微電網多層級協同反時限保護方案

黃文燾 邰能靈 劉劍青 馬洲俊 王 杰

（1. 上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室 上海 200240 2. 國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司 南京 210019）

0 引言

隨著風電、光伏等可再生能源的迅速發展，分布式發電得到了廣泛應用，呈現大規模、高滲透與分散并網等特點。微電網是充分利用分布式電源的有效途徑之一，已逐步成為可再生能源在配電領域應用的重要方向[1]。微電網由分布式電源、負荷、儲能裝置和保護控制裝置構成，是自主控制、保護和管理的獨立發配電系統，具有供電靈活、可靠與優質的特點[2-4]。

由于大量分布式電源的接入，微電網線路短路故障電流呈現雙向性。而逆變型分布式電源作為微電網的主要電源類型之一，受逆變器限流環節的影響，其提供的短路電流通常僅為額定電流的 1.2～2倍[5-6]。此外，由于上級配電網容量遠大于微電網，在并網運行時，微電網內部故障時故障電流較大，而孤島運行時故障電流較小[7-9]。因此，微電網故障電流受系統結構、運行方式及分布式電源類型與控制方式等因素影響，變化范圍較大，傳統的配電網保護不再適用，需根據微電網運行特點研究并設計保護方案。

目前針對微電網線路保護的研究主要分為三類。①第一類方案基于傳統的配電網保護，根據微電網的故障特征對判據進行改進[10-12]。文獻[10]在反時限過電流保護判據中加入低電壓加速動作因子，提高保護的動作速度和準確度；文獻[11]利用故障后保護安裝處的電壓幅值與故障距離的遠近關系，提出一種基于故障邊電壓的單端保護方案；文獻[12]提出了一種基于負荷阻抗的反時限低阻抗保護方案。這些保護方案在一定程度上考慮了微電網靈活的運行方式，但受傳統保護特性的限制，選擇性和可靠性仍存在不足。②第二類方案以通信系統為基礎，利用廣域同步測量信息改進和提高保護性能[13-15]。文獻[13-14]通過設置中央控制單元實現保護方案設計；文獻[15]則以微電網母線為依據劃分區域，提出基于有限區域集成的保護方案。這類保護受微電網復雜運行方式的影響較小，但其研究多集中于微電網內部故障，未考慮與并網保護的配合，不利于微電網的協同保護和穩定運行。③第三類方案將微電網視為小型發配電系統，提出分層分級保護的方式，根據保護區域的重要性和特點來設計保護方案，并通過分層協同實現微電網保護的配合[16-18]。

與傳統配電網不同，微電網的靈活與可靠運行依賴控制與保護的協同。考慮微電源及微電網的運行特性，故障的發生與切除均構成不同程度擾動。當故障嚴重時，故障的沖擊更大，保護動作時間應盡量短；當發生影響較小的故障時，保護的快速動作對微電網（尤其是孤島微網）的暫態沖擊更大，可在保護中適當引入延時，利用控制系統抑制故障影響，并降低切除動作的影響，再由保護有選擇地切除故障。因此，微電網故障切除時間應與故障嚴重程度相關，即故障越嚴重切除時間越短。由于微電網對保護速動性和可靠性的要求與配電網不同，需針對性地研究微電網線路保護。

本文首先結合微電網的拓撲結構和運行特點，提出微電網多層級協同反時限保護方案，對微電網保護層級進行劃分并設計階梯式反時限動作時間曲線。針對微電網線路故障，利用差動保護的選擇性，并引入反時限原理，提出反時限差動電流（Inverse-Time Differential Current, ITDC）保護，實現多層級協同配合切除故障，提高了微電網保護的故障區域判別與快速動作能力。基于 ITDC保護方案設計微電網多層級協同保護算法，并提出保護相量計算的改進算法。最后利用PSCAD/EMTDC建立微電網系統仿真模型，驗證該方案的有效性。

1 微電網多層級協同保護方案

微電網是微電源與負荷組合的自治系統，一般位于中壓配電網的末端。不同類型交流微電網的拓撲結構大致類似，大多采用輻射狀網架[19]，其中分布式電源、儲能裝置及負荷等單元直接或經換流裝置接入系統，如圖1所示為典型的微電網結構。

