微電網(wǎng)保護(hù)策略綜述

李 睿

（山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250118）

其它

微電網(wǎng)保護(hù)策略綜述

李 睿

（山東送變電工程公司，山東 濟(jì)南 250118）

近年來(lái)為提高電能質(zhì)量和供電可靠性，越來(lái)越多的微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)。微電網(wǎng)由分布式電源、儲(chǔ)能裝置和可控負(fù)荷組成。微電網(wǎng)的引入帶來(lái)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)在并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行模式下均能有效保護(hù)微電網(wǎng)的保護(hù)策略。總結(jié)了微電網(wǎng)繼電保護(hù)面臨的難點(diǎn)和特殊需求，介紹了微電網(wǎng)保護(hù)的研究現(xiàn)狀，探討了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了未來(lái)微電網(wǎng)保護(hù)的一些建議。

微電網(wǎng)；保護(hù)；分布式發(fā)電

由化石燃料等傳統(tǒng)能源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來(lái)的全球變暖問(wèn)題引起人們對(duì)新能源領(lǐng)域的關(guān)注，以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等可再生能源發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)有效減少了化石燃料對(duì)環(huán)境的影響，該技術(shù)具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安裝地點(diǎn)靈活等多方面優(yōu)點(diǎn)［1-4］。

為了充分地發(fā)揮分布式發(fā)電（DG）的優(yōu)勢(shì)，降低DG對(duì)電網(wǎng)的沖擊及一些負(fù)面影響，最大限度地實(shí)現(xiàn)DG的效益和價(jià)值，在21世紀(jì)初專家們提出了微電網(wǎng)（Microgrid）概念，將額定功率幾百千瓦以下的發(fā)電單元——微電源（MS）、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等相結(jié)合，形成一個(gè)單一可控的單元，同時(shí)向用戶提供電能和熱能［5］。微網(wǎng)能夠以并網(wǎng)和孤島2種模式運(yùn)行，正常情況下微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)公共電網(wǎng)發(fā)生故障或停電時(shí)微網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)處的靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速與公共電網(wǎng)斷開(kāi)連接進(jìn)入孤島運(yùn)行［6］。

盡管微網(wǎng)為用戶帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，其投入使用仍存在一些技術(shù)難題，微網(wǎng)的保護(hù)便是其中一個(gè)尚待研究的問(wèn)題。

微網(wǎng)的引入，對(duì)傳統(tǒng)中低壓配網(wǎng)的保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)：首先原本輻射狀線路的單向潮流可能變成雙向。其次微網(wǎng)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(guān)，DG對(duì)短路電流的不同貢獻(xiàn)使得保護(hù)整定計(jì)算更為復(fù)雜。另外一點(diǎn)就是包括光伏電池、燃料電池這類逆變型電源，由于內(nèi)部熱過(guò)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(jìn)行故障定位［7-8］。因此，有必要研究新型繼電保護(hù)方法，使其對(duì)微型電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行模式下的故障情況做出響應(yīng)，同時(shí)保證保護(hù)的選擇性、快速性、靈敏性與可靠性。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中現(xiàn)有的微網(wǎng)繼電保護(hù)策略作了簡(jiǎn)要分析并給出了未來(lái)微網(wǎng)保護(hù)的幾點(diǎn)建議。

1 利用傳統(tǒng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的保護(hù)策略及特點(diǎn)

1.1 差動(dòng)電流保護(hù)

在廣域保護(hù)方面，多數(shù)學(xué)者采用了差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)是反映從被保護(hù)元件各對(duì)外端口流入該元件的電流之和的一種保護(hù)，是最理想的保護(hù)原理，被譽(yù)為有絕對(duì)選擇性的快速保護(hù)原理，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、母線等重要電氣設(shè)備的保護(hù)。從保護(hù)設(shè)施方面看，微網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)可通過(guò)多代理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［9］，也可通過(guò)數(shù)字式繼電器實(shí)現(xiàn)［10］，或利用智能繼電器及控制網(wǎng)絡(luò)輔助實(shí)現(xiàn)［11］。從微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面看，文獻(xiàn)［12］、［13］給出了適用于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微網(wǎng)的差動(dòng)保護(hù)策略，文獻(xiàn)［14］提出閉環(huán)微網(wǎng)的差動(dòng)保護(hù)方法，根據(jù)故障分量幅值大小以及與負(fù)荷電流相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)故障排查與定位。

