基于組播通信技術的多源微網保護方案研究

潘漢廣 方存洋 呂 亞

（南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），江蘇南京211106）

0 引言

目前傳統的保護大多是采用分散式保護裝置，這種保護裝置每一臺能夠得到的系統信息有限，無法對整個微網系統的故障做出準確判斷，需要多臺裝置的相互配合才可能實現整個變電站的保護要求。但在智能電網中靈活的網絡拓撲、不固定的運行方式使孤立單一的保護裝置定值整定困難，信息少使得保護性能受影響或判斷太復雜；需要多臺裝置相互配合，要求的PT和CT多，電纜使用量大；帶來了維護難度大、價格高等一系列問題，所以研究新型的適用于微電網的保護裝置勢在必行。

1 微網系統保護現狀

目前國內外學者對微電網保護的研究方向主要有：在DG接入的情況下使傳統配電網保護受到的影響最小；不考慮對傳統配電網的影響而找到較完善的保護方法來應對DG的接入，概括而言，主要有以下幾種：

（1）配電網故障時，DG立即退出，傳統配電網的保護不受影響。

從工程角度考慮，故障發生時DG迅速離網技術實現簡單方便，可靠性高，因此，目前一些標準如IEEE 1547要求并網DG在發生故障以及自動重合閘前都要離網。

對采用此種處理方式來說，保護整定相對比較簡單，傳統的配網保護即可滿足要求，但也存在著當地負荷供電可靠性不高的情況。另外，由于傳統的配網保護基本采用過流保護，在有微網接入的配電網范圍不大，分段距離不長，段數較多，相鄰端保護的整定電流值相差不大時，只能通過時間上的整定來區分故障區域，這樣就造成越是靠近變電所電源側的時間整定越長，故障切除速度較慢，會對運行設備的安全造成威脅。

例如對圖1中的微電網來說，在設計之初，為了提高DG附近負荷的供電可靠性，考慮當正常運行時，外網和DG同時運行，外網故障時，切除DG與外網之間的P3、P4連接開關，改由DG對當地負荷供電，形成離網運行狀態，如果按照配電網故障時，DG立即退出的要求，P1、P2、P3之間的配電網故障時，DG退出后，當地負荷就失去電源，只好停電，這樣無疑限制了DG的效能發揮，造成了負荷失電的損失，直接限制了新能源的利用。

圖1 簡單微電網架構

在此情況下，實際上如果安裝在P1、P2、P3、P4等處的保護測控裝置能夠正確知道其他各點是否過電流、電流的流向，完全可以有針對性地跳開故障區域周圍相互關聯的開關，做到有針對性地動作，把停電范圍限制到最小。

（2）差動保護的使用。

差動保護作為電氣設備的主保護，靈敏性高，選擇信號，動作時間短，不用考慮和其他級別的保護相互配合，因而成功地使用在發變組保護、變壓器保護、大型電動機保護、母線保護和短線路保護中。所以，目前在微網保護中有人感覺傳統的過流保護無法滿足選擇性、速動性要求時，往往傾向于使用差動保護來解決問題。

有文獻提出由于差動保護不受運行方式變化的限制，不受潮流變化的影響，使用光纖縱差來解決智能電網中分布式電源接入的保護選擇問題，但在此文獻中光纖差動保護接入多側電流，把每一節點相關聯的所有線路電流接入一臺差動保護裝置，在文獻舉例中就至少接入了5條線路的電流來作為保護動作的判斷依據，造成保護裝置接線和邏輯判斷復雜，甚至遠高于母線保護，投資成本高，利用的實際價值不大。

有文獻提出了圖2所示的3/2斷路器接線構成的一處開關站，帶DG與負荷的線路作為一個元件接入某串，微網內某個元件發生故障時，由差動保護迅速切除該串元件。

圖2 接入3/2斷路器接線開關站的微電網架構

此種接線的主要優點是克服了上文（1）中提到的外部故障時要求斷開DG的不足，提高了DG附近負荷的供電可靠性，但是在此差動保護中也要接入至少4條線路電流來作為差動保護的計算電流，保護裝置接線仍然較為復雜，并且為了和兩側配電網的過流保護相配合，3/2斷路器中兩端母線斷路器還必須安裝過流保護裝置。

（3）網絡化數據微電網保護。

有文獻提出了以通信為基礎，構成微網級的通信網絡，利用微網多處的電流、電壓信息進行綜合分析判斷，從而實現對微網的保護。此種保護方式接近于數字化變電站的保護模式，需要快速可靠的通信網絡，采樣多點電壓、電流信息的同步，網絡要求較高，需要監控系統或專門的保護管理裝置實現微網各個部分的故障判斷。