圖1所示微電網拓撲可分為單條線路、多線路相連組成的區域及微電網系統三層，不同層級在范圍上存在重疊和交叉，且對故障的敏感程度和隔離要求各不相同。在此基礎上，以故障點為中心，按照故障影響擴散衰減的過程，將保護劃分為中心層、區域層和系統層，通過不同層級保護之間的協同解決傳統配電網電流保護上、下級配合困難和靈敏度不足的問題，從而有效應對微電網靈活多變的運行方式，形成微電網多層級協同保護。

圖1 微電網典型結構及其多層級協同保護Fig.1 Typical microgrid structure and the multi-layer collaborative protection

1）中心層保護（Core Layer Protection, CLP）以單條線路作為保護的基本單元，是微電網線路的主保護。中心層保護采用分布式結構，即對微電網內線路均裝設保護單元，如圖1所示的CLP1、CLP2等，從而減少通信環境等因素對保護性能的影響，保證保護的可靠性。

2）區域層保護（Regional Layer Protection, RLP）面向多線路相連組成的區域，保護范圍可依照微電網饋線支路進行劃分，如圖1所示。由于RLP保護需要綜合處理區域內各電流互感器（Current Transformer, CT）采集的信息，為降低對通信系統的要求，采用集中式結構，通過中央處理單元協同控制區域內各級保護。

3）系統層保護（System Layer Protection, SLP）面向微電網的主母線（圖1中Bus1）和公共連接點（Point of Common Connection, PCC），保證微電網與外部配電網的故障隔離，并監測微電網并網或孤島運行方式，自適應調整保護系統的配置參數。

微電網多層級協同反時限保護的方案與架構如圖2所示。對于微電網線路，保護系統由“中心層主保護—區域層多級后備保護—系統層并網保護”組成，其故障區域利用多層差動電流識別，保護動作時間與故障嚴重程度相關，且不同層級保護之間通過階梯時限原則實現協同配合，總體呈現階梯式反時限特性。對于外部電網故障，在系統層設計反時限低電壓保護，兼顧微電網故障隔離和低電壓穿越能力。

圖2 微電網多層級協同反時限保護架構Fig.2 The architecture of multi-layer collaborative inverse-time protection for microgrids

2 反時限差動電流保護

2.1 ITDC保護原理

目前，中低壓配電網的線路保護多采用反時限過電流保護[10,12]，其保護動作時間能夠隨故障電流的大小而變化，因此具有自適應故障嚴重程度的能力。保護的動作方程[20]為

式中，t為保護動作時間；I為故障電流；Iop為保護啟動電流；A為時間常數；α和β分別為反時限曲線的形狀系數和平移系數。

微電網中線路長度一般較短，且分布式電源對故障點存在助增作用，單端電流保護難以滿足選擇性和可靠性的要求，故微電網線路通常兩端均配備保護裝置。結合電流差動保護具有絕對選擇性的特點，將差動電流相量引入反時限過電流保護，構成新的保護方案，其動作方程式為

如式（2）所示，當Id＞Iop且滿足差動保護判據時保護動作，動作時間與差動電流大小呈現反時限特性，故稱該保護為反時限差動電流保護。其反時限曲線方程中，為防止過渡電阻等因素造成保護延時較長，將Δt設為保護動作時間上限。為降低保護通信量，ITDC保護采用電流的正序分量。反時限特性與差動保護特性的靈活結合是微電網控制保護協同的有效方式，也是提升微電網故障下安全穩定與優質可靠運行的重要方法。

因此，ITDC保護動作方程的參數可以分為兩類：Iop和Kset決定保護的動作區域；反時限曲線參數決定保護的動作時間。其中保護制動系數Kset的取值在（0,1）之間，而保護啟動電流Iop則整定為

