微电网保护策略综述

李 睿

（山东送变电工程公司，山东 济南 250118）

其它

微电网保护策略综述

李 睿

（山东送变电工程公司，山东 济南 250118）

近年来为提高电能质量和供电可靠性，越来越多的微电网接入配电网。微电网由分布式电源、储能装置和可控负荷组成。微电网的引入带来的一个主要挑战是设计在并网和孤岛2种运行模式下均能有效保护微电网的保护策略。总结了微电网继电保护面临的难点和特殊需求，介绍了微电网保护的研究现状，探讨了不同方案的优缺点，并给出了未来微电网保护的一些建议。

微电网；保护；分布式发电

由化石燃料等传统能源在电力系统中的应用带来的全球变暖问题引起人们对新能源领域的关注，以风力发电、光伏发电、生物质能发电、燃料电池发电等可再生能源发电为代表的分布式发电技术有效减少了化石燃料对环境的影响，该技术具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点［1-4］。

为了充分地发挥分布式发电（DG）的优势，降低DG对电网的冲击及一些负面影响，最大限度地实现DG的效益和价值，在21世纪初专家们提出了微电网（Microgrid）概念，将额定功率几百千瓦以下的发电单元——微电源（MS）、负荷、储能装置及控制装置等相结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户提供电能和热能［5］。微网能够以并网和孤岛2种模式运行，正常情况下微网并网运行，当公共电网发生故障或停电时微网通过公共耦合点处的静态开关迅速与公共电网断开连接进入孤岛运行［6］。

尽管微网为用户带来诸多优势，其投入使用仍存在一些技术难题，微网的保护便是其中一个尚待研究的问题。

微网的引入，对传统中低压配网的保护带来了挑战：首先原本辐射状线路的单向潮流可能变成双向。其次微网由于具有多DG，不同类型的DG提供的短路电流的能力与其控制策略有关，DG对短路电流的不同贡献使得保护整定计算更为复杂。另外一点就是包括光伏电池、燃料电池这类逆变型电源，由于内部热过载能力较低，输出电流一般被限制为额定电流的2～3倍，很难利用故障电流进行故障定位［7-8］。因此，有必要研究新型继电保护方法，使其对微型电网在联网和孤岛2种运行模式下的故障情况做出响应，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性。本文对国内外文献中现有的微网继电保护策略作了简要分析并给出了未来微网保护的几点建议。

1 利用传统保护装置实现的保护策略及特点

1.1 差动电流保护

在广域保护方面，多数学者采用了差动保护。差动保护是反映从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的一种保护，是最理想的保护原理，被誉为有绝对选择性的快速保护原理，已广泛应用于电力系统的发电机、变压器、母线等重要电气设备的保护。从保护设施方面看，微网差动保护可通过多代理系统实现［9］，也可通过数字式继电器实现［10］，或利用智能继电器及控制网络辅助实现［11］。从微网拓扑结构方面看，文献［12］、［13］给出了适用于网状结构微网的差动保护策略，文献［14］提出闭环微网的差动保护方法，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。

微网差动保护的优点是不受双向潮流和孤岛模式下小故障电流的影响，但通信系统一旦发生故障，需要有可靠的后备保护，通信设施的建设成本较高，系统或负荷不对称以及分布式电源并网和断开的过渡会给保护带来困难。

1.2 距离保护

距离保护通常用于线路保护中，距离继电器测量从继电器安装处到故障点间的阻抗，若故障发生在距离继电器保护区域内，保护装置动作，相应断路器跳闸。由于距离保护不依赖于故障电流幅值，一些学者尝试将其应用于微网中。文献［15］、［16］提出将反时限导纳继电器应用于微网保护。导纳继电器所测导纳与保护安装点到故障点的导纳有关，而与电流没有关系。故障点离保护安装点越远，继电器动作时间越长，越近则动作时间越短。该反时限继电器既可以作为本段线路的主保护，也可以作为相邻线路的后备保护。文献［17］提出将阻抗保护应用于微网保护的设想，介绍了一种基于负荷阻抗的反时限低阻抗保护，利用测量阻抗与最小负荷阻抗实现保护功能，无需通信，有较好的抗过渡电阻能力。

由于阻抗继电器不具方向性，通过合理配置微网结构，将保护装置装在2个分布式电源之间的线路中间，可以对这条线路的前半段和后半段进行保护，从而实现了微网的保护功能。对于这类以测量阻抗作为故障判据的保护方案，谐波和电流暂态过程会给基波分量的提取带来困难，故障过渡电阻会给导纳的测量带来误差，且对于微网的不同运行模式和高阻故障等复杂情况缺乏考虑，还需要更全面论证才能证明其实际应用的前景。

1.3 方向比较式纵联保护

基于方向比较原理的纵联保护，通过比较多点的故障方向信息综合判断出故障位置并采取相应的保护策略。该算法只以电流方向作为判断故障的依据，不依赖故障电流大小，只传送对故障位置的判断结果或有关信息，原理简单可靠。文献［18］利用故障电流方向判断故障区域，克服了微网中因逆变器的限流控制导致叠加原理不适用的不足；同时也解决了微网中不同区域同时含有电源和负荷而导致故障后电流大小和方向不确定的难题。

1.4 外部设备辅助保护策略

并网模式和孤岛模式下的故障电流大小有着极大差异，因此可以通过增加外部设备的方法，在微网进行模式转换时增大或减小故障电流，使传统保护装置和保护策略得以保留。

文献［19］使用飞轮储能装置提高微网的短路电流能力。当微网发生故障时，飞轮储能装置可以瞬间提供大的短路电流，从而避开了设计新的保护策略，也避免了更换传统的保护装置和设备。但安装这样大容量的中央储能单元需要大量投资，并且这种技术对储能设备的控制环节要求较高，一旦自身出现故障将不能保证系统保护可靠动作。文献［20］提出安装补偿性电流源的方法，根据不同的网络运行状态开启或关闭，所以高度依赖于孤岛检测技术和补偿性电流源的可靠性操作。文献［21］、［22］通过在大电网和微网之间增设外部设备以减少公共电网提供的故障电流。

1.5 自适应保护

微网存在并网和孤岛2种运行方式，分布式电源注入的故障电流被电力电子装置限制在2倍额定电流，孤岛模式和并网模式短路电流的大小和流通路径均有差异，分布式电源的即插即用功能导致微网结构改变，某些分布式电源如风力发电、光伏电池发电的间歇性特点使之无法提供长期稳定的供电，这些因素导致了微网故障电流的不确定性，依靠离线整定的保护定值和动作时间来实现故障检测和保护配合的方案无法应用于微网保护中，必须采用自适应保护，以适应微网状态的改变。很多学者开始重视研究自适应保护应用到微网中的可行性和实现方法，并取得了众多的研究成果。自适应保护的实现手段可大致分为两类，一类是首先离线计算不同微网运行模式下的保护整定值，然后采用某种方法区分微网运行模式并对继电保护整定值或保护策略进行修正，即离线整定，实时切换。文献［23］通过比较零序阻抗角度区分运行模式，并网运行时通过过电流保护实现故障检测，孤岛模式通过dq0电压检测故障，利用零序电流分量实现保护区域的区分。优点是无需通信，但仍存在一些技术难点，如继电器选择性、运行速度等问题，且保护方案的可行性尚待软件和硬件验证。文献［24］离线计算并网及孤岛模式下过流继电器的整定值并将其存储于继电器中，当孤岛发生时，继电器自动切换到适合孤岛模式的那组整定值。特点是需要进行快速孤岛检测。文献［25］运用电压、电流故障分量实时计算系统和微网的阻抗，通过监测比较大电网和微网的阻抗修正继电器的动作特性，在故障发生后的2个周期内有效，仅适用于基于逆变型分布式电源的微网。

自适应保护的另一类实现手段是实时监测微网拓扑变化，动态计算故障电流，对保护动作值进行在线整定，此类保护方法能够响应微网结构的改变，具有发展潜力。文献［26］将微网实时拓扑结构转化为树形节点路径图，采用树形节点搜索及节点路径算法对微网内保护装置的动作值及动作时限进行自适应整定，可有效跟踪网络拓扑结构变化而实时更改保护整定值，具有较好的自适应性。文献［27］、［28］通过动态计算故障电流，调整保护策略以适应新的微网状态。在文献［29］中，中央控制单元与所有继电器和分布式电源通信以记录其状态（ON／OFF）、额定电流和提供的故障电流。通过与继电器通信修正动作电流，检测故障电流方向并清除故障。

