微网的有限广域一体化保护

牟龙华， 陆 健

(同济大学电气工程系， 上海 201804)

微网的有限广域一体化保护

牟龙华， 陆 健

(同济大学电气工程系， 上海 201804)

相当规模的分布式电源渗透到配电网形成微网后，深刻地改变了原保护配置的机理。结合微网运行结构和特点，在微网继电保护中引入广域保护理念，提出了一种有限广域一体化的微网保护方案。该方案将多分布式电源以闭式环网的接线方式组成一个有限区域，并选取一个集中决策中心，根据故障分量幅值大小以及与负荷电流相位关系实现故障排查与定位。利用差动判据区内故障动作灵敏性与区外故障制动可靠性的特点，提出一种改进的新跳闸判据，实现故障隔离。最后，通过数字仿真，验证了保护方案的正确性与可行性。

微网； 闭式环网； 有限广域； 故障分量

分布式发电作为一种新兴、高效和环保的发电技术得到了飞速发展。相当数量且不同类型的分布式电源渗透到配电网形成微网，与大电网互为补充，可有效地提高新能源及可再生能源的利用率[1，2]。

然而，微网的控制原理与保护技术十分复杂，正常运行时网内双向潮流分布，短路时基于电力电子装置的故障电流仅接近2倍的负荷电流。这对传统继电保护的时限配合、保护性能产生不利影响，甚至发生拒动、误动等严重后果[3～5]，直接危及配网安全稳定运行，降低用户电能质量。

目前，国内外关于微网继电保护方面的研究只停留在初步理论研究和探索阶段，但也取得了一定的成果[6～8]。

近年来，利用广域信息改进和提高传统继电保护性能的广域继电保护成为业内的研究热点[9～11]。通过电网广域同步测量信息，综合多点信息并融合计算，确定故障元件位置，在获取故障元件本地电气量的同时，还进一步获取与其相关位置的全局信息。基于此，本文将广域保护控制的理念引入微网继电保护，提出了一种基于有限广域一体化的微网继电保护方案。

1 闭环微网有限广域拓扑结构

分布式电源渗透到配电网形成微网后，极大地改变了网内的拓扑结构和运行特性，配网变成多电源网络。从理论上讲，电力网络拓扑无非单向或双向潮流拓扑，如果将辐射式、树干式的配电线路(馈线)改造成闭式环网的接线方式，那么无论分布式电源的接入多少、特性如何，都始终保持双向潮流。相对于开环运行的微网而言，闭环运行在系统可靠性和持续供电连续性方面有显著优势[12]，也很适合不同类型的分布式电源的接入。

提出的闭式微网如图1，馈线Feeder1与Feeder2通过常闭静态联络开关SD(static device)形成闭式环网供电方式，分布式电源通过电力电子逆变器实现并网运行。断路器集中设置在一处形成开关站SS(switching station)，例如CBb1、CBb2、CBb3构成开关站SSB。该结构接线可靠性高，潮流双向流动，微网通过隔离变压器T接入主系统。

图1 闭环微网有限广域拓扑结构

微网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，具有并网与独立运行两种能力。因此，微网可以看作是一个小型的区域电网或电力系统，仅需要获取网内保护对象故障相关联的有限广域故障信息，无需处理海量的所有信息，从而减轻通信数据网的负担。因此，充分利用微网有限广域范围内的数据信息，有利于有效信息的体现和保护性能的完善。

图1是一个典型的“环状”闭式微网结构，基于有限广域一体化的微网继电保护方案思路是：在有限的区域内，选取主级开关站SSA作为集中决策中心，即全网的中心点，该点通过公共连接点PCC(point of common coupling)与外网进行能量交换，定时接受各从级开关站通过通信数据网上送的信息，实现微网继电保护算法，集中决策并下达故障处理命令，从站接受执行相关故障切除的任务。而从级开关站主要完成本地信息的测量，启动故障元件的跳闸程序和断路器的分断操作等功能。若从站一旦与主站失去了联系，可自行完成决策任务，即相当于一个个备用分布式决策中心，实现故障的定位与切除。图1的二次部分整体设计还包括以下4部分。

1)全球定位系统GPS(global positioning system)：基于GPS的精确时钟系统，其秒脉冲的误差在1 μs以内，对于50 Hz的工频信号，其相位误差不超过0.0018°，基本消除因时间误差而导致的测量误差，将微网内所有设备标上统一时标，并与外部电网实现统一的时标。

2)合并单元：面向光互感器、电子式互感器等智能电子设备IED(intelligent electronic device)的合并单元MU(merging unit)，实现本地或微网内不同地点的电气信息采集。

3)以太网+交换机：为保护系统提供网络与信息交换通道，以太网足够的宽带能使系统的实时性得到很大提升。交换机可采用屏蔽双绞线或光纤通道，使接入网络节点各自独占一条线路，有效解决了稳定和抗干扰等问题。

