基于低電壓的反時限微網(wǎng)保護(hù)方案

朱苑祺，楊明玉，鄭燦，劉行

（華北電力大學(xué)電氣與電子學(xué)院，河北保定071003）

0 引 言

微網(wǎng)的出現(xiàn)使得在綠色能源的利用和能源分布不均的問題上有了新的解決方案，但微網(wǎng)的接入同時也給電網(wǎng)的保護(hù)帶來了新的挑戰(zhàn)。微網(wǎng)的靈活性，不同類型的電源，復(fù)雜的故障特性，以及接入引起的潮流變化，使得原有配電網(wǎng)保護(hù)方案不再具有適應(yīng)性［1-4］。而且微網(wǎng)中分布式電源采用不同接地方式并網(wǎng)，會影響系統(tǒng)的零序阻抗，進(jìn)而會影響到系統(tǒng)的單相接地故障電流特征［5］。現(xiàn)有的針對性的保護(hù)措施是在微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源并網(wǎng)逆變器處安裝逆變器保護(hù)，具有良好的保護(hù)選擇性，但是卻限制了分布式電源效率的最大化利用，更加高效的保護(hù)方案是微網(wǎng)保護(hù)的迫切需求［6-8］。

微網(wǎng)的保護(hù)類型主要分為兩種：一種是借助于通信技術(shù)的保護(hù)方案，通過電氣量的共享來實(shí)現(xiàn)在線整定［9-10］；另一種在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠適應(yīng)微網(wǎng)接入的運(yùn)行條件，達(dá)到保護(hù)的要求［11-14］。兩種類型各有優(yōu)缺，前者使得保護(hù)整定變得簡單可靠，但通信通道架設(shè)和通信設(shè)備的安裝，給微網(wǎng)改造帶來了新的工作量；后者受原有保護(hù)的影響，很難完美的適應(yīng)微網(wǎng)接入帶來的影響。因此，本文提出了一種基于低電壓的反時限微網(wǎng)保護(hù)方案。首先提出了保護(hù)的相關(guān)概念，之后分析了保護(hù)原理及其動作特性，在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行方式下均有良好的適應(yīng)性，用MATLAB/Simulink建模仿真，驗(yàn)證了保護(hù)的有效性。

1 基于低電壓反時限保護(hù)

1.1 基于低電壓反時限保護(hù)概念描述

目前，微電網(wǎng)保護(hù)仍是一個重大的挑戰(zhàn)，在一般情況下，微網(wǎng)常常是與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的，因此保護(hù)通常是能夠提供足夠大故障電流。但是，當(dāng)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時，任何故障電流將只能由仍然連接著的電源提供。這些分布式電源往往只能提供較小的故障電流量，一般提供的最大故障電流為額定電流的2倍。針對這種情況，已經(jīng)有一些保護(hù)方法被提出，利用短路故障發(fā)生時，電壓量下降的故障特征，來進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。為了更好地描述電壓擾動，對電壓進(jìn)行abc-dq變換，然后把故障時，微網(wǎng)線路節(jié)點(diǎn)上的交軸電壓（Vq）和配網(wǎng)上采集到的交軸電壓求差，以此電壓差值作為保護(hù)的依據(jù)。正常情況下，交軸電壓是一常數(shù)，其值為相電壓的幅值，當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，配網(wǎng)處發(fā)生電壓擾動時，從配網(wǎng)處得到的交軸電壓和微網(wǎng)中斷路器測得的交軸電壓同步變換，兩者的差值為0，這樣可以避免配網(wǎng)上的電壓擾動對微網(wǎng)保護(hù)的誤動。交軸電壓的計(jì)算公式為：