上述自适应保护方案可能面临以下问题。

a.需要事先知道微网所有可能的拓扑结构。

b.大规模通信系统的建设成本较高。

c.微网不同运行模式下的短路电流计算较复杂。

2 提取新型故障特征量的保护策略及特点

传统配电网保护通常采用依赖于故障电流幅值的过电流保护，孤岛模式的微网中由于通过电力电子设备并网的DG提供的故障电流较小，无法使保护装置动作或需经过较长的延时才能动作。因此，一些学者开始探索不依赖故障电流幅值的新型保护判据。现有国内外文献中新型保护判据包括电流量、电压量、谐波畸变率、阻抗角等。文献［30］将微网划分区域进行保护，针对单相接地故障和相间故障，提出对称分量法和差动电流法相结合的保护策略。但这种策略无法检测三相短路故障，对复杂结构的微网通用性不高。文献［31］采用以图描述微网的思想，从稳态电流的变化量上获取故障特征信息，提出了基于图模型的微网边方向变化量保护算法。微网内发生故障后为避免对大电网产生影响可首先断开静态开关，由此有学者提出利用微网内部发生故障与断开静态开关引起的线路电流突变量实现故障区域的定位，仅需测量电流，原理简单，具有实用价值［32］。正序故障分量相位亦可作为继电保护电气检测量，启动保护功能，不受故障点过渡电阻及系统电势影响，适用于闭式环网的微网接地保护［33］。

一些学者还研究了微网故障时的电压变化特征，并以此作为检测故障的判据。文献［34］将逆变器接口采集到的三相交流电压量从abc坐标系转换到dq0同步坐标系下的直流量，并用与参考值的差值判断故障类型，避开了运行方式带来的故障电流差异，但保护缺少选相的功能，并且由于该微网模型中微电源间距离可能很短，区内和区外故障时电压非常接近，可能使形成的故障判据灵敏度不够。文献［35］依据故障后距离故障位置越近的节点电压幅值越低的原理，提出基于故障边电压量的本地量微网保护方案，微网运行模式切换时无需更改保护参数，但对网络拓扑变化具有一定的依赖性。

逆变型微网发生故障以后，逆变器电源会把故障电流限制在额定电流的2倍左右，因此会向网内注入谐波分量，有学者由此提出了基于谐波检测的保护方案［36］，使用继电器监测逆变型电源端口输出的电压，通过对电压的傅里叶变换和谐波畸变率分析，判断故障相和故障位置。特点是THD门槛值的设定和通信的同步较难实现；对包含多个DG的微电网实现困难。当故障发生时，还可以根据负序电压与负序电流信号，通过负序阻抗角判断故障区域，可以有效识别各种不对称故障［37］。

3 微网保护建议

a.高阻抗故障是微网中较常见的一类故障，其故障电流大小与负荷电流接近，不能引起明显的电压降落，一个可靠的微网保护策略应该能够有效地鉴别和切除高阻抗故障。

b.微网保护策略应具有通用性，能适用于不同的微网拓扑结构；为支持DG的“即插即用”功能，保护策略应能够动态跟踪微网拓扑变化。

c.随着计算机和通信技术的飞速发展，可以考虑将广域保护应用于微网，利用系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精确切除。

4 结束语

微电网的潮流双向性、不同运行模式短路电流差异较大、即插即用等独有特性使传统继电保护策略不再适用于微电网。越来越多的学者对微电网保护展开深入研究和探讨，取得了大量研究成果。成熟的微网保护策略应能检测不同类型的故障以保证微网在并网和孤岛模式下的安全稳定运行，同时又要满足保护的“四性”要求。本文对现有的微网保护策略进行了分类总结，将微网保护分为引入新型保护判据和利用传统保护装置实现的保护策略，分别指出了各类保护策略的优缺点，最后给出了微网保护的几点建议，以供参考。

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The Overview of Protection Schemes for Microgrid

LI Rui
（Shandong Electric Power Supply＆Transformation Engineering Company，Jinan Shandong 250118，China）

In recent years，an increasing number of microgrids are connected to the distribution networks so as to enhance power qual⁃ity and reliability.Microgrid is cluster of distributed generation sources，storage systems and controllable loads.One of the challenges microgrid has brought is to devise a proper protection strategy that is effective in the grid⁃connected as well as the islanded mode of op⁃eration.New problems and special requirements faced by microgrid protection are summarized in this paper.Present research situation on microgrid protection is described in which the advantages and disadvantages to each technique are assessed.Some conclusions and suggestions are put forward for the protection of micro⁃grids in the future.

Microgrid；Protection；Distributed generation

TM77

A

1004-7913（2015）06-0058-05

李 睿（1988—），男，学士，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护。

2015-04-04）