微电网继电保护技术研究

微电网继电保护技术研究翟笃庆1,2，吉小鹏1,2，金强1,2，吴家宏1,2（1. 南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏南京，211111；2. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京海淀区，100085）摘要：总结了微网保护面临的新问题和特殊需求，按照对保护原理的研究和对总体方案的改进两条研究路线介绍了微网保护的研究现状，讨论了不同方案的优缺点和应用前景，并提出了广域保护思想应用于微网保护的设想，指出了进一步研究需解决的问题。

关键词：微电网；分布式电源；继电保护0 引言微网是由分布式新能源发电和就近的负载组成的微型电网，能够高效、清洁地利用可再生资源，避免长距离输电的高投资、高线损，并且能提高电力系统可靠性、灵活性和供电质量，因而吸引了人们极大的研究兴趣和投入。

传统大电网的持续、稳定、可靠运行，离不开继电保护装置的支持。

一旦有故障发生，保护装置能够迅速、可靠地检测到故障分量和故障区域，就近跳开开关隔离故障，尽量减小停电范围。

微网要想稳定可靠地运行，离不开微网保护装置的支持。

微网保护设备必须具备两方面的功能：既能适应微网区别于传统配电网的新特点，又能使保护的快速性、选择性、可靠性等需求得到满足。

1 微网保护的特点分布式电源的接入，改变了微网内短路电流的大小和方向，使基于过流保护原理的传统配电网保护难以适用，各级保护的配合关系被打破，保护的动作行为和动作性能都将会受到较大的影响。

微网保护面临许多新问题，具体体现在以下方面[1-5]：1.1 微网运行方式的影响配电系统发生故障时，微网内的分布式电源不用直接退出，而是转入离网模式运行，形成对负荷的不间断供电，因此对于并网型的微网，存在并网、离网两种运行模式。

并网模式下故障电流由大电网和分布式电源一起提供，而离网模式下故障电流仅由微网内的分布式电源提供，两种模式下的故障电流差别很大。

1.2 分布式电源类型和工作状态的影响分布式电源按接入方式可分为同步发电机型、异步发电机型和逆变器型，不同类型的分布式电源具有不同的短路特性。

比如，逆变器分布式电源由于装了快速响应限流功能，故障电流仅为额定电流的1-2倍左右，比大电网提供的故障电流小得多。

另外，由于作分布式电源的同步发电机和异步发电机的容量较大机组小得多，短路电流的大小与其次暂态电势有关[6]。

Barker等人对各种类型的分布式电源的故障注入能力进行了研究，得出结论如表1所示。

由风光等新能源组成的分布式能源，受天气条件制约不具备持续稳定的供电能力，经常进行投退操作，故障电流的大小还与分布式电源的工作状态有关，孤网模式故障电流较小时的这种现象尤其明显。

表1不同类型分布式电源的故障注入能力[7]DG类型故障电流注入能力逆变器100%-400%，持续时间取决于控制装置同步电机500%-1000%，逐渐衰减到200%-400% 异步电机500%-1000%，10个周波内衰减至可忽略1.3 与各级保护的配合离网模式下作为主电源的逆变器电源，转动惯量比大型发电机组小得多，若故障较长时间无法切除，系统频率和电压会迅速失去稳定，分布式电源自身的低压保护动作使电源跳开，导致不必要的停电事故。

因此，微网保护要躲开分布式电源自身保护的动作时间。

微网内发生故障时，微网保护应能在上游电网后备保护动作之前先动作，防止越级跳闸，扩大事故范围。

微网外发生故障时，微网内元件的所有保护都应躲开模式切换的动作时间，防止不必要的切除分布式电源或负荷。

1.4 对备自投和重合闸的影响如果微网母线装有备自投装置，有以下几点值得注意：1）动作时间必须小于模式切换（并网模式转到离网模式）动作时间，防止备自投尚未动作的情况下模式切换先动作。

