[科普中国]-微网线路保护

背景

微电网(MG)通过公共连接点(Point of Common Coupling PCC)与电网连接，是一个可以自我控制、保护和管理的自治系统，它集成应用分布式电源(Distributed Generator DG)，为DG的有效利用提供了途径。微网并网运行时可以视为可控的负荷或发电机，微网内负荷可以同时由电网和DG供电;当上级电网发生故障时，微网可以无缝转换到孤岛模式运行并自我控制，持续对内部重要或全部负荷供电，增强了供电的可靠性1。

微网并网时线路发生故障短路电流较大，而离网时线路发生故障因逆变器限流的原因由逆变型微源提供的短路电流较小(限制在两倍额定电流以内)。微源接入及微源“即插即用”的特点加重了潮流分布、故障电流的不确定性。这些都使得基于固定值的传统保护方案不再适用。由于微网大多接在中低压配电网，有关微网的保护并没有引起足够的重视，大多配以简单的过电流保护;但微网的特殊性使得过电流保护不再适用，亚需发掘适用于微电网的保护方案。为此，国内外学者展开了大量研究，取得了一定的研究成果2。

微网保护的国内外研究现状关于微网的研究目前尚处于起始阶段，且多围绕微网的控制方式展开，几乎没有成熟的微网模型。对于微网继电保护的研究，国外仅仅处于理论研究阶段，国内研究资料更是少之又少。限于微网控制方式研究水平，微网保护的研究多针对特定的控制方式，不具有通用性和可移植性。

微网最主要的一个特性是既能以并网模式运行，又能以孤网模式独立运行。配网发生故障时，为保持微网内部负荷的正常供电，需及时将微网由并网模式转为孤网模式;微网内部发生故障时，为防止故障对配网产生影响，须根据具体情况将故障切除或者将故障微网从配网中切除。因此，微网与大电网的并网点PCC 起到极其关键的作用，即能检测到故障的发生并且能实现微网在两种运行模式之间的平滑切换。

微网中一般含有不同类型的分布式电源，不同的电源控制方式在故障时表现出来的特性也不一样。当分布式电源通过逆变器等电力电子设备接入电网时，其最大输出电流往往被限制在一定的范围以内，发生故障时，该电流不足以使基于电流的保护设备动作，因此须研究新的保护方式。

目前微网继电保护的研究多从系统级保护和单元级保护两方面展开3。

系统级保护研究对象为微网整体。考虑在故障情况下，无论配网故障还是微网内部故障都将相关微网从配网中切除。使微网从并网运行状态安全，平滑的过渡到孤网运行状态。系统级保护担负着保持配网稳定，降低故障对配网的冲击以及保证微网运行状态之间顺利过渡的任务。

系统级保护须合理配置PCC处的保护功能。故障情况下微网对于配网的影响主要取决于注入配网的电流大小和持续时间。配网发生故障或者电能质量参数不符合相关的状态要求时，PCC应该能准确的检测到这种异常并且可靠的将微网从配网切除使得配网故障不至于影响微网内负荷的供电和运行。当微网内部发生故障时，PCC也应该能检测到故障的发生且将微网切除，使得微网内部故障对于配网的影响降到最低。因此，PCC应能准确判断各种故障情况并能迅速响应，实现微网运行状态的转换。

单元级保护当配网中有故障发生或者电能质量不满足要求，例如电压偏高或偏低，震荡等情况发生时，为充分的保证微网内部负荷的供电，需要及时将微网与配网断开，微网从并网运行状态转为孤网运行状态。发展微网的目的是充分利用分布式电源，因此其中常含有多种形式分布式电源，遵循着因地制宜安装分布式电源的原则，考虑到各分布式电源的特性及安装位置，通常情况下，各电源之间会有一定的地理距离。无论在并网运行还是孤网运行状态下，微网内部故障时，必须采取可靠的保护措施将故障部分切除以保证正常区域的供电。为充分发挥分布式电源的优势，微网还经常带有其他形式的负荷，例如热负荷，冷负荷等。这又在可靠性上对微网内部的保护提出了更高的要求。微网单元级保护面向对象为微网内部，研究在各种故障情况下如何快速有效的将故障切除，以保证微网内部其他部分的正常运行。

