微網(wǎng)線路保護(hù)綜述*

夏令琴，李鳳婷

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊830047）

0 引 言

微電網(wǎng)（Micro-grid，MG）通過公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）與電網(wǎng)連接，是一個可以自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，它集成應(yīng)用分布式電源（Distributed Generator，DG），為 DG的有效利用提供了途徑［1-3］。微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時可以視為可控的負(fù)荷或發(fā)電機(jī)，微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷可以同時由電網(wǎng)和DG供電；當(dāng)上級電網(wǎng)發(fā)生故障時，微網(wǎng)可以無縫轉(zhuǎn)換到孤島模式運(yùn)行并自我控制，持續(xù)對內(nèi)部重要或全部負(fù)荷供電，增強(qiáng)了供電的可靠性。

微網(wǎng)并網(wǎng)時線路發(fā)生故障短路電流較大，而離網(wǎng)時線路發(fā)生故障因逆變器限流的原因由逆變型微源提供的短路電流較?。ㄏ拗圃趦杀额~定電流以內(nèi)）。微源接入及微源“即插即用”的特點(diǎn)加重了潮流分布、故障電流的不確定性。這些都使得基于固定值的傳統(tǒng)保護(hù)方案不再適用。由于微網(wǎng)大多接在中低壓配電網(wǎng)，有關(guān)微網(wǎng)的保護(hù)并沒有引起足夠的重視，大多配以簡單的過電流保護(hù)；但微網(wǎng)的特殊性使得過電流保護(hù)不再適用，亟需發(fā)掘適用于微電網(wǎng)的保護(hù)方案。為此，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，取得了一定的研究成果。

文中詳細(xì)分析了微網(wǎng)不同運(yùn)行方式，微源投退、布局容量、控制方式等對常規(guī)低壓線路保護(hù)帶來的影響。分三類著重綜括了國內(nèi)外微網(wǎng)線路保護(hù)的研究熱點(diǎn)：基于本地量、中央控制和分區(qū)的微網(wǎng)線路保護(hù)。最后探討了微網(wǎng)線路保護(hù)可能的發(fā)展方向。

1 微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)

低壓微網(wǎng)大多采用簡單的放射狀網(wǎng)架結(jié)構(gòu)［4］，如圖1所示，如美國俄亥俄州的Dolan微網(wǎng)平臺和我國浙江南麂島離網(wǎng)型微電網(wǎng)項目，或者采用閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運(yùn)行結(jié)構(gòu)。

圖1 典型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of themicro-grid

微網(wǎng)大多數(shù)情況下既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤網(wǎng)運(yùn)行，同時微源投退具有不確定性。微源按不同電源類型大致可以分為三類：直流型、交直交型和交流型。直流-交流式并網(wǎng)方式將直流電能經(jīng)逆變器接入交流電網(wǎng)；交直交式并網(wǎng)方式將交流電能經(jīng)整流變?yōu)橹绷麟娔芎?，再?jīng)逆變器接入電網(wǎng)；交流式不需經(jīng)逆變器，直接并網(wǎng)運(yùn)行。其中微網(wǎng)中有不少經(jīng)逆變器并網(wǎng)的微源，它們?nèi)鄙偻诫姍C(jī)的電磁暫態(tài)特性，其慣性僅依賴逆變器直流側(cè)的電容，使得微網(wǎng)具有慣性小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)［5-7］。

2 微網(wǎng)對傳統(tǒng)保護(hù)的挑戰(zhàn)

微網(wǎng)并/離網(wǎng)運(yùn)行方式故障電流差距較大，微源投退、布局容量、控制方式等影響故障電流大小和方向，因此基于固定值的傳統(tǒng)過流保護(hù)方案不再適用于微網(wǎng)。

2.1 微網(wǎng)不同運(yùn)行方式

微網(wǎng)的運(yùn)行方式不同，故障電流的大小不同，因此微網(wǎng)保護(hù)整定值也應(yīng)不同。微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，圖2（a）中F1處短路，流過2處保護(hù)的故障電流由系統(tǒng)（IS）和微源（IDG1）提供，其中主要由系統(tǒng)提供；而離網(wǎng)運(yùn)行時，圖2（b）中F1處短路，PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)斷開，流過2處保護(hù)的故障電流只有微源（IDG1）提供，其幅值較小。當(dāng)DG1是逆變器型的微源時，故障電流更小。這是由于含逆變器型的微源故障電流注入能力被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，且衰減迅速，100 ms內(nèi)即下降并穩(wěn)定在 1.1～1.2倍額定電流［6，8］，使得基于固定電流值的保護(hù)很難可靠動作。

