一种微电网继电保护策略的研究

夏晗，朱胜辉，周富强，王海波，詹昕（.国网嘉兴供电公司 浙江嘉兴 34000；.国网扬州供电公司 江苏扬州 5000）

一种微电网继电保护策略的研究

夏晗1，朱胜辉1，周富强1，王海波1，詹昕2
（1.国网嘉兴供电公司 浙江嘉兴 314000；2.国网扬州供电公司 江苏扬州 225000）

能源日益枯竭以及环境污染问题使得分布式发电技术得到快速发展，微电网作为分布式发电的有效利用形式，解决了分布式发电大规模应用的问题。本文以微电网继电保护策略为研究对象，以提高保护可靠性为目标，对微电网继电保护方法进行深入研究，阐述传统功率方向元件的原理、动作判据以及不足之处，分析负序功率方向元件的动作特性，并设计了负序电压法与负序功率方向元件相结合的一种继电保护策略。

微电网；继电保护；负序电压法；负序功率方向元件；保护策略

本文引用格式：夏晗，朱胜辉，周富强，等.一种微电网继电保护策略的研究［J］.新型工业化，2016，6（7）：46-50.

0　引言

微电网作为分布式发电的有效利用形式，解决了分布式发电大规模应用的问题［1］。然而，微电网惯性小，稳定性差，系统的短时波动就可能导致分布式电源退出。同时，微电网存在短路故障检测困难、继电保护参数整定困难、故障后系统恢复困难等特点［2］。因此，对微电网保护研究的重点之一是微电网的短路保护。

本文主要以线路级保护为研究对象，对线路级保护进行深入研究，针对电力电子接口型分布式电源故障电流小的特点，利用其他电气量作为故障判据，设计一种具备速动性、可靠性且能有效回避微电网影响的保护方法：负序电压法和负序功率方向元件相结合的保护策略。

1　微电网继电保护策略

1.1系统级保护

系统级的保护即是针对PCC点的保护，目前主要有两个思路。一种是以IEEE 1574系列规定中关于分布式电源接入的技术标准为依据，当检测到PCC点电气量不满足接入标准时，PCC点立即断开。这种设计思路可以减少微电网对主网的冲击，降低主网改造成本，但大大限制了分布式能源的有效利用。另外一种思路是，微电网PCC点保护与整个主网保护相配合。

1.2线路级保护

根据微电网线路上所联接的元件类型不同，可以将微电网中的馈线分为只含有电源的馈线、只含有负载的馈线以及既含有负载又含有电源的馈线三类。不同类型的馈线在发生故障时所表现的故障特性不同，因此可以对不同类型的馈线分别设置不同的继电保护方式。

1.3设备级保护

由于微电网中含有大量基于电力电子接口的分布式电源，设备在控制中采用了限流措施，最大短路电流被限制在两倍额定电流以内，分布式电源出力随自然条件波动，导致流经各处的电流大小随之变化，并且微电网的潮流灵活多变，在配电网中任意位置的接入使得传统配电网的单向潮流结构也发生了变化，对故障电流的大小、方向和分布等方面的影响更为严重。这些影响使得三段式保护的范围和传统方向保护的判定都发生了改变，使得传统配电网继电保护容易拒动或误动。

2　负序电压法

由序分量分解原理可知，三相电网可以分解成正序网络、负序网络、零序网络，三者叠加形成全网络［3］。正序网络仅含有正序电源，只产生正序电流；负序网络仅含有负序电源，只产生负序电流；零序网络仅含有零序电源，只产生零序电流。三者相互独立，相互解耦。

以电压为例，正序分量、零序分量、负序分量分别按图1定义：

当电网发生非对称故障时，相当于在故障处叠加了一组非对称电源。各序电源通过各序网络产生各序电流。

图2表示一个简单电力网络在故障时的网络分解，图中aE.、bE.表示系统原有电源，1E.表示故障处叠加的正序电源，2E.表示故障处叠加的负序电源，0E.表示故障处叠加的零序电源。

图1　电压序分量示意图Fig.1 The voltage sequence component diagram

图2　故障网络分解Fig.2 The fault network decomposition

其中，负序分量和零序分量从故障点发出，沿着负序网络通路和零序网络通路向全网扩散。对于接地故障，故障处叠加零序电源与负序电源。对于相间故障，故障处仅叠加负序电源，不含零序电源。

当负序电源在故障点时，故障点的负序电压最高。系统中距离故障点越远处的负序电压越低，负序电压的分布如图3所示。

3　负序功率方向元件

功率方向元件当正方向出口附近发生三相短路时，由于故障电压近似于零，保护装置将失去动作判定依据而拒动［4］。并且功率方向元件虽然采用非故障相的线电压作为参考相量，以此减小和消除单相不对称故障时的电压死区，但是对于两相不对称故障依然存在电压死区。而且功率方向元件为了使继电器在发生短路故障时能够获得最大灵敏角，需要采用900接线方式，接线复杂。因此，本文采用负序功率方向元件代替功率方向元件。

图3　负序电压分布图Fig.3　Negative sequence voltage distribution

如图4所示的接地短路故障时的负序序网图中，规定负序电压的正方向是母线电位为正、中性点电位为负。负序电流的正方向是由母线指向线路。当正方向发生短路故障（即保护F2所在A-B线路内部故障）时，可得式（1）：

图4　正方向接地短路时的负序序网图Fig.4　Normal direction short circuit when the negative sequence network diagram