2）在规定动作时间内，由于分布式电源的作用，传统的备自投检无压判据可能会失效，应考虑微网特点，采用合理可行的替代办法。

3）如果微网内线路有重合闸功能，在两侧均有电源的情况下，应有检同期合闸的功能，防止非同期合闸。

2 微网保护的研究现状2002年，CERTS（电力可靠性技术方案协会）的科学家就提出了微网保护对于微网运行，尤其是在出现故障以后的持续稳定运行是必不可少的，从那以后众多研究人员在微网保护领域做了大量研究工作，提出了很多设想和方案。

2.1 保护原理和方法的研究分布式电源的接入，使微网的故障特征与大电网有所不同。

后者所采用的保护原理和方法难以直接应用于微网，必须结合前节所述的微网保护特点对原有的原理和方法进行改进。

按照故障检测的依据，可以把保护方法分为：过电流、电压扰动、差动电流、方向纵联等等。

2.1.1 过电流保护传统配电网的保护配置都是按照单向潮流来考虑的，各级保护之间通过整定值大小来区分保护范围，由于馈线上不存在电源，故障电流都由电网侧指向故障点，所以基本上都采用不考虑方向性的过流保护。

不论是简单的熔丝，还是近年来得到迅速发展的馈线自动化系统，检测故障的依据都是电流超出限值。

前节提到，分布式电源的接入使传统的过流保护难以满足微网保护的需求。

如果要把已有的配网保护装置应用在微网项目中，必须结合微网的运行特点对传统的过流保护做出改进。

Sortomme等人研究了一个包含风机、燃气轮机、光伏等多种分布式能源发电的微网模型[8]的故障特性，结果表明传统的过流保护无法适用。

为了削弱分布式电源对微网故障电流的影响，一些学者考虑用故障限流器来减小分布式电源提供的故障电流[9-11]，使熔丝等已有的低成本保护装置能够应用在微网保护中。

此外，引入低电压加速方法的反时限过电流保护不仅具有对故障严重程度的自适应性，应用到微网中还可以提高对系统状态变化的适应能力[12]。

2.1.2 电压扰动保护一些学者还研究了微网故障时分布式电源侧的电压变化特征，并以此作为检测故障的判据。

文献[13]和[14]通过把采样的电源侧三相电压进行abc-dq变换坐标系，故障对电压造成的扰动反映成d值和q值的扰动。

该方法的特点是需要通讯系统的支持，而且在高阻故障时的有效性，以及对微网并离网不同运行模式的适应性尚待检验，还需要更系统深入的研究。

2.1.3 差动电流保护差动电流保护原理建立在基尔霍夫电流定理基础上，原理简单可靠，具有很多优点，在高压电网中被广泛应用为元件主保护。

1）只需检测流入和流出保护区的不平衡电流，定值只需躲过最大不平衡电流，因此灵敏度更高；2）保护选择性好，将微网划分为各个保护区域，差动保护通过判别区内区外故障，可以有效避免越级跳闸扩大事故范围的现象发生；3）保护间配合简单，各保护区域仅考虑最大不平衡电流，不存在需要通过定值实现各级保护配合的问题。

许多学者考虑到差动保护的优势，在差动电流保护应用到微网保护的方法研究上取得了相当多的研究成果。

文献[15]提出一套基于差动电流元件和对称分量电流元件（包括零序和负序电流元件）的保护方案。

该方案中微网被分为几个保护区域，差动电流元件用于检测上游的接地故障，而下游的接地故障和所有的相间故障都由对称分量电流元件检测。

对于一个由逆变器电源组成的微网，孤网模式下不同地点故障的仿真实验都证明了该方案的有效性。

文献[16]提出一套较复杂的保护方案，将差动保护、同步向量测量装置、基于微处理器并带通讯支持的继电器形成一套完整的保护系统，可以检测包括高阻故障的各种故障类型。

主保护为暂态差动电流保护，如果两次采样的差流绝对值都大于定值才发出跳闸信号。

与过流保护类似，差动保护仍要面对孤网模式下微网故障电流较小的问题。

当保护区域内部故障时，差动分量只与故障电流有关，制动分量则与负荷情况有关，在重负荷或高阻接地情况下，可能会出现由于故障电流较小、制动分量较大导致的保护拒动现象，因而必须采取措施提高差动保护的灵敏度。