發(fā)生短路故障時，交軸電壓會衰減（大概為一個工頻周期），取衰減之后的交軸電壓Vq與正常運(yùn)行時該交軸電壓的比值在一個工頻周期的平均值，及直流分量V q*［15-16］。因此，可以利用短路故障時交軸電壓降低的特征，作為保護(hù)的一個依據(jù)。隨著電氣距離的增加，V*q下降的程度逐漸減小。但是，在電網(wǎng)任何點(diǎn)短路時各個母線的電壓都降低，低電壓保護(hù)都會動作，即電壓保護(hù)沒有方向性。而且對于線路末端發(fā)生故障，可能由于電氣距離過大，導(dǎo)致電壓下降不明顯，單靠電壓量難以滿足保護(hù)的選擇性，因此需要借助距離保護(hù)的一部分思想來完善保護(hù)方案。

設(shè)微網(wǎng)中AB線路之間發(fā)生短路故障，在節(jié)點(diǎn)A測到的阻抗為Zm，設(shè)A點(diǎn)測量阻抗與AB間的線路阻抗ZAB的幅值之比為nA，則阻抗比例系數(shù)nA可以表示為：

當(dāng)短路故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時，nA必然小于1，短路故障發(fā)生在區(qū)外時，nA大于1，可以以此作為保護(hù)啟動的判據(jù)。而且隨著故障點(diǎn)的靠近，nA的值越小，可以利用這一特點(diǎn)與其他判據(jù)配合加快保護(hù)的動作。

1.2 基于低電壓反時限保護(hù)原理

在孤島條件下，微網(wǎng)線路發(fā)生故障時，短路電流變化范圍較大，但是保護(hù)安裝處電壓下降的特征在孤島和并網(wǎng)運(yùn)行時同樣適用，距離故障最近的母線電壓最小。規(guī)定電流正方向?yàn)槟妇€流向線路，則故障線路兩側(cè)的保護(hù)的測量阻抗均為正，同時兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的其它支路保護(hù)測量阻抗則均為負(fù)，可以利用測量阻抗的正向相位來保證保護(hù)的選擇性?？紤]到保護(hù)應(yīng)具有反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的能力，故障點(diǎn)越靠近母線，測量阻抗與線路阻抗之比n越小，電壓下降的幅度越大，交軸電壓Vq也就越小，Vq*也就越小，基于低電壓反時限保護(hù)的動作方程如下：

式中k為時間整定系數(shù)；Vop為動作電壓；n為測量阻抗與線路阻抗的比值；Vq*為測量的交軸電壓與正常運(yùn)行時該交軸電壓的比值在一個工頻周期的平均值；α為曲線形狀系數(shù)；β為平移系數(shù)。當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)端附近時Vop/（nVq*）接近于無窮，保護(hù)動作時間接近于0，可以看到動作時間呈反時限特性，且隨著Vq*的減小而減小，且動作能夠很好的適應(yīng)故障嚴(yán)重程度。該保護(hù)主要是利用短路故障時電壓下降的特征量，所以稱為基于低電壓反時限保護(hù)。保護(hù)動作時間隨電壓大小變化而變化，跟反時限過電流保護(hù)類似，也具有反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的能力。

2 基于低電壓反時限限保護(hù)配合與整定

2.1 基于低電壓反時限限保護(hù)配合分析

微網(wǎng)中線路中保護(hù)B1和保護(hù)C1分別為線路CD的上級保護(hù)和下級保護(hù)，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the micro-grid system

為了保證基于低電壓反時限保護(hù)的選擇性，上級保護(hù)B1的動作時間應(yīng)該大于下級保護(hù)C1的動作時間，只有當(dāng)下級保護(hù)C1拒動時，上級保護(hù)B1才動作跳開線路。上級保護(hù)保護(hù)B1和下級保護(hù)C1的動作時間為tb1、tc1公式如下：

