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分布式电源对配电网保护影响的研究

摘要
分布式发电作为一种新兴的发电技术，以其高效、环保的特点在近几年获得了飞速的发展。然而，分布式电源(Distributed Generation，DG)接入配电网以后，原来简单的单电源辐射网络变为了复杂的多电源网络，导致原有配电网馈线保护出现灵敏度降低、拒动、误动等问题，由此给配电网的运行和控制带来多方面的影响，因此研究分布式电源的引入对配电网保护所带来的影响及提出相应的对策是十分必要的，对于分布式电源的发展和推广有着重要的意义。
本文简单介绍了研究课题的背景、发展现状和研究目标，并从DG的容量、类型、位置等因素出发，对配电网馈线保护可能产生的影响进行了定性分析，

关键词　分布式电源；配电网；继电保护；馈线自动化；MATLAB仿真；整定原则

Abstract
The Distributed Generation technology is predicted to play an increasing role in power system of the near future in the light of its character of high efficiency, environmental．However, with the interconnection of distributed generation (DG)，the distribution system has developed from the traditional simple single-source radial-network to complicated multi-source loop-network，bringing traditional feeder protection new problems in distribution network,such as sensitivity decrease，misoperation and malfunction，which deeply affects system operating and controlling．Therefore it is necessary to analyze the influence of the DG to the distribution network protection and propose its countermeasures，which is very useful to the development and practicality，for the distributed generation technology．
This paper explains the background，the research progresses and research aims，discusses that different capacity type and location of the DG source have different impacts on the current flowing through the feeder protection in distribution network．Also,the MATLAB simulation of the model confirms that the results of qualitative analysis are true．In addition, improvement schemes are proposed in tlle light of the existing distribution protection，mainly including installing the direction element，modifying the setting value and using the longitudinal differential protection．

Keywords　 distributed generation(DG)，distribution network, relay protection, feeder automation，MATLAB simulation ,setting principles

摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.2 课题研究的目的和意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1分布式发电技术国内外研究现状 4
1.3.2 含DG配电网保护的研究现状 6
1.4 论文的主要工作
第2章 分布式电源技术
2.1分布式发电的概念
2.2分布式电源的分类
2.2.1燃料电池 9
2.2.2微型燃气轮机 9
2.2.3风力发电技术 10
2.2.4太阳能光伏电池 11
2.3本章小节
第3章 分布式电源对配电网保护的影响
3.1 引言
3.1.1分布式电源的类型及容量对配电网保护的影响 14
3.1.2分布式电源的不同接入点对配电网保护的影响 15
3.1.3分布式电源对配网自动装置的影响 17
3.2算例分析
3.2.1模型参数的选择 18
3.2.2 MATLAB仿真软件介绍 20
3.2.3仿真系统模型 21
3.2.4仿真验证 22
3.3本章小节
第4章 改进后的配网保护方案
4.1配电网现有保护配置的介绍
4.1.1电流速断保护 30
4.1.2限时电流速断保护 31
4.1.3定时限过电流保护 32
4.2对现有馈线保护的改进方案
4.3本章小节
结论
参考文献
致谢
附录1
附录2
附录3
附录4
附录5