4)通信接口：基于IEC61850通信协议的标准通信接口，实现全网的数据通信、数据交换与共享。其中智能化互感器的对外接口也将建立在该通信协议的基础上。

IEC 61850、电子式互感器、网络通信的长足发展，不仅为开关站提供技术支撑，也为微网运行保护与控制实现重大技术突破提供了技术保障。

2 故障排查与定位算法实现

(a) 简单闭环微网

(b) 等效正常运行状态

(c) 正序故障附加状态

假定母线指向线路为电流参考正方向，不考虑分布电容及负载阻抗的分流作用，M端三分支正序故障分量电流分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

一般而言，系统、分布式电源及线路阻抗中感性成份较高，各分支电流相位差不是很大，且越接近故障点的分支电流幅值越大，因此可得：

IM1g.q≈IM1g.p+IM1g.r

(6)

当线路发生故障时，检测开关站各端分支故障分量电流，并确定最大正序故障分量电流幅值，若是分布式电源支路故障，则依据开关站预装设的分布式电源快速保护装置给予切除或要求分布式电源退出运行，以减少对故障点所提供的短路电流[3]；反之，若是开关站上游或是下游故障，需进一步判定故障区段。

区内故障：

(7)

区外故障：

(8)

上式表明：区内故障时，两端正序故障分量电流向量在负荷电流向量的投影方向上一个为正，另一个为负；区外故障时，两端正序故障分量电流向量在负荷电流向量的投影方向上同时为正或同时为负。正常运行时，由于不存在正序故障分量电流，内积运算结果为零。

(a) 区内故障

(b) 区外故障

3 新的故障跳闸判据实现

根据传统差动判据在区内故障动作灵敏性和区外故障或正常运行制动可靠性矛盾的特点，对现有的判据加以改进。新跳闸判据将区内故障的灵敏性和区外故障或正常运行的可靠性有机统一起来，表示为

(9)

4 仿真分析

以图1闭环微网建立图4所示的10 kV微网仿真系统模型，进行电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC(power system computer aided design/electro magnetic transient in DC system)仿真分析。等效联络阻抗：ZS=(0.08+j0.07)Ω；线路参数：z1=(0.38+j0.17)Ω/km；每个开关站接入负荷ZLD=(68.76+j108.60)Ω；其余参数如图4。仿真条件：A相接地短路故障，故障持续时间0.015～0.055 s。

图4 10 kV闭环微网仿真系统

图5为线路L1发生单相接地故障时，开关站B三分支正序故障分量电流，图5表明靠近故障点的上游分支故障分量电流最大。上下游如何定义如图5所示。

图5 L1故障，开关站B三分支故障分量电流

图6为线路L2发生单相接地故障时，开关站B三分支正序故障分量电流，图6表明靠近故障点的下游分支故障分量电流最大。

图6 L2故障，开关站B三分支故障分量电流

图7为DG2线路发生单相接地故障时，开关站B三分支正序故障分量电流，图7表明靠近故障点的DG2分支故障分量电流最大。

图7 DG分支故障，开关站B三分支故障分量电流

图5～图7说明越接近故障点的分支线路，其正序故障分量电流越大，为故障点的排查提供了依据。

图8、图9为线路L2发生单相接地故障时，各线路两侧正序故障分量电流与负荷电流相位比较情况。图8表明：区外故障时，线路L1两侧故障分量电流向量在负荷电流向量投影方向上均为正值；区内故障时，线路L2两侧故障分量电流向量在负荷电流向量投影方向上一个为正值，另一个为负值。

图8 线路L1两侧故障分量电流与负荷电流相位关系

图9 线路L2两侧故障分量电流与负荷电流相位关系

图10表明线路L2发生单相接地故障时，根据新跳闸判据式(9)得到的动作量变化情况。显然，区内故障线路L2两侧可靠动作跳闸，区外故障线路L1两侧制动不跳闸。

图10 区内、外故障动作量变化情况

5 结论

微网继电保护尚处于理论探索阶段，本文引入广域保护理念，提出了一种基于有限广域一体化的微网保护方案，选取微网中的一个集中决策中心，利用故障分量幅值与相位特征实现故障排查与定位。提出的新跳闸判据改进了区内、外保护性能，该方案具有很好的理论与实用价值。

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牟龙华(1963-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统微机保护与电能质量。Email:lhmu@vip.163.com

陆 健(1986-)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为微电网保护与控制。Email:frankslujian@sina.com.cn

LimitedWideAreaIntegrationProtectionforMicrogrid

MU Long-hua， LU Jian

(Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

With a variety of distributed generators penetrating, the distributed network is changed into a microgrid. The existing principle of protection configuration should be profoundly adjusted. Considering the operation structure and features of microgrid, the theory of wide area protection is introduced and a limited wide area integration scheme is proposed in the paper. In the scheme, the distributed generators form a limited areas in closed loop connection. First, a centralized decision center is selected, and the fault location is determined on the bases of fault component magnitude and phase angle relationship with load current. By using the current differential features of sensitivity in internal fault and reliability in external fault, an improved tripping criterion is proposed in order to isolate the fault segment. Finally, a digital simulation test is verified for the validity and feasibility of the protection scheme.

microgrid； closed loop； limited wide area； fault component

TM77

A

1003-8930(2012)06-0020-06

2011-10-17；

2011-12-02

国家火炬计划项目(2008GH040894)；上海市教育委员会科研创新项目(11CXY12)