式中，ILmax為線路正常運行時的最大負荷電流；Krel為可靠系數，取值1.5～1.8。

微電網線路含有T接DG時，將對ITDC的判據產生影響，具體分兩種情況。若T接DG的并網點安裝CT和保護裝置，以式（2）為基礎進行拓展，其動作判據修正為

若T接DG的并網點無CT和保護裝置，受DG控制策略影響，T接可能會導致 ITDC的誤動或拒動，但對反時限動作時間的影響較小，需單獨考慮此種場景下保護判據的改進。

對于反時限曲線方程參數，平移系數β一般取1，下面討論時間常數A和形狀系數α。ITDC保護需要快速切除本級故障，并在作為后備保護時延時Δt動作，因此A和α應滿足

式中，Idmax為線路強饋側發生三相故障時的最大短路差動電流；Idmin為線路弱饋側發生單相接地故障時的最小短路差動電流。

2.2 ITDC保護配合

2.2.1 ITDC區域后備保護

ITDC保護判據由線路兩側電氣量構成，其保護范圍可擴展為多端區域，從而形成 ITDC區域后備保護。圖3所示為微電網部分線路ITDC保護的配置圖。

圖3 微電網ITDC保護配置Fig.3 The configuration of ITDC protection for microgrids

ITDC保護范圍是一個閉環區域，稱為ITDC環，并據此劃分保護級別。最小的ITDC環即一條線路，如圖3中的ITDC1，是線路的主保護，規定為Ⅰ級保護，相應動作方程即式（2）。隨著 ITDC環的增大，區域層保護可作為后備保護，如ITDC4和ITDC5為Ⅱ級保護，ITDC6為Ⅲ級保護，其差動判據調整為

式中，為ITDC環邊界CT處的電流相量，方向由邊界指向環內部；N為CT數量。而ITDC區域后備保護的動作時間需根據ITDC保護配合要求確定。

2.2.2 ITDC保護配合分析

首先分析Ⅱ級ITDC保護。ITDC保護的配合特性如圖4所示，其中曲線1和曲線2是相鄰兩條線路的主保護動作曲線。

圖4 ITDC保護配合特性Fig.4 Coordination characteristics of ITDC

結合式（2）和時間階梯Δt，Ⅱ級保護的動作曲線可有以下幾種方式：

曲線3：直接基于式（2）中的動作時間方程延時Δt。對比曲線3和曲線1可知，當線路1末端故障時，Ⅱ級保護與主保護的動作時間可能相差較少，難以保證保護的正確配合。

曲線4：將曲線1延時Δt，從而避免上述問題。但當線路2發生故障時，后備保護會產生較大延時。

曲線 5：將Ⅱ級保護動作時間方程設定為分段方程，分別對應曲線1和曲線2延時Δt。如圖4所示，該曲線在滿足保護配合要求的同時能夠加速動作，成為ITDC保護的最優配合方式。

根據ITDC保護配合原則，圖3中保護ITDC4的動作時間方程為

式中，t1和t2分別為保護ITDC1和ITDC2的動作時間方程；Idmin1為線路1弱饋側發生單相故障時的短路差動電流；可靠系數Krel=0.9。結合式（6）和式（7）可構成ITDC區域保護判據。

類似地，對于Ⅱ級以上后備保護的動作時間方程，可分段與 ITDC環內所有線路的Ⅰ級主保護進行配合，延時相應倍數的時間階梯。如圖3中的保護ITDC 6，其動作時間方程為

3 微電網協同保護算法

3.1 多層級協同保護算法

為實現微電網多層級協同保護方案，根據圖 2所示的協同策略，基于 ITDC保護原理設計多層級協同保護算法，如圖5所示。以多層級協同保護架構為基礎，本文主要考慮故障時保護與控制配合，中心層、饋線層與系統層均采用ITDC。此外，也可根據微電網實際運行需求，簡化某一層或幾層保護配置，例如直接采用差動電流保護。

圖5 多層級協同保護算法流程Fig.5 Flow chart of multi-layer collaborative protection algorithm

1）中心層保護

（1）保護判據可直接應用ITDC保護動作方程，即式（2）。

（2）若保護動作執行后故障仍未切除，則監測相應斷路器狀態并發送至區域層保護單元。

2）區域層保護

（1）根據區域內拓撲結構，劃分全部 ITDC環并確定保護等級，如圖3所示。

（2）參照式（5）和式（6），對ITDC環配置區域后備保護判據。

（3）相鄰 ITDC環可能存在重疊，為盡可能減少故障的影響范圍，規定同級 ITDC環，位于微電網弱饋側的保護優先級高，如圖3中保護ITDC5優先級高于ITDC4。

