双斜率电流差动保护在微电网中的应用

王　斌，龙　军

(广西大学电气工程学院， 广西南宁530004)



双斜率电流差动保护在微电网中的应用

王斌，龙军

(广西大学电气工程学院， 广西南宁530004)

摘要：传统电流差动保护需要同时考虑区内故障时的动作灵敏度和区外故障时的保护可靠性，其制动系数不能设置太低，以致其对于微电网区内高阻故障的识别灵敏度较低。为了克服这一缺点，提出了采用双制动斜率的电流差动保护方法，通过分析故障时被保护线路两端电流的变化情况，基于延时判据，实现对线路高阻故障的检测。最后进行了PSCAD仿真实验，结果表明所提方法能够正确识别线路中的区内低阻、区内高阻故障，满足微电网对继电保护的要求。

关键词：微电网保护；高阻故障；电流差动保护；双斜率

随着可再生能源利用率的增加，微电网得到了迅速的发展。微电网是一种包含分布式电源、负荷、储能设备的可以独立运行或联网运行的微型电力系统，根据使用电制的不同可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网[1-3]。微电网通常包含多个分布式电源，不同于传统电网的单向潮流特性，其线路中的潮流方向可能随时改变；分布式电源的容量有限，故障穿越能力低，且故障时线路中的短路电流受到变流器控制算法的限制，远小于传统电网的故障电流[4-5]。鉴于上述特点，传统大电网的保护方法不能直接应用于微电网。为促进微电网的发展，微电网保护的相关问题值得深入研究。

国内外对于微电网保护已做了许多的研究。文献[6-7]中微电网采用闭环的接线方式，每个区域配置一套IED(Intelligent Electronic Devices)，采用电流差动保护作为线路和分段母线的主保护，能够分辨区内、区外故障，但是没有考虑高阻故障的检测。文献[8]根据微电网的特性，提出了考虑保护安装处电压值的反时限低阻抗保护方法，不需要通信网络，能够快速实现故障的隔离，但过渡电阻的增大会影响其准确性。文献[9]对电流行波进行小波变换以确定故障点，同时根据母线电压的扰动量来判断故障类型，但并未考虑并网运行模式，亦未经实验验证。文献[10]分析了微电网在并、离网运行方式下的故障特性，针对不同的微电网运行方式配置了不同的保护方法，但是没有考虑高阻故障。文献[11]提出了一种基于电流变化量的微电网故障区域判定方法，当微电网内部发生故障时，首先断开连接配电网的静态联络开关，通过比较正常线路与故障线路中电流变化量大小来判定发生故障的区域，只能实现区域性判定，而且不适用于孤岛运行的微电网。

对于低阻故障，上述的保护方法都能够有效准确地动作，但对于高阻故障的识别灵敏度都不高。为了解决上述问题，本文对现有的微电网保护方法进行了改进，提出了双斜率电流差动保护方法，能够识别微电网中线路发生的永久性高阻故障，增加故障识别率，从而提高微电网的可靠性。

1微电网拓扑结构

微电网通常可分为辐射型网络和环型网络。辐射型网络结构如图1所示(本文以直流微电网为例)，配电网通过双向变流器连接至母线上，分布式电源(DG1～DG3)就近连接至不同的母线上，L1～L4为负载。辐射型网络结构简单，方便扩展，多用于住宅小区或工厂，但是该类型网络的供电可靠性较后者差，对于孤岛运行的微电网，任何的线路故障都会损失一定的电源或负载。图1中，若联络线A出现故障，保护正确动作后，将会导致虚线框内的分布式电源和负载脱离网络，形成一个更小的孤岛网络，如DG1不能满足负载L2的用电需求，则L2将失电，同时DG1也将脱网。

图1　辐射型系统结构图

对于岛屿电力系统或者船舶电力系统，为了提高系统的供电可靠性，提高可再生能源的利用率，可采用闭环型的接线方式，如图2所示。该网络结构将各分布式电源、储能装置、负载通过变流器连接至环型母线上，形成一个闭环的网络。相比于辐射型网络，环型网络的建设成本较高，网络相对复杂一些，但是环型网络的供电可靠性较高，任何母线段发生故障都不会影响系统的完整性，提高了分布式能源的利用率及系统的可靠性。特别对于船舶、岛屿这类经常处于孤岛运行模式的电力系统，采用环型网络结构能够有效提高其供电可靠性，保证负载的用电。

图2　环型系统结构图

2双斜率电流差动保护

分布式电源具有一定的随机性，如太阳能受光照强度的影响，风机受风力大小的影响等，导致网络中潮流具有方向不确定的特征，加上其规模小、线路短的特点，可能会引起传统三段式过流保护、距离保护的不正确动作。而电流差动保护只需考虑被保护对象两端电流差的大小，不受潮流方向的影响，灵敏度高，动作时间短，并且能够区分区内、区外故障，满足微电网对保护的要求，传统单斜率电流差动保护的动作判据式为：

(1)其中，Im、In分别为保护对象两端的电流，电流方向由母线流向线路为正方向；Id为差动电流，用于识别故障；Ir为制动电流，为防止区外故障时保护发生误动；K(0

传统电流差动保护需要同时考虑区内故障动作灵敏度和区外故障保护可靠性，所以，制动系数K不能设置太低。对于微电网，当线路发生区内高阻故障时，可能产生的差动电流太小，达不到差动保护动作的设定值，造成其对于区内高阻故障的灵敏度降低，致使故障不能及时切除。

图3　双斜率差动保护出口逻辑图Fig.3　Logic diagram of dual-slope current differential protection

为了实现线路高阻故障的检测，加快故障的切除，本研究引入一级带延时的低制动系数判据d实现区内高阻故障判断，引入一级端电流乘积判据b与原算法中的高制动系数判据c实现区内低阻故障判断，形成图3所示的双斜率电流差动保护逻辑。其中，K1、K2(0

图3中的双斜率电流差动保护方法可判断区外故障、区内低阻故障、区内高阻故障，具有较高的区内故障灵敏度。具体判断过程如下：

①判据a用于开放电流差动保护，当线路两端的差动电流达到设定值时开放保护，反之闭锁保护，防止保护误动作。

②判据b、c用于判断区内低阻故障，对于两端都含有电源的线路，在正常运行和发生区外故障时，线路两端的电流方向相反，即Im×In<0，当发生区内低阻故障时，线路两端的电流均由母线流向故障点，此时Im、In方向相同，即Im×In>0；对于单侧电源供电的线路，发生区内低阻故障时，虽然不会出现Im×I×>0的情况，但会产生很大的差动电流和很小的制动电流，此时保护瞬时动作切除故障。

③判据d用于判断区内高阻故障，线路发生区内高阻故障时，虽然不会改变线路两端的电流方向，但是会使得Im≠In，而产生一定的电流差，只要检测到故障电流持续满足判据d的时间大于等于t，则判定为区内高阻故障，保护出口跳闸，小于t则判定为系统扰动引起的不平衡电流。

④其他情况则视为正常运行或发生区外故障，保护不动作。

图4　双斜率电流差动保护的动作特性Fig.4　Operating characteristic of dual-slopecurrent differential protection

双斜率电流差动保护的动作特性如图4所示。图4中阴影部分为延时动作区，此时系统存在故障电流但不满足差动保护的瞬时动作判据。这种情况可能由两种原因引起，一是系统干扰引起的瞬时性不平衡电流，二是由于线路内部发生永久性高阻故障，故需要对其进行判定，延时t是为了避免瞬时性的干扰引起保护的误动，当判定为区内故障时保护出口动作。需要注意的是，所提方法对于高阻故障的识别范围受定值K2以及判断延时t的影响，设定值越低则识别区内高阻故障的范围越大，反之亦然，但不宜设置太低，因为线路两端所使用电流互感器型号的不同也会产生一定的电流差，设置太低有可能发生保护误动。

3PSCAD仿真实验

为了验证双斜率电流差动保护能够有效检测线路的高阻故障，本研究使用PSCAD仿真软件搭建了如图5所示的220 V直流微电网系统，系统由分布式电源DG1、DG2(直流源代替)和阻性负载L1、L2构成，采用环型接线方式。其中，长方体为断路器，粗黑线段为直流母线，I1、I2为故障母线两端的电流。详细的仿真参数见表1。

图5　仿真系统结构图

母线参数负载参数故障参数横截面积/mm2单位电阻/Ω/km单位电感/mH/km分段长度/kmL1/ΩL2/Ω故障位置/km接地电阻/Ω1850.09910.32220200～20～50

仿真试验中使用了变比为20∶1的电流互感器，相关参数设置如下：差动启动定值Iq=0.2 A，低制动斜率K2=0.3，高制动斜率K1=0.6，区内故障判断延时t=50 ms，仿真结果如图6、图7所示。

图6为故障位置相同、故障类型不同的仿真结果。其中，图6(a)为故障分段母线两端的一次电流波形图，图6(b)为差动电流与制动电流之比(Id/Ir)，图6(c)为保护跳闸信号曲线图。仿真依次设定了3次故障，均发生于分段母线的中点(1 km)。故障发生时间分别为t=0.1 s、t=0.3 s、t=0.4 s，故障持续时间分别为0.1、0.03、0.1 s，故障接地电阻分别为50、15、20 Ω。由图6(b)可知，对于第1次故障，Id/Ir

图7为故障类型相同、故障位置不同的仿真结果，各曲线的意义与图6相同。仿真依次设定了5次故障，故障电阻均为20 Ω，故障持续时间均为0.1 s，故障位置分别为0、0.5、1、1.5、2 km，故障发生时间分别为t=0.05 s、t=0.2 s、t=0.35 s、t=0.5 s、t=0.65 s，保护在t=0.15 s、t=0.3 s、t=0.45 s、t=0.6 s时进行了重合闸。由图7(c)可知，发生于不同位置的5次高阻故障均被检测出来，验证了双斜率电流差动保护方法能够检测全段线路的高阻故障。

(a) 线路两端的一次电流波形

(b) 差动电流与制动电流之比(Id/Ir)

(c) 跳闸信号

图6不同故障类型的仿真结果

Fig.6Simulation results of different fault types

(a) 线路两端的一次电流波形

(b) 差动电流与制动电流之比(Id/Ir)

(c) 跳闸信号

图7不同故障位置的仿真结果

Fig.7Simulation results of different fault location

为进一步研究双斜率电流差动保护的区内故障灵敏度，仿真模拟了100次过渡电阻和故障时间均不相同的区内故障，故障过渡电阻取值范围为0～50 Ω，故障持续时间取值范围为0～100 ms，故障位置均为母线中点，其余参数设置同上文，仿真结果如图8、图9所示。其中，图8为传统单斜率电流差动保护的动作情况；图9为本文提出的双斜率电流差动保护的动作情况。对比图8与图9可知，在相同的保护参数和相同的系统运行状况下，双斜率电流差动保护能识别更多的区内故障，比传统电流差动保护的区内故障灵敏度高。

由仿真结果可以得出，改进的电流差动保护方法能够有效地应用于微电网中，可以正确识别线路或分段母线上各类故障(区内低阻、高阻故障)，有效提高微电网的可靠性。保护对于区内故障的灵敏度受故障过渡电阻大小的影响，对于区内低阻故障具有较高的灵敏度，而对于区内高阻故障，在保护定值不变的情况下，故障过渡电阻越大则灵敏度越低，在实际的工程应用中，还应该考虑电流传感器精度及保护装置AD(模数转换)芯片转换精度产生的影响。

“○”表示对应于相应坐标的故障保护正确动作;“×”表示保护不动作

图8传统差动保护的动作情况

Fig.8Action results of traditional current differential protection

“○”表示对应于相应坐标的故障保护正确动作;“×”表示保护不动作

图9双斜率差动保护的动作情况

Fig.9Action results of dual-slope current differential protection

5结语

分布式电源的随机性导致微电网潮流的不确定性，相比于传统的辐射型网络，采用环型网络能够提高微电网的可靠性，提高其供电能力。当微电网发生高阻故障时，由于故障电流较小，将增加故障的检测难度，特别对于孤岛运行的微电网，因其容量有限，任何故障的存在对于微电网都是一种威胁，因此，对高阻故障的有效检测能够提高微电网的供电可靠性。本文分析了传统电流差动保护的不足，并对其进行了改进，采用双制动斜率对应不同的区内故障，提高了电流差动保护对区内高阻故障的识别率。最后进行了PSCAD仿真实验，实验设置了不同类型的线路故障，所提方法都能够正确识别。仿真结果证明，合理设置差动保护启动定值Iq、低制动斜率定值K2和区内故障判断时间t，能够有效检测到路线上的高阻故障，从而提高微电网的供电可靠性。

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(责任编辑裴润梅)

收稿日期：2016-03-04；

修订日期：2016-04-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51567002)

通讯作者：龙军(1956—)，男，广西南宁人，广西大学教授；E-mail：gxnnlj161@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0764

中图分类号：TM77

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0764-07

The application of dual-slope current differential protection in microgrids

WANG Bin，LONG Jun

(College of Electrical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China)

Abstract：Considering the sensitivity of internal faults and the reliability of external faults, the restraint coefficient of traditional current differential protection can’t be set too low. As a result, the sensitivity of traditional current differential protection for high resistance faults in a micro grid is low. In order to overcome the above shortcoming, the dual-slope current differential protection is presented. Based on the time delay criterion, the proposed method can detect the high resistance faults by analyzing the changes of the current on both ends of the protected transmission lines. A PSCAD simulation experiment is carried out. The simulation results show that the proposed method can correctly identify internal high resistance faults and internal low resistance faults on transmission lines and meet the requirements of micro grids.

Key words：microgrid protection； high impedance faults； current differential protection； dual-slope

引文格式： 王斌，龙军.双斜率电流差动保护在微电网中的应用[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：764-770.