[科普中国]-分布式电源并网保护

背景

分布式电源广泛接入配电网是智能电网的核心特征之一。传统的配电网是一个功率单向流动的无源网络，而大量分布式电源的接入对传统配电网的拓扑结构、运行规程、控制方式和保护配置等都提出了很大的挑战。与常规集中式发电不同的是，分布式电源具有容量小、数量多的特点，电网运行人员不具备对分布式电源单元的直接控制能力，这给配电网运行中的人身安全、设备安全、系统安全以及电能质量等都带来了威胁。

为使配电网不直接面对类型多样、数量众多的分布式电源，需要针对分布式电源接入电网的公共耦合点研究、制定并网标准。并网标准使得电网公司仅需关注分布式电源与公共配电网的接口处，而无需关注公共耦合点内分布式电源单元的复杂性，从而建立更为清晰的保护与控制的配合界面。国际电气与电子工程师协会于2003年发布的IEEE1547标准在国际上获得广泛的认可，并已经扩展成系列标准。欧洲委员会机电标准化组织于2007年出台了公共低压配电网连接微小发电机的草案。在国家层面，英国于2010年发布了嵌入式发电接入公共配电网的标准。加拿大目前主要有两个互联标准，分别为2006年发布的《基于逆变器的微电源配电网互联标准》和2007年发布的《分布式电力供应系统互联标准》。从2010年起，我国国家电网公司先后发布了《分布式电源接入电网技术规定》《分布式电源接入配电网运行控制规范》及《分布式电源接入配电网设计规范》等1。

配置并网保护是使分布式电源满足并网标准的重要技术措施。发达国家由于独立发电商出现较早，较早就开始了并网保护研究。IEEE的继电保护专委会于1990年发表了用户侧电源的并网保护研究报告IEEE 1547.2标准中明确了并网保护的安装要求。国际大电网委员会组建B5.34工作组，对可再生能源与分布式发电对变电站保护与自动化的影响问题进行了专门研究。该组织在2012年又组建了联合工作组JWG BS/C6.26-CIRED，于2014年发表了《含分布式能源的配电网保护》技术报告。电网公司也认识到并网保护的重要性，并开始制定相关规范。加拿大安大略省最大的电力公司Hydro one规定了并网保护的功能配置与要求。我国的国家电网公司于2014年发布了《分布式电源涉网保护技术规范》和《接入分布式电源的配电网继电保护和安全自动装置技术规范》。

在分布式电源发展初期，各国通过限制其并网容量来保证配电网的安全运行。但随着可再生能源的快速发展，分布式电源渗透率水平不断提高，并网保护才开始受到重视。这使得国内外对并网保护的研究较之对配电网保护和分布式电源内部保护存在较大的滞后性；而且，由于不同时期、不同地区分布式电源渗透率不同，以及分布式电源类型的多样性和接入方式的复杂性，导致了世界各国对并网保护的具体要求存在较多差异性。

随着我国用户侧分布式电源市场的全面放开，并网保护研究应获得越来越多的重视。为此，对国内外的研究进行梳理，分析分布式电源并网保护的功能配置与性能要求，总结并网保护应用中的主要问题，给出可能的解决方案，提炼并网保护研究中的关键课题，对于并网保护的未来发展具有积极的意义1。

并网保护的功能与配置并网保护的定义分布式电源并网保护定义为2：安装于公共耦合点处的继电保护措施，能够检测到主电网侧(系统侧)和分布式电源侧发生的故障和其他各种异常情况，并及时将分布式电源与主电网隔离，避免危及主电网的正常运行或者损坏分布式电源装置。并网保护包括防孤岛保护、故障保护以及其他异常保护。

1)对于直接接入到110kV及以上输电网络中的分布式电源，其并网联络线已配置了完善的保护系统，不需要专门的并网保护。因此上述并网保护主要针对接入35kV及以下电压等级的分布式电源。