此種方式目前主要存在的問題是保護完全依賴于通信，監控系統或專門的保護管理裝置需要采集微電網系統內部所有的線路和開關信息，僅一臺裝置（計算機或裝置）完成整個微電網保護不符合保護對可靠性的要求，此臺裝置通信中斷或裝置異常都將造成整個微網失去保護，對此臺裝置的可靠性要求太高。

2 采用組播通信方式實現微網保護的方案

實際上微網的保護方式與傳統的保護方式存在著很大的不同：（1）潮流的雙向流動；（2）在并網和孤網運行下的微網，其線路上分布著多個DG，由于各種DG的性能不同，DG對線路的短路電流有不同的控制模式，造成短路電流的大小也各不相同，因此，如何在不同的運行狀態下，對微網內部故障做出正確處理，并在并網情況下快速感知主網故障，同時保證保護的選擇性、快速性、可靠性和靈敏性，是微網保護技術的關鍵和難點。

對于微網的保護裝置來說，要想準確判斷出故障點的位置，對故障采取正確的應對措施，保護功能除了需要知道本保護對象的運行信息外，還需要知道其他相關聯線路和開關的狀態信息，才能準確判斷出故障點的范圍和性質，做出正確的反應。其判斷的邏輯要求不能過于復雜，考慮到通信的快速性，采用其他裝置的信息不能太多，以免出現故障時，本保護裝置不能得到其他關聯裝置發出的實時信號。

基于組播通信技術實現多源微網保護的方法：微電網中包括與斷路器一一對應的保護測控裝置和一臺交換機，保護測控裝置包括兩個網口，分別記為A網口和B網口，其中A網口接交換機、與監控相連，B網口接相鄰保護測控裝置的B網口、實現網絡握手；對該微電網中的非網絡末梢部分以相鄰兩個或三個以上斷路器所確定區域為單元，網絡末梢部分以末梢饋線斷路器所分割的下游區域為單元，將整個微電網劃分為若干最小區域，以每一個最小區域作為一個保護裝置關聯區域；將一個保護裝置關聯區域內的保護測控裝置設為一組，同組保護測控裝置之間利用組播廣播方式傳輸信號，并設置遙信變位信號為最高優先傳送等級；每臺保護測控裝置各自對接收信號與自身采集信號綜合進行邏輯判斷，診斷故障并隔離故障區域。

本方案基于現有的微電網，相比分布決策模式進行微電網故障處理的方法，取消了保護主控制器，但保留了保護測控裝置與保護主控制器的連接網口，用以上傳信息，更新任務及數據；利用保護測控裝置與微網內斷路器一一對應的關系，采集各線路電氣信息，通過相關保護測控裝置的保護信息交互，在各個保護測控裝置上就地完成保護信息邏輯判斷，完成故障隔離任務，此方案既能準確判斷微電網的故障區域，也能保證動作的快速性。

為了使得保護測控裝置能夠快速、可靠地工作，必須規定其信息交換范圍，對一個保護裝置關聯區域的劃分進行分析；也就是規定保護測控裝置之間的信息交換范圍，通過故障時一定區域內的信息交換定位故障。

由故障隔離的一般原理可知，可實現隔離的最小區域為相鄰的兩個或多個斷路器所確定的區域網絡，對于網絡末梢，則是由末梢饋線斷路器所分割的下游區域；表現在微電網結構中為兩個或多個斷路器所確立的饋線段、配變、母線、T接區域或末梢饋線。那么，考慮將此最小區域作為保護裝置的關聯區域，可最大限度地縮小故障隔離區域，同時亦可縮小保護測控裝置的信息交換范圍，減小網絡通信負擔，實現信息的快速交互。

圖3所示為一種含分布式電源/儲能的微電網系統，包括若干斷路器、與斷路器一一對應的保護測控裝置和一臺交換機，保護測控裝置包括兩個網口，分別記為A網口和B網口，其中A網口接交換機、與監控相連，B網口接相鄰保護測控裝置的B網口、實現網絡握手。

圖3 典型含分布式電源/儲能的微電網系統結構示意圖

對該微電網中的非網絡末梢部分以相鄰兩個或三個以上斷路器所確定區域為單元，網絡末梢部分以末梢饋線斷路器所分割的下游區域為單元，將整個微電網劃分為若干最小區域，以每一個最小區域作為一個保護裝置關聯區域，也就是作為一組。圖3中的微電網可以劃分為：斷路器P1、P2、P9組成的區域（圖4），P2、P3、P4組成的區域（圖5），P4、P5、P7組成的區域等多個區域，這些區域即為實現故障隔離的最小區域。

