微网线路保护综述*

2017-01-10夏令琴李凤婷

电测与仪表 2017年8期

夏令琴，李凤婷

（新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐830047）

0 引言

微电网（Micro-grid，MG）通过公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）与电网连接，是一个可以自我控制、保护和管理的自治系统，它集成应用分布式电源（Distributed Generator，DG），为 DG的有效利用提供了途径［1-3］。微网并网运行时可以视为可控的负荷或发电机，微网内负荷可以同时由电网和DG供电；当上级电网发生故障时，微网可以无缝转换到孤岛模式运行并自我控制，持续对内部重要或全部负荷供电，增强了供电的可靠性。

微网并网时线路发生故障短路电流较大，而离网时线路发生故障因逆变器限流的原因由逆变型微源提供的短路电流较小（限制在两倍额定电流以内）。微源接入及微源“即插即用”的特点加重了潮流分布、故障电流的不确定性。这些都使得基于固定值的传统保护方案不再适用。由于微网大多接在中低压配电网，有关微网的保护并没有引起足够的重视，大多配以简单的过电流保护；但微网的特殊性使得过电流保护不再适用，亟需发掘适用于微电网的保护方案。为此，国内外学者展开了大量研究，取得了一定的研究成果。

文中详细分析了微网不同运行方式，微源投退、布局容量、控制方式等对常规低压线路保护带来的影响。分三类着重综括了国内外微网线路保护的研究热点：基于本地量、中央控制和分区的微网线路保护。最后探讨了微网线路保护可能的发展方向。

1 微网的结构及运行特点

低压微网大多采用简单的放射状网架结构［4］，如图1所示，如美国俄亥俄州的Dolan微网平台和我国浙江南麂岛离网型微电网项目，或者采用闭环设计开环运行结构。

图1 典型微网结构Fig.1 Typical structure of themicro-grid

微网大多数情况下既可并网运行，也可孤网运行，同时微源投退具有不确定性。微源按不同电源类型大致可以分为三类：直流型、交直交型和交流型。直流-交流式并网方式将直流电能经逆变器接入交流电网；交直交式并网方式将交流电能经整流变为直流电能后，再经逆变器接入电网；交流式不需经逆变器，直接并网运行。其中微网中有不少经逆变器并网的微源，它们缺少同步电机的电磁暂态特性，其惯性仅依赖逆变器直流侧的电容，使得微网具有惯性小、响应速度快等特点［5-7］。

2 微网对传统保护的挑战

微网并/离网运行方式故障电流差距较大，微源投退、布局容量、控制方式等影响故障电流大小和方向，因此基于固定值的传统过流保护方案不再适用于微网。

2.1 微网不同运行方式

微网的运行方式不同，故障电流的大小不同，因此微网保护整定值也应不同。微网并网运行时，图2（a）中F1处短路，流过2处保护的故障电流由系统（IS）和微源（IDG1）提供，其中主要由系统提供；而离网运行时，图2（b）中F1处短路，PCC点静态开关断开，流过2处保护的故障电流只有微源（IDG1）提供，其幅值较小。当DG1是逆变器型的微源时，故障电流更小。这是由于含逆变器型的微源故障电流注入能力被限制在两倍额定电流以内，且衰减迅速，100 ms内即下降并稳定在 1.1～1.2倍额定电流［6，8］，使得基于固定电流值的保护很难可靠动作。

图2 微网并网和离网F1处短路故障电流路径Fig.2 Fault current routeswhen short circuit occurs at the F1 in islanded mode and in grid-connected mode

综上，微网并网运行时，故障电流较大；离网运行时，只有微源为其提供故障电流，故障电流较小。这使得基于固定值的传统保护方案不能正确动作，因此微网线路保护的配置必须能适应微网不同的运行方式。

2.2 微源投退

单个微源在微网中具有“即插即用”的特点，意味着微源可以随时接入或者退出微网，这导致微网线路故障时故障电流的不确定性，使得传统保护方案不适用于微网［1］。如图3（a），F2处发生短路故障时，流过保护4处的故障电流由系统和微源提供（IS、IDG1、IDG3）提供；如图 3（b），当 DG3退出运行时，F2处发生短路故障，流过保护4处的故障电流只有IS、IDG1。DG的投退影响了故障电流的大小。而传统无源配电网F2处短路时，右侧无故障电流因此也无保护安装，DG4接入配网后F2处短路时向故障点提供反向故障电流，在右侧无保护的情况下会造成故障持续甚至继续发展，影响供电的可靠性。

图3 DG3接入和退出F2处短路故障电流路径Fig.3 Fault current routeswhen DG3 plugs in or out and short circuit occurs at the F2

2.3 微源布局、容量

配电网85%左右的故障都是瞬时故障，广泛采用三段式电流保护。当前由于微网接入容量较小、结构简单，多接入中低压配电网，故在保护方面多配以简单的过电流保护［9-11］。但是微源接入微网馈线中的位置不同、容量不同，对线路过电流保护的影响不同［12-15］：

（1）DG接入微网馈线始端母线，如图 4（a），下游线路BC中间F2点故障时，DG1产生的助增电流使流过保护2、4、5的故障电流增大，保护范围也因此增大，可能延伸到所在保护下一段，使保护失去选择性。而且DG1输出功率越大，影响越严重。F1、F3点的分析与F2点同，省略；

（2）DG接入微网馈线中间母线，如图 4（b），当下游线路BC中间F2点故障时，由于微源的助增作用，使流过下游保护5的短路电流增大，使得末端保护灵敏性得到增强；同时由于微源的汲流作用，流过DG2上游保护4的故障电流减小，使保护4的灵敏性降低保护范围缩小，如果保护5没有动作切除故障，保护4作为远后备可能拒动。当相邻线路WM中间F3点发生故障时，DG2向上游保护提供反向故障电流，且保护越靠近DG2影响越大，如果4处保护没有安装方向元件，在1处保护动作之前可能就已经误动。同样DG2输出功率越大，影响越严重；

