基于電壓擾動(dòng)的微電網(wǎng)加速保護(hù)策略研究

翟兆江

【摘 要】針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)以及目前常用的幾種微電網(wǎng)保護(hù)在微電網(wǎng)應(yīng)用中的局限性，提出一種基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略。該保護(hù)是根據(jù)分布式電源輸出電壓發(fā)生擾動(dòng)的情況來(lái)判斷微電網(wǎng)內(nèi)部是否發(fā)生故障，以及發(fā)生故障的類型和位置，同時(shí)利用MATLAB對(duì)該保護(hù)進(jìn)行仿真分析，其仿真結(jié)果驗(yàn)證了它不僅能夠保證故障時(shí)保護(hù)的可靠性，選擇性和速動(dòng)性，而且適用于微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種狀態(tài)，具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】擾動(dòng)電壓；微電網(wǎng)；并網(wǎng)運(yùn)行；孤島運(yùn)行；MATLAB

【Abstract】View to limitations on the applications in micro-grid of tradition distribution network protection and currently used several micro-grid protections，it proposed an accelerated protection strategy based on voltage disturbance acceleration.The protection is based on the voltage disturbance of distributed power to determine whether the internal micro-grid faults， as well as the type and location of failure，and uses MATLAB to simulate and analyses，the results verify that it is not only able to guarantee the reliability，selectivity and speed of protection，but also for micro-grid in net-con

0 前言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新能源的普及，微電網(wǎng)已在整個(gè)電網(wǎng)中起到了至關(guān)重要的作用。由于目前的微電網(wǎng)一般都是直接接入低壓配電網(wǎng)的，且低壓配電網(wǎng)又主要采用電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，同時(shí)新型微電源使用大量的逆變器，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，微型電源輸出的故障電流不超過(guò)正常運(yùn)行電流的兩倍，以致過(guò)電流保護(hù)不能動(dòng)作，同時(shí)還不能滿足微電網(wǎng)的保護(hù)范圍及保護(hù)配合要求，從而給電力系統(tǒng)的保護(hù)帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。針對(duì)此種情況，目前對(duì)于微電網(wǎng)的保護(hù)，也提出了幾種比較有效的保護(hù)措施，但它們?cè)趯?shí)際的工程應(yīng)用中也存在一定的問(wèn)題。如三相四線低電壓保護(hù)，該保護(hù)雖可以反映微電網(wǎng)中的各種故障，但由于涉及序量的計(jì)算，使保護(hù)的實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜[1]；由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)，其硬件平臺(tái)比較復(fù)雜，投資費(fèi)用較大[2]；而將Agent技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)的這種保護(hù)方法雖然能夠自適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，但Agent在繼電保護(hù)中的應(yīng)用剛剛起步，尚不成熟[3-5]。

鑒于以上各種保護(hù)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略，此保護(hù)不僅可以準(zhǔn)確的判斷故障的類型和位置，而且能夠保證系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)作性能，滿足繼電保護(hù)選擇性和快速性的要求。

1 基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速策略保護(hù)原理

基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略實(shí)際上是一種根據(jù)分布式電源輸出電壓發(fā)生擾動(dòng)的情況來(lái)判斷微電網(wǎng)內(nèi)部是否發(fā)生故障，以及發(fā)生了何種類型的故障的一種保護(hù)，同時(shí)此保護(hù)還可以根據(jù)擾動(dòng)電壓的強(qiáng)弱來(lái)控制保護(hù)的動(dòng)作速度。它是一種適用于微電網(wǎng)自身保護(hù)的快速檢測(cè)方法，具體如下所示[6]。

首先，利用標(biāo)準(zhǔn)的電壓互感器檢測(cè)微電源出口的三相端電壓，然后將其進(jìn)行派克變換，具體見(jiàn)式（1）。

UUU=cos？茲cos（？茲-？仔）cos（？茲+？仔）-sin？茲-sin（？茲-？仔）-sin（？茲+？仔） UUU（1）

然后，設(shè)定一個(gè)周期更新的參考信號(hào)Udref、，Uqref與Ud、Uq進(jìn)行比較，得到擾動(dòng)電壓UDIR1、UDIR2，具體見(jiàn)式（2）所示。其中，擾動(dòng)電壓的上下限決定了故障檢測(cè)的靈敏度[5]。

U=U-U

U=U-U（2）

同時(shí)，為了確保擾動(dòng)電壓不是由測(cè)量系統(tǒng)的噪聲所引起，將擾動(dòng)電壓U和U通過(guò)低通濾波器進(jìn)行過(guò)濾，然后送入兩重遲滯比較器與其相應(yīng)運(yùn)行方式下的門(mén)檻電壓進(jìn)行比較，如果擾動(dòng)電壓大于相應(yīng)的門(mén)檻電壓，則判斷系統(tǒng)發(fā)生了故障，反之，則處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

