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【摘要】分布式电源作为一种高效、可靠、经济的发电方式，近年来得到了国内外的广泛关注。分布式电源的配电网其结构为单电源、放射状，配电网的继电保护是以此结构为基础设计运行的。本文以分布式电源经逆变并网为研究对象，介绍对分布式电源的接入使配电网的结构发生的变化以及对配电网继电保护装置的应用进行分析。
【关键词】分布式电源 并网保护 逆变器并网 保护逻辑
【中图分类号】TM77 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0228-03
分布式电源接入电网可能对原有的电网继电保护产生影响。各个分布式电源的进线断路器连接并网保护起着关键的作用。同时需要考虑到各个变电站的运行方式可靠性和安全性。多数的分布式电源的配电网其结构较为简单，配电网的继电保护是以此结构为基础设计运行的。需要特别着重研究针对故障情况下分布式电源进线的保护配置，包括负荷侧使用过程中的故障及上级配电网可能发生的失电情况等。对分布式电源的接入使配电网的结构变化情况下保证电网运行的安全性。本文针对配电网原有保护的不足，研究了分布式电源的并网保护问题，分析了其并网保护的一些应用性问题，包括孤岛检测与孤岛运行，并给出了并网保护的功能要求及配置。
1.分布式电源
分布式电源（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电。分布式电源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率较小内燃机（Internal Combustion Engines）、微型燃气轮机（Micro-turbines）、燃料电池（Fuel Cell）、可再生能源如太阳能发电的光伏电池（Photovoltaic Cell）和风力发电、生物发电等。
作为一种高效、环保、便捷的新型发电技术，分布式电源在世界范围内得到了迅速发展。近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，许多国家纷纷出台政策和法规促进可再生能源技术的发展。
2.DG并网保护功能配置
2.1并网系统的保护配置要求
并网功能首先是保证主电网免受DG 的故障影响；其次是保证DG设备免受市电电网故障后的影响。为了保证并网系统的安全性、可靠性，并网保护需要有以下的要求：
1）DG侧断路器装置应装设过/低电压保护、高/低频率保护，且保证在电网侧故障情况下跳闸，使DG能够被可靠地快速切除。
2）DG和相关断路器装置不允许形成意外运行情况下的孤岛状态。
3）在故障恢复后，电网的电压和频率须在满足稳定要求时才允许DG重新并网。
4）并网联接的断路器和其它开关装置必须能够开断最大故障电流。
2.2 并网保护功能实现
1）检测DG孤岛运行状态
孤岛的发生首先可能引起运行电压的瞬间降低。瞬时低电压保护继电器可以反应电压的这一变化并将DG快速切除。一般为了快速地隔离故障，需要将继电器的灵敏度设置得很高，不过这样可能造成继电器易受到干扰，使保护误动的概率增加。因此，低电压保护启动需要设定延时启动，时延设置不可过长，否则可能在恶意孤岛发生时由于不能及时切除DG导致系统稳定性破坏，使电气设备受损。另外，当电网轻载时，会引起的过电压情况，同样需配置过电压保护继电器，延时启动。
当检测到DG的孤岛运行状态后，应保证快速地切除DG，使电网故障及时地隔离。DG的切除时间，应该根据电网的实际情况而定。通常使用低频率保护时，要求DG的切除要早于故障后断路器的再重合，避免非同期合闸。该配置的缺点是如果系统发生振荡，DG可能会无法继续向电网供电。但是随着DG 的快速发展，DG 在电网中所占的容量比例逐渐增大，这是这种保护配置就会对电网的供电可靠性有较大影响。这样可以对DG的切除设置一定的延时启动时间，以保证供电可靠性，同时对重合闸配备非同期检查，防止非同期合闸。
在孤岛发生时，如果DG提供的有功功率不足，孤岛运行的频率就会下降，同时有功负荷过小，过频率的情况会发生。因此，配置高/低频率继电器也是实现孤岛检测的要求之一。根据用电负荷运行要求，±5%频率变化的极限范围，频率继电器需要在最短的时间内将DG从电网中隔离。
同时，电压、频率是电能质量的基本要求，也是孤岛检测最基本的依据，实现孤岛检测功能需要配置基本的过/低电压继电器、高/低频率继电器。
2）保护配置的故障反馈检测
