基于ZigBee無線組網(wǎng)的交流微網(wǎng)集中式保護方案

章楨，李然

（東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096）

微網(wǎng)保護與傳統(tǒng)配網(wǎng)保護存在極大不同，具體表現(xiàn)有：1）分布式電源的存在使潮流具有雙向流通的特性；2）微網(wǎng)在并網(wǎng)、孤島2種運行模式下短路電流差異很大，影響保護的整定計算[1-3]。這些特殊性使得傳統(tǒng)三段式電流保護在微網(wǎng)中無法適應。目前針對微網(wǎng)保護的研究主要可以分為兩類，一類是不基于通信的本地量保護，主要采用的方法是限制微電源的準入容量、限制故障時短路電流大小、內部故障時隔離所有微電源等[4-6]，這類方案多以犧牲分布式電源的利益來換取傳統(tǒng)三段式電流保護的適用性，極大地限制了新能源的發(fā)展[7-8]；另一類是基于通信的保護方案，借助多點信息的比較來適應微網(wǎng)保護的特殊環(huán)境。曾有學者提出了采用邊方向變化量保護算法來克服微網(wǎng)雙向潮流以及不同運行模式對保護的影響[4]，但是需要用到阻抗元件且通信實時性要求較高，這對通信條件落后且沒有大規(guī)模配置電壓互感器的低壓配網(wǎng)來說，保護的升級成本太大，實用價值不高?？梢?，利用實時高速通信系統(tǒng)構建的保護方法是未來低壓配網(wǎng)保護的發(fā)展趨勢，當然也面臨著保護方案成本過高及其在現(xiàn)有配網(wǎng)條件下的實用性問題。

通過對以上保護方案的總結，可以發(fā)現(xiàn)微網(wǎng)保護設計應具備以下技術要點：1）適應微網(wǎng)雙向潮流的特性；2）適應微網(wǎng)多變的結構（微電源的即插即用）和獨立并網(wǎng)2種運行方式；3）在1）、2）的基礎上，盡量降低保護系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的依賴和對現(xiàn)有配網(wǎng)改造的成本，如不使用電壓互感器，采用電流量構建保護系統(tǒng)等[9-10]；4）保護方案要能適應未來智能電網(wǎng)及其配套通信網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，如網(wǎng)絡化數(shù)字化智能樓宇小區(qū)，三網(wǎng)融合技術，配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運行等[11]。

因此，本文提出了基于ZigBee無線組網(wǎng)的集中式保護方案，分別基于電流量的綜合幅值和相位變化量構建相互獨立的雙重保護判據(jù)，判據(jù)所用信息為電流綜合幅值和相位變化量判斷的邏輯結果，不需要進行苛刻的采樣數(shù)據(jù)同步處理，減少了對保護通信系統(tǒng)的依賴，同時通過“廣域”保護區(qū)域的劃分方法擴大保護范圍，在一定程度上彌補了系統(tǒng)的后備保護能力。最后針對現(xiàn)有小型化低壓配網(wǎng)結構，闡述了基于ZigBee無線組網(wǎng)技術的保護通信架構及其在微網(wǎng)中的適用性。

1 微網(wǎng)集中式保護原理

1.1 綜合電流的幅值差動判據(jù)

綜合電流差動保護，是指通過對相電流、序電流的組合來實現(xiàn)保護算法。本文采用的是將正序故障分量和負序電流結合起來構建綜合電流[10]，并以其幅值作為差動保護使用的原始數(shù)據(jù)。定義保護算法中的綜合電I觶cc（comprehensive current）為

式中，I觶2為負序電流；ΔI觶1為正序故障分量；k為組合系數(shù)，應大于1，保證算法應對各種故障時都能保證一定的靈敏性，即無論何種故障情況下，I觶2或ΔI觶1都不占據(jù)主導地位。在本文中，取k=3的情況來進行討論。

綜合電流I觶cc的獲取和計算可以在本地IED裝置中完成，以線路兩端綜合電流幅值和為差動量，幅值差為制動量構建差動判據(jù)：

通常傳統(tǒng)差動保護需要對線路兩側電流相量進行嚴格同步，在本判據(jù)中僅使用電流幅值量，沒有引入電壓量和電流相位信息，大大節(jié)約了電壓互感器投資成本，降低了對采樣數(shù)據(jù)的同步要求，在微網(wǎng)這樣短距離的傳輸系統(tǒng)完全能夠滿足要求。然而，僅依賴電流幅值信息來構建保護判據(jù)理論上存在動作盲區(qū)，即在對稱度很高的網(wǎng)絡中可能會存在某一點發(fā)生故障時，判斷處于該區(qū)間區(qū)內故障的兩端綜合電流幅值量，可能會出現(xiàn)保護拒動。

因此，為了提高保護的安全性能，在綜合電流幅值差動判據(jù)的基礎上，增加了與之并列存在的相位變化量判據(jù)，兩者相輔相成。

1.2 相位變化量判據(jù)