由于在不同的故障狀態(tài)下，擾動(dòng)電壓的大小與類型均有較大的變化，故通過(guò)擾動(dòng)電壓的變化情況就可以實(shí)現(xiàn)各種故障類型的判別，同時(shí)，擾動(dòng)電壓的大小與故障發(fā)生的位置和嚴(yán)重程度有關(guān)。即擾動(dòng)電壓與門(mén)檻值的差值越大，故障離微電源保護(hù)安裝處的距離就越近，反之，就越遠(yuǎn)。故擾動(dòng)電壓與門(mén)檻電壓的比值也可以敏感的反應(yīng)故障的位置和嚴(yán)重程度，即比值越大，故障離保護(hù)安裝處距離越近，則相應(yīng)的保護(hù)就應(yīng)該動(dòng)作越快，因此基于以上理論提出電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略，其保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，可按式（3）整定[7]：

t=（3）

其中，tp為保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，具體按階梯原則整定，而u擾動(dòng)和u門(mén)檻分別為微電網(wǎng)的擾動(dòng)電壓和門(mén)檻電壓值，且稱為擾動(dòng)電壓加速因子。

由式（3）可知：保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間只與擾動(dòng)電壓加速因子的大小有關(guān)，與短路電流無(wú)關(guān)，因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用電壓擾動(dòng)的加速保護(hù)策略，可以迅速判斷發(fā)生了何種故障，然后根據(jù)擾動(dòng)電壓加速因子的大小來(lái)確定故障的位置以此來(lái)設(shè)置保護(hù)的動(dòng)作速度，保證在不同故障類型下，本保護(hù)都能夠準(zhǔn)確快速的判斷故障并起到最優(yōu)的加速效果。即使在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行短路電流比并網(wǎng)時(shí)小的多的情況下，本保護(hù)也能客服電流保護(hù)不能有選擇性的快速動(dòng)作的這個(gè)問(wèn)題，保證了保護(hù)的可靠性、選擇性和速動(dòng)性。

2 實(shí)例仿真分析

圖1為一個(gè)含分布式電源的400V低壓配電系統(tǒng)。主配網(wǎng)容量為100MVA，分布式電源DGl為V/F控制，最大輸出功率為65kW；DG2為P/Q控制，最大輸出功率為10kW；線路長(zhǎng)度如圖1所示，具體參數(shù)為x=0.073Ω/km，R=0.325Ω/km。當(dāng)開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，反之則為孤島運(yùn)行狀態(tài)。

為了保證微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障元件能夠從兩端隔離，對(duì)接有微電源的線路需在微電源接入側(cè)裝設(shè)斷路器并配置具有方向原件的擾動(dòng)電壓加速保護(hù)[8]。

2.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真結(jié)果

2.1.1 并網(wǎng)運(yùn)行故障時(shí)，各擾動(dòng)電壓仿真結(jié)果

在MATLB/Simulink中建立如圖1所示模型，在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行下，選擇最嚴(yán)重的故障類型作為仿真條件，即當(dāng)三相短路發(fā)生在微電網(wǎng)內(nèi)部K點(diǎn)以及配電網(wǎng)側(cè)F點(diǎn)時(shí)，通過(guò)仿真模型分別測(cè)量DG1出口處擾動(dòng)電壓的變化情況，假設(shè)故障發(fā)生在0.01s時(shí)刻，則其仿真結(jié)果分別如下圖2和圖3所示[9]。同時(shí)，將切除恒功率負(fù)荷load3時(shí)，系統(tǒng)的擾動(dòng)電壓作為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的門(mén)檻電壓，如圖4所示。

通過(guò)以上仿真結(jié)果可知，無(wú)論是微電網(wǎng)內(nèi)部故障還是外部故障，只要是微電網(wǎng)發(fā)生故障，DG1出口處的擾動(dòng)電壓都將超過(guò)其對(duì)應(yīng)的門(mén)檻電壓，使保護(hù)裝置啟動(dòng)，故本保護(hù)可以準(zhǔn)確的判斷系統(tǒng)故障，具有很高的可靠性。

2.1.2 并網(wǎng)運(yùn)行故障時(shí)，保護(hù)的動(dòng)作情況

為了檢驗(yàn)本文所提出保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性，現(xiàn)將本保護(hù)和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)分別應(yīng)用于本線路，并對(duì)其相同故障下，各保護(hù)的動(dòng)作情況進(jìn)行仿真，具體如下所示。

當(dāng)三相短路發(fā)生在K點(diǎn)時(shí)，保護(hù)K3、K7和K8的動(dòng)作情況如表1所示。其中t1為反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，t2為為本保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

由表1可知，在基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)下，當(dāng)K點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，保護(hù)K3、K7和K8均判定為正方向故障并啟動(dòng)，其中K7能做到無(wú)延時(shí)迅速動(dòng)作，K3和K8也可以在擾動(dòng)電壓加速因子的加速作用下，根據(jù)短路點(diǎn)位置和整定原則快速動(dòng)作；而保護(hù)K6則判定為反方向故障，不動(dòng)作。因此，該保護(hù)可以從兩端將故障線路快速切除。相反，利用反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)時(shí)，保護(hù)K7和K8的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，以致DG1被迫退出運(yùn)行。