先做一個簡化設(shè)定：動作時間系數(shù)kb1和kc1、曲線形狀系數(shù)α、曲線平移系數(shù)β均相等。

根據(jù)距離保護(hù)的整定原理，保證下級線路上發(fā)生故障時，上級線路的后備保護(hù)不越級跳閘，即上級保護(hù)B1的動作范圍不應(yīng)該超出下級保護(hù)C1的動作范圍。如圖1所示微網(wǎng)，上級保護(hù)B1的保護(hù)范圍為線路BC和CD的全長，下級保護(hù)C1保護(hù)范圍為線路CD全長。上級保護(hù)B1和下級保護(hù)C1的阻抗比例系數(shù)如式（10）所示：

根據(jù)以上所述可得：

即得到阻抗比例系數(shù)nb1大于nc1，因此可得式（6）和式（7）成立，這樣既滿足在線路CD下級保護(hù)范圍內(nèi)故障時，上級保護(hù)的動作時間大于下級保護(hù)動作時間，又可以使保護(hù)動作的時間差隨著故障點(diǎn)與保護(hù)之間的距離增加而變大。圖2為下級保護(hù)C1和上級保護(hù)B1的動作曲線示意圖。

圖2 保護(hù)動作曲線Fig.2 Curves of protection operating characteristics

2.2 基于低電壓反時限限保護(hù)整定

基于邊電壓反時限保護(hù)動作時間由時間整定系數(shù)k、動作電壓Vop、曲線形狀系數(shù)α、曲線平移系數(shù)β所決定，接下來討論各系數(shù)對保護(hù)動作時間的影響。

（1）時間整定系數(shù)k、曲線形狀系數(shù)α、平移系數(shù)β基于低電壓反時限保護(hù)應(yīng)在故障發(fā)生后立即切除故障，即要求線路的下級保護(hù)有足夠的快速性，線路的上級保護(hù)在下級保護(hù)拒動情況下，延遲Δt時間后動作。根據(jù)圖2的動作時間圖，設(shè)定曲線平移系數(shù)β為1，同時曲線平移系數(shù)α決定曲線的彎曲程度，根據(jù)圖1所示的微網(wǎng)系統(tǒng)，在這里取α=0.02；時間整定系數(shù)k決定保護(hù)動作的最大延時和不同保護(hù)間的時序配合間隔，考慮到動作要求的快速性，在最不利的情況下仍能滿足主保護(hù)瞬時動作的特性，即在線路末端發(fā)生相間短路，此時阻抗比例系數(shù)n和Vq*均較大，以圖1中保護(hù)C1為例，要求k值應(yīng)該較小，接近于0，在這里取k=0.000 387。

（2）動作電壓Vop

Vop不僅是保護(hù)啟動的判據(jù)的一部分（另一部分依靠阻抗比例系數(shù)和方向測量元件實(shí)現(xiàn)），而且取值決定了保護(hù)上下級之間的配合。由式（3）可知，Vop由阻抗比例和交軸電壓一個工頻周期的平均值的乘積組成，如式（12）所示。

當(dāng)系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式下短路時，短路電流大，母線的殘余電壓等級高，保護(hù)不容易動作。由于系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，相比孤島運(yùn)行，系統(tǒng)電壓略高于孤島運(yùn)行時系統(tǒng)電壓。當(dāng)保護(hù)能在并網(wǎng)情況下正確動作時，必定能在孤島模式下正確動作。Vq*為交軸電壓一個工頻周期內(nèi)的平均值，根據(jù)仿真結(jié)果，并網(wǎng)情況下發(fā)生單相短路故障時，交軸電壓殘余電壓最高，因此每個保護(hù)端，可以取其線路末端單相短路時的Vq*為整定值。電壓比例系數(shù)n為了確保在線路末端，保護(hù)也能正常動作，因此取其值為1。由于理論計(jì)算與實(shí)際情況存在一定差別，因此引入可靠系數(shù)krel，其值大于1，具體取值可根據(jù)線路情況而定。