2)并网保护既不同于分布式电源的发电机保护，也不同于配电网馈线保护，本质上是一种接口保护。上述3类保护的关系可见右图。

其中包括断路器A-D，并网保护安装于公共耦合点的电网侧，一般在并网变压器的高压侧。

当分布式电源单独接入系统时，并网保护功能可与分布式电源的发电机保护功能集成在同一套保护装置中。随着并网容量的增加，分布式电源通常以集群或微电网的方式接入配电网，且常包含嵌入负荷，此时则要求在公共耦合点处配置独立的并网保护。这样，电网公司可以无需关注分布式电源自身的保护配置，只对并网保护提出要求，从而简化保护配合，适应今后大量分布式电源在多种层级的接入要求。

3)在标准IEEE 1547中，从反映系统侧故障、防孤岛以及电能质量等3个方面，给出了并网保护的核心功能要求。显然上述要求都是站在电网的角度考虑并网保护的功能。而在标准IEEE 1547中，则要求并网保护在反映系统侧故障的同时，还能兼顾分布式电源侧故障。在实践中，为分布式电源单元配置哪些保护功能主要由IPP根据自身要求决定，故并网保护依旧应以反映系统侧扰动为主。

并网保护的功能（1）故障保护

配电网发生故障时，分布式电源持续向故障点提供短路电流，这会给配电网一次设备、保护和重合闸带来诸多不利影响3。

首先，分布式电源的接入改变了配电网的短路电流幅值和分布特征。两个典型的影响是，如果分布式电源的公共耦合点位于馈线保护与故障点之间，那么该分布式电源的“屏蔽效应”会使流过馈线保护的短路电流变小，从而可能导致馈线保护拒动;而如果分布式电源的公共耦合点位于非故障馈线，则可能导致该馈线保护误动。为了减少对配电网保护的影响，要求并网保护在配电网发生故障时能够快速动作以切除分布式电源。

其次，架空线路故障主要为瞬时性故障，提高重合闸的成功率能够显著提高供电可靠性。但是，当配电网故障时，分布式电源的持续供电会使变电站或馈线重合闸的检无压重合失败；即使满足检无压重合条件，分布式电源持续提供的短路电流还会阻碍故障点灭弧而导致重合失败，使瞬时故障变为永久故障；即使能够重合，但由于分布式电源已与主电网失去同步，非同期合闸也会对断路器、分布式电源以及负荷带来很大冲击。所以，并网保护必需在馈线重合闸动作之前及时退出分布式电源，一旦配合失败则会导致严重后果。

除以上影响外，分布式电源的接入还会导致配电网设备损坏并产生过电压，提供的故障电流会使馈线熔断器过早熔断。

（2）防孤岛保护

当分布式电源与公共电网失去电气连接时，出于系统运行、人员设备安全以及电能质量等考虑，目前世界各国的并网标准都要求分布式电源立即退出运行。导致孤岛的原因有2类：一类因故障跳闸；另一类因非故障开关操作，包含人为误操作。

这里需要说明公共耦合点处的防孤岛保护与分布式电源自身防孤岛保护的关系。不同类型的分布式电源，其防孤岛保护的配置要求有所不同。对于变流器型分布式电源，标准明确规定其控制器中需具备孤岛检测能力；对于不具有自励磁能力的感应电机型分布式电源，其不具备孤岛运行能力；而同步电机型分布式电源本身已配置有电压/频率保护，当孤岛内有功、无功不能平衡时，机组会自动退出运行。因此同步电机和感应电机型分布式电源不要求设置防孤岛保护。

这样看来，似乎仅需为变流器型分布式电源配置防孤岛保护。但是，电网运行人员仍希望在公共耦合点配置专门的防孤岛保护。这是因为，在同一PCC下面可能包含多个类型的分布式电源单元，分别采用了不同的孤岛检测方法。例如，变流器型分布式电源多采用主动式孤岛检测，但是此方法在多变流器并网条件下，注入电网的扰动可能互相干扰而产生稀释效应，使得检测性能明显下降;对于同步电机型分布式电源，在其出力和本地负荷基本匹配时，其自身的电压/频率保护有较大的检测盲区。由于存在这些问题，在实践中应评估分布式电源单元自身孤岛检测机制失效的概率和风险。在公共耦合点配置专门的防孤岛保护，有利于提供更为完善的防孤岛保护方案并方便校核，减少因分布式电源自身防孤岛保护失效所带来的安全隐患。