微网具体结构，内部分布式电源类型不同，通常需要配置的保护也不相同。但是微网继电保护须遵循最基本的原则，即无论微网在哪种运行状态下，并网运行或者孤网运行，即插即用型电源接入或者断开，保护都应当可靠有效。保护还应当考虑到分布式电源控制器中的电力电子器件所带来的影响，相比于传统电源，电力电子接口分布式电源惯性较小或者没有惯性，电力电子装置响应迅速，微网故障情况下必须考虑到与大电网的差异，以便于保护的实现。鉴于微网保护与传统保护之间的差异以及其内部电源类型的不同，对于单元级微网保护的研究多针对较为具体的微网模型，寻找针对于该微网模型的保护方式。

针对普通继电保护装置在微网中不适用的情况，有学者采用了数字继电器。该类型继电器可以检测过电流，过/欠压且可编程可通过光纤或以太网实现相互之间的通信，有文献在simulink仿真环境中构建了包含多个分布式电源的微网模型，并且对微网并网与孤网运行状态下各个节点发生各种类型故障时的电流和电压做了仿真分析，得出一般继电保护方法不足以对微网进行保护的结论，提出采用数字继电器的建议。也有文献借助于数字继电器设计了较为完善的微网保护机制，主保护采用瞬时差动保护，若连续两个采样点高于整定值则发出跳闸信号。当距离小于18公里时，线路通信能满足动作要求，当距离大于18公里时则需借助PMU系统来保证采样的同时性。如果开关动作失败，经过0.3-0.6s的延时后，跳闸信号送达至相邻线路的开关，以减少故障的影响。如果通信线路故障，保护装置向控制中心发出报警信号则其余开关保护转为后备保护—相对电压保护，通过比较相关继电器所测得的电压有效值来对线路进行保护。借助于数字继电器，文献[23]同样研究了保护在微网采取环网运行情况下的保护和高阻抗接地的保护。该保护方式的缺点是过于依赖于设备的技术成熟程度、投资上不具有经济优势。

微网的结构及运行特点低压微网大多采用简单的放射状网架结构，如右图所示，如美国俄亥俄州的Dolan微网平台和我国浙江南鹿岛离网型微电网项目，或者采用闭环设计开环运行结构。

微网大多数情况下既可并网运行，也可孤网运行，同时微源投退具有不确定性。微源按不同电源类型大致可以分为三类:直流型、交直交型和交流型。直流咬流式并网方式将直流电能经逆变器接入交流电网;交直交式并网方式将交流电能经整流变为直流电能后，再经逆变器接入电网;交流式不需经逆变器，直接并网运行。其中微网中有不少经逆变器并网的微源，它们缺少同步电机的电磁暂态特性，其惯性仅依赖逆变器直流侧的电容，使得微网具有惯性小、响应速度快等特点4。

微网对传统保护的挑战微网并/离网运行方式故障电流差距较大，微源投退、布局容量、控制方式等影响故障电流大小和方向，因此基于固定值的传统过流保护方案不再适用于微网。

微网不同运行方式微网的运行方式不同，故障电流的大小不同，因此微网保护整定值也应不同。微网并网运行时，右图(a)中F1处短路，流过2处保护的故障电流由系统(Is)和微源提供，其中主要由系统提供;而离网运行时，图(b)中F1处短路，PCC点静态开关断开，流过2处保护的故障电流只有微源提供，其幅值较小。当DG1是逆变器型的微源时，故障电流更小。这是由于含逆变器型的微源故障电流注入能力被限制在两倍额定电流以内，且衰减迅速。

