基于组播通信技术的多源微网保护方案研究

潘汉广 方存洋 吕 亚

（南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏南京211106）

0 引言

目前传统的保护大多是采用分散式保护装置，这种保护装置每一台能够得到的系统信息有限，无法对整个微网系统的故障做出准确判断，需要多台装置的相互配合才可能实现整个变电站的保护要求。但在智能电网中灵活的网络拓扑、不固定的运行方式使孤立单一的保护装置定值整定困难，信息少使得保护性能受影响或判断太复杂；需要多台装置相互配合，要求的PT和CT多，电缆使用量大；带来了维护难度大、价格高等一系列问题，所以研究新型的适用于微电网的保护装置势在必行。

1 微网系统保护现状

目前国内外学者对微电网保护的研究方向主要有：在DG接入的情况下使传统配电网保护受到的影响最小；不考虑对传统配电网的影响而找到较完善的保护方法来应对DG的接入，概括而言，主要有以下几种：

（1）配电网故障时，DG立即退出，传统配电网的保护不受影响。

从工程角度考虑，故障发生时DG迅速离网技术实现简单方便，可靠性高，因此，目前一些标准如IEEE 1547要求并网DG在发生故障以及自动重合闸前都要离网。

对采用此种处理方式来说，保护整定相对比较简单，传统的配网保护即可满足要求，但也存在着当地负荷供电可靠性不高的情况。另外，由于传统的配网保护基本采用过流保护，在有微网接入的配电网范围不大，分段距离不长，段数较多，相邻端保护的整定电流值相差不大时，只能通过时间上的整定来区分故障区域，这样就造成越是靠近变电所电源侧的时间整定越长，故障切除速度较慢，会对运行设备的安全造成威胁。

例如对图1中的微电网来说，在设计之初，为了提高DG附近负荷的供电可靠性，考虑当正常运行时，外网和DG同时运行，外网故障时，切除DG与外网之间的P3、P4连接开关，改由DG对当地负荷供电，形成离网运行状态，如果按照配电网故障时，DG立即退出的要求，P1、P2、P3之间的配电网故障时，DG退出后，当地负荷就失去电源，只好停电，这样无疑限制了DG的效能发挥，造成了负荷失电的损失，直接限制了新能源的利用。

图1 简单微电网架构

在此情况下，实际上如果安装在P1、P2、P3、P4等处的保护测控装置能够正确知道其他各点是否过电流、电流的流向，完全可以有针对性地跳开故障区域周围相互关联的开关，做到有针对性地动作，把停电范围限制到最小。

（2）差动保护的使用。

差动保护作为电气设备的主保护，灵敏性高，选择信号，动作时间短，不用考虑和其他级别的保护相互配合，因而成功地使用在发变组保护、变压器保护、大型电动机保护、母线保护和短线路保护中。所以，目前在微网保护中有人感觉传统的过流保护无法满足选择性、速动性要求时，往往倾向于使用差动保护来解决问题。

有文献提出由于差动保护不受运行方式变化的限制，不受潮流变化的影响，使用光纤纵差来解决智能电网中分布式电源接入的保护选择问题，但在此文献中光纤差动保护接入多侧电流，把每一节点相关联的所有线路电流接入一台差动保护装置，在文献举例中就至少接入了5条线路的电流来作为保护动作的判断依据，造成保护装置接线和逻辑判断复杂，甚至远高于母线保护，投资成本高，利用的实际价值不大。

有文献提出了图2所示的3/2断路器接线构成的一处开关站，带DG与负荷的线路作为一个元件接入某串，微网内某个元件发生故障时，由差动保护迅速切除该串元件。

图2 接入3/2断路器接线开关站的微电网架构

此种接线的主要优点是克服了上文（1）中提到的外部故障时要求断开DG的不足，提高了DG附近负荷的供电可靠性，但是在此差动保护中也要接入至少4条线路电流来作为差动保护的计算电流，保护装置接线仍然较为复杂，并且为了和两侧配电网的过流保护相配合，3/2断路器中两端母线断路器还必须安装过流保护装置。

（3）网络化数据微电网保护。

有文献提出了以通信为基础，构成微网级的通信网络，利用微网多处的电流、电压信息进行综合分析判断，从而实现对微网的保护。此种保护方式接近于数字化变电站的保护模式，需要快速可靠的通信网络，采样多点电压、电流信息的同步，网络要求较高，需要监控系统或专门的保护管理装置实现微网各个部分的故障判断。

此种方式目前主要存在的问题是保护完全依赖于通信，监控系统或专门的保护管理装置需要采集微电网系统内部所有的线路和开关信息，仅一台装置（计算机或装置）完成整个微电网保护不符合保护对可靠性的要求，此台装置通信中断或装置异常都将造成整个微网失去保护，对此台装置的可靠性要求太高。

2 采用组播通信方式实现微网保护的方案

实际上微网的保护方式与传统的保护方式存在着很大的不同：（1）潮流的双向流动；（2）在并网和孤网运行下的微网，其线路上分布着多个DG，由于各种DG的性能不同，DG对线路的短路电流有不同的控制模式，造成短路电流的大小也各不相同，因此，如何在不同的运行状态下，对微网内部故障做出正确处理，并在并网情况下快速感知主网故障，同时保证保护的选择性、快速性、可靠性和灵敏性，是微网保护技术的关键和难点。

对于微网的保护装置来说，要想准确判断出故障点的位置，对故障采取正确的应对措施，保护功能除了需要知道本保护对象的运行信息外，还需要知道其他相关联线路和开关的状态信息，才能准确判断出故障点的范围和性质，做出正确的反应。其判断的逻辑要求不能过于复杂，考虑到通信的快速性，采用其他装置的信息不能太多，以免出现故障时，本保护装置不能得到其他关联装置发出的实时信号。

基于组播通信技术实现多源微网保护的方法：微电网中包括与断路器一一对应的保护测控装置和一台交换机，保护测控装置包括两个网口，分别记为A网口和B网口，其中A网口接交换机、与监控相连，B网口接相邻保护测控装置的B网口、实现网络握手；对该微电网中的非网络末梢部分以相邻两个或三个以上断路器所确定区域为单元，网络末梢部分以末梢馈线断路器所分割的下游区域为单元，将整个微电网划分为若干最小区域，以每一个最小区域作为一个保护装置关联区域；将一个保护装置关联区域内的保护测控装置设为一组，同组保护测控装置之间利用组播广播方式传输信号，并设置遥信变位信号为最高优先传送等级；每台保护测控装置各自对接收信号与自身采集信号综合进行逻辑判断，诊断故障并隔离故障区域。

本方案基于现有的微电网，相比分布决策模式进行微电网故障处理的方法，取消了保护主控制器，但保留了保护测控装置与保护主控制器的连接网口，用以上传信息，更新任务及数据；利用保护测控装置与微网内断路器一一对应的关系，采集各线路电气信息，通过相关保护测控装置的保护信息交互，在各个保护测控装置上就地完成保护信息逻辑判断，完成故障隔离任务，此方案既能准确判断微电网的故障区域，也能保证动作的快速性。

为了使得保护测控装置能够快速、可靠地工作，必须规定其信息交换范围，对一个保护装置关联区域的划分进行分析；也就是规定保护测控装置之间的信息交换范围，通过故障时一定区域内的信息交换定位故障。

由故障隔离的一般原理可知，可实现隔离的最小区域为相邻的两个或多个断路器所确定的区域网络，对于网络末梢，则是由末梢馈线断路器所分割的下游区域；表现在微电网结构中为两个或多个断路器所确立的馈线段、配变、母线、T接区域或末梢馈线。那么，考虑将此最小区域作为保护装置的关联区域，可最大限度地缩小故障隔离区域，同时亦可缩小保护测控装置的信息交换范围，减小网络通信负担，实现信息的快速交互。

图3所示为一种含分布式电源/储能的微电网系统，包括若干断路器、与断路器一一对应的保护测控装置和一台交换机，保护测控装置包括两个网口，分别记为A网口和B网口，其中A网口接交换机、与监控相连，B网口接相邻保护测控装置的B网口、实现网络握手。

图3 典型含分布式电源/储能的微电网系统结构示意图

对该微电网中的非网络末梢部分以相邻两个或三个以上断路器所确定区域为单元，网络末梢部分以末梢馈线断路器所分割的下游区域为单元，将整个微电网划分为若干最小区域，以每一个最小区域作为一个保护装置关联区域，也就是作为一组。图3中的微电网可以划分为：断路器P1、P2、P9组成的区域（图4），P2、P3、P4组成的区域（图5），P4、P5、P7组成的区域等多个区域，这些区域即为实现故障隔离的最小区域。

整个微电网内部采用光纤通信，将微电网中所有保护测控装置的A网口接在同一台100M/1 000M交换机上，充分利用网络通信的快速性，在运行过程中，每一台保护测控装置都检测本装置线路的电流过流、电压降低、功率方向、开关位置等遥信信号，采用VLAN技术，把同一关联区域的保护测控装置设为一组，同组保护测控装置之间利用组播广播传输，把需要交互传送的遥信变位信号设为最高优先传送等级，大大加快了保护测控装置之间的信息传送速度。

图4 安装在断路器P1、P2、P9处的保护测控装置动作判断逻辑

图5 安装在断路器P2、P3、P4处的保护测控装置动作判断逻辑

针对B网口，采用定时中断查询方式实现通信，通过CPU定时器开启1 ms（可设定）中断，每次中断对B网口进行查询，是否有报文，如有报文马上接收、处理并启动保护程序；针对不同网卡接口方式，读取一帧报文时间一般在10～100 μs，报文大小为1K左右；处理并启动保护程序的时间主要取决于CPU性能，一般控制在120 μs以内，优选100 μs左右；这样，保护测控装置之间信息交换就能在5 ms内完成；抛开交换机抖动等链路延时，10 ms左右就能完成一帧报文的完整交换。

例如装置1发送报文到装置2过程：

（1）装置1变位组包：100 μs左右；

（2）写入网卡缓冲区：100 μs左右；

（3）链路传输：10 μs左右，碰到交换机最大抖动会产生最大5 ms延时；

（4）装置2从网卡读取数据：100 μs左右；

（5）处理数据并启动保护：100 μs左右。

由于（1）（2）两部分在中断中完成，故此误差最大1 ms；由于（4）（5）两部分在中断中完成，故此误差最大1 ms；总体时间：2+5+2=9 ms。

判断故障隔离信息交互的时间在10 ms左右，而对于微电网内具有的分布式电源/储能装置的逆变器来说，出现外部故障自身会自动闭锁工作的时间要大于这个时间，这样只要在分布式电源及储能逆变器闭锁自身之前把故障隔离，就可以保证分布式电源及储能逆变器继续正常工作。

本文提供的多源微网保护方法，只要通过微电网监控后台，按照微电网的实时结构拓扑情况，生成各个保护装置的判断出口逻辑脚本文件并下发到各保护装置，在目前的保护测控装置中，对本保护测控装置相关信息和其他相关的装置信息进行逻辑判别即可实现迅速、有选择性地切除故障，比差动保护具有更好的灵活性和更大的应用范围；在网络结构出现变化时，只要自动重新下发保护装置的逻辑判断脚本就可以适应新的保护要求。

如果遇到整个通信系统故障，对于每一台装置来说还可以继续完成保护功能，只是这时变成了普通的三段式过流保护装置，保护的选择性变得不如通信系统正常时。

3 通信方式的引入在微网保护中的推广和影响

此种保护方式对现在大部分的保护装置来说都不需要做太大的修改，也避免了采用比如限制DG容量的接入位置与接入容量，使用故障电流限制手段如故障限流器等使故障时DG的短路电流降低等手段来对DG进行限制，如果配电网远动部分安装了大量的PV装置，发生故障时相电流可能会没有明显的升高，这样过电流保护就不能正确地检测到，如果电流很低，保护检测不到，却可以造成危险的接触过电压，而且这样的永久故障将会蔓延而损坏更多的设备，使得许多设备处于不安全的运行状态。这种情况下，采用本文保护方式可以通过系统提供的短路电流增大和电流方向改变迅速判断故障区域，准确实现故障隔离。

以太网通信是目前保护装置的基本通信方式，在当地监控后台系统中只要能提供脚本配置的功能，就可以满足全部微电网的速动性和选择性要求。此方式把每台装置看做是网络中的一个相互关联点，对整个微网的保护功能来说有极大的提高，正如现代战争中每一个士兵、飞机、战车都是整个系统的一个节点，都可为全局提供参考信息，对整个网络的性能的提高具有着十分重大的意义。