含分布式电源与随机负荷的主动配电网保护

含分布式电源与随机负荷的主动配电网保护

摘要：随着分布式电源、随机负荷设备渗透接入配电网，改变了配电网原有的

电源结构、网络结构以及负荷结构。配电网的运行方式、潮流水平及流向复杂多变。传统配电网的保护原理与配置方案已面临着严峻挑战。对此，归纳总结了分

布设备渗透对配电网保护的影响，综述了现存应对措施的优劣，梳理了主动配电

网新环境下继电保护的研究方向及重点，并指出亟待解决的问题，为配电网保护

的后续研究提供参考。

关键词：分布式电源；随机负荷；电动汽车；继电保护

分布式发电技术和电动汽车技术的快速发展，带动配电网技术发生巨大的变化。为响应现代技术的发展和应用，主动配电网作为面向用户侧的能源管理新平台，承载着分布式电源的间歇性发电出力、电动汽车充放电随机性接入以及储能

设备充放电状态切换过程的冲击。新设备接入和控制方式的复杂性势必会改变配

电网原有的电源结构、网络结构以及负荷结构，构成复杂的配电网运行方式、潮

流水平及流向等，主动配电网的发展和应用不可避免地给配电网原有保护带来严

峻挑战。

一、分布式电源与随机负荷影响保护的因素

区别于传统配电网，主动配电网新接入了大量的分布式设备，而这些新设备

的渗透接入已对原有配电网故障特性造成巨大影响，进而产生许多影响配电网保

护的新因素。

1、分布式电源。分布式电源主要以利用风力、光伏等清洁能源发电为主。易受环境等因素的影响，其发电出力具有很强的间歇性、波动性及不确定性。分布

式电源（DG）接入使配电网由传统的单源辐射状网络结构变为多源复杂网络结构。接入DG的类型、容量及位置均对配电网络结构、潮流水平及方向产生影响。在

系统发生故障时，故障电流的大小和方向不再是从单一电源流向故障点。特别是

在对故障DG 进行快速控制的过程中，保护安装处的故障电压和电流特性变化速

度快，且变化幅度较大。导致现有保护配置和适应性均难以满足主动配电网的保

护要求。

2、随机负荷。随机负荷主要以消费清洁能源、实现低碳排放的电动汽车随机接入充电为主。受用户消费时间和地域位置等活动因素的影响，具有很强的时空

随机性。随机接入配电网的充电汽车会改变配电网原有的负荷结构及特性。[1]分

析得出非线性电力电子控制下的电动汽车充电时，配电网的电压属性偏移、三相

平衡度波动较大，而且伴随产生大量的谐波；这些特性进一步对配网保护的信息

采集、数字滤波、保护计算和灵敏性带来影响。特别是电动汽车聚集充电情况下，易造成系统严重过负荷运行，充电电流急剧增大，电压偏移严重，直接导致保护

出现误动或故障下的拒动现象。

二、分布式电源与随机负荷原有保护受到的影响

1、对电流保护的影响。电流保护是配电网中常用的保护方式，分析了DG 接

入对电流保护的影响。DG 接入易导致非故障线路保护误动，失去保护选择性，

扩大事故影响范围；增大保护动作时限，不利于快速切除故障；使得本线路保护

灵敏度降低，甚至拒动。未装方向闭锁元件时，还可能发生反向误动。对于所述

影响，究其原因主要是：电流保护仅仅依靠电流互感器不能明确判断故障方向；ADN 运行方式与潮流水平不断变化，等值模型不确定，导致电流保护整定困难。

2、对距离保护的影响。距离保护因其良好的方向性和选择性在配网中也得到

了广泛应用。但随着分布式设备的渗透，其保护性能也遭受到了极大的冲击。分

析了DG 接入类型、容量以及位置对距离保护的影响。DG 的分流作用会使保护范

围减小、灵敏度降低、耐过渡电阻能力差。特别是受DG 电机转速影响，保护安

装处电压与电流频率可能不一致，这严重影响了基于傅氏相量的距离阻抗计算。

储能设备聚集充放电对电网的影响，充电时相当于负荷接入，电流增大，电压偏

低易引起距离保护拒动；放电时，相当于DG 接入对距离保护的影响；特别是充

放电状态的切换瞬时过程对距离保护的整定与配置极为不利。

3、对重合闸的影响。重合闸是瞬时性故障发生之后一种快速恢复供电的有效方式，分布设备接入对重合闸动作的影响，并得出如下结论：

（1）非同期重合闸。在切除系统电源之后与重合闸完成之前的这段时间，系统电源与DG 间存在相角差。重合瞬间产生的冲击电流可能造成保护误动作，进

而影响重合闸快速恢复供电的能力。

（2）故障点电弧重燃。当保护动作切除系统侧电源之后，DG 继续向故障点

提供短路电流，可能会引起电弧重燃，导致绝缘击穿，甚至将瞬时性故障演变成

永久性故障，扩大停电范围。

三、分布式电源与随机负荷保护

1、区域保护。区域保护以区域测量系统为基础,实时采集多点信息并进行分

析处理，通过常规保护的配合动作实现其保护功能。就技术特点而言非常适用于ADN复杂的网络环境，有助于满足其苛刻的保护要求。特别是随着光纤、无线等

通信设施建设逐渐完善，区域保护发展更加迅猛。在现有配网纵联保护基础上、

以通信为支撑，提出“主从式”区域纵联保护方案。[3]基于Agent 单元的信息形成

故障关联矩阵，计算得出元件的故障综合信息值，并通过与设定的故障门槛值对

比来确定故障元件。分区域和区段2 步完成故障定位。基于最大故障特征信息量

进行故障区域定位，用分布式决策结构进行区段定位。目前主要致力于融合区域

网络多点信息量，进行增强配电网保护的自适性、协调性以及容错性方面的研究。但对配电网区域通信环境下的决策命令可靠传输机制，以及面向就地信息建立辅

助判据的研究不足。

2、多Agent 保护。多Agent 技术集计算机网络、分布人工智能等技术于一体，有良好的自治性、适应性和协调性。非常适合解决空间分布、并行协作以及不确

定性的复杂问题，在电力系统暂态稳定控制与分析、故障诊断及保护等方面得到

了广泛应用。在配电网保护中，多Agent 技术主要用来解决保护的协调配合、自

适应、数据处理等方面的问题。基于多Agent 技术的智能化特点和并行计算优势，按分层分区结构设计了在线保护整定系统。多Agent 技术提出自适应保护方案，

充分利用了多Agent 技术的协作能力，实现各点之间的信息交换和保护协作。目

前基于多Agent 技术虽进行了许多配电网保护研究，但仍存在多Agent 技术下优

化解早熟、计算时间长等关键问题亟待解决。

3、自适应保护。自适应保护借助于信息通信、结构分析、实时跟踪、智能算法等技术，根据配网运行方式和故障状态的变化而实时调整自身，使其适应此种

变化而不失其保护性能。鉴于ADN 复杂的网络结构、多变的运行方式及分布设备接入的不确定性因素等，自适应保护拥有很好的应用前景。目前主要从保护判据、整定值以及协调配合等方面来增强保护的适应能力。根据配网运行方式和拓扑结

构对保护背侧网络等值变换，利用支路贡献因子矩阵消除DG 对支路电流的影响，从而构造出自适应保护判据。根据DG 容量变化量与故障电流变化量的正比关系，提出一种整定值随 DG 容量、故障电流相适应的保护方案。实时检测网络状态，