微電網繼電保護問題探析

馬曉豐 牛靜杰

摘 要：本文提出了微電網的概念，簡要概括了微電網并網可以造成三段式電流保護誤動或者拒動、保護靈敏性改變和失去選擇性等不利影響。指出了微電網保護需要考慮的幾個問題，并對微電網保護研究的現狀進行了簡單總結和概述，展望了其發展趨勢。

關鍵詞：分布式發電；微電網；配電網；保護

微電網（Micro.grid，MG）是指將分布式發電系統（distributed generation，DG）、儲能系統、用電負荷、控制裝置與保護裝置結合在一起的一個小型的發配電系統。[1.2]隨著微電網技術的不斷發展，微電網融入配電網后對配電網產生了一系列的影響，本文以微電網并網對配電網三段式電流保護和自動重合閘的影響為切入點，對該問題進行了探討。

1 微電網并網對三段式電流保護的影響

三段式電流保護由電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護構成。大量研究表明，微電網并網對配電網三段式電流保護的影響與微電網中DG的接入位置和容量，以及DG的滲透率等因素有密切關系，這些因素會從不同層面影響電流保護選擇性、可靠性、速動性和靈敏性。[3.5]

微電網并網對配電網保護的影響主要包含以下幾個方面：

（1）導致本線路保護誤動。當微電網通過PCC向配電網回饋電能時，發生短路故障后，微電網可能通過線路向故障點輸送短路電流，導致本線路電流增大，本線路保護誤動的可能性加大，停電范圍擴大的概率也隨之增加。（2）導致保護靈敏度，甚至導致保護拒動。微電網通過PCC與配電網并網后，微電網的接入導致線路產生助增電流或者分流電流，從而影響使線路的故障電流的大小，進而導致線路靈敏度的相應改變，甚至導致保護拒動。（3）導致相鄰線路保護誤動，保護失去選擇性，擴大停電范圍。當微電網通過PCC向配電網回饋電能時，由于微電網助增電流的存在，當本線路發生接地故障時，相鄰線路流過的短路電流增大，保護可能誤動，從而使停電范圍擴大，保護失去選擇性。

2 微電網并網對自動重合閘的影響

電力系統長期的運行經驗表明，在配電網線路故障中，有超過80%的故障是瞬時性的。自動重合閘（Autoreclosure，AR）可以有效避免因瞬時性故障引起的停電，提高電網的可靠性，因而得以廣泛應用。對于單端輻射狀的傳統配電網而言，AR的優勢更加明顯。微電網并入配電網后，使得配電網發生瞬時性故障時，故障點持續電弧現象可能出現，造成自動重合閘失敗，同時，微電網并入配電網后，發生故障后，微電網形成的電力孤島與配電網一般很難保持同步，在這種情況下，AR會導致非同期合閘的出現，產生較大的沖擊電流和沖擊電壓，危害系統安全運行。

3 微電網繼電保護需要考慮的幾個問題

微電網有并網運行和孤島運行兩種狀態，微電網繼電保護配置應該確保在微電網在并網狀態和孤島運行狀態都能夠準確動作，在此情景下，基于本地電氣量的傳統繼電保護方案就顯示出明顯的不足。由于DG出力具有一定的間歇性，運行方式變化頻繁，不同類型DG故障特性迥異，同時含微電網的配電網網絡拓撲結構變化較大，這就要求保護的配置可以有效跟蹤適應這些特性，并可靠動作。隨著微電網技術的發展，DG的高滲透率并網必將在不久的將來成為現實，微電網繼電保護配置，應確保DG在高滲透率并網時可靠動作。微電網內部以及PCC處含有大量價格昂貴的電力電子設備，不同DG對故障電流注入的承受能力也不盡相同，對這些裝置的保護也應該充分考量。另外，隨著電動汽車產業的持續發展和其相關技術的日趨成熟，電動汽車對電網來說既是負荷又是儲能，V2G（Vehicle to Grid）技術的發展成熟使之成為現實，針對電動汽車的移動特性，含移動儲能系統的微電網保護配置方案研究應該引起足夠重視。[6]

4 展望

目前含微電網的配電網保護方案研究主要有兩種：一是對原有傳統配電網的保護進行改進；二是將現有輸電線路中已經應用成熟的繼電保護方案應用到含微電網的配電網中。目前其保護配置方案的研究主要有電流差動保護、自適應保護、負序電流保護、邊方向變化量保護、多代理（Agent）保護、縱聯保護、距離保護等。

需要注意的是，上述各種保護的配置方案都有一定的局限性，其中電流差動保護、縱聯保護、距離保護以及自適應保護都可以有效提高由于微電網并網帶來的諸多問題，提高配電網保護動作可靠性，但需要對系統的硬件和軟件，進行較大規模的改造，安裝維護工作較為復雜，保護的成本較高，在配電網中的應用暫時還不夠經濟。負序電流保護可以再配電網發生不對稱故障時可以準確動作，當系統發生對稱短路故障時效果欠佳。邊方向變化量保護具有較好的理論可行性，但對配電網網絡拓撲結構的依賴性較強，需要對節點電壓等量需要實時采集，在網絡拓撲結構突然改變的時候保護無法準確動作。多Agent技術運用在繼電保護領域可以有效配電網繼電保護的容錯能力，但對智能算法和通信技術依賴較大，同時研究還不夠充分，但發展潛力巨大。

隨著智能配電網的不斷推進，將來微電網保護的發展具有以下趨勢：（1）智能化，可以有效規避由網絡拓撲結構變化帶來的不利影響。（2）信息多元共享化，可以實現微電網控制、調度以及保護通信系統的深度融合和信息共享。（3）良好的容錯能力，避免部分數據或設備出錯引發的判斷失誤。（4）較好的可擴展性和兼容性，方便微電網的改擴建并較好地兼容其他各種測量、監控、通信設配。（5）經濟可行，可以適應微電網大規模并網和DG高滲透率接入配電網。

5 結語

微電網技術的發展為DG的并網提供了技術支撐，微電網并網造成配電網網絡拓撲的多變和潮流流向的不確定，對原有配電網保護的配置帶來較大的影響，對保護的選擇性、靈敏性、可靠性和速動性造成影響。當下微電網繼電保護研究呈現多樣化的特點，但始終未形成有效的可以大規模應用的配置方案，相關問題尚需進一步研究。

參考文獻：

[1]Hatziargyriou N，Asand H，Iravani，et a1.Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine，2007，5（4）：78.94.

[2]Hatziargyriou N，Asand H，Iravani，et a1.Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine，2007，5（4）：78.94.

[3]周衛，張堯，夏成軍，等.分布式發電對配電網繼電保護的影響[J].電力系統繼電保護與控制，2010，38（3）：1.5.

[4]郭凱.計及配電網影響的微電網線路保護研究[D].太原理工大學，2012.

[5]譚又寧.含分布式電源的配電網繼電保護研究[D].西南交通大學，2012.

[6]趙梟梟.含移動儲能單元的微電網保護方案研究[D].北京交通大學，2011.