微网保护策略分析

成凤东，张聪

(东北电力大学电气工程学院，吉林　吉林　132012)



微网保护策略分析

成凤东，张聪

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

将分布式电源(DG)组成微网(MG)并入大容量配电网，已成为现有电力系统的一种必然趋势。传统辐射型配网通过简单的保护装置即可实现对网络的保护，如熔断器、重合闸及过电流继电器(OCR)等。由于DG及MG的接入，改变了整体网络的潮流分布，配网从单电源辐射网向多源网络转变，引起了网内多向潮流，同时也影响了故障电流的大小和方向，并对保护协调问题产生重大影响。综合评述了配电系统的传统保护方案及微网保护所面临的挑战，并探讨了微网备用保护策略。

微电网；过电流继电器；熔断器-重合闸；广域保护

1　引言

微电网可被定义为一个由分布式能源(DER)、多用电负荷和能量存储装置组成的综合能源系统，可作为一个并入或孤岛于现有公用电网的单一自治网络[1-3]。微电网概念的采用使配电网中出现多电源结构，因此，需对基于单向潮流辐射状网络结构的传统保护原理进行必要的修改[4]。辐射状系统中使用过流继电器(OCR)、熔断器和重合闸作为其主要保护装置。在并入一个DER的典型单馈线测试系统中，基于微处理器的自适应重合闸用来解决熔断器与重合闸的协调问题，然而未考虑孤岛时的保护问题，并且重合闸第一次重合后其设置需改变[5]。随着DG的接入，故障电流变化范围改变，故障电流的双向流动增加了保护协调的复杂程度[6]。传统的过电流保护方案不再适用于孤岛运行模式。

分布式发电(DG)并入配电系统增加了保护方案的复杂性。这改变了短路电流的大小和方向，因此现有的保护方案可能无法正确发挥其协调功能[7]。微电网与传统电网主要区别在于当其从并网运行转到孤岛运行模式时短路能力的显著变化。应用于现代电力系统的保护方案大多是基于短路电流感应能力[8]。短路容量变化会对已有的多数保护方案产生严重影响。DER接入配电网会产生包括保护盲区、误动/拒动、重合闸与熔断器失调、熔断器与熔断器失调及自动重合闸失败等主要保护相关问题[9]。因此，保护重点要考虑的问题是短路功率、故障电流水平、设备识别、减少过电流和阻抗继电器范围、双向性、拒动、孤岛和重合闸误动作。

当DG与其他设备同时并联于传统配电网时，会降低故障阻抗，引起故障水平提高，此时与所接入的DG类型无关。在故障情况下，可产生很高的故障电流，可能危及系统安全。现已对环形配电网的保护协调进行了大量研究工作，通过优化配置方向过流继电器，以及为系统中每个传统同步发电机串联故障电流限制器(FCL)[10]。FCL是串联装置，在正常运行条件下，其电阻可以忽略，但在系统故障情况下可有助于限制短路电流水平。文献[11]对超导故障限流器(SFCL)在配电系统中的配置及其对降低故障电流水平的影响进行了可行性分析，对其在交直流混合微网下作了验证，同时为验证SFCL分别在交流和直流微网中的作用，分别设计了交流和直流SFCL模型，并在最坏故障条件下运行了不同SFCL配置。

2　微网架构

图1　微网架构

微电网架构具有三个独特的重要功能，即微源控制器、能量管理及保护。在不依靠通信的情况下，与DG相结合的功率和电压控制器可在负荷扰动与变化时作出快速响应。能量管理通过功率调度提供运行控制。

每个微网元件的最重要特征是它的“对等”和“即插即用”特性[14]。对等概念是指每个元件在微网运行时地位等同。即插即用表明一个单元可在电力系统内任一位置接入，降低了故障几率。

微网容量通常介于千瓦与兆瓦之间，常接入低压或中压配电网。

3　传统保护方案所面临的问题

接入配网的微电网包含多个DG，使得系统短路容量增加。而且，由于硅器件的额定电流限制，电力电子接口DG的故障电流被限制在2倍额定电流以内。因此，传统的过流保护技术不再适用于孤岛型微电网[15]。

对于微网接入配电网后，传统保护方案存在以下三个基本问题。

3.1保护盲区

当DG接入到送变电站与故障点之间时，会出现保护盲区，即保护范围缩小，如图2所示。在DG接入容量一定的情况下，故障f1发生时，流过点f1的故障电流仍然增大，但由于DG的分流作用，通过馈线始端CB2检测到的故障电流要比同故障条件下无DG接入时有所降低，这可能会导致CB2检测故障延时动作或造成保护的拒动。

由于馈线故障时DG提供故障电流Ifdg，使过流继电器实际检测到的故障电流减少，可能使其出现保护失灵。

问卷回收经筛查后，采用Epidata 3.1软件录入数据，导入SPSS18.0进行统计分析。描述性统计分析采用频数、百分比；知识部分答案有“是”“否”“不清楚”3个选项，回答正确得1分，错误或不清楚得0分；态度和行为部分答案采用5分制的Likert量表评定；考虑知识分数呈偏态分布，采用秩和检验分析不同人口学特征下受访者知识部分得分情况是否有显著差异；采用Pearson相关法分析全科医生抗生素相关知识、态度和行为之间的关系。显著性水平α值设定为0.05。

3.2误动/拒动

在故障发生在接有DER的馈线外侧情况下，DER会通过馈线向故障点提供故障电流。因此，健全线路的无方向继电器可能会出现故障检测失误并且跳开馈线，这是不可取的。短路容量越高，对继电器性能的影响越大。如图2所示，故障f1发生时，断路器CB3应动作跳闸，但由于DG提供的电流Idg的作用，断路器CB4将会动作，这可能导致健全馈线不必要的中断。