第1章 绪论
1.1 课题背景
社会的发展离不开能源，能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去的200多年中，建立在煤炭、石油、天然气等化工燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而在人们物质生活和精神生活水平不断提高的同时，一次性资源却日益枯竭，环境也不断恶化。为此人类必须寻找新的、清洁、安全、可靠的可持续发展能源。
新能源和可再生能源的含义是指除常规能源和大型水力发电之外的风能、太阳能、小水电、潮汐能、生物质能、地热能等能源资源。中国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用。经粗略计算，在现有科技水平下，中国太阳能、风能、生物质能和水能等一年可以获得的资源量大约相当于46亿吨标准煤，为2000年全国一次能源总消耗量12.8亿吨标准煤的3.59倍。但目前小水电资源只开发了约33％；太阳能的开发利用量还不到可开发量的0.1％；风能资源的开发利用量相当于可开发资源量的0.09％；现代生物质能开发量只有33l万吨标准煤，仅相当于可开发资源量的0.6％；地热能和海洋能的已开发利用量，相对于资源量来说，就更微不足道。目前新能源和可再生能源主要以非商品能源的形式为广大农村地区提供能源供应，但随着社会、经济的发展新能源和可再生能源也正稳步的向商品化能源的方向转变。
现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界90％的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如科索沃战争和刚刚结束的海湾战争等；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。所以根据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法[2]。
当代的分布式电源是指分布在配电网中的功率为10kW～30MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源，它具有调峰、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等效益。DG主要包括燃料电池、风力发电、小型水力发电站、太阳能电池阵列以及生物发电等多种形式。分布式发电能源可再生、无污染等一系列优点已引起广泛关注。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，以满足电力系统和用户特定的要求：调峰、为边远用户或商业区和居民区供电、再生能源的利用、节省输变电投资、降低网损、提高供电可靠性等等。分布式电源的出现还出于以下考虑：(1)由于城市的发展和公众对架空线路可能产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊越来越困难。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。(2)由于大电网面对不可抗拒的自然或意外灾害表现出的脆弱性，加上对于日益加剧的恐怖活动的担心，为了躲开“多米诺骨牌”式的电网连锁灾难，为了保证电源的安全可靠性，而将电源分散。分布式电源可以在电网崩溃和意外灾害情况下，维持对重要用户的供电。(3)对边远分散用户，分布式电源与现有配电网增容的方案相比可能要更为经济。(4)许多利用再生能源的发电装置，如太阳能电池阵列、微型水电等只能分散地接入当地配电系统。
根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种技术构成：往复式发动机技术、微型燃气轮机技术、燃料电池技术。基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成：太阳能光伏发电技术、风力发电技术。混合分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。
分布式电源及其应用被认为是本世纪最受重视的高科技领域之一。随着对环境及能源使用效率的进一步重视，分布式电源在我国广泛的应用是可以预见的。目前对电源系统本身的研究已经引起了相当程度的重视，但对与电网有关的技术问题的研究却还非常薄弱。已进行的研究表明，使用分布电源的效益与现场情况关系很大。如果计划不周或选择的地点不当，分布电源会给电力系统和有关用户带来问题，轻则电压闪动，重则使重要设备故障或脱离电网，甚至危及人身安全。
1.2 课题研究的目的和意义
分布式发电(Distributed Generation，简称DG)是指区别于集中发电、远距离传输、大互联网络的传统发电形式，其功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内，分布在负荷附近的清洁环保的，经济、高效、可靠的发电方式。它可以起到节约能源、削峰填谷、缓建输配电设备、减少线损、提高供电可靠性等经济效益。
由于DG容量小，电压低，一般直接通过变压器在配网接入电力系统。DG的引入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络。原有的配电网保护和重合闸设计结构必须进行相应的调整和改变。否则，DG会使配电网的故障无法及时、准确地切除，影响配电系统稳定运行、对供配电设备和DG造成损坏。
目前我国的中、低压配电网主要采用变压器中性点不接地(或经消弧线圈接地)、单侧电源、辐射型供电形式，而且地区之间的继电保护及自动化发展水平很不均衡，整体水平不高。在这种形势下，分布式电源的并网运行将影响配电网络的结构以及配电网中短路电流的大小、流向及分布，由此给配电网的运行与控制带来多方面的影响。
对于分布式发电的研究刚刚起步，尚没有成熟的含分布式电源的配电网保护方案，使得各种分布式电源普遍存在“并网难”的问题，这无疑会制约分布式发电技术的推广与发展。因此，必须迸一步深入研究含分布式电源的配电网保护方案，使分布式发电技术给电网带来各种便利的同时，又不降低接入电网的安全性。