（4）當線路發生故障時，結合上級保護傳回的斷路器狀態和 ITDC環的優先級，確定預動作的ITDC保護。

3）系統層保護

（1）監測PCC狀態，判斷微電網的運行方式，據此設置保護系統的參數整定值。為避開微電網運行方式切換過程的暫態影響，保護整定值的切換可設置一定延時。

（2）主母線保護和PCC并網保護算法見3.2節。

3.2 系統層保護算法

系統層保護包括主母線保護和并網保護，其中主母線采用母線差動保護，而并網保護需要考慮PCC潮流的雙向性，因此，在PCC配置過電流保護單元和低電壓保護單元，并設計相應的保護啟動元件。

1）主母線差動保護

微電網主母線故障對系統危害最為嚴重，需要準確快速地切除故障。因此，主母線應配備母線差動保護，以PCC和所有出線電流相量作為保護的輸入量，其動作方程為

2）并網保護

并網保護涉及微電網線路故障和外網故障兩種情況。當微電網線路發生故障時，由外網提供的短路電流值要遠大于正常負荷電流值，因此可配置PCC過電流保護，動作方程為

當區域層最高級 ITDC后備保護發出動作指令或主母線差動保護發出動作指令的同時，向系統層保護發出故障警告信號。PCC處過電流保護在接收該信號后啟動，動作時間為一個時間階梯Δt。

當外部電網故障時，微電網應具有一定的低電壓穿越能力，即PCC電壓異常時，在系統允許的時間內仍保持并網運行。因此，在PCC處配置反時限低電壓保護，即

式中，tPCC為保護動作時間；Ap和αp為反時限曲線系數；m為動作特性調節系數，優化保護判據整定，取值2.0。考慮到微電網內部負荷和電氣設備的運行要求，并網保護要在設備臨界切除時間（Critical Clearing Time, CCT）內動作。因此設置反時限曲線系數為Ap= 0 .05，αp= 0 .07，其保護動作曲線如圖6所示。相應地，可監測PCC電壓異常作為保護啟動元件。

圖6 反時限低電壓保護動作曲線Fig.6 Operating curve of inverse-time low-voltage protection

4 保護相量計算改進算法

微電網多層級協同保護方案所需電氣量均為相量形式，由于離散傅里葉算法（Discrete Fourier Transform, DFT）能夠完全濾除相量中的恒直流分量和整數次諧波分量，在微機保護中得到廣泛應用。然而，微電網中存在大量電感性元件，其電流量在短路瞬間不會突變，從而導致直流分量的產生，該分量按其流經回路的時間常數衰減，嚴重影響DFT算法的性能。非周期分量的表達式為

式中，A0為直流分量初始幅值，由短路的起始條件決定；τ為直流分量的衰減時間常數，由線路參數決定。

式（12）將非周期分量進行泰勒展開，包含恒直流分量、時間t的一次分量和高次分量，其中恒直流分量和時間t的一次分量是主要成分。故在求取相量過程中，濾除這兩部分分量可在很大程度上降低非周期分量的影響。由式（12），忽略o(t2)的影響，恒直流分量可以由傅里葉算法直接得出，因此需要消除時間t一次線性因子的影響。

在一個周波內，時間t的一次線性因子，可以分解為恒直流分量和中心對稱分量，如圖7所示。其中恒直流分量不會對DFT算法造成影響，而中心對稱分量滿足如式（13）所示的奇函數條件。

式中，N為一個周波內的采樣點數；x(i)為第i個采樣值，0 ≤i≤N?1。因此，中心對稱分量可以通過與偶函數卷積濾除，進而消除一次線性因子的影響。

圖7 時間t一次線性因子的分解Fig.7 Decomposition for linear factor of t

考慮全波DFT算法，如式（14）所示。

對于相量實部ReX(K)，由于余弦函數為偶函數，采樣點與余弦函數卷積后，非周期分量中的一次線性因子可以完全濾除，但在相量虛部ImX(K)中則不可直接濾除。利用三角函數積化和差公式，可將相量虛部化為式（15），即可再次利用余弦函數來消除一次線性因子在相量虛部中的影響。