（3）其他功能

1)检同期。当配电网故障切除、馈线重新供电后，分布式电源可以重新并入电网。但非同期重合会给电网设备和分布式电源造成很大的冲击，因此并网保护必须配置检同期继电器，以确保线路不带电。在允许计划性孤岛的情况下，分布式电源的重合情况有如下2种，否则只有第2种重合情况。

a)分布式电源与本地负荷功率匹配。当配电网F处发生故障时，馈线保护A动作切除系统电源，并网保护动作跳开断路器B，分布式电源与本地负荷形成孤岛。故障消除后，系统侧A处重合闸先检无压重合。如果A重合成功，则并网保护进行同期并列，恢复联网运行；否则，并网保护不响应。

b)分布式电源与本地负荷功率不匹配。F故障且馈线保护A动作后，并网保护动作跳开C、D，退出分布式电源，馈线重新供电后，并网保护通过分布式电源出口处的同期检定即可并入分布式电源。

2)不平衡状态检测。当配电网中发生不对称故障时，负序电流可能损坏同步电机型分布式电源，为此并网保护应配备负序过电流保护。

3)逆功率检测。一些并网协议不允许分布式电源向主网负荷供电，此时并网保护中需要配置功率方向元件，检测公共耦合点处的反向潮流。

并网保护的基本配置并网保护的配置需要考虑分布式电源类型、配电网接地方式、并网规程等多种因素。右图给出了小电流接地配电网中，同步电机型分布式电源的一种并网保护配置方案。

并网保护的相间故障检测可以采用过电流保护、低电压起动的过电流保护或者阻抗保护实现。而接地故障的检测与配电网接地方式有关标准中明确规定分布式电源的接地方式应和电网侧的接地方式保持一致。当配电网为大电流接地方式时，分布式电源不仅会通过故障相提供接地短路电流，还可能存在通过非故障相交换的故障电流，可采用定时限接地过电流保护和方向过电流保护进行故障检测；而在小电流接地方式配电网中，分布式电源不会产生接地故障的馈入电流，此时应配置接地过电压保护。

目前已提出的孤岛检测方法按照信号来源、是否有主动激励可分为被动检测法、主动检测法和联跳。联跳方案可以最大程度消除孤岛检测盲区并提高检测速度。但是，由于并非配电网中所有的保护动作或开关变位都会导致孤岛，所以该方案需进行实时拓扑分析，并在并网保护与断路器之间建立多对多的通信连接。如果考虑到配电网重构，联跳的实现会变得更为复杂且不经济。考虑到这些，被动检测依然是重要的孤岛检测方案。该方案一般配置过/欠电压保护和过/欠频率保护，还可以配置频率变化率保护、相位偏移保护。

并网保护的性能要求继电保护应满足“四性”要求，并网保护当然也不例外。下面主要从可靠性和速动性2个方面分析并网保护的性能要求。其中可靠性包括可信赖性(即不拒动)和安全性(即不误动)等2个方面4。

故障保护功能（1）可靠性要求

与馈线保护不同的是，根据标准IEEE 1547.2并网保护所反映的故障范围应是整个配电网。但在实际情况中，故障点可能距离公共耦合点较远，且公共耦合点内的分布式电源可能以非同步电机型为主，这会导致分布式电源所能提供的故障电流较小。此时，如果片面追求并网保护的可信赖性，会很容易失去其安全性。当配电网中分布式电源渗透率较高或分布式电源容量较大时，并网保护安全性的不足，会导致系统扰动时大量分布式电源脱网，从而严重影响配电网的稳定运行。

由上可见，基于常规保护判据的并网保护难以兼顾可信赖性与安全性。目前可以采用2种解决方法。一种方法是改进并网保护原理，如综合采用电压、频率等多种判据；另一种方法是改造配电网保护，如按双侧电源要求完善馈线保护配置，并对配电变电站或开关站的母线保护进行校验，若不满足要求则配置快速母线保护。这样配电网的故障可由馈线保护或母线保护快速切除，从而缩小并网保护所需反映的故障区域。但是，由于传统配电网保护按照单向潮流配置，上述改造需要很大的建设与运维投入，需进行技术与经济的比较。