电网上游接地故障发生时，原有的保护可能无法识别并隔离故障，此时DG将持续提供短路电流，这就会危害设备并且危及到工作人员的人身安全，而且DG的容量越大，造成的情况会更加严重。因此，并网保护必须及时切除此类故障。
故障反馈检测功能是检测过电流，实现此功能的继电器包括过电流继电器、方向过电流继电器、阻抗继电器。过电流继电器不分辨流过继电器的故障电流方向，只要出现DG提供过电流的情况均产生保护动作。为了提高保护灵敏度，也可以考虑使用电压控制启动的过电流保护动作来实现故障反馈检测功能。方向过电流继电器主要是考虑到为了在故障发生后保持DG继续向本地的部分负荷供电。
并网变压器的故障反馈检测与其联接形式有关，并网变压器一次绕组不接地可能会导致过电压的问题，因此对低压侧Y 或△接法的变压器，采用过电压保护检测接地故障，对低压侧Y接法中性点直接接地的变压器，采用过电流保护实现故障反馈检测功能。
3）三相不平衡的检测
电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，增加变压器的铁损，降低变压器的输出功率，甚至会影响变压器的安全运行，会造成三相电压不平衡因而降低了供电质量，甚至可能影响电能表的精度而造成计量错误。针对可能存在的不平衡状态，需配置负序过电流保护继电器和负序过电压保护继电器。 4）反向功率检测
部分并网要求中严格限制DG 向市电电网负荷供电。孤岛形成后，DG 将向孤岛内的负荷供电，包括本地负荷和部分电网负荷。当DG 向电网负荷提供的反向功率越界时，功率方向继电器动作，使该部分负荷从孤岛中切除。功率方向保护可以实现检测反向功率的功能。
5）故障排除后并网
故障排除后恢复供电时，DG应能够重新并网。配电网的故障中永久性故障不到10%，因此广泛应用自动重合闸提高供电可靠性。但在孤岛发生后，重合闸重合期间，孤岛与主电网可能已经不再是同步运行，此时非同期合闸将给电网和DG造成很大的冲击和破坏，因此需要设置同期检查继电器，用于DG并网的同期检查。同期检查因素包括相角差（ Δθ ）、滑差（ Δ？覣 ）、电压幅值差（ ΔV）。
总结以上分析，并网保护需要考虑表1中的保护配置。在实际的并网保护中还需要考虑到DG 的容量、位置和DG 的类型对并网保护配置的影响。
分析了并网变压器的联接形式对并网保护的影响，介绍了DG 并网的孤岛问题及孤岛检测方法，通过对并网保护功能的分析给出了DG 并网保护的功能配置。
3.光伏逆变器并网运行
市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行，即通过光伏电池汇集电能至逆变器，然后经过升压变压器并网，通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来保证与市电电网的同步。这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行。
3.1逆变并网的国际通用标准
孤岛检测的最直接的方式是针对电网的检测。通常在电网的配电断路器分闸时，若光伏逆变并网发电系统的供电容量和电网负荷的需求量不匹配，那么电网的电压和频率会发生较大的波动，此时可以利用电网电压的过/欠电压保护和过/欠频率保护来检测电网是否断电，以此防止孤岛现象的发生。但是当光伏逆变并网发电系统的供电容量和电网负荷所需求量匹配或差距非常小的时候，电网的配电断路器分闸后，光伏并网发电系统附近电网的电压和频率的变动将不能够被保护电路检测到，而发生孤岛现象。
根据专业标准IEEE Std.2000-929和ULl74的规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制，见表2：
4.继电保护配置
4.1分布式电源并网保护功能的要求
具体配置继电保护装置需要满足相应功能，并可以实时监测相应物理量，且具备记录或者上传功能。现以GE F650数字间隔控制器保护配置应用为例，以满足电源进线的保护配置。并对其具体保护功能运用进行配置。
该综合保护装置既可以作为配电馈线及传输线路的主保护，也可作为变压器、母线、电容器组等的后备保护。
F650 装置的主要功能包含：
1）相间、中性点、接地及灵敏接地的方向过流保护
2）欠压及过压保护
3）欠频及过频保护
4）自动重合闸
5）同期
6）测量
7）录波记录、故障报告、数据记录
8）间隔控制（断开/闭合等命令）
9）通讯（RS232 / RS485 / 光纤 / 以太网）
测量：测量相、接地及灵敏接地输入的电流；相间及相对地电压；有功无功及视在功率及功率因数；频率；电路、电压的相序分量、输入/输出：