图2　DG下游馈线故障对保护的影响

3.3重合闸-熔断器失调

熔断器只有在馈线发生永久性故障时动作。对于短时故障，重合闸会进入快速模式而动作并隔离馈线，给出故障自动清除时间。如果熔断器未在永久性故障时动作，则重合闸通过运行慢速模式将故障清除。如果重合闸和熔断器都动作失败，则最终馈线继电器将动作[16]。

典型配电网继电器、重合闸及熔断器协调原则，如图3所示，由图中可知，对于Ifmin与Ifmax之间的所有电流，重合闸快速特性曲线位于熔断器最小熔化时间曲线下方，而重合闸慢速特性曲线位于熔断器总清除时间曲线之上。因此，在熔断器开始融化之前，重合闸动作打开，给出短时故障自清时间。由于继电器特性曲线位于其他所有曲线上方，可用作全局后备保护。

图3　不同故障位置继电器误动作

图4　重合闸和熔断器协调特性

4　微网保护

随着DG大规模接入配电网，微电网保护问题可能会成为一个最大的技术壁垒。微电网的运行理念是：正常情况下微电网运行于并网模式；在出现任何扰动时，它将与公共连接点(PCC)无缝断开，并继续运行于孤岛模式。确保微电网在系统异常时能够稳定运行的两个主要保护问题是：确定微电网在任何特定情境下应该被孤立的时刻；隔离独立的微电网，并提供充分的母线协调故障保护。

为使独立的微电网能够可靠高效运行，其保护系统应确保以下几方面：

4.1并网保护

为了充分利用发电容量和应急备用容量，故障发生时无需断开所有DG。因此，为达到故障检测和定位的目的需要研究先进的保护方案。并网模式下主保护方案如下：

(1)改进的电流保护方法

传统配电网保护方案多指指电流保护。实际电流保护存在灵敏度较小、误动和拒动等问题。因此，需在公共电网与DG之间线路两端配置方向过流保护方案。同时，为了满足保护装置的选择性和灵敏性，所有过流保护整定值需重新设置，包括DG。

由于DG的不确定性，存在并网或孤岛模式，使配电网拓扑结构和保护定值变化频繁，改进的保护方法可在一定程度上满足要求。故障电流限制器(FCL)用来限制DG对故障电流的影响，确使保护装置之间的协调。

(2)广域保护方案(WAP)

广域保护WAP最重要的优势是它能够利用安装在馈线终端的智能电子装置(IED)从整个网络获取全面的全局电气信息。WAP系统依靠故障测量点采集的信息进行快速、准确地排除故障，并进一步采取适当的控制措施。IED间能够相互通信，并实现广域方向保护、差动电流保护及距离保护。

现已开发出基于WAP的故障定位矩阵算法，并经文献[17]改进，且可简单实现。在该算法中，并网型微电网作为一个区域矩阵，记录独立IED的每个状态，然后使之彼此相关联。每个IED的位置及其联系由一个空间矩阵模拟。

4.2孤岛保护

一般来说，对故障电压进行监测和分析会更可靠。因此，提出了两种主要孤岛模式电压保护方案，即abc-dq变换保护和总谐波畸变率保护。文献[18]讨论了基于abc-dq变换的微电网输出电压保护方案。在此保护方法中，测量信号由abc向量化为dq向量。公共输入电压的任何扰动都可体现为dq值扰动。采用该dq扰动值，并提取该扰动信号作为公共输入电压与给定参考电压间的偏差。通过分析该直流电压扰动值，进行故障位置及故障类型检测。

文献[19]提出采用逆变器终端电压谐波总畸变率(THD)阈值检测作为后备保护方案。微电网带本地负荷并运行于孤岛模式时，逆变器输出电流的任意电流谐波都会导致其终端电压的电压谐波水平升高。该方案中，采用离散傅里叶变换(DFT)将每相输出电压转换到频域。由于故障相THD较健全相高，从而通过观察THD即可容易识别故障类型。在逆变器终端的两个继电器间建立适当通信即可识别和隔离故障区域。但是当网络内安装有动态负荷时，这两种电压保护方案可能无法动作，故建议其仅作为后备保护或者对主保护的补充。

5　结论

由于在现有配电网集成分布式发电技术，故亟需新的保护策略。本文论述了含微网的配电网保护所面临的挑战，并介绍了微网在并网及孤岛模式下的几种保护方案，以及建议微网运行于孤岛模式时采用故障电压的创新性保护方案。电力网络继电保护未来将会采用一些新技术如同步相量测量单元(PMU)和全球定位系统(GPS)等智能保护方案。

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Analysis of Microgrid Protection Strategy

CHENG Feng-dong,ZHANG Cong

(Electrical Engineering College of Northeasten Power University,Jilin 132012,China)

Incorporation of Microgrid(MG)comprising of distributed generators(DGs),in the existing bulk power system has become an inevitable trend.The traditional distribution network designed to operate radially is protected by simple protective devices such as fuses,reclosers and over-current relays(OCRs).The presence of DG and MG changes the load-flow of the overall network and also influences the fault current magnitude and direction.This changes the distribution system from single supply radial system to multi-source network which causes the multidirectional power flow and also having significant impact on protection coordination issues.This paper proposes a comprehensive review on thetraditional protection scheme of the distribution system and the challenges associated with the MG protection system along with the discussion of some backup protection strategies.

microgrid;overcurrent relays;fuses-reclosers;wide areaprotection

1004-289X(2016)01-0001-04

TM71

B

2015-07-27

成凤东(1987.06-)，男，汉，硕士研究生，研究方向：电力系统保护与控制；

张聪(1984-)，女，硕士研究生，研究方向：电力系统分析与控制。