為了減輕通信壓力，采用相位變化量判據(jù)，實現(xiàn)相位的就地采樣、本地計算，通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖侵淮碚摪胫艿倪壿嬓盘?。此處定義相位變化量為故障后正序電流的相位與故障前正序電流的相位差。如圖1所示。

圖1 相位變化量判據(jù)例圖Fig.1 The amount of phase change criterion

當AB線路段F1點發(fā)生三相短路故障時，故障電流中只有正序分量，非故障段BC兩端IED測的相位變化量必將同時超前或者滯后于故障前電流I觶L一定的角度α，而故障段AB兩端測得的電流相位變化量一個超前故障前電流I觶L相位α，一個滯后相位β，當不計及負荷影響時，將滿足α+β≈180°[10]，見圖2。

圖2 故障電流正序分量和故障前電流相位關系Fig.2 Fault current and pre-fault positive sequence component of the current phase relationship

根據(jù)區(qū)內和區(qū)外故障時線路兩側電流相位變化量呈現(xiàn)的不同規(guī)律，以邏輯量作為本地相位變化量判斷的結果與線路另一端結果進行比對，判據(jù)如下：

判斷情況如表1所示。

表1 相位變化量判斷邏輯表Tab.1 Analyzing logic table for phase variations

當AB線路段F1點發(fā)生兩相短路故障時，故障電流中既有正序也有負序電流分量，兩者相互獨立。因此，采用正序分量與負荷電流比相時，結論和三相故障是一致的。

1.3 保護區(qū)域的劃分

以三分支及以上的節(jié)點為端點劃分保護區(qū)域，最小的保護區(qū)域內至少包含2個IED，較大的保護區(qū)段可以包含多個二分支節(jié)點，在這一類保護區(qū)域內，將會出現(xiàn)諸如DG投切等微網(wǎng)結構的變化。因此，保護范圍亦將適時作出修正。

如圖3所示，劃分為區(qū)域1和2。區(qū)域1為典型最小保護范圍，區(qū)域2則較大，亦是即插即用的微電源的可行接入點。在未做微源投切操作前，區(qū)域1以節(jié)點2和節(jié)點3的相關側IED構成一對差動保護端。區(qū)域2中，正常運行時，仍以節(jié)點為單位構成最小范圍保護，即節(jié)點3和節(jié)點4，節(jié)點4和節(jié)點5，節(jié)點5和節(jié)點6分別構成一對，在此類區(qū)域中可實現(xiàn)互為后備的保護模式。以節(jié)點4和節(jié)點5構成的保護對為例，約定每個節(jié)點可以和與之相鄰節(jié)點構成后備保護對，一旦節(jié)點4和節(jié)點5之間發(fā)生區(qū)內故障，而節(jié)點4或者節(jié)點5或者兩者都發(fā)生拒動，則將經(jīng)過一定的延時，由節(jié)點3和節(jié)點6對應側的IED來完成差動保護功能，實現(xiàn)類似后備保護的功能。

圖3 保護區(qū)域劃分Fig.3 The partition of protection areas

當微源進行投切時，保護范圍亦將做出相應的修正，如對圖3中10節(jié)點處的DG退出運行，而在節(jié)點5投入新的微源，則修正后的保護區(qū)域如圖4所示，區(qū)內保護策略也按照保護范圍的變化適當做出修正。

圖4 修正后的保護區(qū)域劃分Fig.4 The revised partition of protection areas

2 綜合保護方案的實現(xiàn)

綜合電流幅值差動判據(jù)和相位變化量判據(jù)，二者都具備不需要采樣數(shù)據(jù)同步的特點，對實時性要求并不苛刻。二者都不需要引入電壓量，保護原理簡單，互為補充，相互獨立，構成一套綜合保護方案。

該方案的工作流程如圖5所示。流程中加入了一個故障分量的啟動元件，當故障分量電流大于設定閥值時，才啟動判據(jù)計算。

圖5 綜合保護方案流程圖Fig.5 The flowchart of the comprehensive protection program

3 基于ZigBee技術的保護通信系統(tǒng)架構

我國智能電網(wǎng)的發(fā)展首先是智能電網(wǎng)信息技術的應用。因此，無論是本文所述的保護領域，還是在其他電力系統(tǒng)監(jiān)測與安全分析控制領域，通信技術的發(fā)展是必要條件。只有具備有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術，才能可靠保證各點測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的傳達。

本文采用廣泛應用于工業(yè)無線控制與監(jiān)測領域的ZigBee技術來構建微網(wǎng)的保護通信架構，該架構不僅可確保保護所用信息通道的實時完整，更可用于微網(wǎng)的能量管理與監(jiān)測，電能質量監(jiān)測等領域。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于遠程控制領域，支持地理定位功能[13]。其協(xié)議簇如圖6所示。

針對微網(wǎng)的拓撲結構和特定的運行模式，本文提出了基于ZigBee無線組網(wǎng)技術的保護通信架構。如圖7所示，每個多分支節(jié)點處每個分支都配備有電流互感器，其數(shù)據(jù)匯總至無線IED，由于在整個微網(wǎng)中覆蓋有Zigbee網(wǎng)絡，通過其無線AP（access point）與遠端其他節(jié)點數(shù)據(jù)同時匯總于中央監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)相應算法功能之后返還操作命令，實現(xiàn)遠程無線控制。