1）9个模拟量输入：5个电流输入（3个相电流，1个接地电流，1个灵敏接地电流），4个电压输入（3个相电压，1个母线或者辅助电压）
2）数字可编程接点输入（32个）
3）数字可编程接点输出（16个）
4）32个锁定的虚拟输入，32个自复位
5）虚拟输出（512个）
6）跳闸及合闸回路监视
根据以上内容，该数字式间隔控制器可以满足分布式电源进线断路器的保护功能配置。
4.2 继电保护应用与分析
现以一户内变电站为例，主接线形式为单母线分段，该电气主接线方式比较简单，且运用范围较广，具有一定代表性。该变电站供电运行方式为双电源分段运行，以其中某一段母线后备电源进线为分布式电源进线（光伏逆变后升压），根据其供电运行方式进行继电保护配置设计；分布式电源进线的继电保护设置其保护逻辑设置如图1所示。
根据变电站运行操作规程，在保护功能配置的要求下增加就地操作和远动操作的功能。
基本要求为故障状态下禁止人员对进线断路器进行操作，就地与远方操作只可取其一。为保证在可能的孤岛效应发生的情况下，不产生故障扩大化的情况，要求进线电缆或者母线电压检测满足失压条件进行断路器动作，同时也兼顾双电源的互为备用切换功能。满足正常使用的倒闸操作要求，对断路器进行分合闸操作。
对于不直接设置为保护动作的功率方向（32FP）、过频率/欠频率（81O/81U）等可以作为事件记录保存，或者通过通讯输出，传至远方操作人员或者相关工作人员掌握和记录其设备运行状态和情况。其控制逻辑如图2所示。
5.结语
配电网继电保护的工作原理和配电网的馈线自动化方案保证分布式电源接入后的安全性和可靠性。配电网主要采用速断和过电流两种保护方式，速断保护保护线路的全长，过流保护作为线路的后备保护，同时还配置零序保护。分析了DG经过逆变器并网保护功能的要求及实现方法。对于今后分布式电源接入配电网的发展，各类型的继电保护配置还需进一步综合使用经验。深入完善各类型分布式电源及其保护装置运用。
参考文献：
[1]李佑光. 电力系统继电保护原理. 北京： 科学出版社， 2003
[2]许建安. 电力系统继电保护（第二版）. 北京： 中国水利水电出版社， 2005
[3]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].中国电力出版社，2002：9
[4]IEEE P1457， IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems
【关键词】分布式电源 并网保护 逆变器并网 保护逻辑
【中图分类号】TM77 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）10-0228-03
分布式电源接入电网可能对原有的电网继电保护产生影响。各个分布式电源的进线断路器连接并网保护起着关键的作用。同时需要考虑到各个变电站的运行方式可靠性和安全性。多数的分布式电源的配电网其结构较为简单，配电网的继电保护是以此结构为基础设计运行的。需要特别着重研究针对故障情况下分布式电源进线的保护配置，包括负荷侧使用过程中的故障及上级配电网可能发生的失电情况等。对分布式电源的接入使配电网的结构变化情况下保证电网运行的安全性。本文针对配电网原有保护的不足，研究了分布式电源的并网保护问题，分析了其并网保护的一些应用性问题，包括孤岛检测与孤岛运行，并给出了并网保护的功能要求及配置。
1.分布式电源
分布式电源（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电。分布式电源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率较小内燃机（Internal Combustion Engines）、微型燃气轮机（Micro-turbines）、燃料电池（Fuel Cell）、可再生能源如太阳能发电的光伏电池（Photovoltaic Cell）和风力发电、生物发电等。
作为一种高效、环保、便捷的新型发电技术，分布式电源在世界范围内得到了迅速发展。近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，许多国家纷纷出台政策和法规促进可再生能源技术的发展。
2.DG并网保护功能配置
2.1并网系统的保护配置要求
并网功能首先是保证主电网免受DG 的故障影响；其次是保证DG设备免受市电电网故障后的影响。为了保证并网系统的安全性、可靠性，并网保护需要有以下的要求：