整個微電網內部采用光纖通信，將微電網中所有保護測控裝置的A網口接在同一臺100M/1 000M交換機上，充分利用網絡通信的快速性，在運行過程中，每一臺保護測控裝置都檢測本裝置線路的電流過流、電壓降低、功率方向、開關位置等遙信信號，采用VLAN技術，把同一關聯區域的保護測控裝置設為一組，同組保護測控裝置之間利用組播廣播傳輸，把需要交互傳送的遙信變位信號設為最高優先傳送等級，大大加快了保護測控裝置之間的信息傳送速度。

圖4 安裝在斷路器P1、P2、P9處的保護測控裝置動作判斷邏輯

圖5 安裝在斷路器P2、P3、P4處的保護測控裝置動作判斷邏輯

針對B網口，采用定時中斷查詢方式實現通信，通過CPU定時器開啟1 ms（可設定）中斷，每次中斷對B網口進行查詢，是否有報文，如有報文馬上接收、處理并啟動保護程序；針對不同網卡接口方式，讀取一幀報文時間一般在10～100 μs，報文大小為1K左右；處理并啟動保護程序的時間主要取決于CPU性能，一般控制在120 μs以內，優選100 μs左右；這樣，保護測控裝置之間信息交換就能在5 ms內完成；拋開交換機抖動等鏈路延時，10 ms左右就能完成一幀報文的完整交換。

例如裝置1發送報文到裝置2過程：

（1）裝置1變位組包：100 μs左右；

（2）寫入網卡緩沖區：100 μs左右；

（3）鏈路傳輸：10 μs左右，碰到交換機最大抖動會產生最大5 ms延時；

（4）裝置2從網卡讀取數據：100 μs左右；

（5）處理數據并啟動保護：100 μs左右。

由于（1）（2）兩部分在中斷中完成，故此誤差最大1 ms；由于（4）（5）兩部分在中斷中完成，故此誤差最大1 ms；總體時間：2+5+2=9 ms。

判斷故障隔離信息交互的時間在10 ms左右，而對于微電網內具有的分布式電源/儲能裝置的逆變器來說，出現外部故障自身會自動閉鎖工作的時間要大于這個時間，這樣只要在分布式電源及儲能逆變器閉鎖自身之前把故障隔離，就可以保證分布式電源及儲能逆變器繼續正常工作。

本文提供的多源微網保護方法，只要通過微電網監控后臺，按照微電網的實時結構拓撲情況，生成各個保護裝置的判斷出口邏輯腳本文件并下發到各保護裝置，在目前的保護測控裝置中，對本保護測控裝置相關信息和其他相關的裝置信息進行邏輯判別即可實現迅速、有選擇性地切除故障，比差動保護具有更好的靈活性和更大的應用范圍；在網絡結構出現變化時，只要自動重新下發保護裝置的邏輯判斷腳本就可以適應新的保護要求。

如果遇到整個通信系統故障，對于每一臺裝置來說還可以繼續完成保護功能，只是這時變成了普通的三段式過流保護裝置，保護的選擇性變得不如通信系統正常時。

3 通信方式的引入在微網保護中的推廣和影響

此種保護方式對現在大部分的保護裝置來說都不需要做太大的修改，也避免了采用比如限制DG容量的接入位置與接入容量，使用故障電流限制手段如故障限流器等使故障時DG的短路電流降低等手段來對DG進行限制，如果配電網遠動部分安裝了大量的PV裝置，發生故障時相電流可能會沒有明顯的升高，這樣過電流保護就不能正確地檢測到，如果電流很低，保護檢測不到，卻可以造成危險的接觸過電壓，而且這樣的永久故障將會蔓延而損壞更多的設備，使得許多設備處于不安全的運行狀態。這種情況下，采用本文保護方式可以通過系統提供的短路電流增大和電流方向改變迅速判斷故障區域，準確實現故障隔離。

以太網通信是目前保護裝置的基本通信方式，在當地監控后臺系統中只要能提供腳本配置的功能，就可以滿足全部微電網的速動性和選擇性要求。此方式把每臺裝置看做是網絡中的一個相互關聯點，對整個微網的保護功能來說有極大的提高，正如現代戰爭中每一個士兵、飛機、戰車都是整個系統的一個節點，都可為全局提供參考信息，對整個網絡的性能的提高具有著十分重大的意義。