2.2 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行仿真結(jié)果

2.2.1 孤島運(yùn)行故障時(shí)，各擾動(dòng)電壓仿真結(jié)果

在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下，分別以三相短路，兩相短路及單相短路發(fā)生在K點(diǎn)為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仍以0.01S為故障發(fā)生時(shí)間，則各種故障下DG1出口處擾動(dòng)電壓的變化情況分別如圖5、圖6和圖7所示。于此同時(shí)，仍以切除load3時(shí)系統(tǒng)的擾動(dòng)電壓作為門(mén)檻電壓值，具體見(jiàn)圖8。

由以上仿真結(jié)果可知，在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式下，無(wú)論發(fā)生何種故障，微電源的擾動(dòng)電壓均超過(guò)門(mén)檻電壓，保護(hù)都能可靠動(dòng)作。于此同時(shí)，通過(guò)圖5、圖6和圖7可知，隨著發(fā)生故障類型的不同，擾動(dòng)電壓的曲線變化也隨之不同。當(dāng)發(fā)生三相短路時(shí)，擾動(dòng)電壓為一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào)；二相短路時(shí)，擾動(dòng)電壓變成了一個(gè)由直流電壓和擺動(dòng)組成的信號(hào)；單相接地時(shí)，又變?yōu)橐粋€(gè)從0到最大值變換的擺動(dòng)信號(hào)。故通過(guò)以上仿真，可以驗(yàn)證本保護(hù)不僅能夠準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，而且還可以精確判定故障的類型[10]。

2.2.2 孤島運(yùn)行故障時(shí)，保護(hù)的動(dòng)作情況

由于在孤島運(yùn)行方式下，微電源的故障電流較小，以致傳統(tǒng)的電流保護(hù)存在不能可靠動(dòng)作或不能滿足選擇性和速動(dòng)性的要求，故為了驗(yàn)證本文所提保護(hù)的可靠性、選擇性和速動(dòng)性，選擇相對(duì)最輕的故障—單相接地故障作為故障類型設(shè)置在本線路的最末端M點(diǎn)，同樣分別采用本文所提的保護(hù)方法和反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行仿真，具體動(dòng)作情況見(jiàn)表2。

表2 孤島運(yùn)行M點(diǎn)單相接地時(shí)，各保護(hù)的動(dòng)作情況

由表2的仿真結(jié)果可知，在反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)下，當(dāng)M點(diǎn)發(fā)生單相接地時(shí)，DG1對(duì)故障點(diǎn)提供的故障電流雖能使保護(hù)K7和K9啟動(dòng)，但由于故障電流較小以致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，最后導(dǎo)致DG1長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低電壓狀態(tài)下而被迫退出運(yùn)行，不利于負(fù)荷的連續(xù)供電。當(dāng)采用基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)后，K9能夠做到無(wú)延時(shí)快速動(dòng)作，而K8由于判定為反方向故障，則不動(dòng)作。

仿真結(jié)果顯示：反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作性能較（下轉(zhuǎn)第8頁(yè)）（上接第6頁(yè)）差，動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。而基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)則能夠在擾動(dòng)電壓加速因子的作用下保證較好的動(dòng)作特性。尤其是該保護(hù)還能在反映故障的類型和位置的同時(shí)保證線路出口故障時(shí)瞬時(shí)跳閘。

由上述分析可知，基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略在微電網(wǎng)應(yīng)用中，具有明顯優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)如下：

1）能夠根據(jù)擾動(dòng)電壓與對(duì)應(yīng)門(mén)檻電壓的比較準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障，比反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)更加可靠。

2）能夠根據(jù)擾動(dòng)電壓的不同特征準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)故障的類型以及故障位置。

3）能夠根據(jù)故障情況，加速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，做到更加快速的有選擇的切除故障，比反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)具有更加優(yōu)化的性能。

3 結(jié)論

本文提出一種基于電壓擾動(dòng)的反時(shí)限加速保護(hù)策略，該保護(hù)不僅可以根據(jù)擾動(dòng)電壓的不同特征來(lái)準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及系統(tǒng)故障的類型和位置，還能夠利用擾動(dòng)電壓加速因子來(lái)提高保護(hù)的動(dòng)作性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障的快速切除。同時(shí)，為了驗(yàn)證本保護(hù)的優(yōu)良性能，分別在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)其設(shè)置相應(yīng)的故障進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明了該保護(hù)能夠在滿足可靠性的前提下，保證保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性，對(duì)微電網(wǎng)的保護(hù)具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]

nected and islanded operation，with some reference and practical value.

【Key words】Voltage disturbance；Micro-grid；Net-connected operation；Islanded operation；MATLAB