（3）DG接入微网馈线末端母线，如图 4（c），当相邻线路WM中间F3点故障时，DG3向上游保护提供反向故障电流，可能引起保护5误动作。本线路WL中间F1点故障时，如果保护4、5没有安装方向元件，保护之间可能无法配合，失去选择性。本线路BC中间F2处故障时，会导致DG3直接切除。同样DG3输出功率越大，影响越严重。

图4 DG1、DG2、DG3分别接入微网馈线始端、中间、末端母线Fig.4 Fault current routes when DG1 plugs in the beginning ofmicro-grid feeders，DG2 plugs in the iddle ofmicro-grid feeders and DG3 plugs in the end ofmicro-grid feeders

2.4 微源控制方式

逆变型微源在并网运行时一般采用恒功率（PQ）控制方式，在孤岛运行时根据需要可选择PQ控制、恒压恒频（V/f）控制或Droop控制。因此控制目标不同，在不同的控制方式下逆变型电源提供的短路电流差别较大。且当DG输出功率具有波动性和间歇性时，故障电流数值也随之发生变化［16-17］。

3 国内外微网线路保护研究热点

由于微网线路故障电流的特殊性，使得传统的保护方案不再适用。因此不少国内外学者开始对微网线路保护配置进行研究，从是否依赖通信技术以及保护原理的实现方法上，将目前微电网线路保护方案的研究主要分为以下3类，如表1所示。

表1 微网保护的分类Tab.1 Classification ofmicro-grid protection scheme

（1）基于本地量的微网保护。文献［16，18］提出采用反时限的保护方案，通过选择合理的反时限形状系数和动作时间常数完成上下级保护间的配合。并根据保护与故障点的距离不同造成的电压跌落程度不同，提出采用低电压加速因子提高传统反时限保护方案的动作速度。前者提出基于负荷阻抗的反时限低阻抗保护方案，后者提出低电压加速反时限过电流保护方案。文献［19］在微网拓扑图简化的基础上，提出基于边电压的微网保护方案。该方法的局限性在于对拓扑变化具有一定的依赖性，对于合闸瞬间以及网络拓扑刚刚改变后发生故障的情况保护无法正确动作。文献［20］提出了一种基于母线上导纳量变化为判据的保护方案，通过比较故障前后母线上测量导纳的幅值与相角的变化，有效地区分微电网的区内外故障，实现故障的检测与定位。该保护方案比单纯运用电流或电压变化为故障判据，具有更高的灵敏性和可靠性。但对于含过渡电阻的故障类型可能导致保护方案的部分失灵，需配备相应的后备保护；

（2）基于中央控制的微网保护。文献［21-22］应用微网中央保护单元与微网中的所有继电器和微源实时通信，通过在线监测微网运行模式的变化，DG的数量、类型、状态，方向元件信息和电压、电流故障分量信息来确定故障类型，以便实时整定动作值，并通过断路器和负荷电流信息确定故障位置。不足的是一旦某一元件发生变化，需要重新计算整定，此时若发生故障微网可能处于无保护的状态，同时如果传输信息错误或没有实时同步信息保护可能会误动或拒动。文献［23］提出基于故障电流方向角判别的微电网自适应保护方法，有效地解决了微电网故障潮流多向性引起保护的误动作问题；将微网实时拓扑结构转化为树形节点路径图，采用树形节点搜索方法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实时整定，有效地解决了对不同运行方式及拓扑结构下微电网保护装置动作值的自适应整定问题。文献［24］提出了利用智能继电器及控制网络辅助的保护方案，用智能数字测量单元代替价格昂贵的继电器，中央控制器与数字测量单元通过控制网络连接能够实现同样的保护功能。文中将微网闭环结构配置，有效地解决了微电网运行在孤岛模式下切除故障线路后，引起的发电功率与负载不匹配的问题。而建立的新的高阻抗故障探测方法，可以在检测到的故障电流较小时，就动作跳闸；

（3）基于分区的微网保护。文献［25］提出了基于Multi-Agent的微网分区保护实现方案。将微网划分为若干保护区域，利用阻抗元件和功率变化量方向元件锁定故障区域，同时利用Agent之间的协作能力提高了微网保护的整体性能，能够进行在线协调整定，更适合于微网灵活多变的运行方式及双向潮流的特点。文献［26］引入正序故障分量原理，提出一种基于有限区域集成的保护方案。将微电网以母线为依据分割为若干个区域，在每个区域设置一个有限区域保护单元。利用各区域主馈线与从馈线的正序故障分量电流相角差实现故障区域和故障线路的定位。不足是故障时微源的电压会有所跌落，对保护方案的适应性产生影响。文献［27-28］提出利用故障前后的电流方向判断故障区域，将断路器间的区域作为最小研究单元，区域内的DG接入或者退出不影响保护。前者还在微网系统设置一个中央保护单元，汇集各MTU提供的故障电流方向信息，通过计算来锁定故障区域。后者将数据通信和保护装置的故障信息交换分开，保护信息只是简单的布尔信号，能在相邻保护装置之间高速传递。文献［29］提出了微网分割区域的概念，并将分割区域看成是图的节点，断路器看成是图的边，建立微网的图模型。将对综合电流方向的判断转移到对边电流方向的判断，进而提出了边方向变化量保护。缺点是仅适合辐射型网络，当电网中出现环网时，无法应用。且当微网新增或减少支路时，需重新分割区域。