3 特殊問題的討論

3.1 微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)型分布式電源的影響

當(dāng)微網(wǎng)中的分布式電源為逆變式電源時，為了保護(hù)分布式電源，會對其進(jìn)行限流處理，防止電流過大損壞電源。但微網(wǎng)中也存在一些通過同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)型分布式電源。當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)型分布式電源通過小電阻或者直接接地時，故障電流的情況將比經(jīng)由逆變式分布式電源組成的微網(wǎng)更加復(fù)雜。當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在微網(wǎng)內(nèi)部時，由于增加了分布式電源零序通道提供的故障電流，故障線路零序電流較分布式電源接入前大幅增大，即使保護(hù)安裝處測量故障電壓下降幅度減小，使低電壓反時限保護(hù)的快速性受到挑戰(zhàn)。當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，健全相中將會出現(xiàn)幾百安培故障電流，有可能導(dǎo)致健全相故障時的電壓大于正常運(yùn)行電壓。因此有必要針對含旋轉(zhuǎn)型分布式電源的微網(wǎng)保護(hù)策略進(jìn)行改進(jìn)［9］。

針對旋轉(zhuǎn)型分布式電源通過小電阻或者直接接地方式接入微網(wǎng)的情況，采用故障選相技術(shù)，依靠其故障時故障相電壓下降的特征，作為保護(hù)判據(jù)的一部分。當(dāng)測量阻抗為正，阻抗比例系數(shù)小于1，且故障相電壓小于動作電壓時保護(hù)啟動。保護(hù)的動作方程為：

式中Ve為故障相電壓，其他系數(shù)含義與式（3）相同，根據(jù)具體的線路參數(shù)進(jìn)行整定。根據(jù)相同的保護(hù)原理，進(jìn)行保護(hù)的整定和設(shè)計(jì)，在這里不再贅述。

3.2 分布式電源接地時過渡電阻的影響

當(dāng)分布式電源不接地時，不存在接地回路，因此阻抗系數(shù)n能夠正確反應(yīng)故障，保護(hù)能正確動作。但當(dāng)分布式電源接地時，就存在接地回路，過渡電阻不可避免的會對保護(hù)產(chǎn)生影響。當(dāng)微網(wǎng)單側(cè)電源供電線路上發(fā)生故障時，此時保護(hù)安裝處測量電壓與測量電流的關(guān)系如下：

式中Um為測量電壓；Im、Zm分別為測量電流和測量阻抗；Rk、Zk分別為線路電阻和線路電抗；Rg為過渡電阻。此時由于過渡電阻的存在，使得線路阻抗增加，若故障發(fā)生在保護(hù)末端，則保護(hù)判據(jù)阻抗比例系數(shù)可能會大于等于1，引起保護(hù)拒動。因此需要對阻抗比例系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，由于過渡電阻不影響測量阻抗的電抗分量，因此阻抗比例系數(shù)可以改為電抗比例系數(shù) n［11］，即把式（2）改為式（16）：

在兩側(cè)電源的情況下，過渡電阻的存在，既可能使測量阻抗增加，也可能使測量阻抗減小，同時由于測量電流相位的影響，也會影響到測量阻抗的電抗分量，因此式（15）也不再適用，根據(jù)保護(hù)要求，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，需要保護(hù)快速切除故障。為了滿足這一要求，可以與絕緣監(jiān)測裝置配合，在過渡電阻過大時發(fā)出報(bào)警信號。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

本文提出的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該微網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)電壓等級為10 kV，配網(wǎng)電源經(jīng)過變壓器，通過公共連接點(diǎn)又稱PCC點(diǎn)（Point of Common Coupling）連接微網(wǎng)。各個節(jié)點(diǎn)接裝有電氣測量裝置。當(dāng)PCC斷路器閉合時，微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行，DG1檢測到PCC閉合，切換為PQ控制方式，當(dāng)檢測到PCC點(diǎn)斷開，進(jìn)入孤島運(yùn)行模式時，DG1控制方式切換為v/f控制方式，DG2、DG3均為PQ控制方式。DG1作為孤島運(yùn)行時的主電源，額定容量為800 kVA、DG2的額定容量都為200 kW、80 kvar，DG3的額定容量為400 kW、100 kvar，限定故障最大電流為額定電流的2倍，負(fù)載1、負(fù)載2的額定功率均為270 kW、129 kvar，負(fù)載3為450 kW、215 kvar。線路的阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 微網(wǎng)線路參數(shù)Tab.1 Line parameters of the micro-grid