圖2 微網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)F1處短路故障電流路徑Fig.2 Fault current routeswhen short circuit occurs at the F1 in islanded mode and in grid-connected mode

綜上，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，故障電流較大；離網(wǎng)運(yùn)行時，只有微源為其提供故障電流，故障電流較小。這使得基于固定值的傳統(tǒng)保護(hù)方案不能正確動作，因此微網(wǎng)線路保護(hù)的配置必須能適應(yīng)微網(wǎng)不同的運(yùn)行方式。

2.2 微源投退

單個微源在微網(wǎng)中具有“即插即用”的特點(diǎn)，意味著微源可以隨時接入或者退出微網(wǎng)，這導(dǎo)致微網(wǎng)線路故障時故障電流的不確定性，使得傳統(tǒng)保護(hù)方案不適用于微網(wǎng)［1］。如圖3（a），F(xiàn)2處發(fā)生短路故障時，流過保護(hù)4處的故障電流由系統(tǒng)和微源提供（IS、IDG1、IDG3）提供；如圖 3（b），當(dāng) DG3退出運(yùn)行時，F(xiàn)2處發(fā)生短路故障，流過保護(hù)4處的故障電流只有IS、IDG1。DG的投退影響了故障電流的大小。而傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)F2處短路時，右側(cè)無故障電流因此也無保護(hù)安裝，DG4接入配網(wǎng)后F2處短路時向故障點(diǎn)提供反向故障電流，在右側(cè)無保護(hù)的情況下會造成故障持續(xù)甚至繼續(xù)發(fā)展，影響供電的可靠性。

圖3 DG3接入和退出F2處短路故障電流路徑Fig.3 Fault current routeswhen DG3 plugs in or out and short circuit occurs at the F2

2.3 微源布局、容量

配電網(wǎng)85%左右的故障都是瞬時故障，廣泛采用三段式電流保護(hù)。當(dāng)前由于微網(wǎng)接入容量較小、結(jié)構(gòu)簡單，多接入中低壓配電網(wǎng)，故在保護(hù)方面多配以簡單的過電流保護(hù)［9-11］。但是微源接入微網(wǎng)饋線中的位置不同、容量不同，對線路過電流保護(hù)的影響不同［12-15］：

（1）DG接入微網(wǎng)饋線始端母線，如圖 4（a），下游線路BC中間F2點(diǎn)故障時，DG1產(chǎn)生的助增電流使流過保護(hù)2、4、5的故障電流增大，保護(hù)范圍也因此增大，可能延伸到所在保護(hù)下一段，使保護(hù)失去選擇性。而且DG1輸出功率越大，影響越嚴(yán)重。F1、F3點(diǎn)的分析與F2點(diǎn)同，省略；

（2）DG接入微網(wǎng)饋線中間母線，如圖 4（b），當(dāng)下游線路BC中間F2點(diǎn)故障時，由于微源的助增作用，使流過下游保護(hù)5的短路電流增大，使得末端保護(hù)靈敏性得到增強(qiáng)；同時由于微源的汲流作用，流過DG2上游保護(hù)4的故障電流減小，使保護(hù)4的靈敏性降低保護(hù)范圍縮小，如果保護(hù)5沒有動作切除故障，保護(hù)4作為遠(yuǎn)后備可能拒動。當(dāng)相鄰線路WM中間F3點(diǎn)發(fā)生故障時，DG2向上游保護(hù)提供反向故障電流，且保護(hù)越靠近DG2影響越大，如果4處保護(hù)沒有安裝方向元件，在1處保護(hù)動作之前可能就已經(jīng)誤動。同樣DG2輸出功率越大，影響越嚴(yán)重；

（3）DG接入微網(wǎng)饋線末端母線，如圖 4（c），當(dāng)相鄰線路WM中間F3點(diǎn)故障時，DG3向上游保護(hù)提供反向故障電流，可能引起保護(hù)5誤動作。本線路WL中間F1點(diǎn)故障時，如果保護(hù)4、5沒有安裝方向元件，保護(hù)之間可能無法配合，失去選擇性。本線路BC中間F2處故障時，會導(dǎo)致DG3直接切除。同樣DG3輸出功率越大，影響越嚴(yán)重。