综上，微网并网运行时，故障电流较大;离网运行时，只有微源为其提供故障电流，故障电流较小。这使得基于固定值的传统保护方案不能正确动作，因此微网线路保护的配置必须能适应微网不同的运行方式1。

微源投退单个微源在微网中具有“即插即用”的特点，意味着微源可以随时接入或者退出微网，这导致微网线路故障时故障电流的不确定性，使得传统保护方案不适用于微网。如图(a)F2处发生短路故障时，流过保护4处的故障电流由系统和微源提供提供;如图(b)，当DG3退出运行时，F2处发生短路故障，流过保护4处的故障电流只有Is, IDG1。DG的投退影响了故障电流的大小。而传统无源配电网F2处短路时，右侧无故障电流因此也无保护安装，DG接入配网后F2处短路时向故障点提供反向故障电流，在右侧无保护的情况下会造成故障持续甚至继续发展，影响供电的可靠性5。

微源布局、容量配电网85%左右的故障都是瞬时故障，广泛采用三段式电流保护。当前由于微网接入容量较小、结构简单，多接入中低压配电网，故在保护方面多配以简单的过电流保护国川」。但是微源接入微网馈线中的位置不同、容量不同，对线路过电流保护的影响不同6：

（1）DG接入微网馈线始端母线，下游线路中间点故障时，DG产生的助增电流使流过保护的故障电流增大，保护范围也因此增大，可能延伸到所在保护下一段，使保护失去选择性。而且DG输出功率越大，影响越严重。

（2）DG接入微网馈线中间母线，当下游线路中间点故障时，由于微源的助增作用，使流过下游保护的短路电流增大，使得末端保护灵敏性得到增强;同时由于微源的汲流作用，流过DG上游保护的故障电流减小从而使保护的灵敏性降低，保护范围缩小，如果相应保护没有动作切除故障，则相应远后备可能拒动。

（3）DG接入微网馈线末端母线，当相邻线路中间点故障时，DG向上游保护提供反向故障电流，可能引起保护误动作。

微源控制方式逆变型微源在并网运行时一般采用恒功率(PQ)控制方式，在孤岛运行时根据需要可选择PQ控制、恒压恒频(V /f)控制或Droop控制。因此控制目标不同，在不同的控制方式下逆变型电源提供的短路电流差别较大。且当DG输出功率具有波动性和间歇性时，故障电流数值也随之发生变化。

微网保护需考虑问题与大电网不同，微网的保护与运行具有自己的特殊性。

微网潮流内部的结构决定了微网的双向潮流特性，传统保护中的选择性原则在微网保护中较难满足。

微网中一般根据不同电源的特点采取不同的控制方式，对于风力发电和光伏发电这些输出功率受天气影响比较大的电源，若通过配备储能装置的方法使这类电源根据负荷需求调整发电量，则需要配备较大容量的储能装置，这会降低系统的经济性，因此这类可再生能源的目标是保持最大的利用率，分布式电源能输出多少功率就输出多少功率，微网设计时一般会满足此类电源“即插即用”的特点。这就加剧了微网中潮流流动的不确定性，设计保护方法时应尽可能做到不受潮流的影响。

通信在同等电压等级配电网中一般较少采用基于通信的保护。微网中，故障的判断较为复杂，有时需要利用多点的信息;为了维持微网的稳定，也需要确保故障能够及时地切除。基于通信的保护可以很好地完成这些功能。

微网线路不会太长，为几百米左右，方便信息信道的铺设。如将微网作为具有孤岛运行功能的智能配电网一部分的角度来考虑，应装设MMS(智能微网管理系统)。MMS为确保微网最经济有效地运行需同微网的各个部分保持联系，在合理设置MMS功能的情况下，可考虑将保护装置同其相结合或者直接利用其通信信道减少系统的投资7。