微網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)一旦發(fā)生故障，需要有可靠的后備保護(hù)，通信設(shè)施的建設(shè)成本較高，系統(tǒng)或負(fù)荷不對(duì)稱以及分布式電源并網(wǎng)和斷開(kāi)的過(guò)渡會(huì)給保護(hù)帶來(lái)困難。

1.2 距離保護(hù)

距離保護(hù)通常用于線路保護(hù)中，距離繼電器測(cè)量從繼電器安裝處到故障點(diǎn)間的阻抗，若故障發(fā)生在距離繼電器保護(hù)區(qū)域內(nèi)，保護(hù)裝置動(dòng)作，相應(yīng)斷路器跳閘。由于距離保護(hù)不依賴于故障電流幅值，一些學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于微網(wǎng)中。文獻(xiàn)［15］、［16］提出將反時(shí)限導(dǎo)納繼電器應(yīng)用于微網(wǎng)保護(hù)。導(dǎo)納繼電器所測(cè)導(dǎo)納與保護(hù)安裝點(diǎn)到故障點(diǎn)的導(dǎo)納有關(guān)，而與電流沒(méi)有關(guān)系。故障點(diǎn)離保護(hù)安裝點(diǎn)越遠(yuǎn)，繼電器動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，越近則動(dòng)作時(shí)間越短。該反時(shí)限繼電器既可以作為本段線路的主保護(hù)，也可以作為相鄰線路的后備保護(hù)。文獻(xiàn)［17］提出將阻抗保護(hù)應(yīng)用于微網(wǎng)保護(hù)的設(shè)想，介紹了一種基于負(fù)荷阻抗的反時(shí)限低阻抗保護(hù)，利用測(cè)量阻抗與最小負(fù)荷阻抗實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，無(wú)需通信，有較好的抗過(guò)渡電阻能力。

由于阻抗繼電器不具方向性，通過(guò)合理配置微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將保護(hù)裝置裝在2個(gè)分布式電源之間的線路中間，可以對(duì)這條線路的前半段和后半段進(jìn)行保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)的保護(hù)功能。對(duì)于這類以測(cè)量阻抗作為故障判據(jù)的保護(hù)方案，諧波和電流暫態(tài)過(guò)程會(huì)給基波分量的提取帶來(lái)困難，故障過(guò)渡電阻會(huì)給導(dǎo)納的測(cè)量帶來(lái)誤差，且對(duì)于微網(wǎng)的不同運(yùn)行模式和高阻故障等復(fù)雜情況缺乏考慮，還需要更全面論證才能證明其實(shí)際應(yīng)用的前景。

1.3 方向比較式縱聯(lián)保護(hù)

基于方向比較原理的縱聯(lián)保護(hù)，通過(guò)比較多點(diǎn)的故障方向信息綜合判斷出故障位置并采取相應(yīng)的保護(hù)策略。該算法只以電流方向作為判斷故障的依據(jù)，不依賴故障電流大小，只傳送對(duì)故障位置的判斷結(jié)果或有關(guān)信息，原理簡(jiǎn)單可靠。文獻(xiàn)［18］利用故障電流方向判斷故障區(qū)域，克服了微網(wǎng)中因逆變器的限流控制導(dǎo)致疊加原理不適用的不足；同時(shí)也解決了微網(wǎng)中不同區(qū)域同時(shí)含有電源和負(fù)荷而導(dǎo)致故障后電流大小和方向不確定的難題。

1.4 外部設(shè)備輔助保護(hù)策略

并網(wǎng)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(guò)增加外部設(shè)備的方法，在微網(wǎng)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)增大或減小故障電流，使傳統(tǒng)保護(hù)裝置和保護(hù)策略得以保留。

文獻(xiàn)［19］使用飛輪儲(chǔ)能裝置提高微網(wǎng)的短路電流能力。當(dāng)微網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置可以瞬間提供大的短路電流，從而避開(kāi)了設(shè)計(jì)新的保護(hù)策略，也避免了更換傳統(tǒng)的保護(hù)裝置和設(shè)備。但安裝這樣大容量的中央儲(chǔ)能單元需要大量投資，并且這種技術(shù)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的控制環(huán)節(jié)要求較高，一旦自身出現(xiàn)故障將不能保證系統(tǒng)保護(hù)可靠動(dòng)作。文獻(xiàn)［20］提出安裝補(bǔ)償性電流源的方法，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)啟或關(guān)閉，所以高度依賴于孤島檢測(cè)技術(shù)和補(bǔ)償性電流源的可靠性操作。文獻(xiàn)［21］、［22］通過(guò)在大電網(wǎng)和微網(wǎng)之間增設(shè)外部設(shè)備以減少公共電網(wǎng)提供的故障電流。