將式（15）代入式（14）中，可得改進的相量計算算法。但由于式（15）中出現采樣點x(?1)，而實際采樣點是從故障初始時刻t=0開始。因此，修正后的相量計算改進算法如式（16）所示。

式（16）可在很大程度上減小非周期分量對相量計算的影響，該算法的時間窗口為N+2點，相比于傳統DFT算法未產生過多延時。對于衰減速度非常快的非周期分量，傳統DFT算法誤差不大；而對于衰減較慢的非周期分量，相量計算改進算法在N+2點后即可得到準確度很高的相量結果，且其計算量和復雜程度均遠小于已有的相量計算方法[21-22]。

5 仿真驗證

5.1 仿真模型及參數

利用 PSCAD/EMTDC建立如圖 8所示的微電網系統仿真模型，驗證本文所述保護方案的正確性。其系統電壓等級為 10kV，線路正序參數R1=0.26 Ω / km，X1= 0 .35Ω / km，零序參數R0=0.53Ω/km，X0= 1 .02Ω / km，各線路長度和負荷額定功率如圖8所示。微電網中含有風力發電機、光伏電源和儲能電站三種逆變型分布式電源，對應的額定容量分別為 1MV·A、0.5MV·A 和 2MV·A，最大故障電流限制為額定電流的1.5倍。

微電網系統具有兩種運行方式，當PCC斷路器閉合時，系統經10.5kV/35kV變壓器并網運行，變壓器額定容量為10MV·A，中性點經1mH消弧線圈接地，三種分布式電源均采用PQ控制方式。當PCC斷路器斷開時，微電網孤島運行，其中儲能電站作為主電源，采用v/f控制方式以調節系統的頻率與電壓穩定，風機和光伏電源仍采用PQ控制方式。

5.2 仿真結果

5.2.1 相量計算改進算法分析

故障電流包括非周期分量和諧波分量，其典型表達式為

在式（17）中取不同的衰減時間常數，相量計算改進算法和傳統DFT算法的計算結果見表1，其中一個周波的采樣點數N=24。根據表1數據，改進的相量算法精確度要優于傳統DFT算法，僅增加兩個采樣點的數據窗長度，性能良好。

圖8 微電網系統仿真模型Fig.8 Simulation model of microgrid system

表1 基波幅值的計算結果Tab.1 Calculated amplitudes of fundamental waves

在微電網系統仿真模型中進一步驗證相量計算改進算法的性能。圖9所示為微電網并網運行時，線路Line 16發生單相故障的仿真結果。圖9a所示為流經保護Prot 13的故障電流波形，可以看出其包含正弦分量和衰減直流分量。

圖9 相量計算改進算法仿真結果Fig.9 Simulation of improved phasor calculation algorithm

如圖9b所示，傳統DFT算法受到衰減直流分量的影響，在一個周波的延時后，其結果仍處于衰減振蕩的過程中，誤差較大。而改進的相量算法在經過N+2點后便趨于穩定，可以得到精確度很高的計算結果，能夠更好地適用于保護方案。

5.2.2 保護方案仿真分析

根據微電網系統參數，可以對保護方案進行整定。設定上、下級保護的動作時間階梯 Δt= 0 .5s ，針對微電網并網和孤島運行，設計兩套保護配置參數，線路Line 23、Line 16及Line 45的主保護整定值見表2，其中Line 45為T接分布式電源后修訂的保護整定值。在此基礎上，系統層保護單元可根據PCC斷路器狀態自適應地進行調整，從而適應微電網的靈活運行。

表2 ITDC線路主保護整定值Tab.2 Setting value of ITDC

微電網并網及孤島運行時，線路 Line 45三相金屬性接地故障的保護動作情況如圖10所示，故障發生時刻為t=0s。如圖10所示，故障后線路Line 45的差點電流迅速增大，大于修訂后的保護啟動電流，保護能正確動作。