设系统中各元件负序阻抗的阻抗角ϕk=75°（其值为0°＜ϕ＜90°），对于负序功率元件，加入

k的负序电压U.2与负序电流 I.2，当正方向短路故障时元件中负序电压与负序电流之间的相角为：

式中，符号arg表示相量U.2/I.2的幅角，即负序电压超前负序电流的角度。

当反方向发生短路故障（即保护F2所在A-B线路外部故障）时，如图5所示，可得式（3）：

图5　反方向接地短路时的负序序网图Fig.5　Grounding short circuit in the opposite direction when the negative sequence of sequence network diagram

如图6相量图所示，元件中负序电压与负序电流之间的相角为：

图6　反方向短路相量图Fig.6　The opposite direction short circuit phasor diagram

或

用ϕk2表示负序电压超前于负序电流的角度，并用功率的形式表示，则式（5）可写成：

负序功率方向元件利用负序分量作为判定依据，因为故障点越靠近保护装置则负序电压越高，因此不存在电压死区，对于所有不对称故障都能可靠动作。并且负序功率方向元件无需采用900接线方式，因此接线简单。

4　微电网继电保护策略

以图7所示的微电网拓扑为例，具体说明保护策略设计。图中含有4条馈线，其中馈线1只含有光伏微电源，馈线2只含有负载，馈线3与馈线4内部各有两条支路，既含有光伏微电源，也含有负载。当馈线1、馈线2上发生故障时，该馈线出口处跳闸，切掉故障馈线。当馈线3上发生的故障，可能有如下图所示的三种情况：

图7　馈线3上三种故障Fig.7　Three types of fault on the feeder line

图7中，负载Load、光伏电源PV、保护开关BRK3_1、保护开关BRK3_2、BRK3_3、 BRK3_4和保护开关BRK3_5共同构成既含有负载又含有电源的微电网馈线［5］。

故障发生的位置可能为故障1处、故障2处、故障3处。理想的继电保护效果是：

（1）当故障1处发生故障，应当仅有BRK3_3和BRK3_5跳闸切除故障切除PV；其余保护装置均不动作，继续运行；

（2）当故障2处发生故障，应当仅有BRK3_4跳闸切除故障切除Load；其余保护装置均不动作，继续运行。

（3）当故障3处发生故障，BRK3_1和BRK3_2跳闸，切除整条馈线，光伏微电源退出运行。

为了达到这个效果，首先定义各母线及其所包含的线路为“母线监测区”。

第1步 监测各母线负序电压，当母线监测到负序电压时，保护启动。

式中S表示启动信号，vk2表示故障时母线负序电压。

第2步 在各母线监测区中检测最大负序电压所在的母线监测区，该区域即为故障区，然后通过负序功率方向元件判定故障区内各线路上的负序功率方向，正方向即为故障线路，反方向为非故障线路。若两条及以上的母线检测到的最大负序电压相同，则同时对两条及以上的母线所连接的线路进行负序功率方向判定，当线路上保护装置负序功率方向均为正方向时，则该线路为故障线路［6］。

式中Ffault表示故障线路，Fk表示第k条线路，Ui2表示第k条母线的负序电压。

微电网继电保护策略流程如图8所示。

如上，采取上述策略后，保护装置能正确定位故障所在馈线（支路），在最小范围内切除故障。光伏微电网中负荷多为照明单相负荷，正常情况下就含有负序/零序电流，传统的序分量法依靠提高启动阈值来触发保护，若单相负载过重时，会导致序分量保护误动。本方法中由于依靠负序电压与负序功率方向同时作为保护动作判定依据，在微电网正常运行时含有负序/零序电流，但电压中不含有负序电压，保护不动作。此外，该方法不依赖于电流幅值的绝对大小，故在微电源出力波动以及微电网运行在不同模式时，尽管短路电流大小会变化，本方法仍然有效。

图8　微电网继电保护策略流程图Fig.8　The flow chart of micro power grid relay protection strategy

5　结论

本文以微电网继电保护策略为研究对象，以提高保护可靠性为目标，对微电网继电保护方法进行深入研究，阐述传统功率方向元件的原理、动作判据以及不足之处，分析负序功率方向元件的动作特性，并设计了负序电压法与负序功率方向元件相结合的一种继电保护策略。

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Research on the Integrated Relay Protection Strategy of Micro-grid

XIA Han1，ZHU Sheng-hui1，ZHOU Fu-qiang1，WANG Hai-bo1，ZHAN Xin2
（1.Jiaxing power supply company of State Grid，Zhejiang Jiaxing 314000，China；2.Yangzhou power supply company of State Grid，Jiangsu 225000，China）

With the popularization and application of intelligent substation large operation and unmanned substation unattended and remote operation，how to ensure the safe and reliable operation of the relay protection，relay protection is facing the important and urgent problem.This paper is focused on the spatial dimension，and actively explore the control means of the smart substation，and construct the relay protection system，so as to improve the health level and processing effciency of relay protection equipment，ensure the correct rate of protection action 100％，ensure the safe and stable operation of power network.

Intelligent substation；Relay protection；Spatial dimension；Control means

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.008

XIA Han，ZHU Sheng-hui，ZHOU Fu-qiang，et al.Research on the Integrated Relay Protection Strategy of Micro-grid［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：46-50.

夏晗（1988-），男，浙江嘉兴，工程师，于嘉兴供电公司从事二次继电保护相关工作；朱胜辉（1983-），男，浙江嘉兴，工程师，于嘉兴供电公司从事二次继电保护相关工作；周富强（1981-），男，浙江嘉兴，工程师，于嘉兴供电公司从事二次继电保护相关工作；王海波（1987-），男，浙江嘉兴，工程师，于嘉兴供电公司从事二次继电保护相关工作；詹昕（1988-），男，江苏扬州，工程师，从事事电力系统运行方面工作