微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島兩種方式下正常運(yùn)行時，各節(jié)點(diǎn)電壓略有差異，但屬于允許電壓等級的范圍內(nèi)。通過對CD線路中點(diǎn)發(fā)生三相、相間故障進(jìn)行仿真測試，故障開始時間均為0.06 s，保護(hù)測量采集Vq*時，考慮到電壓衰減所需的時間，取故障后半個工頻周期后的電壓量來計(jì)算。

圖3、圖4分別為微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行下，CD線路中點(diǎn)發(fā)生三相、相間故障時，保護(hù)C1處的三相電壓波形和交軸電壓波形。當(dāng)發(fā)生故障時，保護(hù)C、B1和D處的測量阻抗為正，且阻抗比例系數(shù)小于1。B1處安裝有線路CD的后備保護(hù)，設(shè)置延遲動作時間Δt為0.05 s，若檢測到故障發(fā)生，CD線路主保護(hù)C1拒動，則后備保護(hù)B1啟動。CD線路中點(diǎn)發(fā)生三相故障時，此時，測量電壓遠(yuǎn)小于動作電壓，保護(hù)C測量阻抗為正且阻抗比例系數(shù)為0.5，小于1符合保護(hù)啟動判據(jù)。由于并網(wǎng)情況下，主網(wǎng)能夠提供較大的短路電流，因此母線上殘留電壓不會很小，保護(hù)能夠正常動作。表2和表3表示并網(wǎng)情況下，各保護(hù)處的動作參數(shù)，保護(hù)跳閘指令時間是指系統(tǒng)開始運(yùn)行到保護(hù)發(fā)出動作指令所經(jīng)過的時間。

圖3 保護(hù)C1三相短路響應(yīng)Fig.3 Response to a three-phase fault of protection C1

圖4 保護(hù)C1相間短路響應(yīng)Fig.4 Response to a phase to phase fault of protection C1

表2 三相短路時保護(hù)的參數(shù)Tab.2 Protection parameters of the three-phase fault

表3 相間短路時保護(hù)的參數(shù)Tab.3 Protection parameters of the phase to phase fault

由于線路CD為雙電源線路，因此需要觀測線路另一側(cè)在故障發(fā)生時的電氣量。圖5、圖6分別為保護(hù)D處的三相電壓波形和交軸電壓波形。

圖5 保護(hù)D三相短路響應(yīng)Fig.5 Response to a three-phase fault of protection D

圖6 保護(hù)D相間短路響應(yīng)Fig.6 Response to a phase to phase fault of protection D

從上圖仿真結(jié)果可以看到，線路發(fā)生三相故障時電壓量下降相比相間短路大得多，三相短路時保護(hù)C1處測得的Vq*為0.065 3，而相間短路時Vq*為0.529 7，兩者的阻抗比例系數(shù)相同均為0.5，根據(jù)動作方程（3）可得三相故障和相間故障時的保護(hù)跳閘指令時間分別為0.090 1 s和0.099 6 s。在故障較為嚴(yán)重的三相故障時，能夠更好地保護(hù)線路。

保護(hù)B1處安裝有線路CD的后備保護(hù)，為了檢測后備保護(hù)的能否在主保護(hù)拒動情況下，準(zhǔn)確動作，需要觀測保護(hù)B1處的電氣量。在正常情況下，主保護(hù)C1先于后備保護(hù)B1動作，在故障切除后，保護(hù)B1測得的電氣量因?yàn)檎Ｖ?。圖7、圖8分別為保護(hù)B1處的三相電壓和交軸電壓響應(yīng)曲線。三相短路故障情況下，若主保護(hù)C1拒動，則保護(hù)B1測得的符合保護(hù)動作的判據(jù)，達(dá)到保護(hù)設(shè)定時間后動作。

圖7 保護(hù)B1三相短路響應(yīng)Fig.7 Response to a three-phase fault of protection B1

圖8 保護(hù)B1相間短路響應(yīng)Fig.8 Response to a a phase to phase fault of protection B1

圖9 保護(hù)C1三相短路響應(yīng)Fig.9 Response to a three-phase fault of protection C1

圖10 保護(hù)C1相間短路響應(yīng)Fig.10 Response to a phase to phase fault of protection C1

為了驗(yàn)證保護(hù)的正確性，還需在微網(wǎng)孤島運(yùn)行下進(jìn)行測試，圖9、圖10為微網(wǎng)孤島運(yùn)行時，CD線路中點(diǎn)發(fā)生三相、相間故障時，電壓響應(yīng)曲線。當(dāng)發(fā)生三相故障時，保護(hù)C處的測量電壓小于動作電壓，測量阻抗為正，且阻抗比例系數(shù)為0.5，小于1符合保護(hù)啟動判據(jù)。由于微網(wǎng)中逆變式電源安裝的逆變器保護(hù)，故障電流很小，導(dǎo)致電壓很小，得到的q軸電壓也很小，根據(jù)保護(hù)動作時間方程，保護(hù)幾乎瞬時動作，考慮到q軸電壓的衰減過程和濾波器周期，取半個工頻周期后的數(shù)據(jù)來計(jì)算Vq*平均值，故障從0.06 s開始，在0.085 6 s結(jié)束。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時，C處測得的電氣量同樣符合保護(hù)啟動判據(jù)，此時的阻抗比例系數(shù)為0.5，Vq*平均值為0.531 28，根據(jù)電壓衰減時間和保護(hù)動作方程可得保護(hù)在故障發(fā)生后0.04 s動作。三相短路動作時間小于相間短路動作時間，很好地體現(xiàn)了保護(hù)的反時限特性。

5 結(jié)束語

文中在由逆變式分布式電源構(gòu)成的微網(wǎng)中，利用了故障時電壓量下降的電氣特征，并加上距離保護(hù)的一部分思想，提出了低電壓反時限保護(hù)方案。該保護(hù)通過測得的交軸電壓的平均值和阻抗量實(shí)現(xiàn)，能夠很好地應(yīng)付逆變式電源故障電流小的情況，并加強(qiáng)了保護(hù)的選擇性和動作的快速性。仿真結(jié)果證明保護(hù)方案可行。通過選取合理的反時限曲線形狀系數(shù)和動作電壓參數(shù)實(shí)現(xiàn)了上下級保護(hù)之間的配合。

針對微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)式分布式電源并直接接地的情況，提出了利用故障選相技術(shù)，對故障相電壓來替代交軸電壓平均值進(jìn)行保護(hù)整定，避免了由于旋轉(zhuǎn)式DG直接接地導(dǎo)致健全相電壓增加引起保護(hù)舉動的情況。并針對微網(wǎng)接地系統(tǒng)中，過渡電阻的影響進(jìn)行了討論和改進(jìn)。

低電壓反時限保護(hù)方案有如下特點(diǎn)：克服了傳統(tǒng)電流保護(hù)在小電流下，無法正常動作的困難；保護(hù)啟動利用了電壓下降，和阻抗比例系數(shù)小于1進(jìn)行判定，具有很好的選擇性；保護(hù)具有一定的抗過渡電阻能力，利用故障選相技術(shù)，也可以對含有旋轉(zhuǎn)式DG直接接地的微網(wǎng)提供保護(hù)。另外文中對微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)式DG的情況，并未具體討論，實(shí)際微網(wǎng)中可能含有旋轉(zhuǎn)式DG直接接地的情況，需深入研究。