圖10 Line 45三相短路時差動電流情況Fig.10 Differential current under three phase grounding fault Line 45

微電網并網運行時，線路 Line 30相間故障的保護動作情況如圖 11所示，設故障發生時刻為t= 0 s 。如圖11a所示，故障后線路Line 30的差動電流迅速增大，遠大于保護啟動電流Iop，且差動電流與制動電流之比Id/Ib＞Kset，保護正確動作。

圖11 Line 30相間故障時保護動作情況Fig.11 Action of protections when phase-to-phase fault of Line 30

線路Line 30的主保護是其對應的中心層保護，并由區域層保護提供Ⅱ級和Ⅲ級后備保護，若故障仍未切除，則PCC并網保護可作為線路的遠后備保護。如圖 11b所示，多層級保護之間能夠正確協同配合。

圖12所示為線路Line 23在不同位置發生相間故障時的保護動作情況。根據圖12a所示的故障電流和ITDC保護動作區域可知，ITDC保護靈敏性高，且能夠有效識別經過渡電阻Rg的區內故障，具有一定的抗過渡電阻能力。

圖12 Line23相間故障時保護動作情況Fig.12 Action of protections when phase-to-phase fault of Line23

圖12b所示為Line 23不同位置發生金屬性相間故障時的保護動作時間，其中主保護能夠在短時間內切除故障，且自適應故障的嚴重程度。同時區域層Ⅱ級和Ⅲ級保護作為后備保護同樣響應，并具有合理的動作延時，滿足可靠性和選擇性的要求。

微電網可以在并網和孤島運行之間靈活切換，圖13所示為孤島運行時線路Line 23發生不同類型故障的保護動作情況。

圖13 孤島運行下Line 23故障時保護動作情況Fig.13 Action of protections when faults of Line 23 in islanding mode

由圖13a可以看出，保護仍然能夠可靠地協同配合，受微電網運行方式改變的影響小。圖13b所示為主保護可靠動作的情況下，線路的差動電流情況。可以看出故障后差動電流遠大于啟動電流Iop，保護靈敏性高，且能夠根據故障電流大小，自適應地調整動作時間，可靠切除故障。

微電網在兩種不同的運行方式下，線路故障時的保護動作時間見表3。由表3數據可知，對于不同的線路故障，保護均能夠快速切除，同時各層級保護配合良好，系統運行方式未對保護性能造成明顯影響。

表3 不同類型線路故障時的保護動作時間Tab.3 Operating time of different line faults （單位：s）

考慮過渡電阻對 ITDC保護的影響，分析線路經過渡電阻故障時的保護動作情況，相應動作時間見表 4。可以看出，過渡電阻的存在會延長保護動作時間，但由于 ITDC保護設定了動作時間上限，因此仍然能夠準確可靠地切除故障。

表4 經不同過渡電阻故障時的保護動作時間Tab.4 Operating time of line faults through different transition resistances （單位：s）

6 結論

本文以微電網結構和故障特點，提出了多層級協同反時限保護方案。該方案根據微電網線路保護選擇性和可靠性的要求，提出反時限差動電流保護，在此基礎上設計多層級協同保護算法，建立可靠、有效的微電網線路保護，并實現與并網保護的協同配合。經理論研究和仿真驗證，該方案具有如下特點：

1）通過差動電流確定故障線路分段，并利用差動電流的反時限特性計算保護動作時間，實現了多層級協同配合切除故障，在提高微電網故障區域判別能力的同時反應于故障嚴重程度。

2）微電網多層級協同保護算法能夠根據微電網并網和孤島兩種運行方式自適應配置保護系統參數；保護能夠適應微電網靈活的運行方式以及微電源不同的控制方式。

3）提出保護相量計算的改進算法，有效抑制非周期分量對相量計算的影響，提高基于電流相量的反時限電流差動保護的有效性與可靠性。

基于PSCAD/EMTDC的算例仿真結果表明，本文建立的多層級協同反時限保護方案在不同故障條件下均能保證中心層、區域層和系統層保護的協同配合，可靠切除不同類型故障，有效提高微電網運行的可靠性與安全性，具有良好的應用前景。