微電網保護策略綜述

李 睿

（山東送變電工程公司，山東 濟南 250118）

其它

微電網保護策略綜述

李 睿

（山東送變電工程公司，山東 濟南 250118）

近年來為提高電能質量和供電可靠性，越來越多的微電網接入配電網。微電網由分布式電源、儲能裝置和可控負荷組成。微電網的引入帶來的一個主要挑戰是設計在并網和孤島2種運行模式下均能有效保護微電網的保護策略。總結了微電網繼電保護面臨的難點和特殊需求，介紹了微電網保護的研究現狀，探討了不同方案的優缺點，并給出了未來微電網保護的一些建議。

微電網；保護；分布式發電

由化石燃料等傳統能源在電力系統中的應用帶來的全球變暖問題引起人們對新能源領域的關注，以風力發電、光伏發電、生物質能發電、燃料電池發電等可再生能源發電為代表的分布式發電技術有效減少了化石燃料對環境的影響，該技術具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點靈活等多方面優點［1-4］。

為了充分地發揮分布式發電（DG）的優勢，降低DG對電網的沖擊及一些負面影響，最大限度地實現DG的效益和價值，在21世紀初專家們提出了微電網（Microgrid）概念，將額定功率幾百千瓦以下的發電單元——微電源（MS）、負荷、儲能裝置及控制裝置等相結合，形成一個單一可控的單元，同時向用戶提供電能和熱能［5］。微網能夠以并網和孤島2種模式運行，正常情況下微網并網運行，當公共電網發生故障或停電時微網通過公共耦合點處的靜態開關迅速與公共電網斷開連接進入孤島運行［6］。

盡管微網為用戶帶來諸多優勢，其投入使用仍存在一些技術難題，微網的保護便是其中一個尚待研究的問題。

微網的引入，對傳統中低壓配網的保護帶來了挑戰：首先原本輻射狀線路的單向潮流可能變成雙向。其次微網由于具有多DG，不同類型的DG提供的短路電流的能力與其控制策略有關，DG對短路電流的不同貢獻使得保護整定計算更為復雜。另外一點就是包括光伏電池、燃料電池這類逆變型電源，由于內部熱過載能力較低，輸出電流一般被限制為額定電流的2～3倍，很難利用故障電流進行故障定位［7-8］。因此，有必要研究新型繼電保護方法，使其對微型電網在聯網和孤島2種運行模式下的故障情況做出響應，同時保證保護的選擇性、快速性、靈敏性與可靠性。本文對國內外文獻中現有的微網繼電保護策略作了簡要分析并給出了未來微網保護的幾點建議。

1 利用傳統保護裝置實現的保護策略及特點

1.1 差動電流保護

在廣域保護方面，多數學者采用了差動保護。差動保護是反映從被保護元件各對外端口流入該元件的電流之和的一種保護，是最理想的保護原理，被譽為有絕對選擇性的快速保護原理，已廣泛應用于電力系統的發電機、變壓器、母線等重要電氣設備的保護。從保護設施方面看，微網差動保護可通過多代理系統實現［9］，也可通過數字式繼電器實現［10］，或利用智能繼電器及控制網絡輔助實現［11］。從微網拓撲結構方面看，文獻［12］、［13］給出了適用于網狀結構微網的差動保護策略，文獻［14］提出閉環微網的差動保護方法，根據故障分量幅值大小以及與負荷電流相位關系實現故障排查與定位。

微網差動保護的優點是不受雙向潮流和孤島模式下小故障電流的影響，但通信系統一旦發生故障，需要有可靠的后備保護，通信設施的建設成本較高，系統或負荷不對稱以及分布式電源并網和斷開的過渡會給保護帶來困難。

1.2 距離保護

距離保護通常用于線路保護中，距離繼電器測量從繼電器安裝處到故障點間的阻抗，若故障發生在距離繼電器保護區域內，保護裝置動作，相應斷路器跳閘。由于距離保護不依賴于故障電流幅值，一些學者嘗試將其應用于微網中。文獻［15］、［16］提出將反時限導納繼電器應用于微網保護。導納繼電器所測導納與保護安裝點到故障點的導納有關，而與電流沒有關系。故障點離保護安裝點越遠，繼電器動作時間越長，越近則動作時間越短。該反時限繼電器既可以作為本段線路的主保護，也可以作為相鄰線路的后備保護。文獻［17］提出將阻抗保護應用于微網保護的設想，介紹了一種基于負荷阻抗的反時限低阻抗保護，利用測量阻抗與最小負荷阻抗實現保護功能，無需通信，有較好的抗過渡電阻能力。

