微網保護策略分析

成鳳東，張聰

(東北電力大學電氣工程學院，吉林　吉林　132012)

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微網保護策略分析

成鳳東，張聰

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

將分布式電源(DG)組成微網(MG)并入大容量配電網，已成為現有電力系統的一種必然趨勢。傳統輻射型配網通過簡單的保護裝置即可實現對網絡的保護，如熔斷器、重合閘及過電流繼電器(OCR)等。由于DG及MG的接入，改變了整體網絡的潮流分布，配網從單電源輻射網向多源網絡轉變，引起了網內多向潮流，同時也影響了故障電流的大小和方向，并對保護協調問題產生重大影響。綜合評述了配電系統的傳統保護方案及微網保護所面臨的挑戰，并探討了微網備用保護策略。

微電網；過電流繼電器；熔斷器-重合閘；廣域保護

1　引言

微電網可被定義為一個由分布式能源(DER)、多用電負荷和能量存儲裝置組成的綜合能源系統，可作為一個并入或孤島于現有公用電網的單一自治網絡[1-3]。微電網概念的采用使配電網中出現多電源結構，因此，需對基于單向潮流輻射狀網絡結構的傳統保護原理進行必要的修改[4]。輻射狀系統中使用過流繼電器(OCR)、熔斷器和重合閘作為其主要保護裝置。在并入一個DER的典型單饋線測試系統中，基于微處理器的自適應重合閘用來解決熔斷器與重合閘的協調問題，然而未考慮孤島時的保護問題，并且重合閘第一次重合后其設置需改變[5]。隨著DG的接入，故障電流變化范圍改變，故障電流的雙向流動增加了保護協調的復雜程度[6]。傳統的過電流保護方案不再適用于孤島運行模式。

分布式發電(DG)并入配電系統增加了保護方案的復雜性。這改變了短路電流的大小和方向，因此現有的保護方案可能無法正確發揮其協調功能[7]。微電網與傳統電網主要區別在于當其從并網運行轉到孤島運行模式時短路能力的顯著變化。應用于現代電力系統的保護方案大多是基于短路電流感應能力[8]。短路容量變化會對已有的多數保護方案產生嚴重影響。DER接入配電網會產生包括保護盲區、誤動/拒動、重合閘與熔斷器失調、熔斷器與熔斷器失調及自動重合閘失敗等主要保護相關問題[9]。因此，保護重點要考慮的問題是短路功率、故障電流水平、設備識別、減少過電流和阻抗繼電器范圍、雙向性、拒動、孤島和重合閘誤動作。

當DG與其他設備同時并聯于傳統配電網時，會降低故障阻抗，引起故障水平提高，此時與所接入的DG類型無關。在故障情況下，可產生很高的故障電流，可能危及系統安全。現已對環形配電網的保護協調進行了大量研究工作，通過優化配置方向過流繼電器，以及為系統中每個傳統同步發電機串聯故障電流限制器(FCL)[10]。FCL是串聯裝置，在正常運行條件下，其電阻可以忽略，但在系統故障情況下可有助于限制短路電流水平。文獻[11]對超導故障限流器(SFCL)在配電系統中的配置及其對降低故障電流水平的影響進行了可行性分析，對其在交直流混合微網下作了驗證，同時為驗證SFCL分別在交流和直流微網中的作用，分別設計了交流和直流SFCL模型，并在最壞故障條件下運行了不同SFCL配置。

2　微網架構

圖1　微網架構

微電網架構具有三個獨特的重要功能，即微源控制器、能量管理及保護。在不依靠通信的情況下，與DG相結合的功率和電壓控制器可在負荷擾動與變化時作出快速響應。能量管理通過功率調度提供運行控制。

每個微網元件的最重要特征是它的“對等”和“即插即用”特性[14]。對等概念是指每個元件在微網運行時地位等同。即插即用表明一個單元可在電力系統內任一位置接入，降低了故障幾率。

微網容量通常介于千瓦與兆瓦之間，常接入低壓或中壓配電網。

3　傳統保護方案所面臨的問題

接入配網的微電網包含多個DG，使得系統短路容量增加。而且，由于硅器件的額定電流限制，電力電子接口DG的故障電流被限制在2倍額定電流以內。因此，傳統的過流保護技術不再適用于孤島型微電網[15]。

對于微網接入配電網后，傳統保護方案存在以下三個基本問題。

3.1保護盲區

當DG接入到送變電站與故障點之間時，會出現保護盲區，即保護范圍縮小，如圖2所示。在DG接入容量一定的情況下，故障f1發生時，流過點f1的故障電流仍然增大，但由于DG的分流作用，通過饋線始端CB2檢測到的故障電流要比同故障條件下無DG接入時有所降低，這可能會導致CB2檢測故障延時動作或造成保護的拒動。

由于饋線故障時DG提供故障電流Ifdg，使過流繼電器實際檢測到的故障電流減少，可能使其出現保護失靈。

問卷回收經篩查后，采用Epidata 3.1軟件錄入數據，導入SPSS18.0進行統計分析。描述性統計分析采用頻數、百分比；知識部分答案有“是”“否”“不清楚”3個選項，回答正確得1分，錯誤或不清楚得0分；態度和行為部分答案采用5分制的Likert量表評定；考慮知識分數呈偏態分布，采用秩和檢驗分析不同人口學特征下受訪者知識部分得分情況是否有顯著差異；采用Pearson相關法分析全科醫生抗生素相關知識、態度和行為之間的關系。顯著性水平α值設定為0.05。