圖4 DG1、DG2、DG3分別接入微網(wǎng)饋線始端、中間、末端母線Fig.4 Fault current routes when DG1 plugs in the beginning ofmicro-grid feeders，DG2 plugs in the iddle ofmicro-grid feeders and DG3 plugs in the end ofmicro-grid feeders

2.4 微源控制方式

逆變型微源在并網(wǎng)運(yùn)行時一般采用恒功率（PQ）控制方式，在孤島運(yùn)行時根據(jù)需要可選擇PQ控制、恒壓恒頻（V/f）控制或Droop控制。因此控制目標(biāo)不同，在不同的控制方式下逆變型電源提供的短路電流差別較大。且當(dāng)DG輸出功率具有波動性和間歇性時，故障電流數(shù)值也隨之發(fā)生變化［16-17］。

3 國內(nèi)外微網(wǎng)線路保護(hù)研究熱點(diǎn)

由于微網(wǎng)線路故障電流的特殊性，使得傳統(tǒng)的保護(hù)方案不再適用。因此不少國內(nèi)外學(xué)者開始對微網(wǎng)線路保護(hù)配置進(jìn)行研究，從是否依賴通信技術(shù)以及保護(hù)原理的實現(xiàn)方法上，將目前微電網(wǎng)線路保護(hù)方案的研究主要分為以下3類，如表1所示。

表1 微網(wǎng)保護(hù)的分類Tab.1 Classification ofmicro-grid protection scheme

（1）基于本地量的微網(wǎng)保護(hù)。文獻(xiàn)［16，18］提出采用反時限的保護(hù)方案，通過選擇合理的反時限形狀系數(shù)和動作時間常數(shù)完成上下級保護(hù)間的配合。并根據(jù)保護(hù)與故障點(diǎn)的距離不同造成的電壓跌落程度不同，提出采用低電壓加速因子提高傳統(tǒng)反時限保護(hù)方案的動作速度。前者提出基于負(fù)荷阻抗的反時限低阻抗保護(hù)方案，后者提出低電壓加速反時限過電流保護(hù)方案。文獻(xiàn)［19］在微網(wǎng)拓?fù)鋱D簡化的基礎(chǔ)上，提出基于邊電壓的微網(wǎng)保護(hù)方案。該方法的局限性在于對拓?fù)渥兓哂幸欢ǖ囊蕾囆?，對于合閘瞬間以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭倓偢淖兒蟀l(fā)生故障的情況保護(hù)無法正確動作。文獻(xiàn)［20］提出了一種基于母線上導(dǎo)納量變化為判據(jù)的保護(hù)方案，通過比較故障前后母線上測量導(dǎo)納的幅值與相角的變化，有效地區(qū)分微電網(wǎng)的區(qū)內(nèi)外故障，實現(xiàn)故障的檢測與定位。該保護(hù)方案比單純運(yùn)用電流或電壓變化為故障判據(jù)，具有更高的靈敏性和可靠性。但對于含過渡電阻的故障類型可能導(dǎo)致保護(hù)方案的部分失靈，需配備相應(yīng)的后備保護(hù)；

（2）基于中央控制的微網(wǎng)保護(hù)。文獻(xiàn)［21-22］應(yīng)用微網(wǎng)中央保護(hù)單元與微網(wǎng)中的所有繼電器和微源實時通信，通過在線監(jiān)測微網(wǎng)運(yùn)行模式的變化，DG的數(shù)量、類型、狀態(tài)，方向元件信息和電壓、電流故障分量信息來確定故障類型，以便實時整定動作值，并通過斷路器和負(fù)荷電流信息確定故障位置。不足的是一旦某一元件發(fā)生變化，需要重新計算整定，此時若發(fā)生故障微網(wǎng)可能處于無保護(hù)的狀態(tài)，同時如果傳輸信息錯誤或沒有實時同步信息保護(hù)可能會誤動或拒動。文獻(xiàn)［23］提出基于故障電流方向角判別的微電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法，有效地解決了微電網(wǎng)故障潮流多向性引起保護(hù)的誤動作問題；將微網(wǎng)實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為樹形節(jié)點(diǎn)路徑圖，采用樹形節(jié)點(diǎn)搜索方法及節(jié)點(diǎn)路徑算法對微網(wǎng)內(nèi)保護(hù)裝置的動作值及動作時限進(jìn)行實時整定，有效地解決了對不同運(yùn)行方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下微電網(wǎng)保護(hù)裝置動作值的自適應(yīng)整定問題。文獻(xiàn)［24］提出了利用智能繼電器及控制網(wǎng)絡(luò)輔助的保護(hù)方案，用智能數(shù)字測量單元代替價格昂貴的繼電器，中央控制器與數(shù)字測量單元通過控制網(wǎng)絡(luò)連接能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的保護(hù)功能。文中將微網(wǎng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)配置，有效地解決了微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式下切除故障線路后，引起的發(fā)電功率與負(fù)載不匹配的問題。而建立的新的高阻抗故障探測方法，可以在檢測到的故障電流較小時，就動作跳閘；