保护在不同运行方式下的适应性微网既可以并网运行又可以独立运行的特点给保护的设计带来了新的挑战，孤岛运行条件下，短路电流由DG提供，基于逆变器的DG无法提供足够大的短路电流。并网条件下，短路电流可通过迭加定理来分析，电网能提供很大的短路电流，逆变器DG提供的短路电流只占短路电流很小的一部分。在这两种运行方式下短路电流差别很大，在一种运行方式下可行的保护方法在另一种运行方式下可能变得不再可行。

对于短路电流的这些特点一般有两种应对方法:一是设置限制条件使保护可以针对不同的运行方式;二是设计可以适用于两种运行方式的保护策略。其中前者可通过不同运行方式下故障电流的计算来整定，相对较容易实现，但是因限制条件的加入使得保护变得复杂。后者可以通过一套保护作用于不同的运行方式，但是对保护适应性的要求比较高。

故障切除时间微网中的分布式电源多采用电力电子接口，这使得微网具有缺少惯性、响应速度快等特点。若采用配电网相同电压等级下的故障切除时间，容易使微网系统失去稳定。

故障切除时间还应该考虑到负荷的敏感程度，保证故障切除后系统还能保持稳定。例如，电动机负荷所占的比例越大，临界故障切除时间越短；三相短路故障点离感应电动机负荷点越近，临界故障清除时间越短。

DG不同控制方式与保护的对应DG的控制是微网控制的基础，目前关于DG的控制方法的研究比较多，常见的有恒压恒频控制、PQ控制、P-f, Q-V下垂控制、f-P , VQ下垂控制等。不同方法的控制模块输入量及其所控制DG的输出量不同，当控制方式中没有加入任何针对故障的模块时，故障情况下，控制方式也会使所控制DG的输出量向参考值靠近，从而引起可以用以保护的电气量例如电压、电流等发生失常变化。

在对分布式电源控制方法进行设计时，应该考虑到故障情况并采取必要措施，例如数值限幅，跳闸时间配合等;同时保护方式也应该充分地考虑到DG控制方式的影响，设计与对应控制方式相协调的保护或是可适用于任何控制方式的保护7。

微网线路保护研究热点由于微网线路故障电流的特殊性，使得传统的保护方案不再适用。因此不少国内外学者开始对微网线路保护配置进行研究，从是否依赖通信技术以及保护原理的实现方法上，将目前微电网线路保护方案的研究主要分为以下3类1：

1）基于本地量的微网保护：对传统保护原理进行修改以适应微网新的故障特征，成本低，对配网自动化要求不高。保护整定值不可实时调整，不能完全适应微网的特殊性。

2）基于中央控制的微网保护：在线对保护定值整定和对故障定位，克服了微网复杂运行状态对保护的影响。依赖通信，实时性要求较高，中央保护单元需要处理海量的网信息，存在单点失效的风险。

3）基于分区的微网保护：实现微网的有限区域集成保护，避免中央保护单元因为处理信息量过人而导致保护延迟动作。必须协调控制每个保护单元，增加了微网保护的复杂性，不利于最大限度的利用微源。

（1）基于本地量的微网保护。有文献提出采用反时限的保护方案，通过选择合理的反时限形状系数和动作时间常数完成上下级保护间的配合。并根据保护与故障点的距离不同造成的电压跌落程度不同，提出采用低电压加速因子提高传统反时限保护方案的动作速度。前者提出基于负荷阻抗的反时限低阻抗保护方案，后者提出低电压加速反时限过电流保护方案。也有文献在微网拓扑图简化的基础上，提出基于边电压的微网保护方案。该方法的局限性在于对拓扑变化具有一定的依赖性，对于合闸瞬间以及网络拓扑刚刚改变后发生故障的情况保护无法正确动作。有文献提出一种基于母线上导纳量变化为判据的保护方案，通过比较故障前后母线上测量导纳的幅值与相角的变化，有效地区分微电网的区内外故障，实现故障的检测与定位。该保护方案比单纯运用电流或电压变化为故障判据，具有更高的灵敏性和可靠性。但对于含过渡电阻的故障类型可能导致保护方案的部分失灵，需配备相应的后备保护;