1）DG侧断路器装置应装设过/低电压保护、高/低频率保护，且保证在电网侧故障情况下跳闸，使DG能够被可靠地快速切除。
2）DG和相关断路器装置不允许形成意外运行情况下的孤岛状态。
3）在故障恢复后，电网的电压和频率须在满足稳定要求时才允许DG重新并网。
4）并网联接的断路器和其它开关装置必须能够开断最大故障电流。
2.2 并网保护功能实现
1）检测DG孤岛运行状态
孤岛的发生首先可能引起运行电压的瞬间降低。瞬时低电压保护继电器可以反应电压的这一变化并将DG快速切除。一般为了快速地隔离故障，需要将继电器的灵敏度设置得很高，不过这样可能造成继电器易受到干扰，使保护误动的概率增加。因此，低电压保护启动需要设定延时启动，时延设置不可过长，否则可能在恶意孤岛发生时由于不能及时切除DG导致系统稳定性破坏，使电气设备受损。另外，当电网轻载时，会引起的过电压情况，同样需配置过电压保护继电器，延时启动。
当检测到DG的孤岛运行状态后，应保证快速地切除DG，使电网故障及时地隔离。DG的切除时间，应该根据电网的实际情况而定。通常使用低频率保护时，要求DG的切除要早于故障后断路器的再重合，避免非同期合闸。该配置的缺点是如果系统发生振荡，DG可能会无法继续向电网供电。但是随着DG 的快速发展，DG 在电网中所占的容量比例逐渐增大，这是这种保护配置就会对电网的供电可靠性有较大影响。这样可以对DG的切除设置一定的延时启动时间，以保证供电可靠性，同时对重合闸配备非同期检查，防止非同期合闸。
在孤岛发生时，如果DG提供的有功功率不足，孤岛运行的频率就会下降，同时有功负荷过小，过频率的情况会发生。因此，配置高/低频率继电器也是实现孤岛检测的要求之一。根据用电负荷运行要求，±5%频率变化的极限范围，频率继电器需要在最短的时间内将DG从电网中隔离。
同时，电压、频率是电能质量的基本要求，也是孤岛检测最基本的依据，实现孤岛检测功能需要配置基本的过/低电压继电器、高/低频率继电器。
2）保护配置的故障反馈检测
电网上游接地故障发生时，原有的保护可能无法识别并隔离故障，此时DG将持续提供短路电流，这就会危害设备并且危及到工作人员的人身安全，而且DG的容量越大，造成的情况会更加严重。因此，并网保护必须及时切除此类故障。
故障反馈检测功能是检测过电流，实现此功能的继电器包括过电流继电器、方向过电流继电器、阻抗继电器。过电流继电器不分辨流过继电器的故障电流方向，只要出现DG提供过电流的情况均产生保护动作。为了提高保护灵敏度，也可以考虑使用电压控制启动的过电流保护动作来实现故障反馈检测功能。方向过电流继电器主要是考虑到为了在故障发生后保持DG继续向本地的部分负荷供电。
并网变压器的故障反馈检测与其联接形式有关，并网变压器一次绕组不接地可能会导致过电压的问题，因此对低压侧Y 或△接法的变压器，采用过电压保护检测接地故障，对低压侧Y接法中性点直接接地的变压器，采用过电流保护实现故障反馈检测功能。
3）三相不平衡的检测
电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，增加变压器的铁损，降低变压器的输出功率，甚至会影响变压器的安全运行，会造成三相电压不平衡因而降低了供电质量，甚至可能影响电能表的精度而造成计量错误。针对可能存在的不平衡状态，需配置负序过电流保护继电器和负序过电压保护继电器。 4）反向功率检测
部分并网要求中严格限制DG 向市电电网负荷供电。孤岛形成后，DG 将向孤岛内的负荷供电，包括本地负荷和部分电网负荷。当DG 向电网负荷提供的反向功率越界时，功率方向继电器动作，使该部分负荷从孤岛中切除。功率方向保护可以实现检测反向功率的功能。
5）故障排除后并网
故障排除后恢复供电时，DG应能够重新并网。配电网的故障中永久性故障不到10%，因此广泛应用自动重合闸提高供电可靠性。但在孤岛发生后，重合闸重合期间，孤岛与主电网可能已经不再是同步运行，此时非同期合闸将给电网和DG造成很大的冲击和破坏，因此需要设置同期检查继电器，用于DG并网的同期检查。同期检查因素包括相角差（ Δθ ）、滑差（ Δ？覣 ）、电压幅值差（ ΔV）。
总结以上分析，并网保护需要考虑表1中的保护配置。在实际的并网保护中还需要考虑到DG 的容量、位置和DG 的类型对并网保护配置的影响。
分析了并网变压器的联接形式对并网保护的影响，介绍了DG 并网的孤岛问题及孤岛检测方法，通过对并网保护功能的分析给出了DG 并网保护的功能配置。
3.光伏逆变器并网运行