1.3 国内外研究现状
1.3.1分布式发电技术国内外研究现状
在美国，容量式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的发展趋势。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机(10～250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。预计到2020年，由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加1.7×1012kW·h的电，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5×～6×W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和风力发电技术等。可以预料，在不久的将来，各种分布式发电技术将在美国得到相当的发展[3]。
在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量l亿kW·h的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。
在分布式发电技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。天然气进京和“西气东输”工程为发展小型热、电、冷联产开创了新的机遇。在中国，目前工业领域的热电联产总装机容量约2000万kW，预计到2010年可达到5000万kW，到2020年可达到1亿kW。
光伏发电容量可任意组合，最适合分散使用。由于光伏发电成本高，近期大型集中式光伏发电站的经济性比较差，主要用于人口分散地区的离网独立电源和城市与建筑物结合的并网发电，典型的就是屋顶光伏发电。屋顶光伏发电替代的电力成本是电网供电的零售电价，这是最可能使光伏发电的经济性接近常规能源供电的应用领域。近年来，欧盟、美国和日本等国家的光伏发电发展很快，2000年以来，并网光伏发电的新增容量已经超过离网的分散光伏发电。目前中国的光伏发电主要还在远离大电网的偏僻地区作为分散电源应用，最近建成了一些城市并网光伏发电的示范项目，城市建筑光伏发电的应用市场也会逐步扩大。光伏发电小型分散的特点与分布式发电的特征一致。预计到2020年，中国无电地区分散电源、商业用途分散电源和城市并网型光伏发电的总量可达到100万kW[4]。
风力发电已经发展成为除水力发电之外最可靠和清洁的发电方式。美国风能产业开发刚刚起步。美国风电占美国电力供应的l％以下，但根据美国风能协会估计，在稳定的政策支持下，可保持年均18％的增长幅度，到2020年，风能至少可以提供6％以上的全美电力需求量。美国风电装机容量在过去的5年中平均增长率达到28％，两位数的平均增长既体现了较强的市场需求，同时也面临许多挑战。中国风能资源丰富，可开发的装机容量约2.53亿kW，截止到2003年底，全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567.02MW(以完成整机吊装作为统计依据)[5]。
1.3.2 含DG配电网保护的研究现状
分布式电源接入配电网后势必会改变配电网络的拓扑结构和潮流方向，使原来简单的单电源辐射型网络变成复杂的多电源网络。现有的基于单端电源系统设计的配电系统保护和自动重合闸装置也必须做出相应的调整，否则由于分布式电源的存在必定使保护出现拒动、误动等问题，影响保护的选择性和灵敏性，甚至对配电系统及设备的安全稳定运行造成破坏。
分布式电源的容量、类型及接入点的差异给配电网中的短路电流的分布带来不同的影响，所以定性地分析不同情况下分布式电源对配电网继电保护及配电网自动装置的影响为以后提出更好的继电保护解决方案奠定了基础，新的保护方案的提出更可以给分布式发电技术的发展提供了更广阔的发展空间。
由于目前分布式发电己成为一个发展趋势，国内外对分布式电源的引入对配网保护的影响分析做了大量的工作，并提出了很多新的保护原理。文献[6]对接入分布式电源的配电网的稳定性、对继电保护的影响以及电能质量等方面进行了分析介绍；文献[7][8]具体的分析了分布式电源对配电网继电保护的一系列的影响；文献[9]提出在原保护方案的基础上加装方向元件和修改定值；文献[10]提出将故障限流器接入配电网，在检测到故障电流后，通过快速改变故障线路的阻抗参数，有效降低故障电流，很好的保证了保护的选择性和灵敏性。
1.4 论文的主要工作
本文详细分析分布式电源对配电网继电保护和自动装置的影响，并进行了具体的仿真验证。同时，根据现有的保护现状，提出了几种适用于含有DG配电网的保护方案。论文主要内容为
1、概述分布式电源应用的意义和它的发展历程及现状，分布式发电技术的研究现状及课题的研究意义。
2、介绍目前较为热门的四种分布式电源技术，及各种分布式能源的发电原理、各自的特点及应用场合。
3、定性地分析当分布式电源的容量、类型及接入点不同时，分布式电源对馈线各处保护的影响，以及对前加速重合闸装置的影响，并利用
MATLAB仿真软件搭建10kV系统模型对以上分析进行仿真验证。
4、针对现有配网保护方案加以改进，主要是加装方向元件和修改定值。

第2章 分布式电源技术
2.1分布式发电的概念
2.2分布式电源的分类
在不同的研究领域DG有不同的分类方式。一般可以根据DG的技术类型，所使用的一次能源及与电力系统的接口技术进行分类。根据DG通常所使用的技术可分为：柴(汽)油机组发电、水力发电、风力发电、光伏发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的能源有化石燃料、可再生能源及电能储存元件。
若DG与电力系统相连，则可以根据DG并网技术的类型分类，即直接与系统相联(机电式)和通过逆变器与系统相联两大类。若DG是旋转式发电机直接发出工频交流电则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电等：而逆变器型DG通常指的是将直流电逆变上网的DG(如风力发电、光伏发电、燃料电池及各种电能储存技术)和发出高频交流电的DG(如微透平机组)。
在DG的实际应用中，考虑到DG大小对其在电办系统中，应．用有直接影响，因此按其大小分为小型MW)三类[11]。
目前，分布式电源研究的热点之一是可再生能源发电技术，其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。对于使用燃料的分布式发电技术，燃料电池和微型燃气轮机是目前大家比较关注的焦点。
下面将对目前比较关注的几种分布式发电技术的工作原理和运行方式分别做介绍。
2.2.1燃料电池
燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84％。
燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同单体燃料电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是，一般电池的活性物质贮存在电池内部，电池容量因此受到限制；而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。当然，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池可按电解质的性质可分为：聚合电解质膜电池(PEM)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中磷酸型燃料电池最接近商业化，新一代的熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电方式。
作为21世纪的一种新型能源，燃料电池的先进性和实用性已经得到公认，在加大对燃料电池的开发、研究与利用力度方面尽管还存在一些问题，比如电极材料、制造成本、催化剂等问题，但是瑕不掩瑜，加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。随着燃料电池技术不断成熟，其在各个领域的作用会越来越明显，发展潜力十分巨大[12]。
2.2.2微型燃气轮机
微型燃气轮机是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000 r／min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30％，实行热电联产，效率可提高到75％。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。微型燃气轮机是目前最成熟、最有竞争力的分布式发电设备之一。微型燃气轮机排放的CO和NOx的体积百分含量都小于9×。微型燃气轮机发电单元运行时即可在本地监控，也可由中心监控站来管理；当出现故障时，由于重量轻，安装快，可以马上整机替换，然后把故障机组整体运往维修中心维修。
其原理[12]很简单，如2-1图所示。

图2-1 微型燃气轮机原理图
2.2.3风力发电技术
风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是一种清洁能源。和光伏电池一样，它的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。
风力发电技术的原理是：天然风吹转叶片(形如风轮)，带动发电机的转子旋转而发电。风力发电系统中最主要的组成部分是风机和发电机。风力发电机的风轮机多采用水平轴、三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长，目前世界上最大的旋转叶片的直径达66m，塔架高度达80m。功率调节是风轮机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式：一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。
风力发电机系统按照发电机运行的方式来分，主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。目前，兆瓦级风力发电机组普遍采用绕线式异步发电机的变速恒频风力系统。这是一种比较合适的变速恒频方案，该结构定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仪仅是转差功率，双馈调速将转差功率回馈到发电机轴或者电网，这是各种传动系统中效率比较高的。该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。
风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用。这种方式可供电网达不到的边远农村、牧区、海岛等地区使用，一般单机容量数百到数千瓦。并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发电场，发出的电能全部经变压器（应是逆变器吧？）送至电网，如图2-2所示。这是目前风力发电的主要方式[13]。

图2-2 风力发电系统结构图
2.2.4太阳能光伏电池
太阳能作为清洁无污染的新能源方式之一，具有广阔的发展前景，在我国太阳能发电主要以光伏发电为主。近年来我国太阳电池的生产能力得到了较大的提高，据统计到2002年底我国的光伏系统累计容量达40MW，但是多晶硅太阳能电池还仅仅处于少量的试生产阶段。与国外相比我国的光伏生产和开发研究还有很大的差距，太阳能发电还处于小规模利用阶段。
太阳能发电可分为太阳能光伏电池发电和太阳能热发电两大类。太阳能光伏电池发电是利用半导体材料的光伏效应直接将太阳能转换为电能，其主要设备是太阳能电池。
白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。采用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。光伏电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响，系统的频率和电压对其基本上没有影响。光伏发电容量可任意组合，最适合分散使用。因为光伏发电成本高，大型集中式光伏发电站的经济性比较差，所以光伏电池主要用于人口分散地区的离网独立发电和城市与建筑物相结合的并网发电，典型代表就是屋顶光伏发电。一般情况下，由若干太阳能电池组件按串并联方式连接形成较大容量的方阵，称为太阳能光伏阵列。
目前，太阳能光伏发电方面主要研究方向包括：晶硅转换速率的研究；薄膜太阳能电池和各种新型太阳能光电池的研究；太阳能电池阵列组成形式；变换器结构；光伏电站蓄电池的充放电策略的研究；并网研究；风光混合系统控制等等[14]。
图2-3 光伏系统示意图
2.3本章小节
面对能源枯竭和环境污染等问题，人类对新型发电技术的研究和开发愈加重视。目前的分布式电源种类繁多，潜力巨大。本章首先介绍了分布式电源的概念以及目前的应用情况，然后对各种分布式电源从所使用的一次能源、输出、并网技术、大小等方面进行分类。并详细介绍现在较为热门的四种分布式电源技术，主要包括燃料电池、微型燃气轮机、风力发电技术、太阳能光伏电池，分别介绍了各种分布式能源的发电原理，分析了它们各自的特点及应用场合。

第3章 分布式电源对配电网保护的影响
3.1 引言
对于配电系统，无论是辐射式还是环网结构，DG的接入都将极大地影响电网中的潮流和电压。在传统的供电方式中，功率从高电压等级传送到低电压等级，通过配电变压器分配到用户。配电系统的设计、运行及其保护控制都是基于这样的供电方式。
当大量DG接入时，配电线路上的潮流可能反向。配电系统不再是简单的电能配送工具，而是集发电、配电功能于一身，其电压、潮流分布不仅取决于负荷，而且取决于DG。以图3-1所示分布式发电条件下的配电系统(以下简称为分布式发电系统)为例，热电联产装置(CHP)向系统输送有功功率，同时它有可能发出或吸收无功功率，这取决于装置中励磁调节器的参数设置：风力发电机组发出有功，同时很可能吸收无功，这主要是由于机组中的异步感应电机在运行时需要吸收一定的无功；光伏电池阵列(PV)可以看作是一个恒压源，它还可以以某个设定的功率因数发送有功和无功功率，但同时容易产生较多的谐波。所以在这个配电系统中的潮流分布可以是任意方向的，这取决于负荷功率和DG的发电功率。

图3-1 分布式发电系统
DG对配电系统的影响可能是积极的也可能是消极的，这主要取决于系统和DG的运行特性．总的来说积极作用主要体现在改善系统运行方式，支持系统高效、可靠地运行[15]上，具体包括：
然而，这些DG的积极作用在实际中并不能够轻松实现，它要求DG必须具有很高的运行可靠性、可以接受调度，而且具有合适的接入位置和容量，此外还需满足其他一些运行限制。由于大多数DG不是电网公司所有，而且利用太阳能、风能等气候性能源发电本身就具有功率不确定的特点，所以这些条件很难保证。事实上，由于一些条件常常得不到满足，DG的接入反而对配电系统造成诸多不利影响，尤其是对继电保护和自动控制装置。下面从分布式电源的容量、类型以及接入配电网的不同位置等方面对配网保护及自动装置的影响进行分析。
3.1.1分布式电源的类型及容量对配电网保护的影响
分布式电源对配电网主要的影响是在发生故障时将对故障点提供故障电流。不同类型的分布式电源提供的短路电流不同。从研究继电保护的角度而言，分布式电源模型可以用一个电源串联电抗的模型来表示，因此需要考虑的是，在故障发生时分布式电源能够提供多大的故障电流。不同类型的分布式电源其电抗值是有差别的，它表征了该电源的故障电流注入能力。文献[7]中作者分析了几种类型分布式电源的故障电流注入能力，如表3-1所示。将该表中最大的故障电流注入数据用于短路计算就可以确定最严重的故障情况。

DG类型
故障电流注入百分比
换流器
100％～400％，持续时间取决于控制装置，某些换流器可能小于100％
同步
电机
500％～1000％，逐渐衰减到200％～400％
感应
电机
500％～1000％，过10个周波衰减至可忽略
此外，在不改变分布式电源接入位置的情况下，随着分布式电源容量的改变，发生短路故障时，配电网中的短路电流有着较大的改变。与不接分布式电源相比，在同一点发生故障，流过分布式电源下游保护的短路电流增大，在不改变保护定值的情况下，这将使下游保护的保护范围增大；随着容量的增加，分布式电源的助增能力越大，伸入下一段保护的范围越大，继电保护的选择性将得不到满足[16]。
3.1.2分布式电源的不同接入点对配电网保护的影响
分布式电源接入配电网中，会改变其附近节点的短路容量。分布式电源对配电网继电保护的影响可从多个方面来考虑。分布式电源相对于保护的位置不同，会有不同的影响效果。下面针对分布式电源位于保护的上游位置、下游位置，在不同点发生故障进行考虑，配网图见图。当DG位于B点时，保护1位于其上游，保护2，3位于其下游，保护4在相邻馈线始端。