（3）基于分區(qū)的微網(wǎng)保護(hù)。文獻(xiàn)［25］提出了基于Multi-Agent的微網(wǎng)分區(qū)保護(hù)實現(xiàn)方案。將微網(wǎng)劃分為若干保護(hù)區(qū)域，利用阻抗元件和功率變化量方向元件鎖定故障區(qū)域，同時利用Agent之間的協(xié)作能力提高了微網(wǎng)保護(hù)的整體性能，能夠進(jìn)行在線協(xié)調(diào)整定，更適合于微網(wǎng)靈活多變的運(yùn)行方式及雙向潮流的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［26］引入正序故障分量原理，提出一種基于有限區(qū)域集成的保護(hù)方案。將微電網(wǎng)以母線為依據(jù)分割為若干個區(qū)域，在每個區(qū)域設(shè)置一個有限區(qū)域保護(hù)單元。利用各區(qū)域主饋線與從饋線的正序故障分量電流相角差實現(xiàn)故障區(qū)域和故障線路的定位。不足是故障時微源的電壓會有所跌落，對保護(hù)方案的適應(yīng)性產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)［27-28］提出利用故障前后的電流方向判斷故障區(qū)域，將斷路器間的區(qū)域作為最小研究單元，區(qū)域內(nèi)的DG接入或者退出不影響保護(hù)。前者還在微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置一個中央保護(hù)單元，匯集各MTU提供的故障電流方向信息，通過計算來鎖定故障區(qū)域。后者將數(shù)據(jù)通信和保護(hù)裝置的故障信息交換分開，保護(hù)信息只是簡單的布爾信號，能在相鄰保護(hù)裝置之間高速傳遞。文獻(xiàn)［29］提出了微網(wǎng)分割區(qū)域的概念，并將分割區(qū)域看成是圖的節(jié)點(diǎn)，斷路器看成是圖的邊，建立微網(wǎng)的圖模型。將對綜合電流方向的判斷轉(zhuǎn)移到對邊電流方向的判斷，進(jìn)而提出了邊方向變化量保護(hù)。缺點(diǎn)是僅適合輻射型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)時，無法應(yīng)用。且當(dāng)微網(wǎng)新增或減少支路時，需重新分割區(qū)域。

4 結(jié)束語

關(guān)于目前微網(wǎng)線路保護(hù)存在的問題及發(fā)展方向總結(jié)如下：

（1）應(yīng)對微網(wǎng)的故障特征進(jìn)行分析，不應(yīng)僅僅關(guān)注故障電流最大值及其衰減特性方面，還應(yīng)對其暫態(tài)過程中的故障電流波形特征進(jìn)行分析。如何將微網(wǎng)內(nèi)部線路故障時的信息加以識別、處理和利用，進(jìn)而將繼電保護(hù)原理本身進(jìn)行大的變革，發(fā)現(xiàn)廣泛適用于微網(wǎng)的繼電保護(hù)原理；

（2）隨著配網(wǎng)自動化和智能電網(wǎng)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用于微網(wǎng)，實現(xiàn)以廣域通信為基礎(chǔ)的微網(wǎng)保護(hù)可行性很大，但要注意避免發(fā)生單點(diǎn)故障的風(fēng)險，中央保護(hù)單元、通信網(wǎng)絡(luò)或單個元件故障應(yīng)不影響保護(hù)功能的實現(xiàn)。設(shè)計時個別重要單元可以帶有冗余或者采用分層或分區(qū)的保護(hù)，以此提高保護(hù)的可靠性；

（3）微網(wǎng)線路保護(hù)的靈敏性和速動性。逆變型微網(wǎng)應(yīng)能在線路故障時檢測到并迅速切除故障，因為逆變型微網(wǎng)缺少慣性、響應(yīng)速度快，一旦線路故障電壓跌落嚴(yán)重，微源保護(hù)可能先于線路保護(hù)動作，造成不必要的能源浪費(fèi)和功率波動，因此線路保護(hù)的靈敏性和速動性還有待改進(jìn)提升。