1.5 自適應(yīng)保護(hù)

微網(wǎng)存在并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)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(wǎng)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(dǎo)致微網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變，某些分布式電源如風(fēng)力發(fā)電、光伏電池發(fā)電的間歇性特點(diǎn)使之無(wú)法提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的供電，這些因素導(dǎo)致了微網(wǎng)故障電流的不確定性，依靠離線整定的保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和保護(hù)配合的方案無(wú)法應(yīng)用于微網(wǎng)保護(hù)中，必須采用自適應(yīng)保護(hù)，以適應(yīng)微網(wǎng)狀態(tài)的改變。很多學(xué)者開(kāi)始重視研究自適應(yīng)保護(hù)應(yīng)用到微網(wǎng)中的可行性和實(shí)現(xiàn)方法，并取得了眾多的研究成果。自適應(yīng)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)手段可大致分為兩類，一類是首先離線計(jì)算不同微網(wǎng)運(yùn)行模式下的保護(hù)整定值，然后采用某種方法區(qū)分微網(wǎng)運(yùn)行模式并對(duì)繼電保護(hù)整定值或保護(hù)策略進(jìn)行修正，即離線整定，實(shí)時(shí)切換。文獻(xiàn)［23］通過(guò)比較零序阻抗角度區(qū)分運(yùn)行模式，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)過(guò)電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，孤島模式通過(guò)dq0電壓檢測(cè)故障，利用零序電流分量實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)域的區(qū)分。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需通信，但仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如繼電器選擇性、運(yùn)行速度等問(wèn)題，且保護(hù)方案的可行性尚待軟件和硬件驗(yàn)證。文獻(xiàn)［24］離線計(jì)算并網(wǎng)及孤島模式下過(guò)流繼電器的整定值并將其存儲(chǔ)于繼電器中，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，繼電器自動(dòng)切換到適合孤島模式的那組整定值。特點(diǎn)是需要進(jìn)行快速孤島檢測(cè)。文獻(xiàn)［25］運(yùn)用電壓、電流故障分量實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)和微網(wǎng)的阻抗，通過(guò)監(jiān)測(cè)比較大電網(wǎng)和微網(wǎng)的阻抗修正繼電器的動(dòng)作特性，在故障發(fā)生后的2個(gè)周期內(nèi)有效，僅適用于基于逆變型分布式電源的微網(wǎng)。

自適應(yīng)保護(hù)的另一類實(shí)現(xiàn)手段是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微網(wǎng)拓?fù)渥兓?，?dòng)態(tài)計(jì)算故障電流，對(duì)保護(hù)動(dòng)作值進(jìn)行在線整定，此類保護(hù)方法能夠響應(yīng)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，具有發(fā)展?jié)摿ΑＮ墨I(xiàn)［26］將微網(wǎng)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為樹(shù)形節(jié)點(diǎn)路徑圖，采用樹(shù)形節(jié)點(diǎn)搜索及節(jié)點(diǎn)路徑算法對(duì)微網(wǎng)內(nèi)保護(hù)裝置的動(dòng)作值及動(dòng)作時(shí)限進(jìn)行自適應(yīng)整定，可有效跟蹤網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而實(shí)時(shí)更改保護(hù)整定值，具有較好的自適應(yīng)性。文獻(xiàn)［27］、［28］通過(guò)動(dòng)態(tài)計(jì)算故障電流，調(diào)整保護(hù)策略以適應(yīng)新的微網(wǎng)狀態(tài)。在文獻(xiàn)［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(tài)（ON／OFF）、額定電流和提供的故障電流。通過(guò)與繼電器通信修正動(dòng)作電流，檢測(cè)故障電流方向并清除故障。

上述自適應(yīng)保護(hù)方案可能面臨以下問(wèn)題。

a.需要事先知道微網(wǎng)所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b.大規(guī)模通信系統(tǒng)的建設(shè)成本較高。