图分布式电源相对于保护不同位置时对继电保护的影响分析图
当无分布式电源接入时，如上图所示，故障发生在馈线2上时，有以下关系成立：
==== （3-1）
其中：——系统故障电流；
——流过保护1的电流；
——流过保护2的电流；
——流过保护3的电流；
——流过故障点的电流。
当故障发生在DG上游的Fl点时，因为DG也要给故障点提供故障电流，所以，不仅使得故障点的故障电流，F增大，而且使得AB线路变成了双侧供电线路，但此时流过保护的短路电流，2仍为零。在这种情况下，虽然保护 1的短路电流与无DG时的变化不大，方向也没有改变，对保护1影响不大。但是上游AB线路只装设保护1就不能真正切除故障了，必须要在对侧装设断路器，将两侧断路器都跳开，才能切除故障。
当F4点故障时，DG的存在使故障点故障电流增大，流过保护1的故障电流为分布式电源向故障点提供的故障电流，而且功率方向从负荷侧流向系统侧。在此种情况下，分布式电源对保护1有影响，会造成反方向故障的误动作。所以，不能单独地采用电流保护，必须采用方向性的电流保护才能满足选择性的要求。系统故障电流、流过保护的故障电流、故障点的故障电流之间具有下面的关系式成立：
=+ （3-2）
= （3-3）
≠≠ （3-4）
2．分布式电源对下游保护的影响
当DG下游的F2点发生故障时，由于DG的助增作用，故障点的短路电流增大，流过DG至短路点之间保护的电流、也是增大的，分布式电源对继电保护有影响，造成各个保护的保护范围延伸，失去选择性。系统故障电流、流过保护的故障电流、、，故障点的故障电流之间具有下面关系：
=+=+ （3-5）
== （3-6）
≠ （3-7）
≠ （3-8）
其中：为DG提供的故障电流。为了让下游保护正确动作，必须按照有助增电源的情况对下游各个保护重新进行整定。
当相邻馈线上的F3发生故障时，故障点的电流增大，因为DG会提供故障电流通过保护1流向故障点。如果该电流足够大，而且保护1未加装方向元件的话，将有可能造成保护1的误动作。而保护4流过的故障电流的增大，有可能会使保护4的保护范围延伸到下一段线路，与保护5失去配合，无法保证选择性。
3.1.3分布式电源对配网自动装置的影响
1．分布式电源所在馈线发生故障
图3-3 分布式电源所在馈线发生故障时对重合闸装置的影响分析图
在电力系统中发生的故障大多数都是瞬时性故障，因此重合闸在电力系统中应用得非常广泛。如图3-3所示，两条馈线均采用前加速自动重合闸装置，分别装设在保护1、4处。当馈线AB、BC、CD上任何一段线路发生故障时，第一次均由保护1瞬时动作予以切除；之后保护1瞬时动作重新合上断路器，清除瞬时性故障恢复供电。在断路器跳闸后，必须有充分的时间使故障点的电弧熄灭才能保证重合闸成功。
但是当分布式电源接入B点后，任何一段线路发生瞬时性故障时，保护1跳开后，分布式电源仍然向故障点提供电流，故障点的电弧持续燃烧。如果这时分布式电源处的保护没有在重合之前检测到故障并将DG从电网上断开的话，将导致保护1前加速装置重合不成功，有可能导致永久性故障，扩大停电范围。
2．相邻馈线发生故障
图3-4 相邻馈线发生故障时对重合闸装置的影响分析图
当相邻馈线上的F3发生瞬时性故障时，保护4的前加速动作瞬时跳开断路器4，之后重合成功恢复供电。但DG接入后，如果分布式电源向F3提供的故障电流过大，有可能引起本馈线保护1的误动作，由于保护1处装设有前加速自动重合闸装置，所以也会引起保护1自动重合闸装置的误动作。
由上述两种情况的分析可见，分布式电源所在馈线发生瞬时性故障时，分布式电源的存在会导致前加速重合闸装置重合失败，会形成永久故障、扩大停电范围。而相邻馈线故障有可能会引起分布式电源所在馈线出口保护和重合闸装置的误动作[17]。
3.2算例分析
3.2.1模型参数的选择
以某10kV配电网为例，额定电压为10．5kV。系统基准容量为500 MVA，基准电压为10．5kV，模型如图3-5所示，参数如下：
图3-5 含分布式电源的配电网模型图
(1)系统电源参数
系统侧电压选取10kV配电网的额定电压10.5 kV，即=∠ kV
系统最大运行方式和最小运行方式的系统阻抗值为：
，即
(2)线路参数
包括架空线路和电缆线路。一般电缆线路故障多为永久性故障，所以全电缆线路上不装设重合闸装置，只装设电流保护装置。对于架空线路，一般装设三段式电流保护和前加速自动重合闸装置。
选取架空线路型号及参数：R=0.27/㎞ X=0.347/㎞
选取电缆线路型号及参数：R=0.259/㎞ X=0.093/㎞
如图3-5所示，模型为含分布式电源的二馈线的配网图，馈线末端为负荷。馈线2的AB、BC段为2公里的架空线路，CD、DE为电缆线路，分别为7公里和14公里。分布式电源从母线C接入电网。馈线2由两段线路组成，AF为4公里的架空线路，FG为6公里的电缆线路。得出各段线路的参数表：
表3-2 模型阻抗参数表
线路
阻抗值（）
线路
阻抗值（）
AB
0.54+jO.694
DE
3.626+j1.302
BC
0.54+j0.694
AF
1.08+j1.388
CD
1.813+j0.651
FG
1.554+j0.558
(3)负荷参数
配电网中负荷参数选取的依据为限制每条馈线上电流有效值不超过200A。因此本文采用恒阻抗模型代替负荷:=30+j15.7，相当于单条馈线上所带负荷约为4MVA。
3.2.2 MATLAB仿真软件介绍
3.2.3仿真系统模型

3.2.4仿真验证