3.2誤動/拒動

在故障發生在接有DER的饋線外側情況下，DER會通過饋線向故障點提供故障電流。因此，健全線路的無方向繼電器可能會出現故障檢測失誤并且跳開饋線，這是不可取的。短路容量越高，對繼電器性能的影響越大。如圖2所示，故障f1發生時，斷路器CB3應動作跳閘，但由于DG提供的電流Idg的作用，斷路器CB4將會動作，這可能導致健全饋線不必要的中斷。

圖2　DG下游饋線故障對保護的影響

3.3重合閘-熔斷器失調

熔斷器只有在饋線發生永久性故障時動作。對于短時故障，重合閘會進入快速模式而動作并隔離饋線，給出故障自動清除時間。如果熔斷器未在永久性故障時動作，則重合閘通過運行慢速模式將故障清除。如果重合閘和熔斷器都動作失敗，則最終饋線繼電器將動作[16]。

典型配電網繼電器、重合閘及熔斷器協調原則，如圖3所示，由圖中可知，對于Ifmin與Ifmax之間的所有電流，重合閘快速特性曲線位于熔斷器最小熔化時間曲線下方，而重合閘慢速特性曲線位于熔斷器總清除時間曲線之上。因此，在熔斷器開始融化之前，重合閘動作打開，給出短時故障自清時間。由于繼電器特性曲線位于其他所有曲線上方，可用作全局后備保護。

圖3　不同故障位置繼電器誤動作

圖4　重合閘和熔斷器協調特性

4　微網保護

隨著DG大規模接入配電網，微電網保護問題可能會成為一個最大的技術壁壘。微電網的運行理念是：正常情況下微電網運行于并網模式；在出現任何擾動時，它將與公共連接點(PCC)無縫斷開，并繼續運行于孤島模式。確保微電網在系統異常時能夠穩定運行的兩個主要保護問題是：確定微電網在任何特定情境下應該被孤立的時刻；隔離獨立的微電網，并提供充分的母線協調故障保護。

為使獨立的微電網能夠可靠高效運行，其保護系統應確保以下幾方面：

4.1并網保護

為了充分利用發電容量和應急備用容量，故障發生時無需斷開所有DG。因此，為達到故障檢測和定位的目的需要研究先進的保護方案。并網模式下主保護方案如下：

(1)改進的電流保護方法

傳統配電網保護方案多指指電流保護。實際電流保護存在靈敏度較小、誤動和拒動等問題。因此，需在公共電網與DG之間線路兩端配置方向過流保護方案。同時，為了滿足保護裝置的選擇性和靈敏性，所有過流保護整定值需重新設置，包括DG。

由于DG的不確定性，存在并網或孤島模式，使配電網拓撲結構和保護定值變化頻繁，改進的保護方法可在一定程度上滿足要求。故障電流限制器(FCL)用來限制DG對故障電流的影響，確使保護裝置之間的協調。

(2)廣域保護方案(WAP)

廣域保護WAP最重要的優勢是它能夠利用安裝在饋線終端的智能電子裝置(IED)從整個網絡獲取全面的全局電氣信息。WAP系統依靠故障測量點采集的信息進行快速、準確地排除故障，并進一步采取適當的控制措施。IED間能夠相互通信，并實現廣域方向保護、差動電流保護及距離保護。

現已開發出基于WAP的故障定位矩陣算法，并經文獻[17]改進，且可簡單實現。在該算法中，并網型微電網作為一個區域矩陣，記錄獨立IED的每個狀態，然后使之彼此相關聯。每個IED的位置及其聯系由一個空間矩陣模擬。

4.2孤島保護

一般來說，對故障電壓進行監測和分析會更可靠。因此，提出了兩種主要孤島模式電壓保護方案，即abc-dq變換保護和總諧波畸變率保護。文獻[18]討論了基于abc-dq變換的微電網輸出電壓保護方案。在此保護方法中，測量信號由abc向量化為dq向量。公共輸入電壓的任何擾動都可體現為dq值擾動。采用該dq擾動值，并提取該擾動信號作為公共輸入電壓與給定參考電壓間的偏差。通過分析該直流電壓擾動值，進行故障位置及故障類型檢測。

文獻[19]提出采用逆變器終端電壓諧波總畸變率(THD)閾值檢測作為后備保護方案。微電網帶本地負荷并運行于孤島模式時，逆變器輸出電流的任意電流諧波都會導致其終端電壓的電壓諧波水平升高。該方案中，采用離散傅里葉變換(DFT)將每相輸出電壓轉換到頻域。由于故障相THD較健全相高，從而通過觀察THD即可容易識別故障類型。在逆變器終端的兩個繼電器間建立適當通信即可識別和隔離故障區域。但是當網絡內安裝有動態負荷時，這兩種電壓保護方案可能無法動作，故建議其僅作為后備保護或者對主保護的補充。

5　結論

由于在現有配電網集成分布式發電技術，故亟需新的保護策略。本文論述了含微網的配電網保護所面臨的挑戰，并介紹了微網在并網及孤島模式下的幾種保護方案，以及建議微網運行于孤島模式時采用故障電壓的創新性保護方案。電力網絡繼電保護未來將會采用一些新技術如同步相量測量單元(PMU)和全球定位系統(GPS)等智能保護方案。

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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

成鳳東(1987.06-)，男，漢，碩士研究生，研究方向：電力系統保護與控制；

張聰(1984-)，女，碩士研究生，研究方向：電力系統分析與控制。