（2）速动性要求

配电网发生故障时，为减少不利影响，并网保护应立刻动作切除分布式电源。

随着分布式电源在配电网中渗透率的提高，分布式电源应在系统扰动时提供支撑作用。很多国家开始要求分布式电源应具备故障穿越能力，主要指低电压穿越（LVRT）。LVRT能力的要求主要影响了并网保护故障检测中电压的整定值，以使在配电网发生故障或扰动后，公共耦合点处电压在跌落到一定的范围和时间间隔内，分布式电源可以不脱网。我国在新的并网规则中已经规定光伏发电站、风电场并网应具备LVRT功能，并在LVRT期间，应具有有功功率恢复和动态无功支撑能力。

综合以上要求可见，并网保护的动作时间存在上下限约束。其动作时间下限取决于LVRT要求以及馈线保护和断路器的动作时间，而动作时间上限取决于馈线重合闸时间。

防孤岛保护功能（1）可靠性

在实际应用中，需要根据分布式电源渗透率的不同，在防孤岛保护的可信赖性与安全性之间做出折衷。例如，当分布式电源容量较小或分布式电源渗透率较低时，可以适当降低对安全性的要求，而将可信赖性放在首位，以确保人员、设备安全。反之，则要对防孤岛保护的安全性提出更高的要求，防止因孤岛检测过于灵敏而导致大量分布式电源脱网，损害系统安全性。现有的被动或主动孤岛检测方案都存在缺陷，目前还不存在获得世界各国广泛认可的方案。

（2）速动性

当配电网的功率不平衡度很低时，孤岛特征不明显，需要较长的检测时间。我国标准要求最长的孤岛检测时间为2s。但是，孤岛检测时间的增加势必会延长配电网重合闸的时间设置。如果经过校验发现孤岛检测时间不能满足重合闸要求，则应考虑配置联跳方案，或者为配电网馈线重合闸增配检同期功能，以作为孤岛检测失效的后备。

并网保护研究方向决定并网保护的功能与性能要求的因素，首先是并网标准。所以，与并网保护相关的研究课题，首先来自于并网标准，其次才是保护原理的研究1。

与并网标准相关的研究课题由于IEEE1547标准制定时分布式电源渗透率较低，因此不鼓励分布式电源参与电网的频率和电压调节。而随着可再生能源的快速发展，分布式电源在配电网中的作用正从被动转向主动，即从电网故障后被要求迅速退出运行，逐渐变为向电网提供辅助服务和动态支撑能力。反映在近几年的并网标准的变化上，值得特别关注的问题主要是低压穿越和计划孤岛。

1)兼顾系统和保护需要的低电压穿越策略。

目前各国的并网标准中制定了各种各样的LVRT曲线。LVRT曲线中的关键参数为电压阈值。从对电网的动态无功支撑角度，该电压阈值设置越低，分布式电源对系统的支撑作用越强。但从对配电网保护的影响角度，该电压阈值的影响是非单调的。一般而言，加快故障馈线上并网保护的动作速度，减少对该馈线保护的“屏蔽效应”，有利于提高配电网保护的灵敏性。但是，如果进一步提高该电压阈值，会使得健全馈线上接入的分布式电源快速脱网，流过故障馈线的短路电流反而由大变小。所以，如何根据不同配电网的实际情况，兼顾系统和保护两方面的需求来优化LVRT曲线，是一个重要的研究课题。

2)适应计划孤岛的自适应保护与控制策略。

虽然现有标准都不允许分布式电源孤岛运行，但随着分布式电源容量的增加和微电网技术的发展，为了有效利用分布式电源的电源支撑作用，提高供电可靠性，很多国家开始重视对计划孤岛的研究。IEEE 1547.4中将计划孤岛称为分布式电源孤岛系统，即微电网，其对分布式电源孤岛运行模式的设计、运行方面做出了较详细的规定。