市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行，即通过光伏电池汇集电能至逆变器，然后经过升压变压器并网，通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来保证与市电电网的同步。这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行。
3.1逆变并网的国际通用标准
孤岛检测的最直接的方式是针对电网的检测。通常在电网的配电断路器分闸时，若光伏逆变并网发电系统的供电容量和电网负荷的需求量不匹配，那么电网的电压和频率会发生较大的波动，此时可以利用电网电压的过/欠电压保护和过/欠频率保护来检测电网是否断电，以此防止孤岛现象的发生。但是当光伏逆变并网发电系统的供电容量和电网负荷所需求量匹配或差距非常小的时候，电网的配电断路器分闸后，光伏并网发电系统附近电网的电压和频率的变动将不能够被保护电路检测到，而发生孤岛现象。
根据专业标准IEEE Std.2000-929和ULl74的规定，所有的并网逆变器必须具有反孤岛效应的功能，同时这两个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制，见表2：
4.继电保护配置
4.1分布式电源并网保护功能的要求
具体配置继电保护装置需要满足相应功能，并可以实时监测相应物理量，且具备记录或者上传功能。现以GE F650数字间隔控制器保护配置应用为例，以满足电源进线的保护配置。并对其具体保护功能运用进行配置。
该综合保护装置既可以作为配电馈线及传输线路的主保护，也可作为变压器、母线、电容器组等的后备保护。
F650 装置的主要功能包含：
1）相间、中性点、接地及灵敏接地的方向过流保护
2）欠压及过压保护
3）欠频及过频保护
4）自动重合闸
5）同期
6）测量
7）录波记录、故障报告、数据记录
8）间隔控制（断开/闭合等命令）
9）通讯（RS232 / RS485 / 光纤 / 以太网）
测量：测量相、接地及灵敏接地输入的电流；相间及相对地电压；有功无功及视在功率及功率因数；频率；电路、电压的相序分量、输入/输出：
1）9个模拟量输入：5个电流输入（3个相电流，1个接地电流，1个灵敏接地电流），4个电压输入（3个相电压，1个母线或者辅助电压）
2）数字可编程接点输入（32个）
3）数字可编程接点输出（16个）
4）32个锁定的虚拟输入，32个自复位
5）虚拟输出（512个）
6）跳闸及合闸回路监视
根据以上内容，该数字式间隔控制器可以满足分布式电源进线断路器的保护功能配置。
4.2 继电保护应用与分析
现以一户内变电站为例，主接线形式为单母线分段，该电气主接线方式比较简单，且运用范围较广，具有一定代表性。该变电站供电运行方式为双电源分段运行，以其中某一段母线后备电源进线为分布式电源进线（光伏逆变后升压），根据其供电运行方式进行继电保护配置设计；分布式电源进线的继电保护设置其保护逻辑设置如图1所示。
根据变电站运行操作规程，在保护功能配置的要求下增加就地操作和远动操作的功能。
基本要求为故障状态下禁止人员对进线断路器进行操作，就地与远方操作只可取其一。为保证在可能的孤岛效应发生的情况下，不产生故障扩大化的情况，要求进线电缆或者母线电压检测满足失压条件进行断路器动作，同时也兼顾双电源的互为备用切换功能。满足正常使用的倒闸操作要求，对断路器进行分合闸操作。
对于不直接设置为保护动作的功率方向（32FP）、过频率/欠频率（81O/81U）等可以作为事件记录保存，或者通过通讯输出，传至远方操作人员或者相关工作人员掌握和记录其设备运行状态和情况。其控制逻辑如图2所示。
5.结语
配电网继电保护的工作原理和配电网的馈线自动化方案保证分布式电源接入后的安全性和可靠性。配电网主要采用速断和过电流两种保护方式，速断保护保护线路的全长，过流保护作为线路的后备保护，同时还配置零序保护。分析了DG经过逆变器并网保护功能的要求及实现方法。对于今后分布式电源接入配电网的发展，各类型的继电保护配置还需进一步综合使用经验。深入完善各类型分布式电源及其保护装置运用。
参考文献：
[1]李佑光. 电力系统继电保护原理. 北京： 科学出版社， 2003
[2]许建安. 电力系统继电保护（第二版）. 北京： 中国水利水电出版社， 2005
[3]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].中国电力出版社，2002：9
[4]IEEE P1457， IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems