[科普中国]-小水电微网并网保护策略

研究意义

微网是一种由负荷和微电源组成的系统，可同时提供电能和热量。微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量转换，并提供必要的控制方式。微网有并网和孤网两种运行模式。并网运行时，图1中公共连接点PCC闭合，将微网系统与外部大电网相连，此时微网的电压和频率由大电网控制；孤网运行时，公共连接点PCC断开，整个系统孤立于外部大电网，只通过系统内的电源和负载维持系统的稳态运行。2

小水电是一种较为常见的微电源，容量在25MW及以下，分布广泛、灵活。但是，与其他微源相比，小水电一般与输电线路直接相连而不通过电力电子设备。另外，小水电在大部分情况下与配电网并联运行，少数情况下孤网运行以满足当地的电力需求。当小水电并网运行时可能导致微网内潮流双向流动，传统配电网保护可能会出现保护选择性紊乱和重合闸动作失败2种结果。所以，传统的保护已不再适合双端电源下的故障判断和启动。

为适应小水电的应用环境，工程技术上通常通过常规的纵差动保护和反时限过电流保护技术，构建小水电微网的保护块，并利用PSCAD/EMTDC软件进行小水电并网运行的稳态和暂态仿真，验证该保护策略及相应模块的有效性。3

微网保护模块微网反时限过流保护模块图1中，由于1号馈线只载有非敏感负荷，不会出现潮流双向流动，所以传统的反时限过流保护能适用于该线路的应用环境。

反时限保护的数学模型为: t=

式中：t为动作延时；K为量纲为时间的常数；I为故障电流；Ip为保护启动电流，一般取额定电流；n 是曲线形状常数，一般取值为0～2，n越大保护动作时间随电流增大而减小的越快。反时限保护的动作特点是动作时限随故障电流的增大而减小。

在PSCAD/EMTDC中，可以利用RMS模块以及可发出跳闸信号的Inverse Time Over Current Element元件和单稳多谐振荡器，构建反时限保护模块。4

微网纵差动保护模块 纵差动保护是基于短路电流的大小在保护区内和区外相差较大的特点进行的保护（见图3）。在理想情况下，当在保护区外K1点发生接地故障时两侧电流的向量和为零，即Σ = + =0。但在工程应用中，由于TA 误差、电力电缆的因素，| + |≥ ， 为门槛值。当保护区内 处发生接地故障时，忽略分布电容和电感的影响，点的故障电流为：Σ = + 。

由此可以得到差动电流继电器制动特性曲线（见图4）。其中包括4个参数： 为基础差动电流参数； 为斜坡门槛电流参数； 为低斜率参数； 为高斜率参数。

图1中，在2号、3号馈线上，由于小水电站的并网，潮流会出现双向流动。这时，可以采用纵差动保护，即以采集到的被保护元件两端的电气量进行逻辑判断，以避免选择性紊乱的问题。

另外，文献指出由于纵差动保护两端保护同时出口的特点，双端断路器动作的时差在ms内。所以，重合闸出口合闸时，理论上小水电的断路器已将其切除，不会因为小水电的不及时切除导致瞬时性故障变为永久性故障，从而不会出现保护2或3的重合闸失败。在PSCAD-EMTDC元件库中以双斜率差动电流继电器为基础，加上Delay元件和一个单稳多谐振荡器，就可实现纵差动保护功能（见图5）。

理论上，纵差动保护可以实现含小水电、敏感负荷的馈线保护；反时限过电流保护可以有效地对只含有非敏感负荷的馈线进行保护。2

小型水电站的建模同步发电机及其励磁系统的仿真模型同步发电机及其励磁系统是小水电系统的核心。图6为同步发电机及其励磁模块， 是发电机的参考电压， 和 分别为发电机终端输出的实际电压和电流， 和 分别为励磁电压和励磁电流， 是励磁系统的初始电压。

该模块的工作过程是：励磁系统通过对比发电机的端电压和电流和设定值得到偏差，经过励磁系统中的控制部分的调节，最终达到稳定发电机端电压的效果。

水轮机调速系统模块水轮机的调速系统结构见图7。图7中，利用PSCAD/EMTDC中的水轮机的调速模块（Hydro Gov1）和水轮机模块（Hydro Tur1）搭建出水轮机及其调速系统仿真模型。其中，水轮机转速w 为控制对象，Wref为给定转速，对水轮机开度z的调节可实现对水轮机转速的控制。

微网并网运行保护仿真在PSCAD/EMTDCP环境下，根据上文构建小水电系统的保护模块，验证在小水电站在并网运行的情况下，检验保护策略和相应模块的有效性。

图1中，仿真算例采用双小水电并联式结构，分别在只载有非敏感负荷的1号馈线和含有小水电的2号馈线上设置单相接地故障点、。进而在2号馈线和1号馈线上进行单相短路故障仿真，检验微网反时限过流保护的性能。5