当允许计划孤岛时，分布式电源自身的防孤岛保护可能会破坏孤岛系统的稳定运行(尤其是孤岛刚形成时)。对此，一种可行的解决方案是，当并网保护检测到孤岛，并判断当前微电网具备孤岛运行条件时，立刻闭锁分布式电源自身的防孤岛保护。另外，当发生联网/孤岛运行方式切换时，某些分布式电源单元需要迅速切换控制模式；同时，由于在孤岛和联网条件下，微电网内短路电流水平变化很大，保护定值也需做自适应调整。此时，并网保护的孤岛检测功能可以为上述控制模式和保护整定值的自适应切换提供信号。由以上分析可见，并网保护作为一种接口保护，不但具备故障保护功能，还可以在保证分布式电源孤岛系统的安全稳定运行中发挥重要作用。

与保护原理相关的研究课题（1）并网保护实现中的突出问题

目前，并网保护基于常规保护原理实现，在应用中存在如下突出问题。

1)故障检测问题。分布式电源的大规模接入和变流器型分布式电源容量的不断增加，使得配电网的故障特征发生了很大变化，主要表现在：a)故障电流较小。例如变流器型分布式电源所提供的故障电流一般不超过1.5倍额定电流；b)在故障期间，变流器型分布式电源呈现电流源特征，与传统同步发电机的电压源特征相差很大；c)故障特征还与变流器的控制策略(如是否考虑负序电流控制)存在很大关联。以上这些，使得在并网保护的故障检测方法中，不能完全复制基于同步电机理论得到的故障特征。

2)孤岛检测问题。虽然已经提出了被动检测、主动检测和联跳等方案，但目前还不存在获得广泛认可的方案。无源和无通道是继电保护追求的重要目标，因为这可以将保护的问题限制在保护装置自身。从这个意义上，被动孤岛检测原理应持续受到重视。但当功率不平衡度较低时，现有被动孤岛检测存在较大的检测盲区，这函需得到改进。

3)整定计算问题。并网保护属于多功能保护，实现中需要用到较多的保护元件。复杂的保护配置不但提高了装置的成本，而且增大了整定计算的工作量。更为困难的是，由于分布式电源出力的随机性和波动性，以及分布式电源类型、容量、并网变压器接线方式、功率不平衡度以及配电网保护的配置等诸多因素都会影响到孤岛检测和故障判别，使得这些保护元件的定值难以整定。

基于机器学习的智能并网保护方案常规保护元件仅利用一、二个特征进行决策，从机器学习角度，可将其视为最为简单的线性分类器(如电流、电压、频率继电器)或非线性分类器(如距离继电器)。但这种基于少特征的保护原理难以应对并网保护的上述问题。

近年来，研究者越来越重视机器学习在保护领域的应用价值。与常规保护原理相比，基于机器学习的智能保护方案具有如下优势：}突破了常规保护中单一继电器的概念，能够组合多个特征进行模式识别；能够从大量特征中优选出最为有效的关键特征组合；能够从训练样本中自动找出最优定值。以上特点有助于同时改善保护的安全性与可信赖性，同时减轻了需要对常规保护中大量元件进行整定计算的压力。

在完成特征选择后，需要选择合适的分类算法。智能保护中常用的机器学习方法包括人工神经网络、决策树和支持向量机等。但每种分类算法都存在归纳偏置现象，使得单一分类器存在精度和适应性瓶颈。

结论为使大量分布式电源能够友好地接入配电网，IEEE,CIGRE等国际组织和欧美国家都在积极制订并网标准。在公共耦合点处配置并网保护是使分布式电源满足并网标准的重要继电保护措施。并网保护的功能主要包括故障保护、防孤岛保护以及检同期重合闸等。

并网保护既不同于分布式电源的发电机保护，也不同于配电网馈线保护，本质上是一种接口保护。所以，并网保护不仅要考虑保护设备和人员安全，还要充分考虑与配电网保护、重合闸以及分布式电源发电机保护的配合关系。而随着分布式电源大规模的接入，并网保护还需计及配电网扰动时分布式电源对系统的支撑作用。

随着分布式电源渗透率的不断提高，人们对于分布式电源在未来智能电网中的作用的认识不断加强。这也使得迄今为止，国内外对于并网保护的功能与性能的要求仍在变化且并不统一；分布式电源类型的多样性和故障特征的特殊性，使得基于常规原理构成的并网保护难以满足可靠性与速动性的要求。以上说明，无论在并网标准还是保护原理方面，并网保护作为一种新型的继电保护措施，都还需要投入大量研究。