c.微網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的短路電流計(jì)算較復(fù)雜。

2 提取新型故障特征量的保護(hù)策略及特點(diǎn)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)通常采用依賴于故障電流幅值的過(guò)電流保護(hù)，孤島模式的微網(wǎng)中由于通過(guò)電力電子設(shè)備并網(wǎng)的DG提供的故障電流較小，無(wú)法使保護(hù)裝置動(dòng)作或需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的延時(shí)才能動(dòng)作。因此，一些學(xué)者開(kāi)始探索不依賴故障電流幅值的新型保護(hù)判據(jù)?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中新型保護(hù)判據(jù)包括電流量、電壓量、諧波畸變率、阻抗角等。文獻(xiàn)［30］將微網(wǎng)劃分區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，針對(duì)單相接地故障和相間故障，提出對(duì)稱分量法和差動(dòng)電流法相結(jié)合的保護(hù)策略。但這種策略無(wú)法檢測(cè)三相短路故障，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)通用性不高。文獻(xiàn)［31］采用以圖描述微網(wǎng)的思想，從穩(wěn)態(tài)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(wǎng)邊方向變化量保護(hù)算法。微網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障后為避免對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生影響可首先斷開(kāi)靜態(tài)開(kāi)關(guān)，由此有學(xué)者提出利用微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障與斷開(kāi)靜態(tài)開(kāi)關(guān)引起的線路電流突變量實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的定位，僅需測(cè)量電流，原理簡(jiǎn)單，具有實(shí)用價(jià)值［32］。正序故障分量相位亦可作為繼電保護(hù)電氣檢測(cè)量，啟動(dòng)保護(hù)功能，不受故障點(diǎn)過(guò)渡電阻及系統(tǒng)電勢(shì)影響，適用于閉式環(huán)網(wǎng)的微網(wǎng)接地保護(hù)［33］。

一些學(xué)者還研究了微網(wǎng)故障時(shí)的電壓變化特征，并以此作為檢測(cè)故障的判據(jù)。文獻(xiàn)［34］將逆變器接口采集到的三相交流電壓量從abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq0同步坐標(biāo)系下的直流量，并用與參考值的差值判斷故障類型，避開(kāi)了運(yùn)行方式帶來(lái)的故障電流差異，但保護(hù)缺少選相的功能，并且由于該微網(wǎng)模型中微電源間距離可能很短，區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)電壓非常接近，可能使形成的故障判據(jù)靈敏度不夠。文獻(xiàn)［35］依據(jù)故障后距離故障位置越近的節(jié)點(diǎn)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(wǎng)保護(hù)方案，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)無(wú)需更改保護(hù)參數(shù)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哂幸欢ǖ囊蕾囆浴?/p>

逆變型微網(wǎng)發(fā)生故障以后，逆變器電源會(huì)把故障電流限制在額定電流的2倍左右，因此會(huì)向網(wǎng)內(nèi)注入諧波分量，有學(xué)者由此提出了基于諧波檢測(cè)的保護(hù)方案［36］，使用繼電器監(jiān)測(cè)逆變型電源端口輸出的電壓，通過(guò)對(duì)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(diǎn)是THD門檻值的設(shè)定和通信的同步較難實(shí)現(xiàn)；對(duì)包含多個(gè)DG的微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)困難。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，還可以根據(jù)負(fù)序電壓與負(fù)序電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)序阻抗角判斷故障區(qū)域，可以有效識(shí)別各種不對(duì)稱故障［37］。

3 微網(wǎng)保護(hù)建議

a.高阻抗故障是微網(wǎng)中較常見(jiàn)的一類故障，其故障電流大小與負(fù)荷電流接近，不能引起明顯的電壓降落，一個(gè)可靠的微網(wǎng)保護(hù)策略應(yīng)該能夠有效地鑒別和切除高阻抗故障。

b.微網(wǎng)保護(hù)策略應(yīng)具有通用性，能適用于不同的微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；為支持DG的“即插即用”功能，保護(hù)策略應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤微網(wǎng)拓?fù)渥兓?/p>

c.隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，可以考慮將廣域保護(hù)應(yīng)用于微網(wǎng)，利用系統(tǒng)多點(diǎn)的信息，對(duì)故障進(jìn)行快速、可靠、精確切除。

4 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)的潮流雙向性、不同運(yùn)行模式短路電流差異較大、即插即用等獨(dú)有特性使傳統(tǒng)繼電保護(hù)策略不再適用于微電網(wǎng)。越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)展開(kāi)深入研究和探討，取得了大量研究成果。成熟的微網(wǎng)保護(hù)策略應(yīng)能檢測(cè)不同類型的故障以保證微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島模式下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)又要滿足保護(hù)的“四性”要求。本文對(duì)現(xiàn)有的微網(wǎng)保護(hù)策略進(jìn)行了分類總結(jié)，將微網(wǎng)保護(hù)分為引入新型保護(hù)判據(jù)和利用傳統(tǒng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的保護(hù)策略，分別指出了各類保護(hù)策略的優(yōu)缺點(diǎn)，最后給出了微網(wǎng)保護(hù)的幾點(diǎn)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(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

2015-04-04）