小，确定合理的孤岛区域，与主系统断开后，仍保证

小系统的稳定运行，称为计划孤岛运行。

4、孤岛运行的保护控制相关问题

配电网接入DG以后，改变了原有的网络结构，原系统的潮流分布和短路电

源的大小随之改变。这些改变对过流保护的整定、配置和动作特性都有影响，而

影响的大小取决于保护的位置、故障点和DG接入的位置。带来的问题主要包括：

①DG降低所在线路保护的灵敏度或缩小保护范围。

②相邻线路故障时，DG引起所在线路保护误动作。

③线路故障时，DG侧（弱馈电源侧）保护因灵敏度不足可能拒动。

但允许DG孤岛运行后，微网内的结构和运行方式改变与传统配电网有很大

区别，也带来了一些新的问题：

①孤岛形成过程中，有可能失去接地点，孤岛成为小电流接地系统，威胁设

备的绝缘安全。

②孤岛内设备故障时，可能因DG提供的短路电流过小电使保护拒动。有时DG只能提供两倍或小于两倍负荷电流的故障电流，使保护在长延时下才能动作。

③并网模式和孤岛模式转换时，系统结构发生了变化，同一套保护定值和配

合逻辑往往不能适应运行方式的变化，容易知成误动作。

5、扩展纵联保护应用于孤岛运行配电网

为了更好的防止孤岛运行带来的危害，提出一种适用于多配电网系统的三层

次保护系统，第一层次，基于本地信息量工作，完成DG自身的保护、线路传统

的两段式方式保护和变压器保护等，称为本地保护。第二层次，局部域内的保护，采用完全分布式的模式交换信息，在快速主保护区域内和后备保护区域内实现基

于方向纵联比较原理的线路保护和变压器保护，称为区域保护。第三层次，由中

心单元收集各保护的动作信息，来完成集中式的全局后备保护。

其中本地保护采用方向距离保护、I段定值只与被保护线路的参数有关，II段

定值采用躲过最大负荷电流整定。区域保护应用于扩展有纵联比较原理，通过比

较故障相邻区域内各保护对故障方向的判断结果进行准确的故障判别，并根据故

障执行相就的保护策略。基于扩展纵联比较原理的三展次多微网保护系统的定值

整定和特性与配电网运行方式，被保护元件在孤岛内外，孤岛并网与否无关，还