2.1.4 方向纵联保护基于方向比较原理的纵联保护，通过比较故障相邻区域多测点的故障方向信息, 能准确地判断出故障位置并采取相应的保护策略。

该算法不需要负荷和分布式电源侧的电流大小，只以电流方向作为判断故障的依据。

由于传送的是动作信号及开关量, 所以在通信系统中的传输数据较少, 对网络的带宽要求不高，原理简单、可靠。

目前该方法在含有分布式电源的配电网领域研究较多，得到了许多值得微网保护借鉴的研究成果[17-20]。

2.1.5 其他保护方法发生故障以后，逆变器电源会把故障电流限制在额定电流的两倍左右，因此会向网内注入谐波分量，有学者由此提出了基于谐波检测的保护方案[21]。

逆变器端电压的总谐波含量与定值比较的结果，作为判断故障是否发生的依据。

由于谐波分量的大小受微网运行方式和分布式电源的工作状态的许多因素的影响，因此保护的定值难以整定，而且可能会因为负荷吸收谐波使保护拒动，难以实际应用。

文献[22]提出了把距离保护应用到微网保护的设想，文中设置了两段距离保护，第一段覆盖保护线路的80%，第二段覆盖线路全长和相邻线路的50%。

方案中先通过降低逆变器输出电压来限制故障相电流，然后分析故障特性并计算出短路点的电流电压的序分量。

论文还对并网和孤网模式下不同故障地点、故障类型进行了仿真实验。

文献[23]提出了一种两段距离保护方法，距离I段按传统距离保护来整定，距离II段则考虑分布式电源接入的影响，按照分布式电源在保护安装处的最不利情况来整定。

文献[24]利用负序阻抗原理可以有效识别各种不对称故障，附加的低压启动判据可以排除不平衡负荷或单相负荷对保护造成的不利影响。

这些保护方案都以测量阻抗作为故障判据，虽然都有仿真实验证明有效性，但对于微网的不同运行模式和高阻故障等复杂情况缺乏考虑，还需要更全面的论证才能证明其实际应用的前景。

此外还有学者研究了基于电流行波的保护在微网的应用方法[25]。

2.2 自适应保护方案的研究微网存在并离网两种工作模式，分布式电源又无法提供长期稳定的供电，这些因素导致了微网的故障电流无法确定，使传统的过流保护依靠离线整定的保护定值和动作时间来实现故障检测和保护配合的方案无法应用于微网保护中，必须建立微网各保护装置之间的通信，动态掌握微网运行信息，实现对定值的“在线整定”，以适应微网运行状态的变化。

已经有越来越多的学者开始重视研究自适应保护应用到微网中的可行性和实现方法，并取得了众多的研究成果。

Brahma and Girgis等人对含多DG的分布式电网提出了一套基于GPS的自适应保护方案[26]。

该网络根据DG和负载之间的平衡，按照断路器分为多个区域。

装设在变电所的中央单元具备数据处理和通讯功能，每个DG的同步三相电流向量和联络开关处的电流方向都作为测量结果与中央单元通讯，电流向量由PMU （相位测量单元）测得。

无故障情况下，各DG 提供的电流和联络开关处的电流之和应该与总负载平衡，而故障发生以后前者要明显大于后者。

Oudalov and Fidigatti提出了一套主从式的保护方案[27]，用具有通讯功能的中央控制器和数字式继电器实现，由中央控制器根据微网运行状态，定期修改定值。