圖6 ZigBee協(xié)議簇Fig.6 The protocol stack of ZigBee

圖7 基于ZigBee無線組網(wǎng)技術的保護通信架構Fig.7 The networking technology of protection based on ZigBee wireless communication architecture

ZigBee無線網(wǎng)絡對微網(wǎng)保護系統(tǒng)具備了極強的適用性，具體表現(xiàn)在以下幾點：

1）ZigBee技術抗干擾能力強。通過工作在2.4 GHz頻段下的跳頻工作方式[13]，保證了集中式微網(wǎng)保護系統(tǒng)所需電流幅值和相位等控制數(shù)據(jù)的實時傳輸。

2）ZigBee是無線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹狀路由等算法[14]，可以實現(xiàn)主動路由策略，即使網(wǎng)絡拓撲發(fā)生改變，也可以在無需人工干預的條件下實現(xiàn)設備自動完成網(wǎng)絡拓撲，自動接入，這十分適應微網(wǎng)多變的運行結構和微源即插即用的特點，大大降低維護成本，亦可配合上文所述區(qū)域劃分算法，提供后備保護能力。

3）ZigBee的網(wǎng)絡結構多種多樣，有星狀、片狀和網(wǎng)狀[15-16]，如果配合數(shù)據(jù)服務器，可擴展節(jié)點的數(shù)目將不限定，對未來微網(wǎng)的擴展及各種服務于電力系統(tǒng)的功能的集成將能夠很好地適應。

4）ZigBee采用三級安全模式，嚴密的安全模式足以保證電網(wǎng)運行控制的安全，當然也包括應用此技術的微網(wǎng)保護系統(tǒng)，給予安全性方面的保障。

4 數(shù)字仿真

根據(jù)美國可靠性技術解決方案協(xié)會（CERTS）最早提出的微電網(wǎng)結構，以圖8所示系統(tǒng)建立數(shù)字仿真模型，引入PQ和VF控制的逆變型微電源，進行MATLAB仿真。

圖8 微網(wǎng)數(shù)字仿真算例Fig.8 The digital simulation of micro-grid

參數(shù)如下所示：

主網(wǎng)電源線電壓400 V，50 Hz；變壓器變比11/0.4；MG1采用PQ控制，額定輸出P=20 kW，Q=0 kvar；MG2采用VF控制，額定輸出:線電壓380 V，50 Hz；MG3采用PQ控制，額定輸出:P=20 kW，Q=0 kvar；負載load1為20 kW；load2為50 kW；load3為20 kW；線路r=0.325 Ω/km，x=0.073 Ω/km。

分別給出兩種判據(jù)在并網(wǎng)故障情況下的實時數(shù)據(jù)圖，見圖9～10，表2。

圖9 CD段幅值差動判據(jù)結果（F1處兩相短路）Fig.9 The results of amplitude differential criterion for CD segment when two-phase short circuit occurs at F1

當微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，0.25 s時刻在CD段設置各種類型的故障。由圖9所得數(shù)據(jù)顯示，在故障前幅值差動制動量大于動作量，保護算法可靠不動作；當0.25 s發(fā)生AB兩相短路時，算法動作量遠大于制動量，保護可靠動作，在發(fā)生三相短路和其他短路方式時，也均能得到此正確動作結果。故障前后，兩端相位變化量也符合判據(jù)的動作要求，驗證了保護算法的有效性。

圖10 CD段相位變化量判據(jù)結果（F1三相短路）Fig.10 The results of phase criterion for CD segment when three-phase short circuit occurs at F1

表2 各種故障類型電流的相位關系Tab.2 The current phase relationship among the various types of faults （°）

當PCC斷開與主網(wǎng)的連接，微網(wǎng)實現(xiàn)孤島運行，依然是在0.25 s時刻設置同并網(wǎng)運行時所述的各種故障。通過對輸出結果的驗證，保護算法依然適用，限于篇幅，此處不再給出波形圖。

5 結論

通過分析、總結交流微網(wǎng)保護面臨的諸多難點和特殊性，提出了采用電流量的綜合幅值和相位變化量構建相互獨立的雙重差動判據(jù)的集中式保護方案，且保護系統(tǒng)的通信架構基于ZigBee無線組網(wǎng)技術。該微網(wǎng)保護方案具備以下優(yōu)點：

1）能很好地適應微網(wǎng)雙向潮流特性以及多變的運行模式；

2）借鑒“廣域”保護區(qū)域的劃分的方法，保護范圍擴大，后備能力增強；

3）保護通信系統(tǒng)基于ZigBee無線組網(wǎng)技術，適應微源即插即用的特性，安全性和抗干擾能力強；

4）通信信道中傳遞的信息量為電流綜合幅值和相位變化量判斷的邏輯結果，不需要進行苛刻的采樣數(shù)據(jù)同步處理，減少了保護對通信的依賴和升級成本，實用性很強。

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