由于阻抗繼電器不具方向性，通過合理配置微網結構，將保護裝置裝在2個分布式電源之間的線路中間，可以對這條線路的前半段和后半段進行保護，從而實現了微網的保護功能。對于這類以測量阻抗作為故障判據的保護方案，諧波和電流暫態過程會給基波分量的提取帶來困難，故障過渡電阻會給導納的測量帶來誤差，且對于微網的不同運行模式和高阻故障等復雜情況缺乏考慮，還需要更全面論證才能證明其實際應用的前景。

1.3 方向比較式縱聯保護

基于方向比較原理的縱聯保護，通過比較多點的故障方向信息綜合判斷出故障位置并采取相應的保護策略。該算法只以電流方向作為判斷故障的依據，不依賴故障電流大小，只傳送對故障位置的判斷結果或有關信息，原理簡單可靠。文獻［18］利用故障電流方向判斷故障區域，克服了微網中因逆變器的限流控制導致疊加原理不適用的不足；同時也解決了微網中不同區域同時含有電源和負荷而導致故障后電流大小和方向不確定的難題。

1.4 外部設備輔助保護策略

并網模式和孤島模式下的故障電流大小有著極大差異，因此可以通過增加外部設備的方法，在微網進行模式轉換時增大或減小故障電流，使傳統保護裝置和保護策略得以保留。

文獻［19］使用飛輪儲能裝置提高微網的短路電流能力。當微網發生故障時，飛輪儲能裝置可以瞬間提供大的短路電流，從而避開了設計新的保護策略，也避免了更換傳統的保護裝置和設備。但安裝這樣大容量的中央儲能單元需要大量投資，并且這種技術對儲能設備的控制環節要求較高，一旦自身出現故障將不能保證系統保護可靠動作。文獻［20］提出安裝補償性電流源的方法，根據不同的網絡運行狀態開啟或關閉，所以高度依賴于孤島檢測技術和補償性電流源的可靠性操作。文獻［21］、［22］通過在大電網和微網之間增設外部設備以減少公共電網提供的故障電流。

1.5 自適應保護

微網存在并網和孤島2種運行方式，分布式電源注入的故障電流被電力電子裝置限制在2倍額定電流，孤島模式和并網模式短路電流的大小和流通路徑均有差異，分布式電源的即插即用功能導致微網結構改變，某些分布式電源如風力發電、光伏電池發電的間歇性特點使之無法提供長期穩定的供電，這些因素導致了微網故障電流的不確定性，依靠離線整定的保護定值和動作時間來實現故障檢測和保護配合的方案無法應用于微網保護中，必須采用自適應保護，以適應微網狀態的改變。很多學者開始重視研究自適應保護應用到微網中的可行性和實現方法，并取得了眾多的研究成果。自適應保護的實現手段可大致分為兩類，一類是首先離線計算不同微網運行模式下的保護整定值，然后采用某種方法區分微網運行模式并對繼電保護整定值或保護策略進行修正，即離線整定，實時切換。文獻［23］通過比較零序阻抗角度區分運行模式，并網運行時通過過電流保護實現故障檢測，孤島模式通過dq0電壓檢測故障，利用零序電流分量實現保護區域的區分。優點是無需通信，但仍存在一些技術難點，如繼電器選擇性、運行速度等問題，且保護方案的可行性尚待軟件和硬件驗證。文獻［24］離線計算并網及孤島模式下過流繼電器的整定值并將其存儲于繼電器中，當孤島發生時，繼電器自動切換到適合孤島模式的那組整定值。特點是需要進行快速孤島檢測。文獻［25］運用電壓、電流故障分量實時計算系統和微網的阻抗，通過監測比較大電網和微網的阻抗修正繼電器的動作特性，在故障發生后的2個周期內有效，僅適用于基于逆變型分布式電源的微網。

自適應保護的另一類實現手段是實時監測微網拓撲變化，動態計算故障電流，對保護動作值進行在線整定，此類保護方法能夠響應微網結構的改變，具有發展潛力。文獻［26］將微網實時拓撲結構轉化為樹形節點路徑圖，采用樹形節點搜索及節點路徑算法對微網內保護裝置的動作值及動作時限進行自適應整定，可有效跟蹤網絡拓撲結構變化而實時更改保護整定值，具有較好的自適應性。文獻［27］、［28］通過動態計算故障電流，調整保護策略以適應新的微網狀態。在文獻［29］中，中央控制單元與所有繼電器和分布式電源通信以記錄其狀態（ON／OFF）、額定電流和提供的故障電流。通過與繼電器通信修正動作電流，檢測故障電流方向并清除故障。

上述自適應保護方案可能面臨以下問題。

a.需要事先知道微網所有可能的拓撲結構。

b.大規模通信系統的建設成本較高。

c.微網不同運行模式下的短路電流計算較復雜。

2 提取新型故障特征量的保護策略及特點

傳統配電網保護通常采用依賴于故障電流幅值的過電流保護，孤島模式的微網中由于通過電力電子設備并網的DG提供的故障電流較小，無法使保護裝置動作或需經過較長的延時才能動作。因此，一些學者開始探索不依賴故障電流幅值的新型保護判據。現有國內外文獻中新型保護判據包括電流量、電壓量、諧波畸變率、阻抗角等。文獻［30］將微網劃分區域進行保護，針對單相接地故障和相間故障，提出對稱分量法和差動電流法相結合的保護策略。但這種策略無法檢測三相短路故障，對復雜結構的微網通用性不高。文獻［31］采用以圖描述微網的思想，從穩態電流的變化量上獲取故障特征信息，提出了基于圖模型的微網邊方向變化量保護算法。微網內發生故障后為避免對大電網產生影響可首先斷開靜態開關，由此有學者提出利用微網內部發生故障與斷開靜態開關引起的線路電流突變量實現故障區域的定位，僅需測量電流，原理簡單，具有實用價值［32］。正序故障分量相位亦可作為繼電保護電氣檢測量，啟動保護功能，不受故障點過渡電阻及系統電勢影響，適用于閉式環網的微網接地保護［33］。

一些學者還研究了微網故障時的電壓變化特征，并以此作為檢測故障的判據。文獻［34］將逆變器接口采集到的三相交流電壓量從abc坐標系轉換到dq0同步坐標系下的直流量，并用與參考值的差值判斷故障類型，避開了運行方式帶來的故障電流差異，但保護缺少選相的功能，并且由于該微網模型中微電源間距離可能很短，區內和區外故障時電壓非常接近，可能使形成的故障判據靈敏度不夠。文獻［35］依據故障后距離故障位置越近的節點電壓幅值越低的原理，提出基于故障邊電壓量的本地量微網保護方案，微網運行模式切換時無需更改保護參數，但對網絡拓撲變化具有一定的依賴性。

逆變型微網發生故障以后，逆變器電源會把故障電流限制在額定電流的2倍左右，因此會向網內注入諧波分量，有學者由此提出了基于諧波檢測的保護方案［36］，使用繼電器監測逆變型電源端口輸出的電壓，通過對電壓的傅里葉變換和諧波畸變率分析，判斷故障相和故障位置。特點是THD門檻值的設定和通信的同步較難實現；對包含多個DG的微電網實現困難。當故障發生時，還可以根據負序電壓與負序電流信號，通過負序阻抗角判斷故障區域，可以有效識別各種不對稱故障［37］。

3 微網保護建議

a.高阻抗故障是微網中較常見的一類故障，其故障電流大小與負荷電流接近，不能引起明顯的電壓降落，一個可靠的微網保護策略應該能夠有效地鑒別和切除高阻抗故障。

b.微網保護策略應具有通用性，能適用于不同的微網拓撲結構；為支持DG的“即插即用”功能，保護策略應能夠動態跟蹤微網拓撲變化。

c.隨著計算機和通信技術的飛速發展，可以考慮將廣域保護應用于微網，利用系統多點的信息，對故障進行快速、可靠、精確切除。

4 結束語

微電網的潮流雙向性、不同運行模式短路電流差異較大、即插即用等獨有特性使傳統繼電保護策略不再適用于微電網。越來越多的學者對微電網保護展開深入研究和探討，取得了大量研究成果。成熟的微網保護策略應能檢測不同類型的故障以保證微網在并網和孤島模式下的安全穩定運行，同時又要滿足保護的“四性”要求。本文對現有的微網保護策略進行了分類總結，將微網保護分為引入新型保護判據和利用傳統保護裝置實現的保護策略，分別指出了各類保護策略的優缺點，最后給出了微網保護的幾點建議，以供參考。

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The Overview of Protection Schemes for Microgrid

LI Rui
（Shandong Electric Power Supply＆Transformation Engineering Company，Jinan Shandong 250118，China）

In recent years，an increasing number of microgrids are connected to the distribution networks so as to enhance power qual?ity and reliability.Microgrid is cluster of distributed generation sources，storage systems and controllable loads.One of the challenges microgrid has brought is to devise a proper protection strategy that is effective in the grid?connected as well as the islanded mode of op?eration.New problems and special requirements faced by microgrid protection are summarized in this paper.Present research situation on microgrid protection is described in which the advantages and disadvantages to each technique are assessed.Some conclusions and suggestions are put forward for the protection of micro?grids in the future.

Microgrid；Protection；Distributed generation

TM77

A

1004-7913（2015）06-0058-05

李 睿（1988—），男，學士，工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護。

2015-04-04）