（2）基于中央控制的微网保护。有研究应用微网中央保护单元与微网中的所有继电器和微源实时通信，通过在线监测微网运行模式的变化，DG的数量、类型、状态，方向元件信息和电压、电流故障分量信息来确定故障类型，以便实时整定动作值，并通过断路器和负荷电流信息确定故障位置。不足的是一旦某一元件发生变化，需要重新计算整定，此时若发生故障微网可能处于无保护的状态，同时如果传输信息错误或没有实时同步信息保护可能会误动或拒动。也有文献提出基于故障电流方向角判别的微电网自适应保护方法，有效地解决了微电网故障潮流多向性引起保护的误动作问题;将微网实时拓扑结构转化为树形节点路径图，采用树形节点搜索方法及节点路径算法对微网内保护装置的动作值及动作时限进行实时整定，有效地解决了对不同运行方式及拓扑结构下微电网保护装置动作值的自适应整定问题。有文献提出了利用智能继电器及控制网络辅助的保护方案，用智能数字测量单元代替价格昂贵的继电器，中央控制器与数字测量单元通过控制网络连接能够实现同样的保护功能。文中将微网闭环结构配置，有效地解决了微电网运行在孤岛模式下切除故障线路后，引起的发电功率与负载不匹配的问题。而建立的新的高阻抗故障探测方法，可以在检测到的故障电流较小时，就动作跳闸。

（3）基于分区的微网保护。有文献提出了基于Multi Agent的微网分区保护实现方案。将微网划分为若干保护区域，利用阻抗元件和功率变化量方向元件锁定故障区域，同时利用Agent之间的协作能力提高了微网保护的整体性能，能够进行在线协调整定，更适合于微网灵活多变的运行方式及双向潮流的特点。也有文献引入正序故障分量原理，提出一种基于有限区域集成的保护方案。将微电网以母线为依据分割为若干个区域，在每个区域设置一个有限区域保护单元。利用各区域主馈线与从馈线的正序故障分量电流相角差实现故障区域和故障线路的定位。不足是故障时微源的电压会有所跌落，对保护方案的适应性产生影响。有文献提出利用故障前后的电流方向判断故障区域，将断路器间的区域作为最小研究单元，区域内的DG接入或者退出不影响保护。前者还在微网系统设置一个中央保护单元，汇集各MTU提供的故障电流方向信息，通过计算来锁定故障区域。后者将数据通信和保护装置的故障信息交换分开，保护信息只是简单的布尔信号，能在相邻保护装置之间高速传递。也有文献提出了微网分割区域的概念，并将分割区域看成是图的节点，断路器看成是图的边，建立微网的图模型。将对综合电流方向的判断转移到对边电流方向的判断，进而提出了边方向变化量保护。缺点是仅适合辐射型网络，当电网中出现环网时，无法应用。且当微网新增或减少支路时，需重新分割区域。

结语关于目前微网线路保护存在的问题及发展方向总结如下：

（1）应对微网的故障特征进行分析，不应仅仅关注故障电流最大值及其衰减特性方面，还应对其暂态过程中的故障电流波形特征进行分析。如何将微网内部线路故障时的信息加以识别、处理和利用，进而将继电保护原理本身进行大的变革，发现广泛适用于微网的继电保护原理；

（2）随着配网自动化和智能电网的发展，通信网络将应用于微网，实现以广域通信为基础的微网保护可行性很大，但要注意避免发生单点故障的风险，中央保护单元、通信网络或单个元件故障应不影响保护功能的实现。设计时个别重要单元可以带有冗余或者采用分层或分区的保护，以此提高保护的可靠性；

（3）微网线路保护的灵敏性和速动性。逆变型微网应能在线路故障时检测到并迅速切除故障，因为逆变型微网缺少惯性、响应速度快，一旦线路故障电压跌落严重，微源保护可能先于线路保护动作，造成不必要的能源浪费和功率波动，因此线路保护的灵敏性和速动性还有待改进提升。